旋转液体特性实验测量重力加速度实验误差研究

旋转液体的物理特性研究是新世纪大学生必修实验。学生在实验操作过程中出现的实验误差，直接影响本实验对于重力加速度的测量。本文创新性地进行了不同类型的实验误差下重力加速度测量准确度的理论推导，从而定量地分析了在实验过程中透明屏幕偏离水平位置角度α、激光垂直入射点位置偏移量Δx和激光入射方向偏离垂直方向角度γ等因素对重力加速度测量准确度影响规律。分析结果表明：透明屏幕偏离水平位置5°会引起5.5%的误差；激光垂直入射点向左偏离目标点x₀处5 mm会引起12.5%的误差，激光垂直入射点向右偏离目标点x₀处5 mm会引起11.8%的误差；激光入射方向向左偏离垂直方向5°会引起16.3%的误差，激光入射方向向右偏离垂直方向5°会引起22.9%的误差。该研究可为高校教师指导学生进行旋转液体特性实验时减小重力加速度测量误差提供理论依据。     

基于磁力限制摆物运动的单摆测量重力加速度

单摆测量重力加速度时,在释放摆球的过程中可能会出现圆锥摆的情况,由此会导致有效摆长不等于绳长,影响测量精度。为此,在传统单摆测量装置的基础上,利用磁力控制摆球的运动轨迹,进而提高重力加速度测量的准确度.该方法测得重庆当地的重力加速度为g=9.788m/s~2,与原子干涉法的测量结果(9.794m/s~2)接近.     

基于非扫描式干涉仪的光谱探测研究

探测视场的大小是激光预警性能好坏的一个重要指标。在采用非扫描式傅里叶变换干涉仪探测激光光谱的实验基础上,计算了在60°视场范围内激光以任意角度入射时关于入射角度与相干位置的光程差函数,推导了干涉条纹间距与入射角度及波长的方程组,提出了采用两个干涉仪在垂直角度下运算求解的方法。经仿真计算可知,随入射角度的变化而造成干涉条纹变密、亮带变细和波长偏移等结果。实验证明,干涉条纹计算和仿真结果与实验相符,在较宽的视场范围内可以有效探测激光光谱信息,求解激光入射方向的最高精度可达1°。     

考虑空气阻力用落球法测重力加速度g值的计算

普通物理实验中用落球法测重力加速度g时,是不计空气阻力的。因而,尽管人们在实验装置上作过种种改进,实验值(即用y=1/2gt~2算出的)与当地标准值相比相差将近2×10~(-2)m/s~2左右,甚至还要大些。出现这一偏差的原因之一是不计空气阻力的结果。本文考虑了空气阻力对计算重力加速度g的影响,推出了测量值y、t和重力加速度的关系式。并用该式计算了两个实例。最后简要地分析了误差的分配。     

多普勒加速度测量的数字相关鉴相算法

针对激光多普勒加速度测量系统信号信噪比较差的问题,提出了一种采用数字相关鉴相算法进行加速度解调的方法。使用数字相关鉴相算法计算激光多普勒加速度测量系统中两路干涉信号的相位差,再由相位差的变化率来计算目标加速度,从而实现运动物体加速度的连续测量。仿真结果表明:该算法在信噪比为20dB时,加速度测量的误差为0.135m/s~2,分辨率为7.3×10~(-3) m/s~2。搭建了激光多普勒加速度测量系统,对压电陶瓷振荡器的加速度进行测量,加速度的测量误差为0.13m/s~2。测量结果表明,该算法能够有效减少随机噪声的干扰,提高加速度的测量精度。     

基于可调谐激光的光谱辐射照度响应度定标

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量,新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量,可以大大降低测量的不确定度。该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源,然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑,进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。研究主要集中在四个方面：(1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器,其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值,通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率,可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差,结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%;(2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号,并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响,测量重复性优于0.1%;(3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异,采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数,分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度,在450,632.8和850 nm波长下,当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25;(4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异,采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正,测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置,可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价,测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。     

基于聚焦物镜与PSD的激光对中测量方法研究

针对传统激光对中方法数学模型复杂、求解困难的不足,提出一种基于聚焦物镜与PSD的激光对中测量方法。该方法利用光学系统中视场与焦距的关系以及相似三角形的原理得到不对中的角度偏差和平行偏差,测量原理简单,求解方便。实验结果表明,当平行偏量和角度偏量的测量范围分别为0.5 mm~1.5 mm,0.047 7°~0.143 2°时,平行偏量测量误差范围为0.035 mm~0.207 mm,角度测量误差范围为0.000 2°~0.012 8°。最后对系统测量误差进行分析并提出一种消除安装误差影响的方法,给出了计算公式。     

基于激光反射法的单摆测量重力加速度

为提高单摆测量重力加速度的精度,在传统单摆测量方法的基础上,提出了基于激光反射法在单摆上测量重力加速度的方法.该方法利用激光反射法提高单摆周期的探测精度,利用逐差法减小单摆摆长的测量误差,能有效地避免微小圆锥摆对于测量精度的影响.实验结果表明:该方法测得武汉当地的重力加速度为g=9.792m/s2,与用原子干涉法的测量结果相比在误差范围内(±0.002m/s2)一致.     

利用复摆测量重力加速度及对摆的位形参数的测量

采用在钢尺一端吸附强力钕铁硼磁铁的简单复摆装置,并利用智能手机上的phyphox应用程序,通过测量吸附不同质量磁铁情况下的运动周期,得到不同情况下的运动周期数据,最后利用非线性回归分析的方法,最终得到呼和浩特市的重力加速度为9.803 9 m/s~2,与精确的测量结果的误差不到万分之六.同时此实验可以确定长条形摆的有效位形尺寸.     

移动式多普勒激光雷达光束扫描及风场反演技术研究

移动式多普勒激光雷达在外场实验过程中,考虑到工作平台的随机性,测量坐标系很可能不再是地面参考坐标系,这为三维矢量风场的反演带来困难。提出采用三维空间坐标旋转变换的方法建立了测量坐标系与地面参考坐标系的一般关系式,并进一步导出了反演三维风场的普遍公式。此外,在光束扫描过程中,由于二维扫描仪加工精度等的限制,光束存在一定的定向误差。采用Monte-Carlo模拟方法定量研究了光束指向偏差引起的风场测量误差,结果表明,当水平风速为100m/s时,1°的光束定向误差引起的水平风速大小误差为0.712m/s,方向误差为0.704°,与理论计算结果一致。理论分析结果还表明:当水平风速为100m/s时,1°的光束最大定向偏差引起的水平风速大小的最大偏差为1.16m/s,方向最大偏差为1°。     

高功率激光诱导光学元件损伤阈值测量的不确定度分析

 激光诱导损伤阈值作为一实验参量，对其结果作不确定度分析有利于激光工作者在某个精度范围内获知该参量的信息。从激光损伤和损伤阈值定义出发，分析了基于ISO11254的损伤几率测试法测试激光诱导损伤阈值的不确定度来源，包括激光能量测量、激光光斑有效面积测量、各能量密度处损伤几率的计算以及对损伤几率点进行直线拟合这4个方面。并利用统计学原理和线性拟合等理论对这4个方面引起的不确定度分量及最终测试结果的相对合成不确定度进行了计算。以1 064 nm高反薄膜样品为例，分析表明：损伤几率点的计算和几率图中损伤几率的直线拟合是损伤阈值测试结果不确定度的主要来源，当样品的损伤阈值为7.79 J/cm²时，这两种因素引起的相对不确定度可分别在4%和18%左右，损伤阈值的相对合成不确定度达18.72%。     

厚度误差对THz-TDS的测量不确定度分析

阐述了基于菲涅尔公式的透射式太赫兹时域光谱系统提取样品光学常数的方法和原理,分析了样品厚度误差对THz-TDS测量不确定度的影响,并建立了相应的不确定度模型。进行太赫兹时域光谱测量实验,提取硅片在太赫兹波段的折射率,并计算了误差对提取样品折射率的影响。结果表明,随着厚度误差的增大,系统测量偏差也随之增大。对于较厚样品,相同厚度误差对其测量结果影响较小。样品厚度为994μm时,在厚度存在1μm的测量误差情况下,系统测量折射率的偏差为0.001 2,接近模型的仿真值。实验结果验证了厚度误差对测量不确定度模型的有效性,了解了厚度误差对系统测量结果的影响情况,对测量过程及结果分析具有一定的指导意义。     

激光量热计不确定度分析

 基于激光量热平台,对ISO 11551涉及的3种弱吸收数据处理方法——指数法、脉冲法和梯度法进行了不确定度分析。从回归分析的角度对拟合参数γ和A等进行了不确定度评估,采用Matlab软件进行不确定度的计算。采用B类评定法对质量、功率等测量参数进行不确定度评估。随机选取样本进行多次测量,验证了本文不确定度评估的有效性。分析和实验表明,拟合偏差是弱吸收测量不确定度的主要来源。指数法的相对不确定度约为0.0129,脉冲法的相对不确定度约为0.0029,是最优的数据处理方法,梯度法采用的样本点过于单一,相对不确定度约为0.0961。提高量热计精度的可行途径是改进数据处理方法和提高激光功率测量精度。     

近临界区表面光散射法乙醇界面性质的实验研究

针对高温及近临界区流体界面性质测量难题,本文研究了表面光散射法在该温度区间流体表面张力和黏度的高精度测量方法。获取了饱和状态下乙醇在温度范围为303 K~T_c内的表面张力和黏度,并利用实验数据分别拟合了对应的van der Waals方程和含临界项的温度倒数多项式方程,在全温度范围内实验值与方程的偏差均在1.5%之内。同时分析了表面光散射法测量流体表面张力和黏度的测量扩展不确定度,当对比温度T_r=T/T_c0.9时,表面张力和黏度的测量不确定度分别为1%和2% (k=2);当对比温度0.90 T_r 0.99时,测量不确定度范围分别为1%~7%和2%~3%(k=2)。     

新型高精度绝对重力仪

精密测量地球表面的重力加速度(g, 常用值9.81 m/s²) 是探测地球重力场的重要途径, 已广泛应用于计量、测绘、地质、地震与资源勘探等领域. 随着我国"2000国家重力基本网"和"中国地壳运动观测网络"的建成, 对高精度绝对重力测量的需求日益增加. 为深入研究现有绝对重力测量技术可能存在的系统误差, 并满足国内多个领域对高精度绝对重力仪的迫切需求, 自主研制T-1型可搬运式高精度绝对重力仪样机, 采用经典的真空自由落体方案, 通过激光干涉测量和数据拟合方法获得重力加速度值. T-1型绝对重力仪主要包括以下几部分: 高真空度自由落体装置、小型化激光干涉测量装置、超低频垂直隔振系统、高速信号采集系统、仪器控制与数据处理系统. 绝对重力测量的长度基准为稳频He-Ne激光器, 时间基准为铷原子钟, 这两项现有基准的测量不确定度都优于1× 10^-9. 测试结果表明, T-1型绝对重力仪在12 h内重力测值的标准差可优于1 μupGal (1 μupGal = 10^-8 m/s²), 测量结果的复现性优于3 μupGal, 可实现微伽量级不确定度的精密重力测量, 有望在我国多个关键领域发挥重要应用.     

基于旋转液体特性实验的激光双次反射法测重力加速度

旋转液体特性实验是大学物理实验中典型的综合实验项目,本文利用激光束在旋转液体表面的双次反射时的特性,确定了测量重力加速度的新方法。通过对比实验发现,本设计减少了原有单次激光反射测量重力加速度时的物理量数目,并有效提高了测量结果的精确度。     

动态光散射法热/质扩散系数同时测量方法研究

流体工质的热、质扩散系数是表征其传热和传质的重要迁移性质,往往需要采用不同设备测量获得。为探索可同时测量热、质扩散系数的动态光散射方法,研究了采样时间、入射角、黏度、折射率偏差及路易斯数Le等因素对测量可靠性及精度的影响。利用二元混合流体正己烷/正癸烷、正己烷/正十六烷体系进行验证,结果表明：当采样时间为弛豫时间的1.5～3倍且入射角度为8°～12°时,具有较低黏度、较高折射率偏差（>4%）的体系且Le值为10～80时,可以同时可靠地获取流体热、质扩散系数,且测量不确定度低于5%;与已有方法对比,热、质扩散系数的偏差分别为4.00%和3.56%,证明了该测量方法和系统的可靠性。     

用改进的落体法测量重力加速度

提出了一种改进的测量重力加速度的自由落体方法,该方法只采用一组光电门,下落距离由精密加工在落体上的缺口控制并被光电门感知。通过理论计算表明:在理想状态下,(1)初速度越小,重力加速度g的测量结果的相对不确定度越小;(2)g的测量结果的相对不确定度随距离s_2的增大而减小;(3)在s_2固定条件下,s_1取s_2的五分之一至三分之一范围内时,g的相对不确定度较小。本方法的测量结果与当地标准值的相对偏差小于0.2%,测量精度比较高。     

基于双芯光子晶体光纤的激光多普勒多点速度测量研究

为了实现微流体流场中多点速度测量,提出基于双芯光子晶体光纤的激光多普勒速度计研究。理论分析基于双芯光子晶体光纤的相干特性和控制体特征。计算结果表明纤芯间距为7.4μm,在控制体内可产生5条干涉明纹,与实验结果保持一致。但由于噪声的存在,实验所得各级条纹的强度比值比理论计算结果小。增大纤芯间距,可增加控制体内的干涉条纹数量,从而提高速度测量精度。从双芯光子晶体光纤出射的光斑至相干过程的成像结果表明,速度计的工作距离约30μm。分析基于双芯光子晶体光纤的激光多普勒多点速度测量原理,并进行单点、两点和三点速度测试。单点测量时,粒子平均速度为0.980 m/s,相对不确定度为0.5%;两点测量时,粒子平均速度分别为1.761 m/s、1.769 m/s;三点测量时,粒子平均速度分别为2.106、2.084、2.097 m/s。实验结果表明,基于双芯光子晶体光纤的激光多普勒速度计可进行多点速度测量,而且具有探头微型化、系统简单的特点,因此可嵌入微系统进行流场的多点速度测量。     

用自由落体法测量重力加速度的实验误差分析

本文对用自由落体法测量重力加速度的实验误差进行了分析,确定了使误差最小的实验测量条件,并对测量不确定度进行了估算。