能量天平质量量子基准中感应线圈准直误差抑制方法研究

The joule balance method to measure the Plank constant is essential for mass quantum metrology in China. However, the alignment error of the induction coil cannot be effectively restrained now, and so the measurement uncertainty is too large to redefine the kilogram. In this project, we propose a novel method to reduce induction coil alignment errors, which is based on the restraint of parasitic displacements. This method establishes a mathematical model to calculate the initial pose of the induction coil, which will theoretically solve the chain coupling problems of parasitic displacements and lay a foundation for the alignment errors online restraint. In addition, this method will study the parasitic displacements measurement method based on three distributed laser interferometers to extract the relevant information from laser interference signals, which will provide online measurement results for the initial pose calculation of the induction coil. What’s more, this method will do research on the feedback control strategy of the induction coil position and posture control with an optimized feedback path to reduce the parasitic displacements, so that the alignment errors can be restrained. This project will provide essential theoretical reserve and technical support for mass quantum metrology device based on the joule balance method.

能量天平法测量普朗克常数是我国自主提出的千克量子化定义方法。但目前，能量天平感应线圈的准直误差无法得到有效抑制，普朗克常数的测量不确定度不能满足千克量子化定义的需求。针对上述问题，本项目提出一种基于寄生位移实时约束的感应线圈准直误差抑制方法。该方法通过建立感应线圈初始位姿解算模型，从理论上解决感应线圈寄生位移之间的连锁耦合问题，为实现能量天平准直误差的实时抑制奠定理论基础；通过研究基于3路分布式激光干涉位移传感的寄生位移测量模型，挖掘光学干涉信号中携带的感应线圈寄生位移信息，为感应线圈初始位姿的解算提供实时的测量数据；通过研究感应线圈的位姿反馈控制策略，对反馈控制路径进行最优规划，从而约束寄生位移的大小，实现准直误差的抑制。该项目将为实现基于能量天平法测量普朗克常数的质量量子基准装置，提供重要的理论储备与技术支撑。

2019年5月20日后，国际单位制（SI）中的基本单位千克（kg）启用了基于普朗克常数的量子化新定义。能量天平是我国自主的千克量子化定义及复现方案，是国际主流的三种千克新定义复现方案之一。目前在该方案中，准直误差引入的测量不确定度是能量天平最大的一项不确定度分量。针对能量天平准直误差抑制的需求，本项目梳理并建立了能量天平感应线圈准直误差抑制模型，并针对性地提出能量天平感应线圈的寄生位移测量方法，初始位姿识别方法，以及位姿反馈控制方法。在上述方法的支撑下，本项目搭建了一套能量天平感应线圈准直误差抑制系统，该系统通过实践上述研究理论，实时调整悬挂（感应）线圈相对于激励磁体的位置及姿态，使准直误差引入的不确定度由原有的9E-8下降至现在的优于2E-8，为提高我国能量天平装置的测量能力提供了重要的技术支撑。. 在本项目成果的推动下，能量天平装置于2019年9月至2020年3月间，代表中国参加了由国际计量局（BIPM）组织的首次千克复现方法国际关键比对（CCM.M-K8.2019）。比对结果表明，能量天平的测量结果与比对参考值（KCRV）的相对偏差仅为1.17E-8，相对标准不确定度为4.49E-8，综合测量能力在国际主流的电天平法中位列世界第三。能量天平的测量数据已成功用于首个国际质量共识值（the Consensus Value）的评定，进而用于SI新定义后全球质量量值传递。本项目的研究成果抑制了能量天平中最大的一项不确定度来源，对能量天平成功参加此次比对做出了突出贡献。