21世纪电磁计量的展望

    电磁计量是计量技术中极为重要的组成部分。一方面由于现代社会的高度电气化,科学技术、社会生产以及人们日常生活都离不开对各种电器及电力的应用,另一方面,电信号易于传输和控制,因此大部分的物理量的测量信息需通过一定的交换手段(如各种传感器等)转换成电信号。这就使电磁计量在整个计量技术体系中占有特殊的重要地位。同时,在迅速发展的整个量子计量基准体系中,电磁计量的量子基准起着举足轻重的作用,这就使得有关电磁计量的研究课题成了当前计量科学中极为活跃的热点。

    20世纪后半叶,电磁计量技术取得了辉煌的成就。为在新世纪中的进一步发展打下了良好的基础。首先,在电磁计量的基准方面,实现了电学量子基准,大幅度地提高了电磁计量基准的准确度。

    19世纪下半叶到20世纪上半叶,各国的计量基准都是经典的实物计量基准。这些计量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的。例如,保存在法国国际计量局(BIPM)的铂铱合金园柱———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对电学计量来说,最主要的是电压实物基准和电阻实物基准两种。电压实物基准是一组饱和式韦斯顿标准电池,其开路端电压的平均值就用于保持电压单位伏特,电阻实物基准是一组标准电阻线圈,其电阻的平均值用于保持电阻单位。但是,正因为这些计量基准为某种实物,就有其自身的缺点。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的,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、化学过程使它的特性发生缓慢的变化,因而它所保存的量值也会有所改变。例如,饱和式韦斯顿标准电池是一种化学原电池,其开路端电压与电极的结晶过程、电解溶液的情况等有关。尽管电极和溶液都密封在玻璃管内,但是电极和溶液的状况仍然会随着时间发生缓慢的变化,电池的端电压也就会随着发生相应的漂移。同样,电阻线圈的电阻值也会因为电阻合金丝中金相情况的变化而漂移。而且经过日积月累的变化,准确数量也很难确切查明。另一方面,最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套,一旦由于天灾人祸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此中断。

    上述问题的出现使传统的实物基准不能适应变化。20世纪下半叶,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。