皮米测量技术及仪器

　　0　引　　言

　　计量学(Metrology)和仪器仪表(Instrumentation)学科是自然科学的一个重要组成部分。人类社会自有文明史以来,一切进步与发展都离不开计量学和仪器仪表科学技术的发展与进步。

　　以确定量值为目的的一组操作,称为计量。有关计量的知识领域,称为计量学。从古代的“度量衡”开始,到1875年,17国签署“米制公约”(我国于1977年参加该公约),决定成立国际计量委员会(CIPM)和国际计量局(BIPM)[1]。1889年在巴黎召开第一届国际计量大会(CGPM),选出了统一国际长度和质量单位量值的米尺和砝码的“国际原器”。此后,国际计量委员会先后成立了8个专业咨询委员会,分别为:电学(1927年)、光度(1933年)、温度(1937年)、米定义(1952年)、秒定义(1956年)、电离辐射(1958年)、计量单位(1964年)、质量和相关量(1980年)等咨询委员会,负责各专业范围的工作。为加强和促进各国的计量技术交流,1955年由24个国家签订了“国际法制计量公约”,成立了国际法制计量组织(OIML)。上述CGPM、CIPM、BIPM都是它的会员(我国于1985年2月11日参加该组织)。1960年第十一届国际计量大会决定将米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉6个基本单位组成的实用计量单位

　　制命名为“国际单位制”(SI)(1974年增加了一个摩尔基本单位)。由此而构成的计量学中的十大计量,即:几何量计量、温度计量、力学计量、电磁学计量、光学计量、声学计量、电子计量、时间和频率计量、电离辐射计量。现代计量学和计量技术的进展,推动了世界科学技术以及经济贸易的迅速发展。

　　作为科学技术的“眼睛”的仪器仪表,从历史上的以足长为口尺(foot)到实物量具,17世纪中期出现气压计、温度计、湿度计等,到18世纪出现测力计、卡路里计。19世纪中期开始有电学测量仪器。19世纪末有X射线测量、放射性测量等[2]。20世纪初工业化促进了互换性原理和技术测量的发展,各类测量仪器不断出现,它们的精度不断提高。1946年计算机的出现引起科学技术的一次飞跃,同样也引起计量测试技术及仪器仪表科学的革命性进展。

　　20世纪下半叶,仪器仪表科学技术的发展表现为下列几个方面:

　　(1)测量精度的提高

　　普通机械加工精度由“二战”后的0.1 mm数量级提高到2000年的0.001 mm数量级,相应的常用的几何量测量精度从1μm数量级提高到现在的0.01～0.001μm。即半个世纪提高了3个数量级。

　　(2)测量范围的扩大

　　由于人们对微观世界的探索,从分子到原子,进一步又发现质子、中子、电子以及各种粒子,使测量范围越来越小。一个电子的电荷量为1.602 177 33×10-19C,它的质量为0.910 938 97×10-30kg,它的半径为2.817 940 92×10-15m。相反地,由于人们对空间的探索,从地球、月球到太阳系再到宇宙,其距离无法用米为单位,于是有了“光年”。1光年=9.46×1012km=9.46×1015m,目前用射电天文望远镜可探测109光年以外的距离,即109光年≈9.46×1015×109m≈1025m。由此可见从微观到宏观的尺寸测量范围目前已达10-15～1025m的范围,相差40个数量级!在力值计量上,从火箭发动机推力到单根肌肉纤维拉力,相差14个数量级。在温度计量中,从绝对零度到可控热核反应中的超高温,相差12个数量级。