一种以长度为基准的纳弧度量级角度量值溯源方法研究

An approach for nano-radian angle traceability using length datum is proposed aiming at the problem that the uncertainty of existing angle traceability methods is difficult to be further improved. A set of quartz wedge plate with relatively prime wedge angles is developed, and the wedge angles are traced back to the length quantity using the principle of equal inclination interference. The multiple prime wedge angles of the wedge set are used as the transposition steps, which are transferred to other angular positions by the multi-transposition method (or multi-shift method) of the error separation technique, so as to realize the nano-radian angle traceability and transference. A nano-radian angle generator which is necessary for the angle quantity transference is developed. A uniform load driven method using piezo combined with booster unit is adopted and three micro-angle measurement units with different principles are integrated in the angle generator to check its angular output for cross-calibration, thus to achieve the nano-radian level angular output resolution and positioning repeatability.

针对现有角度量值溯源不确定度难以进一步提高的问题，拟研究一种以长度为基准的纳弧度量级角度量值溯源方法，具体为：研制一组具有互质楔角的石英楔形平板，利用等倾干涉原理将楔角值溯源至长度量；将楔形平板组的多个互质楔角作为转位步长，利用误差分离技术中的多转位法(或称多步平移法)将楔角值量传至其他角度位置，实现纳弧度量级角度量值溯源与传递过程；研制角度量值传递过程中所必需的纳弧度角发生器，采用压电陶瓷结合助力单元的均匀负载力驱动方式以及集成三种不同原理的微角度测量单元对角度输出量进行互比校验，实现纳弧度量级角度输出分辨力和定位重复性。

角度量是精密工程领域中最重要的基本几何量之一，角度量及其他工程参量向七个基本单位量的溯源问题，是计量领域的一大类科学问题。本课题针对角度量值溯源问题进行研究，探索一种以长度为基准的纳弧度量级角度量值溯源方法，分别对基于电容传感器的微角度测量单元（CMAM）和基于激光干涉测量的微角度干涉仪（MAI）进行了理论分析、蒙特卡洛仿真和实验测试；在二者各自的综合误差评估模型中引入了元器件安装误差及传感测量误差，仿真与测试结果表明，CMAM和MAI测量误差的标准偏差在±900″范围内分别为0.120″和0.025″，在±300″范围内分别为0.039″和0.008″，分辨率为0.0015″（7.5 nrad），CMAM和MAI的绝对角度测量精度远低于其理论分辨率，需要通过进一步校准以获得更高的测量精度。同时研制了角度量值传递过程中所必需的纳弧度角发生器，其中二维方向偏转轴位于同一平面，并且与光学反射面重合，可以避免在实现纳弧度角度偏转的过程中引入平动耦合误差，实现了行程±1000″（10 mrad）、分辨力0.0002″（1 nrad）的开环角度输出。