1、计量及其社会功能,报告内容,一、计量工作与标准化的关系 二、适应社会发展状况的计量工作的三个发展阶段 三、实物计量基准和量子计量基准 四、国际单位制（SI）基本单位的重新定义 五、国家及社会对计量及检测技术的重视,报告内容,一、计量工作与标准化的关系 二、适应社会发展状况的计量工作的三个发展阶段 三、实物计量基准和量子计量基准 四、国际单位制（SI）基本单位的重新定义 五、国家及社会对计量及检测技术的重视,要做好技术标准的工作，需要准确的测试数据。 要得到准确的测试数据，需要用相应准确度等级的测试仪器。 测试仪器的准确性是由计量工作来保证的。,另一方面，计量得到的数据所以准确，是因为把这些数据
2、都溯源到了计量标准。 为了建立准确的计量标准，需要一系列的规范，即建立相应的国家标准。 所以标准化和计量的关系密不可分。也相互依赖。,报告内容,一、计量工作与标准化的关系 二、适应社会发展状况的计量工作的三个发展阶段 三、实物计量基准和量子计量基准 四、国际单位制（SI）基本单位的重新定义 五、国家及社会对计量及检测技术的重视,计量是可以溯源到标准量的测量,农业社会,度量衡统一 计量工作适合农业社会中农产品和生活用品贸易的需要 准确度百分之一到千分之一（10-2到10-3量级）,工业社会,工业生产中的互换性要求 科学技术工作中精密仪器提出的需要 准确度万分之一到亿亿分之一（10-4到10-16
3、量级）,大规模工业生产提出的要求,互换性对零件制造提出的要求 （现代生产过程中零件往往在许多地方完成，最后再组装）。 高质量的产品要求生产过程中进行精密测量。,快速测量要求,自动化生产要求在线的、快速的测量设备，抗干扰问题突出(如汽车生产线）。 原料成分快速测量（测油含量、测水分含量等等）。,科研工作对测量工作提出的要求,门捷列夫说，测量是科学的基础。 广义相对论的验证。 宇称不守恒的验证。 超导理论。,目前我国的经济总量已经达到了相当的规模（世界第2），在全国解决了温饱问题。但是产品以大量消耗能源和原材料的初级产品为主，造成了严重的环境问题和生态问题。,据有关方面的材料，去年我国消耗的煤炭接
4、近30亿吨，占世界煤炭总产量的42%。但是单位能耗产值只是国际上的四分之一。这样的状况显然不是可持续发展的模式。,中央提出要在我国建设“创新型国家”和“节约型社会”。一方面要提倡创新，增加我国产品的技术含量。另一方面要千方百计节约资源消耗。,创新和节约资源与计量均有极为密切的关系。因为要开展创新和节约资源工作，首先必须有准确的测量数据。而不准确的数据会引起误导。各种可能方案的比较，也要以准确的测试数据为依据。,计量测试所得到的数据是一种极为重要的信息。依据这样的信息，我们可以判断生产过程中的情况，产品的质量等等，做出改进的决定。也可以据此了解贸易、物流、环境等有关方面的情况。所以计量测试是信息
5、化的一个重要环节。,计量是可以溯源到标准量的测量。从而保证了测量数据的准确性。准确的测量数据不仅给出了数量依据，而且给出了内涵丰富的信息。,例一,天津口岸曾从德国进口一批硅钢片。口岸检测为不合格品。德方表示对我们的测量结果有疑问。后来中方拿出检测证书。德方看到数据与德国计量员的结果一样，才同意索赔。如果我们的测试技术不过关，用这批硅钢片做成电机、变压器，就会造成长期的能源浪费。,例二,目前大量使用的节能灯，有功功率方面效率是高一些，但产生了谐波污染电网，使电网总体效率和运行质量降低。所以节能要看多方面的指标，不能片面强调一个方面。目前看来，LED是更有前途的绿色能源，在发展过程中也涉及了大量的
6、计量测试问题，如散热、光衰、光取向等等。,二十一世纪提出的新问题,生物医疗问题。 环境保护问题。 国防与社会安全问题。,生物医疗问题,生物磁学。 超声及其他物理手段。 SARS预防工作中的测量问题。 电磁辐射的生物效应。 农牧业中的测量问题。,生物磁学,心磁图特别成功应用于胎儿心脏检测 神经磁信号已成功应用于神经故障部位检测 脑磁信号脑功能区为探索,超声及其他物理手段,超声成像 超声手术（眼外科、骨外科、肿瘤外科）,SARS预防工作中的测量问题,快速体温测量 人群体温扫描,电磁辐射的生物效应,微波炉的泄漏辐射。 手机的泄漏辐射：由于手机的使用范围特别广泛，又贴近人体，此问题应引起特别的注意。最
7、近已陆续有统计资料发表。谁能解决这一问题，将会得到市场的正面反响。这里面准确的测试将是关键问题之一。,农牧业中的测量问题,水源检测 墒情监测和滴灌控制 温室控制 农产品质量检测,环境科学提出的要求,大气质量检测 水质检测 食品安全 电磁兼容问题,大气质量检测,大气温度检测 碳排放 碳汇,水质检测,全国水质普遍恶化 排放与检测的博弈 检测结果的可靠性,食品安全,奶制品问题 食品加工中的检测 碳检测计量标准标准样品,电磁兼容问题,电磁辐射对人体的危害 强电磁脉冲武器,国防和社会安全提出的要求,全球定位系统GPS 精确打击武器 强电磁脉冲 安全检测技术（X射线，T射线，核四极矩共振测炸药等）,安全检
8、测技术,X射线 T射线 核四极距共振测炸药,T射线,T射线是一种频率介于微波和远红外之间的无线电波，可穿透多种有机物，且能测出穿透的层数。,核四极矩共振测炸药,核四极矩共振的特点是无需外加磁场，只用探测天线就可发现共振信号。对氮原子核敏感，因此可探测炸药。,地质灾害监测,一般的位移传感器只能检测很小的位移，而地质灾害，如滑坡、塌方往往涉及较大的位移量。如能预测可减轻损失。因此需要研制大位移的传感器。而且要求这些传感器能组成无线网络，自动传输数据。供电应采用太阳能。,报告内容,一、计量工作与标准化的关系 二、适应社会发展状况的计量工作的三个发展阶段 三、实物计量基准和量子计量基准 四、国际单位制
9、（SI）基本单位的重新定义 五、国家及社会对计量及检测技术的重视,实物计量标准,基本单位的量值需要复现和保存，以便实际应用。这样的任务是由计量基准来完成的。20世纪上半叶以前，基本单位的量值由实物计量基准复现和保存。实物基准一般是根据经典物理学的原理，用某种特别稳定的实物来实现。例如一个保存在巴黎国际计量局（BIPM）的铂铱合金圆柱千克原器砝码的质量就定义为质量单位千克，按X型铂铱合金米尺的刻线间距离定义长度单位米，用一组饱和式韦斯顿标准电池的端电压的平均值保持电压单位伏特，用一组标准电阻线圈的电阻平均值保持电阻单位等等。,米原器模型,千克原器模型,实物基准的局限性,1最高的计量基准为某种实物
10、，就有其固有的缺点。尽管这些实物基准是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成，在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求，但是这样的实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化，因而它们所保存的量值也会有所改变。以上述铂铱合金千克砝码原器为例，缓慢地吸附在其表面及内部的气体、表面沾上的微尘、甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化。而且此种逐年积累的变化的准确数量也很难确切查明。 2最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏，就无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也会因之
11、中断。 3量值传递检定系统庞大繁杂，从最高等级的实物基准到具体应用场所，量值要经过多次传递，准确度也必然会有所下降。,产生的问题,质量单位的变化情况,19世纪制作千克砝码原器时，一共做了几十个。分别保存在国际计量局和各米制公约成员国。彼此的偏差在10-9量级。一百多年后，这些原器之间的相互偏差已达到510-8左右。不能设想保存在国际计量局的千克原器未变，只是其他砝码在变。一般的看法是保存在国际计量局的千克原器也已有了10-8量级的变化。,上述问题已经使传统的量值传递检定系统日益不能适应需要。20世纪下半叶以来与传统的实物基准完全不同的量子计量基准的出现，为解决以上问题提供了全新的途径。,量子计
12、量标准,普朗克的量子论DE = hn,量子能级与辐射,E1,E0,DE = E 1-E 0= hn,不确定关系,E t h/2p,量子计量基准的优点,1. 量子计量基准的准确度一般要比实物计量基准高几个数量级。 2. 量子计量基准是一种物理实验装置，可以多处建立。不会有一旦损坏不能准确复现的问题。 3. 按照相同原理建立的量子计量基准，所复现的量值也相同，避免了计量基准的量值多次逐级传递而造成的一系列问题。,The development of length standard,现代最准确的铯喷泉原子钟 3000万年才差1秒,原子云,磁屏蔽,真空泵,钟跃迁微波频率综合器,水平装载-冷却光,向上装
13、载-冷却光,主工控机,磁补偿线圈,探测放大器,CCD,铯喷泉钟:,量子三角形,报告内容,一、计量工作与标准化的关系 二、适应社会发展状况的计量工作的三个发展阶段 三、实物计量基准和量子计量基准 四、国际单位制（SI）基本单位的重新定义 五、国家及社会对计量及检测技术的重视,新想法,为了比较彻底解决基本单位的问题这些问题，近年来提出了新的想法。即用固定几个基本物理常数的数值来重新定义国际单位制的基本单位。,量子基准的发展现状,7个基本单位时 长 质 电 温 光 物质 间 度 量 流 度 度 量,原子钟,c,实物基准,h e,k,?,NA,质量单位的问题,质量单位千克目前是定义成保存在BIPM的千
14、克原器的质量，是最后一个仍在使用的实物基准。 如何用给定基本物理常数以重新定义质量单位，已成为新世纪中对于计量科技工作者最大的挑战。,千克原器模型,CCM提出，应该至少有三种以上的不同方案来实现新的质量单位，其中要有一种的不确定度小于210-8，不同方案之间的差别应小于510-8。目前还没有达到此种要求。当时自己就考虑，如果要开展这一项目，应该考虑和国外不同的方案，对国际上的贡献也会更大。,报告内容,一、计量工作与标准化的关系 二、适应社会发展状况的计量工作的三个发展阶段 三、实物计量基准和量子计量基准 四、国际单位制（SI）基本单位的重新定义 五、国家及社会对计量及检测技术的重视,中国计量科
15、学研究院的昌平实验基地,计量院近年得到的国家级奖励,2003年“10伏约瑟夫森量子电压标准”课题成果获国家科技进步二等奖。 2006年“铯原子喷泉钟”课题成果获国家科技进步一等奖。 2007年“量子化霍尔电阻基准”课题成果获国家科技进步一等奖。 2008年“532纳米激光”课题成果获国家科技进步二等奖。 2009年“光梳”课题成果获国家科技进步二等奖。 2010年“小型质谱仪”课题成果获国家科技进步二等奖。 2010年“高频大电流标准”课题成果获国家科技进步二等奖。 2011年“标准物质系列”及“密度标准”已通过授奖答辩。,上述情况表示国家及社会对于计量及检测技术高度重视，对于此方面的成就给于大奖，并大力增强基础设施。可以预见我国在此方面将有令人瞩目的新发展。,结论,二十一世纪中，与飞速发展的工农业和科学技术相适应，计量及检测技术发展迅速。以量子物理为基础的新型计量基标准将全面代替传统的实物基标准。 国家及社会对于计量及检测技术测试技术高度重视，可以预见我国在此方面将有令人瞩目的新发展。也可为标准化工作更好地服务。,谢谢大家！,
