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长度计量:弘扬工匠精神 助推中国制造

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发布时间:2019-05-21 10:21 来源:
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长度计量简介
  尺度是宇宙万物的基本属性。从最大的宇宙直径到最小的普朗克长度,人类目前已知的尺度跨度达到了10的61次方。但是,没有规矩,不成方圆。古人逐渐认识到,为了衡量比较各种物体的形态和大小,必须规定统一的尺度,从而更好地认识世界和改造世界。
  中国古代有“布手知尺”的说法,英尺则来源于曾在英国大宪章上签字的约翰王的脚长。但基于人体的尺度标准会随着政权的更迭、时间的流逝不断变化。例如,在中国,一尺的长度从商代的约17cm变化到清代的32cm,增加了近1倍。
  目前我国使用的法定长度单位米,源于1795年法国大革命时期法国立法创建的“米制”。当时的法国度量衡委员会主席拉格朗日提出了以地球子午线长度的4千万分之一作为米定义的基础,从而使长度定义于“自然基准”之上,使得尺度大小得以固定。
  1889年第一届国际计量大会确定实物基准“米原器”为国际长度基准,所有国家的米基准必须溯源到国际米原器。但随着工业生产水平的提高,特别是大规模流水线生产方式的采用,米原器的精度已不能满足需要,而且实物基准的易损性和不易复制性也使得米原器一旦损毁就将造成尺度紊乱,必将对世界经济社会造成难以估量的影响。人们逐渐认识到,必须确定一个能够在宇宙生灭的时间跨度内不会变化的米定义。经过了1960年、1983年两次修订,国际单位制(SI)基本单位米的定义最终确定为:光在真空下1/299792458秒中走过的距离。米定义最初是用碘稳频激光波长复现的。但由于气体分子的热力学运动和多普勒效应的影响,其精度极限为10~12量级。
  一百多年前迈克尔逊的著名实验以及爱因斯坦的相对论证明了在可观测的宇宙空间内,光速是不变的,是最基本和最重要的物理学常数。由于距离等于速度乘以时间,时间和空间就这样通过不变的光速联系起来,光速事实上是时空的比例系数。这就意味着,虽然时间是流逝的,长度是固定的,但在SI单位的层面上,时间和空间不是独立的,长度和时间可以相互溯源。
  中国计量院铯原子喷泉钟已经达到了10~ 15量级的相对不确定度,大大优于碘稳频激光波长的精度。为了进一步提高米定义SI单位国家基准的精度,进而提高整个长度计量体系的精度,必须将SI长度单位溯源到SI时间单位。目前,中国计量院已建立了这样的溯源系统,通过自行研制的飞秒光学频率梳实现了从长度到时间的溯源。
  几何参量包括物体尺寸、角度、轮廓、形状和位置姿态,是制造业最重要的基础控制参量。随着制造技术的不断变革,测量过程愈加深入到制造的各个方面,测量精度不断提升,测量范围不断扩大,测量种类不断增加,急需更先进的计量技术来支撑。
  目前,高度工业化国家已将全部劳动力的大约10%用于担任测量检测任务;高性能制造装备中的测量系统成本已达到装备总成本的30%~50%,而且越高水平的制造对测量的要求就越高。高准确度的长度(几何量)计量技术与仪器设备已成为高端装备制造、集成电路制造和智能制造的基础和“眼睛”,决定了高端装备的制造能力与水平,是大国必争的战略高端技术。例如,齿轮的平稳传递有赖于准确的渐开线齿面轮廓;活塞外径和气缸孔径相互配合构成的合适间隙是发动机高效工作的保障;天文望远镜的抛物面准确与否决定了其成像质量;航空发动机的叶片形状及其安装精度对发动机的性能有着极大影响;飞机各部件的控制测量精度是实现飞机数字化装配和影响飞机质量的关键;纳米线宽、线间距和台阶高度是影响集成电路质量和产品合格率的决定性因素等。可以说,缺少了几何量准确测量技术的支撑,就不可能有现代制造业的发展。
  因此,计量并不能仅仅终结于SI基本单位定义的实现和溯源。长度计量作为制造业的基础,为了实现准确测量,就要通过量值传递,为各类零件、部件和整机产品的各种几何参量提供准确的测量量值,从而保证制造和装配精度,保障产品质量。中国计量院建立的各种几何量国家基标准装置,目的就是通过传递标准对制造业的生产设备和测量仪器进行校准,满足制造业对准确测量的需求。同时,这些国家计量基标准装置通过国际比对,均实现了与国际相关量值的等效一致。这也是“中国制造”能够走向世界的基础与前提。

长度计量研究成果
  中国计量院长度计量科学与精密机械测量技术研究所(以下简称长度所)自1955年成立以来,一直致力于研究、建立、保存、维护国家长度计量基标准、几何量的量值传递、国际比对、标准考核、能力验证、相关国际建议及国家标准制修订、计量规范制修订、高新技术和新发展领域量值溯源体系及相关技术的研究。目前中国计量院在长度计量领域有国家计量基准装置9项,国家计量标准装置41项,能够提供的校准220项,检测项目81种,包括了尺寸计量、形状计量、纳米计量、大长度计量和位置姿态计量,已形成较为完整的长度量值传递系统。长度所的服务对象包括了汽车、轨道交通、石油、钢铁、航空、航天及微电子行业中与制造相关的主要大型企业,有力支撑了我国制造业的发展。此外,长度所还参加了全部长度计量国际关键量比对,共有80项校准与测量能力(CMC)获得了国际互认,保证了我国长度量值的国际等效性。
  其中,由中国计量院研制的两米激光比长仪标准装置,可以将米定义按等间隔长度复现在实物标准器上。该标准装置在1米测量范围的测量不确定度达到60nm,约为人的头发直径的千分之一,准确度达到了国内最高、国际先进水平。装置所用的532nm碘稳频激光器为自主研制,具有完全的自主知识产权,并获得2008年国家科技进步二等奖。
  激光二坐标标准装置填补了二维标准版溯源和掩膜版国内技术空白,解决了相关校准技术难题,有力支撑了国内集成电路、液晶显示、先进制造等领域的发展,提高了这些领域的产品竞争力。
  80m大长度激光比长装置填补了我国大长度计量标准的空白,解决了大型装备制造企业相关测量技术难题,有力地支撑了我国科研院校在光频率梳绝对测距、大尺寸新测量技术、新方法、新设备的研究,促进了大尺寸精密测量技术的发展。
  随着我国经济的发展和制造业水平的提高,中国计量院针对海洋船舶、航空航天等领域的大型设备和装备,开展了大量的现场校准服务。具体如下:
  为中国航天空气动力研究院进行的风洞中飞机姿态仿真平台测试,解决了大功角机构攻角、测滑角、高度、横车定位误差的现场测试难题,满足了气动参数标定用空间姿态仿真的需求。
  为北京卫星制造厂的卫星天线混合测量系统进行系统整体精度测量,解决了多参数、大尺寸测试的问题;为北京卫星环境工程研究所太空模拟仓摄影测量系统进行精度测试,解决了其溯源、绝对精度、空间重复性、光学窗口等测试问题。
  为高铁机车外形的检测限界规、轨道板智能扫描检测系统、轮毂装配自动测量系统等提供测量技术支持及可靠数据溯源技术支持。

未来思考
  已是制造大国的中国要实现可持续发展,就必须成为制造强国。随着智能时代的到来,无论是新一代信息技术、高档数控机床和机器人、航天航空航海和轨道交通,还是与人类活动密切相关的地理空间位置属性等,都对长度计量提出了新的挑战。这些挑战包括:尺度的扩展、参量的增加、更高的测量精度,设备状态动态测量与控制,多传感器原位在线校准、互联网+远程化校准技术,海量测量数据实时处理与智能生产控制、相关测量技术融合及数据溯源等。长度计量领域的不断创新发展,将为我国向制造强国迈进提供有力的技术保障。□中国计量院长度计量科学与精密机械测量技术研究所副所长 高思田

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