计量器具校准信息系统技术开发.docx
《计量器具校准信息系统技术开发.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计量器具校准信息系统技术开发.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
计量器具校准信息系统技术开发
计量器具校准信息系统技术开发
日本松本弘一
计划自平成13年（2001年）花费5年时间，进行开发计量器具校准信息系统技术。
现在对于各种计量标准，由于全球经济一体化的原因，为了确保我国产业在国际上的竞争力，提高国民生活，确立国内外标准溯源体系的高质量化、高效率化非常重要。
此外，在承担计量标准的国立研究机关中，对于各种校准、审查业务，解决量值传递的地理问题，使之达到高精度化、省力化、缩短校准时日、达到技术审查的高效率化也非常重要。
因此使用信息网络、光纤网、全球定位系统（GPS）等通讯信息网络技术等，在不同领域各种标准中进行远程校准技术的研究开发是必要的。
现正在进行时间标准、长度标准、电气标准、放射能标准等计量领域内的远程校准技术的开发研究。
远程校准的概念：
其目标为：
利用最新的信息通讯技术（信息网络、光通信、全球定位系统（GPS）等）使保证质量的量值传递迅速、便宜、正确地完成。
时间标准
——用GPS传授法进行频率远程校准
研究目的：
目标为：
使用GPS卫星传授法，实现远距离放置的用户的校准器（频率标准器）和日本产总研（筑波NMIJ）的国家频率标准（特定的标准器）之间远程频率校准。
研究内容和成果
GPS卫星，是英国构筑，运用全世界卫星定位系统的代表。
GPS卫星，搭载高稳定的原子时钟，从各GPS卫星定位信号用L频率带输送。
如图1所示的概念图。
即：
与本所（筑波）进行远程校准的客户同时从同一个GPS卫星接收信号，以双方的基准频率标准器作为基准，与GPS时间的时刻差依据GPS时刻比较用的受信机来进行测定。
用户的测定结果，利用因特网传送到本所，从与本所的测定结果间的差即可计算出用户的被校准器具与本所国家标准（特定标准器）的时刻比较的结果，根据时刻差的数据可推出用户的被校准器具的频率偏差。
图2表示的是客户的设备实例（室内部分）。
在该例中使用的GPS受信机，从GPS卫星的L1（1575.42MHz）、C/Acode到12卫星可以同时受信，一天最大能进行900观测的测定。
图3表示的是像图1~2显示的机器，在国内数个所实验的实例中得到的测定限界。
纵轴表示频率稳定度，横轴表示平均时间。
GPS传授法的误差来源可列举为：
1）卫星轨道的推定误差，2）由GPS信号的传输媒质的误差，3）受信天线位置误差，4）受信机的噪音引起的误差等。
从图3表示的结果可判断，即使在国内条件最差的地方，一天平均（误差）在1×10-13以内的校准是可能的。
今后的课题
时间（频率）标准已经于今年（2005年）1月开始以“委托试验”的形式进行远程校准服务了。
接下来将jcss化作为目标，形成制度化的课题进行实施。
此外，为了追求更小的不确定度所进行的技术开发是GPS卫星搬送波位相的利用，其不确定度不是特别高即可，作为便利性较高的方法充分利用GPSDO（GPS从属发振器）实施基础实验等。
长度标准——光频（波长）远程校准（产总研）
研究目的
开发能利用超低损失的光纤传送通信带的波长范围的稳定激光和光梳进行光频率测定的系统。
同时，找出使用光纤的波长标准进行传送试验的技术问题，研究利用实际铺设光纤等的标准的量值传递是否可能。
研究内容和成果
强烈驱动锁模激光或电气光学变调器的情况下输出的光，在光频轴上考虑时就形成频率等间隔地排列的光谱，这样的光像立着的梳齿，因此也称其为光梳，可作为光频的尺子。
由通信带的波长振动形成的稳定激光、将其作为基准被稳定的光梳，由于能用极低损失的光纤传送，作为物理量的波长标准经由光纤远距离地传送，在这期间可以进行计测器、激光的校准。
开发使用光梳的光频（光波）校准系统，使用实验室中的10km的光纤的光梳进行传送实验，确认了为了波长校准的信号没有特别的劣化。
今后的课题
实际铺设光纤，其对温度、振动等条件与实验室不同，有更严格的条件要求。
最后一年的目标是进行现场试验。
长度标准
利用光梳输出信号进行微波信号与距离传输（东北大学）
研究目的
建立锁模光纤激光在光尺、高精度微波时钟方面应用的基础技术。
研究内容和成果
利用传统的电路获得的微波-毫波非常困难，而利用来自于锁模光纤激光的窄束光梳的输出信号可以精确的达到目的。
并且，利用这一新技术产生的高频信号还可以通过光纤网络实现远距离输送。
本技术不但利用超高精度的微波-毫波信号创造出良好的环境，也为在未开拓的高频领域所用的新型测定仪器及其应用领域的发展提供了一定的技术基础。
本研究中，重复频率的稳定性在1×10-11以下，振动线幅在500Hz以下，实现了10GHz锁模光纤激光。
并且使用150公里的色散位移光纤以及色散管理光纤，成功地进行了主激光的光梳输出信号的长距离传输实验，信号传输中光梳之间发生的微波信号（S/N＞80）没有使其发生劣化现象。
今后的课题
今后，进行实地铺设的光纤网现场实验，进行微波信号的远距离输送技术的验证实验。
东北大学电气通讯研究所
长度标准：
光纤应用
实用长度标准器的远程校准
研究目的
建立通过光纤、输送带有长度信息的光信号，对量块等实用长度标准器进行远程校准的技术。
研究成果及内容
低相干性光源仅仅在干涉计中的光程差为零时形成干涉缟纹信号。
当2个干涉计用光纤连在一起，通过低相干性光时，仅仅在2个干涉计各自的光程差一致时可以检测出干涉缟纹信号。
一侧的干涉计设置在用户的测定室、当校准物被设置后，来自于标准实验室通过光纤传输过来的光投照在被校准样品上，只需用光检测器检测其反射光就可以得到溯源到国家标准上的长度校准值。
利用室内133km、室外47km的信息通信用的光纤网进行了远程校准的验证实验。
今后的课题
今后，从实际的认证事业者到用户的校准室，通过光纤通信网，进行长度标准器的远程校准验证实验和大规模生产工厂等的验证实验。
长度标准——飞秒长度标准
研究目的
开发利用飞秒脉冲激光的波型间的频拍测定距离的技术，用光纤进行远程校准法的不确定度可达到0.5ppm。
研究内容及成果
利用飞秒锁模脉冲激光光学频率梳，使以往的光波距离计的精度提高，并且可溯源于时间频率标准，作为常用的参照标准器开发了实用、高精度并且可移动的光波距离计。
据此，不用光波干涉计作媒介即可实现光波距离计的校准，并且不需再用大型的设施。
平成16年（2004年），为了推进装置的可移动性，进一步将实验机进行了小型化改良。
其结果，实现了只有位相测定器、评价系的误差，没用周期误差的高精度测定。
并且，利用该结果开始开发实用机原型。
通过与企业共同研究，做成了只有A4纸大便携型的试验机。
今后的课题
平成17年（2005年），开发用飞秒锁模脉冲激光光学频率梳高（精）度化、不确定度为0.5ppm便携式光波距离计，同时，通过GPS时钟、光纤给光梳付以频率值，验证基于频率标准的距离测定。
据此，开发可溯源到时频标准的距离计的远程校准方法。
长度标准——碘稳频氦氖激光器
研究目的
为了实现被国际计量委员定义的米，在稳频激光中的碘稳频氦氖激光是最被常用的波长标准。
通过将急速发展的数字化信号处理技术用于碘稳频氦氖激光的控制系统，实现了在模拟控制中实现不了的用软件进行高机能的控制。
同时，试图通过因特网利用测定数据进行远程校准。
研究内容和成果
构筑了碘稳频氦氖激光的数字控制系统。
采用16bit75MHz的DSP，开发了通用的4路输入和4路输出的控制用数字信号处理装置。
控制系统具有16bit采样频率为120kHz的性能。
由于控制参数可以通过软件进行设定，碘稳频氦氖激光的控制特性有了很大的提高。
今后的课题
通过采用高性能的DSP和提高采样频率实现控制范围扩大和提高分解能，进而实现高精度化。
同时，通过开发高机能过滤器，进行开发控制的高度化和自动位相调整机构等。
通过最上位标准器（激光）相关技术的共有、开发，实现标准化的Linux化。
另外一个目标就是通过FPGA实现控制回路的高性能化。
电气标准：
直流电压
——可编程约瑟夫逊电压标准
开发不用液体氦也能运行，并且利用GPS从标准研究所进行远程校准可编程约瑟夫逊电压标准系统。
需要
在先进国家的多数标准研究所，利用约瑟夫逊素子表示独特的频率-电压变换机能的瑟夫逊电压标准（JVS）系统作为一次标准（基准）被使用。
但是，JVS系统相当高价，为了使其稳定地运行必须连续地供给液体氦。
因此，在发展中国家、民间企业JVS几乎不用。
另一方面，被称为可控（可编程）约瑟夫逊电压标准（PJVS）的新JVS，被期待着成为下一世代的JVS。
这是因为PJVS具有电压设定时间短（<1ms）、对杂音具有高稳定性等优点。
进一步，为了使JVS系统相互间的校准简单化，期待着能以GPS的频率信号为媒介进行JVS系统的远程校准。
研究内容和结果
为了回答上述问题，利用小型冷冻机可以使其运行起来，标准研究所的JVS，例如进行开发可能通过NMIJ的JVS进行远程校准的PJVS系统。
图1和图2分别为开发的PJVS的集成电路片和PJVS系统的最初的原型样机照片。
今后的课题
不久的将来，计划将PJVS集成电路片的最大电压增加到10V。
另外计划追加作为微波供给装置的基准频率，通过使用GPS使上述原型样机科技可接受远程校准。
电气标准：
交流电压
——AC-DC标准
充分利用信息通信网络，进行计量标准的远程校准技术的开发。
具体通过使用快速反转DC技术，提供与国家标准相匹配的高精度的AC-DC转换标准（AC-DC标准）。
此外，要实现的目标为利用信息通信技术，迅速并且低成本地实现所建立的AC-DC标准的远程（e-trace）校准。
需求：
对应全球经济活动迅速化、一体化，作为战略的社会基础，替代以往的进入（拿进）校准的是期待近代的计量标准传递体系，尤其是产业界对此希望非常强烈。
在AC-DC标准领域，由于建立基准较难，将较容易导出高精度的AC-DC标准的快速反转DC技术实用化被期待着。
该技术的实用化作为开端，如图1所示，实现将从前的锥型的溯源体系置换成下世代的水平型的溯源体系是下一阶段的目标。
研究内容和成果
为实现高精度、高信赖性的AC-DC转换标准，开发了由快速反转DC模件（FRDCmodule）、数字正弦波合成模件（DSSmodule）、热变换器模件（TCmodule）构成的AC-DC传递标准。
开发的原型3号机的各模件的外观由图2所示。
由这些模件组合，通过进行快速反转DC测定、交直差比较测定，即可建立AC-DC基准。
利用开发的系统，进行了AC-DC标准的远程校准的验证试验。
图3表示的结果即为交直差测定的实施结果的例子。
基于这些成果实用化的ET2001型AC-DC传递标准装置，于平成17年度（2005年度）由AIST认证完成从试制到销售的预定。
今后的课题
此次研究开发的结果，任何人都能较容易地建立与国家标准相匹配的高精度AC-DC转换标准，并且其整合性通过热转换器（TC）的巡回比对进行确认，从技术上讲是可行的。
另一方面，由于这个方法与现行的溯源体系没有整合，成为今后应解决的问题。
并且，期待着现在产综研开发中的用可编程约瑟夫逊电压标准实现量子化交流电压标准（Josephson-DAC），加速过渡到下世代的溯源体系。
电气标准：
------电感标准
研究目的
灵活使用市售的LCR计（阻抗计）开发标准感应器远程校准系统，目标是实现标准感应器的远程校准不确定度在100ppm（k=2）以下。
积极地使用一般市售的机器进行开发可以降低成本，有利于向产业界普及的系统开发。
研究内容
电感标准和电容标准一样，是多数低频阻抗标准中重要物理标准之一。
电感标准的传递通常通过对标准感应器的校准实现。
即，电感标准的远程传递是指用户的标准感应器不用送到校准机关即可进行校准。
图1是标准感应器远程校准示意图。
即利用仲介器进行远程校准的方法。
首先由校准机关（国家计量标准机关或认证的事业者）将校准完的仲介感应器送给数个用户，同时，将同轴切换器一同送给用户。
用户将其与被校准的感应器和市售的阻抗计、计算机相连接，构成标准感应器的远程校准系统。
启动计算机的程序进行相关检测。
所用的计算机程序可通过因特网下载。
校准系统与测量程序从开始到结束可实行全自动测量，用户不再需要进行特殊培训。
用户将测量结果通过电子邮件发送给校准机关，校准机关对其进行分析处理后，将校准结果通过电子邮件返送给用户。
图2是校准系统的外观示意图。
仲介的感应器与同轴切换器做成一体型，收纳在专用容器中送给用户。
并且，本系统所使用的市售LCR计以及计算机均为广泛使用的普及型。
研究成果和今后的课题
到平成16年度（2004年）标准感应器的远程校准系统的样机的开发已经完成，今后，考虑对样机的同轴切换器的动作检查，以及仲介感应器的诸特性进行评价（稳定性、环境依存性的测定）的同时进行检测用的程序的调整，完成远程校准系统。
另外，作为验证试验，在国内几个校准事业者间进行标准感应器的远程校准试验。
放射能标准
——放射能远程校准
研究目的
利用信息通讯网技术开发放射能的远程校准技术。
目的是将放射能标准迅速且低价地传递。
研究内容和成果
日本同位素协会持有的特定的标准器电离室和Ge半导体探测器可以从产综研远程校准验证试验已经完成。
并且，海外的研究机关KIRSS与日本同位素协会间的远程校准试验也已进行。
今后的课题
增加长半衰期的稳定标准源的种类，用长半衰期的标准源在产业界巡回使用，实现校准是今后的课题。
并且有必要进一步探讨电离室等的放射能测定装置的稳定性。
放射性活度标准
——医疗用放射性活度测定装置的远程校准
研究目的
使医疗用放射性活度测定装置使用于远程校准技术，扩大远程校准系统。
研究内容和成果
进行了产综研和日本同位素协会仁科纪念回旋加速器中心以及产综研和放射医学综合研究所之间的医疗用放射性活度测定装置的远程校准的验证试验。
今后的课题
进行放射性同位素（RI）制造业者、医院等所有的放射性活度测定装置的远程校准验证试验，培训校准事业者的同时，探讨医院等的放射性活度测定装置的校准方法及制度。
三座标测量机测定标准
研究目的
目的是灵活运用信息通信网络技术，构筑坐标测量机的溯源体系。
需求
根据ISO9000的要求测量的溯源性是非常重要的，对于坐标测量机而言其溯源性的要求也非常高，因此，建立其溯源制度是当务之急。
研究内容
利用信息通信网络，建立：
1）三座标测量机的远程操作技术；
2）有效的、高效的测定程序
3）计算出几何学误差的技术
4）不确定度评定技术
研究成果和今后课题
建立三座标测量机的远程操作技术，开发远程校准技术，建立计算三座标测量机的几何学误差的分析系统。
今后，建立应用本系统进行国内标准传递的体制。
温度标准
——传递用铂电阻温度计
研究目的
提高定点装置的校准效率、减轻送检者的负担。
在产总研进行的（0~420）℃温度范围用的温度定点装置（铟点：
156.5985℃、锡点：
：
２３１.９２８℃、锌点：
４１９．５２７℃）的校准作业，维持了其不确定度水平，开发了传递用铂电阻温度计。
现在，用户所有的定点装置送至筑波的产总研，与国家的特定标准器的温度定点装置进行比较校准。
但是，由温度控制炉和定点槽构成的庞大的定点装置，解体、运送、组装将是送检者很大的负担，同时破损、故障等风险巨大。
为了解决此问题，不用运送定点装置，只运送温度计求出其与定点装置间温度差进行校准，开发了适于运送的铂电温度计。
研究内容和结果
温度计的开发
到目前为止用于作标准的铂电阻温度计，对于振动极其脆弱，在运送时，由于冲击很容易使其指示值发生变化，为此，开发了具有保护传感器结构的、对运送时的振动具有较高的防护能力的铂电阻温度计。
验证试验
为了确认所开发的温度计的性能，和以往一样在进行校准送检定点装置的同时，用2根运送用温度计和定点装置进行比较测定。
铟点、锡点分别用两种方法校准的结果如图所示。
两种方法之间的差和2根运送用温度计间的差，各自分别在0.1mK以内，与扩展不确定度比较，其大小可忽略。
另外，用运送用温度计校准的不确定度与以往的方法的不确定度要大，但若考虑送检定点装置的风险的话，其实用化的价值是比较大的。
今后的课题
今后，在铟点、锡点进行的验证试验在锌点也要进行，计划将温度范围覆盖420℃的同时，对铟点、锡点还要进行经时变化和重复性的确认试验。
压力标准
——气体压力标准的远程校准
研究目的
利用数字压力计，基于压力标准远程构成系统进行了标准传递技术的开发。
需求
为了确保测量的可信性，由运输、测定环境的不同使感度容易发生变化的测定器的校准，要求尽量在距测量现场较近的场所进行。
研究内容
通过数字压力计的性能评价和利用技术开发提高精度，并且进行远程校准系统的构筑和实用试验。
研究成果和今后的课题
成果：
为了确保可信性配置了2台高精度数字压力计，为了使其能抵抗运输时的振动，试制了坚固型可移动的样机。
进行了隧道效应的实用试验
课题：
开发可移动型高精度数字压力计，校准证明书的发行方法的研究等。
中国计量科学研究院何雅娟译
升级会员 