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技術文章

開展無局放試驗變壓器的陳述

 (1)大尺寸測量

 由于國防、航空、航天以及大型工程的需要，開展無局放試驗變壓器的陳述，大尺寸測量已經是一個熱門研究課題。2002年國際生產工程學會(CIRP)以“大尺寸計量——新進展”為題，做了測量領域的主題報告，足以說明大尺寸計量在現代科技及生產中的重要性。

 大尺寸測量主要指幾米至幾百米范圍內物體的空間位置、尺寸、形狀、運動軌跡等的測量。航空、航天、天文觀測與空間探索、交通（含交通監測、軌道、管道鋪設、電梯安裝運行等）、大型工程（如粒子加速器、發電機組、輪船、大型容器等）都對大尺寸測量提出很多、很高的要求。

 在長度與距離測量方面應用*多的是激光干涉儀（包括采用增量碼和**碼的干涉儀）和基于時間測量的各種雷達。影響測量精度的主要因素是大氣折射率以及與它相關的各種波在大氣中傳播速度的變化。

 在直線度測量方面應用*多的是激光準直和各種基于步距測量的系統。激光準直測量中影響測量精度的主要因素是激光束的漂移和大氣的擾動，減小漂移和擾動的方法和誤差補償技術是這一領域的主要研究課題。影響步距測量法精度的主要因素是誤差的累積，包括單次測量誤差的累積與調整誤差的累積。此外，步距法對不同頻率的誤差有不同的傳遞系數。

 在空間測量方面主要采用基于三角測量原理的經緯儀、多攝像機系統、基于球坐標系統的激光跟蹤干涉儀、基于多邊法的全球定位系統(GPS)和采用多干涉儀的激光跟蹤干涉系統等。基于三角測量原理的系統存在標定的問題，此外測量不確定度隨距離迅速增長。球坐標測量系統也有后一問題，且若發生擋光，測量還需從頭開始。

 筆者在國家自然科學基金會資助下，對基于多邊法的激光跟蹤柔性坐標測量系統進行了研究。利用四個按一定布局安放的激光跟蹤干涉儀B1、B2、B3、B4，在測量出它們到目標靶鏡Ti的距離后，即可確定目標靶鏡Ti的空間坐標。如果B1、B2、B3、B4的基點位置是已知的，只要三路就可以確定目標靶鏡Ti的空間坐標。但跟蹤干涉儀是現場安裝的，它們之間的相對位置是未知的，因此需要利用冗余技術來自標定。首先在某一點將四路激光器全部清零，目標靶鏡Ti移動一個位置，可以得到Bj、Ti(j=1～4)之間距離的4個方程，而新增的Ti的空間坐標未知數只有3個，即多了一個方程。當測量點數足夠多(9)時，就可以確定B1、B2、B3、B4的4個基點與清零點的位置，實現自標定。

 為了實現自標定，需要4路跟蹤干涉儀，開展無局放試驗變壓器的陳述，但在標定后只要3路就能正常工作。因此工作中，即使有一路暫時擋光，由于基點與動點坐標均已知，還能恢復跟蹤，并重置該干涉儀的正確讀數，即實現丟失信號自恢復。

 利用冗余技術，還可以將跟蹤干涉儀逐個地遷移到新位置并標定新的基點位置。這樣就可以將各個跟蹤干涉儀遷移到新的位置，測量被測對象上原來測不到的點，并保持坐標系的統一。

 在研究工作中我們解決了4路跟蹤干涉儀的*佳布局和*佳標定問題，研究成功了一種雙軸獨立回轉的跟蹤系統，它具有轉動部分質量輕、跟蹤快的特點，預計將在國防與大型工程測量中獲得廣泛應用。

 (2)微納測量

 正如白春禮院士所指出的，為了促進納米科技的發展，使納米科技能夠真正造福于人類，必須對納米器件的研制和納米尺度的檢測與表征給以充分重視與重點支持。

 作為納米科技發展的里程碑——掃描隧道顯微鏡正在由觀察工具向測量工具發展。繼掃描隧道顯微鏡之后，出現了原子力顯微鏡和各種掃描探針顯微鏡（Scanning Probing Microscope）。然而，要使它真正成為測量工具還必須“溯源”，將它與“米”定義聯系起來。德國國家物理技術研究院（PTB）、Ilmenau大學、中國計量科學研究院、天津大學等，都在將掃描探測顯微鏡與激光干涉儀連接方面做了大量研究工作。

 除了各種掃描探測顯微鏡，近場光學顯微鏡在微納測量中也極有應用前景。光學測量方法沒有測量力，這在微納測量中具有很大的優越性。由于它工作在離被測件只有若干納米的近場，克服了衍射對光學系統分辨力的限制。電容傳感器等也可達到納米級的分辨力，但需要經過標定。

 激光波長可以直接溯源，但激光波長為幾百納米。為了達到納米級分辨力需要細分，采用一般電子或軟件方法很難保證細分精度。PTB、英國國家物理實驗室(NPL)、意大利國家計量院（IMGC）聯合研制了一種將激光干涉儀與X射線衍射儀結合在一起的大量程納米測量儀。它利用硅220的晶格常數（在100kPa和22.5°C下為0.192015497nm）對激光波長實現細分，達到亞納米的分辨力。

 科技的發展要求不僅在一維尺度上、而要在三維尺度上實現納米測量。上世紀80年代，美國國家標準技術研究院開始研究分子測量機，90年代末，美國北卡羅萊納州立大學夏洛特分校與麻省理工學院合作進行了亞原子測量機的研制。亞原子測量機的測量范圍是25mm×25mm×100μm，測頭采用近場光學顯微鏡，具有零膨脹系數的微晶玻璃構成計量框架，同時采用磁懸浮導軌。由于z向行程較小，采用三個經過**標定的電容傳感器同時測量z向位移和工作臺繞兩根水平軸的轉動。在x、y兩個方向都采用激光干涉儀，y向采用了兩個激光干涉儀以確定工作臺的角擺，進行誤差補償。整個測量機還采用筆者在該校做訪問教授期間研究成功的方法進行綜合誤差補償。初步測試結果測量機的不重復誤差小于1nm。

 德國Ilmenau大學研制的納米測量機將掃描探針顯微鏡或其它亞納米分辨力顯微鏡（如近場光學顯微鏡）作為瞄準（對零）裝置。被測對象放在測量機工作臺上，與三面直角反射鏡一起運動。x、y、z干涉儀分別測量工作臺在x、y、z三個方向的位移，俯仰、偏擺和滾轉傳感器分別測量工作臺繞三根軸的角運動誤差并進行誤差補償。根據初步實驗結果，該測量機可以在25mm×25mm×5mm范圍內，達到0.1nm的分辨力和5～10nm的測量不確定度。

 我國臺灣大學與合肥工業大學也在合作進行納米三坐標測量機的研究工作。開展無局放試驗變壓器的陳述

 微機電系統是一個十分令人注目的技術領域，特別是在國防、航空、航天、生物、醫學、智能技術等領域。2000國際生產工程學會第50屆年會的5篇大會主題報告中有3篇是關于微機電系統或納米技術的。從2001～2003年3屆年會中又有5篇關于微機電系統的主題報告。

 微機電系統的關鍵技術包括設計、工藝、封裝和測試。測試在微機電系統中具有極重要的位置，因為在微觀范疇，物體、材料的許多物理、力學等性能都是與宏觀世界不一樣的，適合于微機電系統的新設計數據需要通過測試來獲取，微機電系統的性能也需要通過測試來評定。

 微機電系統的檢測包括工藝檢測和性能檢測。微機電系統檢測的難點首先在于它尺寸小，要能捕獲微小尺寸的感受點，捕獲機構必須十分小，同時需要**定位。**是要求檢測過程不會對微執行器的運行狀態有任何影響。借用電路上的術語，也就是要求檢測裝置的輸入阻抗為無限大，不從被測對象提?。ㄒ膊惠斔停┤魏文芰俊５谌沁\動（不僅包括機械運動，也包括其它形式的運動）的量也很小。感受點很小，運動量又很微小，要求測量裝置有很高的靈敏度和**度。在很多情況下，微機電系統的檢測技術已成為制約微機電系統發展的一個瓶頸因素。

 筆者承擔的國家自然科學基金項目“利用激光多普勒技術測量梳狀振子運動特性”的原理為：開展無局放試驗變壓器的陳述，由激光器L發出的激光束經聲光調制器A進行分光和調制，得到兩束頻率相差40MHz的光，再經五角棱鏡C、反射鏡M1、M2，準直棱鏡組O1、O2，經棱鏡O3將光束聚焦于被測物體P的表面。反射光經O3收集，穿過O3后變成平行光，再經M3反射，由O4聚焦到光電接收器E。若被測物體P以速度V運動，光束1和2與V的夾角分別為θ1、θ2，激光的頻率為f0，則光電接收器E輸出信號的頻率為：f＝f0+Δf，其中Δf＝f0V(cosθ1-cosθ2)/c，其中c為光速。在測得Δf后即可求得振子的運動速度，并由此獲得其運動特性。

 從以上討論可以看出，測試技術對社會發展起著極其重要的推動作用，必須充分運用一切*新科技成果，加快發展測試技術，促進國民經濟與國防發展，促進人民健康與社會安定。
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