如何利用普朗克常数对质量单位kg进行量子化定义,被国际计量领域公认为最具挑战性的研究,2012年更是被《Nature》杂志列为当年世界6大科学难题之一。能量天平是我国自主提出的质量量子基准的“中国方案”,其方法内涵是基于机械能与电磁能平衡原理构建普朗克常数h、标准砝码质量和电学量量子基准的联系,间接建立质量量子基准。其中,标准砝码质量是由自身重力矢量与电磁力矢量平衡理论推导获得,两个力矢量须沿重力方向对准,否则将给能量天平测量引入力矢量对准误差,影响标准砝码量值溯源的准确性。目前,力矢量对准误差引入的相对标准测量不确定度为9×10-8,成为制约能量天平实现小于5×10-8相对标准测量不确定度的主要因素之一。因此,亟待开展能量天平力矢量对准方法研究,提高力矢量对准准确性,为实现能量天平法质量量子基准提供有力的技术支撑。本课题通过研究电磁力矢量和标准重力矢量作用机理和对准关系,提出一种基于解耦点空间重叠布局的力矢量解耦方法,实现电磁力矢量和标准重力矢量的解耦。通过研究电磁力矢量和标准重力矢量对准误差来源,本课题分别提出一种基于绝对偏差量解算模型的电磁力矢量对准调整方法和一种基于双环重叠柔性铰链的标准重力矢量自对准调整方法。为了验证本文提出理论和方法的正确性,设计能量天平悬挂系统并进行力矢量对准实验,主要研究工作如下:针对能量天平悬挂系统空间力系中由于非对准寄生转矩导致电磁力矢量与标准重力矢量之间难以对准的问题,提出一种基于解耦点空间重叠布局的力矢量解耦方法。该方法首先通过具有重叠结构的柔性解耦环节保证电磁力矢量和标准重力矢量解耦点重合,避免非对准寄生转矩的产生;其次基于力矢量平衡原理,建立能量天平悬挂系统力矢量解耦模型,解算出力矢量对准时柔性解耦环节的刚度系数,为柔性铰链设计提供理论支持。该解耦方法不仅满足电磁力矢量和标准重力矢量的解耦要求,而且降低标准重力矢量寄生转矩对电磁力矢量对准状态的影响。实验结果表明:标准重力矢量加载对电磁力矢量对准状态的影响平均降低71.2%。针对能量天平由于电磁力水平分量和电磁转矩之间强耦合导致电磁力矢量难以对准调整的问题,提出一种基于绝对偏差量解算模型的电磁力矢量对准调整方法。该方法首先利用安培定律和力矢量平衡原理,分别建立电磁力矢量对准误差项的求解模型,构建电磁力矢量非对准状态下悬挂线圈姿态相对变化量与绝对偏差量之间的关系,实现悬挂线圈位置和姿态相对变化量对绝对偏差量的解算。其次设计具有测调功能的悬挂系统:悬挂线圈水平位置和姿态分别通过精密位置传感器和激光干涉仪测得,悬挂线圈水平位置通过精密位移平台实现调整,姿态通过改变悬挂连杆上压电陶瓷长度实现调整。实验结果表明:电磁力矢量对准相对标准测量不确定度由2.6×10-8降低到4.2×10-9。针对能量天平由于砝码偏心转矩和偏载转矩复合作用导致标准重力矢量难以对准调整的问题,提出一种基于双环重叠柔性铰链的自对准调整方法。该方法首先利用内、外环力矢量解耦点重叠的柔性铰链,避免标准重力矢量偏载转矩产生。其次基于卡氏第二定理建立双环重叠柔性铰链的柔度模型,根据能量天平悬挂系统实际载荷对其柔性切口尺寸进行分析和设计,使其柔度满足标准重力矢量自对准调整的要求。当1 kg标准砝码加载到柔性铰链解耦范围之内时,砝码偏心转矩被抑制,最终达到标准重力矢量自对准调整的目的。实验结果表明:1 kg标准砝码加载后,悬挂线圈水平位置相对变化量小于1.8μm,倾斜角度相对变化量小于0.8μrad,达到标准重力矢量自对准的目标。最后,根据规划的能量天平力矢量对准调整步骤,电磁力矢量和标准重力矢量对准调整后同时加载到悬挂系统上,实验结果表明:悬挂线圈水平位置相对变化量小于4.5μm,倾斜角度相对变化量小于6.4μrad;力矢量对准相对标准测量不确定度由9×10-8降低到1.3×10-8,满足能量天平力矢量对准要求;同时能量天平测量和溯源能力由500 g提升到1 kg。