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長度計量:弘揚工匠精神 助推中國制造

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發布時間:2019-05-21 10:21 來源:
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华人彩票在线客服 www.macuj.icu 長度計量簡介
  尺度是宇宙萬物的基本屬性。從最大的宇宙直徑到最小的普朗克長度,人類目前已知的尺度跨度達到了10的61次方。但是,沒有規矩,不成方圓。古人逐漸認識到,為了衡量比較各種物體的形態和大小,必須規定統一的尺度,從而更好地認識世界和改造世界。
  中國古代有“布手知尺”的說法,英尺則來源于曾在英國大憲章上簽字的約翰王的腳長。但基于人體的尺度標準會隨著政權的更迭、時間的流逝不斷變化。例如,在中國,一尺的長度從商代的約17cm變化到清代的32cm,增加了近1倍。
  目前我國使用的法定長度單位米,源于1795年法國大革命時期法國立法創建的“米制”。當時的法國度量衡委員會主席拉格朗日提出了以地球子午線長度的4千萬分之一作為米定義的基礎,從而使長度定義于“自然基準”之上,使得尺度大小得以固定。
  1889年第一屆國際計量大會確定實物基準“米原器”為國際長度基準,所有國家的米基準必須溯源到國際米原器。但隨著工業生產水平的提高,特別是大規模流水線生產方式的采用,米原器的精度已不能滿足需要,而且實物基準的易損性和不易復制性也使得米原器一旦損毀就將造成尺度紊亂,必將對世界經濟社會造成難以估量的影響。人們逐漸認識到,必須確定一個能夠在宇宙生滅的時間跨度內不會變化的米定義。經過了1960年、1983年兩次修訂,國際單位制(SI)基本單位米的定義最終確定為:光在真空下1/299792458秒中走過的距離。米定義最初是用碘穩頻激光波長復現的。但由于氣體分子的熱力學運動和多普勒效應的影響,其精度極限為10~12量級。
  一百多年前邁克爾遜的著名實驗以及愛因斯坦的相對論證明了在可觀測的宇宙空間內,光速是不變的,是最基本和最重要的物理學常數。由于距離等于速度乘以時間,時間和空間就這樣通過不變的光速聯系起來,光速事實上是時空的比例系數。這就意味著,雖然時間是流逝的,長度是固定的,但在SI單位的層面上,時間和空間不是獨立的,長度和時間可以相互溯源。
  中國計量院銫原子噴泉鐘已經達到了10~ 15量級的相對不確定度,大大優于碘穩頻激光波長的精度。為了進一步提高米定義SI單位國家基準的精度,進而提高整個長度計量體系的精度,必須將SI長度單位溯源到SI時間單位。目前,中國計量院已建立了這樣的溯源系統,通過自行研制的飛秒光學頻率梳實現了從長度到時間的溯源。
  幾何參量包括物體尺寸、角度、輪廓、形狀和位置姿態,是制造業最重要的基礎控制參量。隨著制造技術的不斷變革,測量過程愈加深入到制造的各個方面,測量精度不斷提升,測量范圍不斷擴大,測量種類不斷增加,急需更先進的計量技術來支撐。
  目前,高度工業化國家已將全部勞動力的大約10%用于擔任測量檢測任務;高性能制造裝備中的測量系統成本已達到裝備總成本的30%~50%,而且越高水平的制造對測量的要求就越高。高準確度的長度(幾何量)計量技術與儀器設備已成為高端裝備制造、集成電路制造和智能制造的基礎和“眼睛”,決定了高端裝備的制造能力與水平,是大國必爭的戰略高端技術。例如,齒輪的平穩傳遞有賴于準確的漸開線齒面輪廓;活塞外徑和氣缸孔徑相互配合構成的合適間隙是發動機高效工作的保障;天文望遠鏡的拋物面準確與否決定了其成像質量;航空發動機的葉片形狀及其安裝精度對發動機的性能有著極大影響;飛機各部件的控制測量精度是實現飛機數字化裝配和影響飛機質量的關鍵;納米線寬、線間距和臺階高度是影響集成電路質量和產品合格率的決定性因素等??梢運?,缺少了幾何量準確測量技術的支撐,就不可能有現代制造業的發展。
  因此,計量并不能僅僅終結于SI基本單位定義的實現和溯源。長度計量作為制造業的基礎,為了實現準確測量,就要通過量值傳遞,為各類零件、部件和整機產品的各種幾何參量提供準確的測量量值,從而保證制造和裝配精度,保障產品質量。中國計量院建立的各種幾何量國家基標準裝置,目的就是通過傳遞標準對制造業的生產設備和測量儀器進行校準,滿足制造業對準確測量的需求。同時,這些國家計量基標準裝置通過國際比對,均實現了與國際相關量值的等效一致。這也是“中國制造”能夠走向世界的基礎與前提。

長度計量研究成果
  中國計量院長度計量科學與精密機械測量技術研究所(以下簡稱長度所)自1955年成立以來,一直致力于研究、建立、保存、維護國家長度計量基標準、幾何量的量值傳遞、國際比對、標準考核、能力驗證、相關國際建議及國家標準制修訂、計量規范制修訂、高新技術和新發展領域量值溯源體系及相關技術的研究。目前中國計量院在長度計量領域有國家計量基準裝置9項,國家計量標準裝置41項,能夠提供的校準220項,檢測項目81種,包括了尺寸計量、形狀計量、納米計量、大長度計量和位置姿態計量,已形成較為完整的長度量值傳遞系統。長度所的服務對象包括了汽車、軌道交通、石油、鋼鐵、航空、航天及微電子行業中與制造相關的主要大型企業,有力支撐了我國制造業的發展。此外,長度所還參加了全部長度計量國際關鍵量比對,共有80項校準與測量能力(CMC)獲得了國際互認,保證了我國長度量值的國際等效性。
  其中,由中國計量院研制的兩米激光比長儀標準裝置,可以將米定義按等間隔長度復現在實物標準器上。該標準裝置在1米測量范圍的測量不確定度達到60nm,約為人的頭發直徑的千分之一,準確度達到了國內最高、國際先進水平。裝置所用的532nm碘穩頻激光器為自主研制,具有完全的自主知識產權,并獲得2008年國家科技進步二等獎。
  激光二坐標標準裝置填補了二維標準版溯源和掩膜版國內技術空白,解決了相關校準技術難題,有力支撐了國內集成電路、液晶顯示、先進制造等領域的發展,提高了這些領域的產品競爭力。
  80m大長度激光比長裝置填補了我國大長度計量標準的空白,解決了大型裝備制造企業相關測量技術難題,有力地支撐了我國科研院校在光頻率梳絕對測距、大尺寸新測量技術、新方法、新設備的研究,促進了大尺寸精密測量技術的發展。
  隨著我國經濟的發展和制造業水平的提高,中國計量院針對海洋船舶、航空航天等領域的大型設備和裝備,開展了大量的現場校準服務。具體如下:
  為中國航天空氣動力研究院進行的風洞中飛機姿態仿真平臺測試,解決了大功角機構攻角、測滑角、高度、橫車定位誤差的現場測試難題,滿足了氣動參數標定用空間姿態仿真的需求。
  為北京衛星制造廠的衛星天線混合測量系統進行系統整體精度測量,解決了多參數、大尺寸測試的問題;為北京衛星環境工程研究所太空模擬倉攝影測量系統進行精度測試,解決了其溯源、絕對精度、空間重復性、光學窗口等測試問題。
  為高鐵機車外形的檢測限界規、軌道板智能掃描檢測系統、輪轂裝配自動測量系統等提供測量技術支持及可靠數據溯源技術支持。

未來思考
  已是制造大國的中國要實現可持續發展,就必須成為制造強國。隨著智能時代的到來,無論是新一代信息技術、高檔數控機床和機器人、航天航空航海和軌道交通,還是與人類活動密切相關的地理空間位置屬性等,都對長度計量提出了新的挑戰。這些挑戰包括:尺度的擴展、參量的增加、更高的測量精度,設備狀態動態測量與控制,多傳感器原位在線校準、互聯網+遠程化校準技術,海量測量數據實時處理與智能生產控制、相關測量技術融合及數據溯源等。長度計量領域的不斷創新發展,將為我國向制造強國邁進提供有力的技術保障。□中國計量院長度計量科學與精密機械測量技術研究所副所長 高思田

(責任編輯:系統管理員)

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