初步设计并组装了基于qPlus 技术的原子力显微镜（AFM）测头。使用石英音叉型力传感器替代了硅悬臂传感器,并设计了前置放大电路,研究了测头的频率特性,利用搭建的实验装置对测头的性能进行了测试。测试结果表明:该测头在频率调制（FM）模式下具有较高灵敏度。同时测头频率特性的研究显示探针及其粘接部位的质量是影响测头谐振频率的最主要因素。为qPlus-AFM测头的设计、组装及后续研究提供了经验和基础。

针对传统边缘提取算法定位精度低、对噪声敏感等缺点,提出一种基于高斯积分曲线拟合的亚像素边缘提取算法。通过曲面插值求取像素级边缘法截线上各离散点的灰度值,再进行高斯积分曲线拟合,寻找高斯积分曲线的均值点坐标,实现亚像素边缘的精定位。用量块直线边缘进行实验,并与现有亚像素边缘提取算法比较,实验证明基于高斯积分曲线拟合的亚像素边缘提取算法定位精度较高,可以达到1 μm,且算法可靠性高、计算速度快,能够用于高精度测量。

为了解决无法通过直接比较法实现激光粒子计数器对凝结核粒子计数器的溯源问题,根据伯努利气体流动原理和气溶胶稀释比例的计算方法,分析了气溶胶在稀释过程中,存在随着补充气体流量的增加,稀释器腔体内压力不恒定的问题,提出了一种新的气溶胶稀释方法,可满足激光粒子计数的溯源问题。实验结果表明,该方法解决了补充气体对气溶胶出气口流量的干扰问题,同时能够对高浓度气溶胶中不同粒径的0～90倍范围内稀释比例保持较好的一致性,测量数据与理论计算值的最大相对误差不超过4.4%。

建立了圆筒形黑体空腔模型,分别基于积分方程法、有限元分析法、Monte-Carlo法对该黑体空腔的有效发射率进行计算,并对比分析了不同腔体几何形状、腔体材料发射率、探测器距腔口距离等因素对黑体空腔有效发射率的影响。结果表明:在相同长径比、孔径比、材料发射率等条件下,长径比较大、孔径比较小、腔体材料发射率较大时黑体空腔有效发射率较大。

提出一种基于3路独立激光干涉仪消除大长度激光测量中的阿贝误差的方法,3路干涉仪的安装位置可布置成任意三角形。通过3路干涉仪的测量结果及被测仪器与3路干涉仪安装位置的几何关系,构造一路与被测仪器同光路的虚拟干涉仪,推导虚拟干涉仪的测长公式。该算法对干涉仪的安装位置无特殊要求,在实践中易于实现。为验证算法的有效性,依托于室内80 m大长度标准装置,通过改变被测仪器安装位置,在45 m范围内进行了3组不同的验证实验。实验结果显示消除阿贝误差后,残余的其它误差的最大值仅为1.10 μm,该算法可有效地消除阿贝误差。

城市聚集了世界50%的人口和70%以上的碳排放,然而,每个城市的碳排放不确定度很大,50%～100%的数据误差是很常见的。对温室气体浓度的时空分布特征及碳排放测量反演的基本思路进行了介绍。目前美国国家标准与技术研究院（NIST）正在资助开展若干个城市/城市群碳排放测量试点项目,利用自上而下的方法,基于温室气体浓度测量和精确的城市尺度大气输移扩散模式,反演推算城市区域的碳排放通量。对NIST正在开展的研究进行了综述,并对中国计量科学研究院未来在该领域的工作进行了展望。

根据对比度及对比敏感度函数的定义,提出了一种基于积分球和特制调光器产生人眼对比敏感度测试目标的方法,搭建了人眼对比敏感度函数自动化测量系统。该系统采用交叉阶梯法进行心理物理学实验,可以实现人眼对比敏感度函数的测量,可测量的空间频率包括0.8,1.5,2.0,3.0,4.5,6.0,12.0和18.0周/(°),对比度测试目标背景亮度示值误差±5%,对比度重复性0.001,复现性0.004,均满足人眼对比敏感度函数的测量要求。

2014年12月至2015年1月,中国计量科学研究院(NIM)采用新研制的光谱辐射照度国家基准装置,与全俄光物理测量研究院(VNIIOFI)进行了光谱辐射照度双边比对。比对的波长范围为250～2500nm, NIM和VNIIOFI的光谱辐射照度测量均基于高温黑体辐射源BB3500M,采用高温计测量黑体的温度,溯源至Pt-C和Re-C固定点黑体,并采用WC-C固定点黑体进行了验证,双方在3021K的温度一致性优于70mK。光谱辐射照度双边比对结果表明: 44个比对波长点的光谱辐射照度的平均相对偏差为0.45%。除2000nm波长点的相对偏差为1.1%外,在全波段范围内量值的一致性优于0.90%,均在声称的不确定度范围内。

介绍了高准确度光辐射功率校准原理和方法,利用低温辐射计作为主标准器,以陷阱探测器作为传递标准,激光器作为光源,通过激光功率稳定装置,校准了硅陷阱探测器和铟镓砷陷阱探测器的绝对光谱响应度。选取476.1, 488, 514.7, 521, 568, 632.8, 647.1, 785, 852, 980, 1064, 1550,nm共12条谱线完成了校准实验,绝对光谱响应度测量不确定度均优于0.05%。通过量子效率模型得出了硅陷阱探测器的绝对光谱响应曲线。利用InGaAs陷阱探测器分立波长点的绝对光谱响应度与相对光谱响应曲线进行了验证分析。结果表明,2种陷阱探测器均可用作传递标准进行高准确度的可见光和近红外光辐射功率校准和量值传递。

基于非正交轴系全站仪坐标测量系统的结构特点和测量模型,用数学分析的手段对其进行误差分析和测量不确定度评定。确定系统的主要误差分量是转台旋转角误差和激光跟踪仪测距值误差,并用GUM法评定各分量的不确定度。通过测量模型推导出系统的测量不确定度,并用MATLAB进行仿真,结果表明:当测距值不变时,测量不确定度几乎不受水平角变化的影响,而随着垂直角绝对值的增大而增大,当角度值不变时,测量不确定度随着被测点到视准轴上标定点的距离值增大而增大。实验初步验证了仿真结果的准确性。

通过对高双折射光纤光栅的特性进行分析,提出了一种新型的可埋入工程材料的扭转传感器结构。基于光纤光栅的模耦合理论和高双折射光纤的扭转特性,建立了扭转高双折射光纤光栅传输光波的数学模型,并分析其光谱特性,仿真结果表明扭转高双折射光纤光栅的反射谱不具备方向性,只与扭转角度大小有关。当扭转角度从0变化到360°时,高双折射光纤光栅的2个主峰波长都随之产生漂移,x方向的光向短波长方向移动,y方向的光向长波长方向移动,并且反射谱峰值逐渐减小,通过前向耦合模理论与反向耦合模理论结合分析并仿真,得出x和y方向上波峰值变化量,以及相应的中心波长的变化量,最后通过实验数据对高双折射光纤光栅的变化参数与扭转角度的关系作出验证。

介绍了中国计量科学研究院新建成的高压pVTt气体流量标准装置,该装置的不确定度为0.06%(k=2),音速喷嘴的流出系数不确定度为0.08%(k=2)。以3支音速喷嘴作为传递标准,对新建高压pVTt标准装置与原有pVTt装置及德国物理技术研究院的气体流量装置进行了比对,比对结果显示了实验装置间具有很好的一致性,并验证了装置的不确定度水平。

针对在经验模态分解筛选过程中间断信号引起的模态混叠问题,提出了一种基于解析模态分解的经验模态分解模态混叠消除新方法。利用第1个固有模态函数的瞬时频率特性得到其频率成分及二分频率,且能实现对间断信号的定位,然后再采用解析模态分解方法分离出间断信号,再对处理后的信号进行经验模态分解,从而消除该间断信号的影响。仿真分析和工程应用的结果表明,该方法能有效消除间断信号在经验模态分解过程中引起的模态混叠现象。

单相感应电动机运行时负载变化对扭转振动的影响限制了其使用范围,为了剖析负载变化对扭转振动的影响机理,建立了单相感应电动机的数学模型,包括简化等效电路和对应的相量图,同时定义了旋转磁场的椭圆度;然后改变额定电压工况下电动机的负载,对电动机转子的扭转振动进行了测试,结果表明负载变化时转子的扭转振动存在极小值,且主副绕组电参数会产生相应的变化;采用相量图对实验结果进行了分析,揭示了单相感应电动机负载变化对其扭转振动的影响机理。

通过对材料吸声系数混响室法测量分析,确定了该类方法测量结果不确定度的来源。对不确定度构成分量进一步分析,结果表明吸声系数的测量不确定度主要由混响时间测量的不确定度所决定,混响室体积、试件尺寸和声速测量的不确定度对吸声系数测量结果的不确定度贡献很小。混响时间测量结果的不确定度主要取决于混响室声场扩散程度,而测量装置本身引入的不确定度贡献较小。

针对光栅数字细分的CORDIC算法总量化误差EOQ进行了研究,根据CORDIC算法的基本原理进行了仿真和电路实验,结果表明在不同位宽b条件下预测值EOQs与实验值EOQp的差值与迭代次数n成反比,n=12时两者差值为1.8×10^-4 rad,证明了EOQ对CORDIC算法在光栅数字细分角度运算中的误差表征的有效性。对影响EOQ的关键参数以及误差分量进行了量化分析,分析结果表明EOQ随着n和b的增大呈现减少的趋势,其中n对EOQ的减小起决定性作用。电路测试结果显示当b维持不变,n每增一次, EOQ近似减小50%。获得了关于EOQ影响CORDIC算法角度计算的结论,对于光栅数字细分过程中的误差分析具有参考和实用价值。

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）双线温度测量原理,设计了7 153.748^-7-154.354 cm^-1谱线对单激光器TDLAS燃烧温度测量系统,对平面预混火焰燃烧温度进行测量,发现由于吸收较弱、信噪比较低等造成测量结果与热电偶测量结果相对偏差较大。针对这一问题,提出了采用(7185.597-(7 444.352+7 444.371)) cm^-1双激光器TDLAS系统,并结合增加光程方法来改进原有的温度测量精度。结果表明:采用双激光器可放宽谱线对的选择范围,选择吸收更强的谱线对可以有效提高信噪比,并且结合增加光程,可实现TDLAS温度测量结果与热电偶测量偏差由10%降低到5%。

针对某1220冷轧机带钢表面振纹形成的原因进行了跟踪测试和深入研究。在对1220冷轧机振动测试的基础上,通过对机架动态特性分析及工作辊周期内各阶段振动信号的分析研究,发现在支撑辊使用中后期,轧机以600Hz左右的第7阶固有振动为主;在轧制速度为中高速稳定轧制阶段,工作辊对中间辊的相对运动形成工作辊表面振纹;该辊面振纹反作用于轧机,引起轧机强迫振动,进一步加速振纹的形成,轧机的振动为共振与强迫振动共存。在分析振纹产生机理的基础上,结合振纹间距与振源的关系,找到了引起1220轧机产生振纹的原因,提出了振纹抑制措施,并取得了很好的抑制效果。

采用原子力显微镜直接扫描纳米压痕仪针尖法、球面拟合法和熔融石英标准样块的间接测量法对极浅压入下纳米压痕仪的针尖面积函数进行比较分析。实验表明,在极浅压入下,原子力显微镜直接法由于真实地反映了针尖尖端的几何形貌因而获得的面积函数更为准确可靠。建立了相应的数学模型,对于直接法测量中主要的误差,即由于原子力显微镜针尖曲率半径带来的误差进行了分析,结果表明在极小压入深度下压入深度越小,原子力显微镜针尖曲率半径带来的压痕仪针尖面积函数相对误差越大。

基于传输线理论进行推导,提出了S11相位参量的计量方法和实验方案。基于开路器、短路器和空气线等标准器件的实验验证了理论方案的正确性。此外实验还发现了误差分布的规律,提出了误差的机理模型,数值仿真验证了该模型的合理性。

研究了灵敏度矩阵更新的Landweber迭代图像重建算法,以期提高重建图像精度。灵敏度矩阵更新时的初始图像由Landweber迭代法获得,对不同迭代次数的灵敏度矩阵更新间隔进行了比较,并且对灵敏度矩阵的更新次数进行了分析,仿真及实验结果表明,该方法能有效提高图像重建精度。

使用RTU和RBC两种精密仪器对中国计量科学研究院中温基准实验室的F900高精密测温电桥进行了标定和评估,分析了不同工作频率、不同输出电流在长杆标准铂电阻温度计测温范围内对测量精度的影响。结果表明:电桥在不同的工作频率下精度的差异比较明显。工作频率为25 Hz时,使用RTU和RBC进行标定的最大测量偏差分别约为0.01 mK和0.06 mK;工作频率为75 Hz时,使用RTU和RBC进行标定的最大测量偏差约为0.08 mK和0.2 mK,且相比出厂时有了较大的漂移。电桥在不同的输出电流下精度的差异非常小,在15 μK以内。采用RTU及RBC对F900测温电桥评价的结果之间相互印证,该结果对中温固定点基准复现过程的不确定度评定提供了数据支撑。

采用直接亮度法针对逆反射亮度系数测量展开研究。搭建了测试系统,以逆反射标志为测试对象进行了实验测试,并将直接亮度法与直接发光强度法进行了对比。实验结果表明,直接亮度法在暗室杂散光要求、测试对象、测试距离以及结果的准确度等方面均比直接发光强度法有明显优势,而且测试过程简单,结果不确定度为3.27%(k=1.96)。

对中国计量科学研究院研制的温度范围覆盖-93～220 ℃的H500型红外遥感定标高精度真空黑体辐射源进行了介绍。采用圆柱圆锥黑体腔和双层4段PID控温,在真空低背景（液氮冷却）环境下对该黑体进行了性能测试,在大气室温环境下,利用控制环境辐射反射比发射率测量方法测量了黑体空腔发射率和利用红外标准辐射温度计测量空腔底部温度均匀性等指标。实验结果表明,该黑体辐射源升温速率为1 ℃/min下,控制到温度点的稳定时间优于50 min,并且10 min内的温度稳定性在0.01 ℃以内;黑体温度设置在20 ℃、30 ℃和50 ℃下空腔发射率的测量结果分别为0.996 5、0.996 6和0.996 3;其黑体底部温度均匀性优于0.03 ℃;在整个温度区域内扩展不确定度优于0.1 ℃（k=2）。

分析了面心立方结构晶体铜线材的热膨胀系数随温度的变化关系。采用精密仪器DIL402PC热膨胀仪测定了铜的热膨胀系数,得到在100℃到380℃之间铜的热膨胀系数基本保持在2.0836×10^-5/℃,比通常实验室条件下测得的结果稍大。温度大于380℃时,铜的热膨胀系数随温度呈线性增加。理论分析与实验测定的结果基本一致,说明应用此理论亦可以解释其它面心结构晶体的热膨胀系数。

基于石英音叉探针开发了一种自感应原子力显微镜(AFM)测头。该测头通过自身输出电信号检测悬臂振幅变化,无需外部光学检测部件,易于集成。针对测头设计了微弱电流提取及寄生电容补偿电路。利用商业化锁相放大器实现了对测头幅度信号的获取。在此基础上对测头在调幅模式下的力-距离曲线和分辨力进行了测试。利用锁相放大器内置的PID模块实现了调幅模式下对样品表面形貌的测量。实验证明,该测头灵敏度为0.624 mV/nm,分辨力优于2 nm。

针对系统误差与精度概念之间的逻辑纠葛,以及通过对测量界最典型系统误差的分析,揭示误差分类学说 其实是源于专业分工过细而导致的一种狭隘视角,是一种类似盲人摸象的狭义哲学观。通过对系统误差也遵循随机分布的证明和相关问题的讨论,提出所有误差都遵循随机分布这一新型的误差认识论,同时证实了测量不确定度概念体系的唯一科学性,给出了误差分类定义及其衍生出来的精度、正确度和准确度等概念应当删除的论据。

中温固体比热容测量基准装置是保证比热容、相变温度、相变焓等量值溯源的核心。装置主要采用绝热量热方法,实现量值结果溯源至SI单位。介绍了比热容装置的研究意义与测量原理,分析了其在该领域的研究状况,在此基础上提出了我国中温固体比热容测量基准装置的新方案和总体设计。

利用核函数学习可有效解决图像特征线性不可分的特性,结合稀疏表示算法的优势,提出了一种新的图像特征提取方法。采用基于竞争学习规则的独立分量分析法对图像进行稀疏表示,该算法可提取数据的高维特征,且不需要优化高阶的非线性函数和进行稀疏密度估计,因而有较快的收敛速度。与仅使用基于竞争学习的独立分量分析法相比,在PolyU数据库上的实验结果表明,采用基于核函数学习和稀疏表示相结合的方法所提取的数据特征有利于提高特征分类精度。

梯度法、曲面拟合法和N-R法是数字散斑相关方法中提高位移测量精度的3种主要亚像素位移算法。研究了3种算法的原理并进行了数值模拟仿真。首先使用计算机模拟生成一系列位移为0.01 pixel的散斑图,并在生成的图像中添加方差不同的高斯噪声,对3种算法在噪声条件下的精度进行比较,结果显示在精度要求为0.01 pixel时,梯度法的噪声方差上限为0.006,N-R法的噪声方差上限为0.000 5,而曲面拟合法的计算精度具有较大不确定性,无法保证精度,梯度法更适用于工程应用。

针对基于ISO GUM提供的测量不确定度评估方法所存在的局限,提出了采用多项式混沌方法进行测量结果不确定度评估的新方法。分析了GUM测量不确定度评估方法所隐含的假设条件,给出了多项式混沌方法的测量不确定度评估原理。通过GUM与多项式混沌方法扩展不确定度包含因子估计误差的数值计算表明,当随机变量的PDF不满足高斯分布时,多项式混沌估计方法所获得的扩展不确定度更能反映实际情况。

在GUM Sup.1提出基于分布传播的不确定度评定基础上,系统地介绍了自适应蒙特卡罗方法进行不确定度评定的原理和步骤,并以此对线性测量模型和非线性测量模型进行了仿真,得出自适应蒙特卡罗方法对两类测量模型不确定度都有较好的评定效果,同时指出自适应蒙特卡罗方法中仿真次数M和数值容差δ的合理选择都需要进一步研究。

针对半正弦冲击波形峰值的计算,提出了二次曲线拟合算法。通过截取部分峰值波形拟合计算获得峰值,有简捷、收敛的特点,并可通过拟合残差有效值判定拟合效果的优劣。该方法直接使用原始数据计算,无须滤波,可获得更加客观准确的结果。通过校准实验波形计算并与以往方法比较,验证了该方法的有效性和可行性。

为了建立厚度为1 nm左右HfO₂超薄膜的光谱椭偏测量方法,采用掠入射X射线反射技术进行国家/地区实验室间比对认证,其膜厚准确量值作为参比值,建立了HfO₂ 超薄膜的光谱椭偏结构拟合模型。研究了HfO₂超薄膜的光谱椭偏色散模型和拟合参数,最后确定了拟合色散模型为Tauc-Lorentz 3,拟合光谱范围为3.45~4.35 eV,表面污染层孔隙比例为60:40。

为实现双探针原子力显微镜的探针对准,用探针A对探针B的成像进行了深入的研究。首先对音叉探针进行有限元仿真,分析探针的机械特性。其次用锁相放大器获取探针的幅度和频率信号,让探针接近样品（硅片）以获得系统的分辨率。最后在YOZ平面用探针A对探针B扫描成像,逐步缩小扫描范围并同时减小扫描步进。实验表明,探针的分辨率优于1 nm,双探针对准精度可达5 nm。

为克服瞬态热线法导热系数测量中实验数据处理一般方法的弊端,将数值模拟引入实验数据处理过程,并通过比较理论计算曲线与实验曲线的符合程度来获得最终的实验结果。通过不同方法对实验数据处理结果的比较分析表明,所使用的方法可以更好地处理瞬态热线法导热系数测量数据,同时,与传统方法相比,采用较少的数据点即可得到正确的结果。研究结果不仅可以改进瞬态热线法导热系数实验数据的分析方法,而且对实验系统的设计与搭建也有借鉴意义。

高温还原法在不需要催化剂的条件下可将烟气排放中的二价汞转化为零价汞,便于进行烟气总汞的监测。运用差分吸收光谱法（DOAS）反演出烟气汞浓度,与没有加高温装置的测量结果作对比,验证高温设备的适用性,并配比不同浓度的零价汞和二价汞进行混合实验。在传统的DOAS算法基础上,研究遗传算法、傅里叶变换滤波及积分面积法对烟气汞浓度的影响。实验结果表明:传统算法具有偶然性,整体误差大;傅里叶变换反演出的浓度误差较大;积分面积法较遗传算法误差偏低,整体波动也小,反演出的偏差最小为0.55%,适合用于反演低浓度排放的烟气汞测量。

基于摄影光学理论,分析了相机在空气中和水下成像基点位置关系,提出水下摄影三点共线理论,并推导出相机在水下主距变化模型;分析了相机水下摄影视场和畸变大小的变化,设计了水下摄影测量相机标定方法;最后通过水下摄影试验标定,验证了水下摄影三点共线理论的正确性和水下相机标定方法的实用性。

介绍了实现超稳激光和Pound-Drever-Hall（PDH）稳频系统的基本原理,并就削减振动、温度、空气扰动等方面噪声的主要方法进行了讨论。此外,概述了超稳激光的主要应用,介绍了通过超稳激光实现超稳微波源的应用,并提出为实现超稳微波源而自行设计的超稳激光方案和系统设计参数。

基于超声共振频谱法原理,研制了可在变温条件下工作的超声共振频谱法测量系统,包括超声传感器、声学发射和接收系统、恒温系统以及数据采集和分析系统。在常温下分别测量了3种不同能量品质因数（Q值）的固体材料的弹性参数,分析了影响测量准确性的因素,测量的共振峰匹配误差（RMS）可小于0.04%,与国外先进商业仪的测量结果有良好的一致性。在此基础上,测量了轴承钢（9Cr18）从293 K至353 K的弹性参数,获得了轴承钢材料的等温压缩系数随温度变化的关系。该系统具备扩展测量温度范围的能力,所采用的超声共振测量元件,使得系统不做任何改动,在防氧化的保护气氛下,可将测量温度上限扩展至500 K;对超声信号激励和接收方式做相应改变,可扩展至更高测量温度。