计量技术读书报告

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1、计量技术读书报告计量学的发展历史和趋势The development history and trend of metrology学院：机械与汽车制造学院专业：测控技术与仪器班级：15级测控（升）姓名：曹彬学号：1502314006指导教师：李阳学年学期：20152016学年第一学期摘要该文回顾了计量经济学的发展历程，指出了计量经济学研究未来可能的发展方向关键词：计量原理、历史发展和趋势、计量的概念AbstractThis paper reviews the developme nt of econ ometrics, points out the econ ometric studyposs

2、ible future developme nt directi onKeywords： Measuring principle, historical development and trends,The concept ofmeasureme nt目录1 引言 12 我国计量工作现状及发展 12.1 计量的概念 12.2 计量学发展史 12.3 国际量子基准的研究趋势 43 现代计量工作的基本任务 44 结论 5参考文献 61 引言计量领域近年来的主要发展趋势是用固定若干基本物理常数的数值来重新定 义基本单位，以此可以大幅度提高基本单位的准确性。20 世纪 50 年代以前，基 本单位的量值

3、由实物基准所保存及复现。其典型实例是 19世纪末制成的铂铱合 金千克砝码原器。该原器保存在巴黎的国际计量局，其质量就被定义为质量单位 千克。随着科技及工农业的发展，这样的传统计量基准开始反映出稳定性不够好、 难于准确复制等不足之处，日益显得不能适应需要。2 我国计量工作现状及发展人们每天都在进行各种不同的测量。测量数据是人类活动最重要的信息源之 一。如果这种信息不够准确可靠，就无法正确地认识事物，而计量工作就是实现 准确测量的基本保证。2.1 计量的概念计量（metrology）:关于测量的科学。注：计量涵盖有关测量的理论与实践的各个方面。测量（measuremen t）：以确定量值为目的的一

4、组操作。（以上见国际通用计量学基本术语）计量（metrology）:实现单位统一、量值准确可靠的活动。 测量：将被测的量与作为标准的量进行比较的过程。（以上见我国国家规程JJG1OO1 1998通用计量术语及定义）2.2计量学发展简史计量的历史源远流长。在人类社会发展中，计量随着社会分工和商品交换的产 生应运而生，并随着科学技术和社会生产力的发展而发展。大体可分为原始、经 典和现代三个阶段。（1）原始阶段（相当于农业文明时代，大约从公元前8000年至公元1650年） 农业文明时代，人们的主要资源是土地，为了安排农业耕作、围地狩猎、交换粮 食，必须测量土地面积、农作物产量等。有关的文字记载和器物

5、遗存证明，在数 千年前出于生产、贸易和征收赋税等方面的需要，古代四大文明发祥地，即古埃 及、巴比伦（今伊拉克）、印度和中国等地均已开始进行长度、面积（尤其是土 地面积）、容积（主要是为确定粮食的数量）和质量（重量）的计量。因此，计量在 历史上很长时期也被称为度量衡，其含义是关于长度、容积、质量的测量，测量 所用的主要工具是尺、斗、秤。原始阶段计量的重要特征是以经验和权力为主，大多利用人、动物或自然物作为 计量单位，进行直接的感观测量。例如，中国古代的布手为尺（据考证，周朝一 尺长约20厘米，大致相当于一柞的长度）、掬手为升；古埃及的尺度是以人的 胳膊到指尖的距离为依据，称之为“腕尺”（约 46

6、 厘米）；英国国王以自己拇指 关节的长度定为英寸（lin=25.4mm），以自己的脚长定为英尺（Ift=0.3038m），在 英语中脚和英尺是同一词（foot）。我国历史上秦始皇统一中国后即颁布诏书，以最高法律的形式建立了全国统一的 度量衡制度，这使我国早在二千多年前就形成了比较完整、先进的计量制度；此 后二千多年的历代封建王朝，度量衡制度虽然有所变化，但基本上都是沿用了秦 制。直到19 世纪中叶清朝末期，米制正式传入我国为止。此外，在英语中尺子 和统治者是同一词（ruler）,中国古代把砝码称为“权”（秦权还有个特点，就 是上面都刻着统一度量衡的诏书，把计量法律刻在计量器具上），至今仍用天平

7、 代表法制和法律的公平，这些都表明计量象征着权力和公正。由于这一阶段的计量主要是为了适合农业社会中农产品和生活用品贸易的需要， 因此，对计量准确度的要求不高，计量器具的准确度大约在百分之一到千分之一（10-210-3）。（2）经典阶段 （工业文明时代，大约从1650年至1950年）进入十七、十八世纪，生产力的发展促进了近代自然科学的产生和发展，也扩大 了社会劳动分工，促进了商品生产和流通。随着机器大工业的产生和发展，贸易 的迅速发展和国际化，特别是物理学等实验科学的飞速发展，一方面，需要测量 的量已从传统的度量衡剧增至上百个；另一方面，作为测量基础的计量单位要求 更为准确可靠，原有的计量准确度

8、已无法满足工业生产中的互换性要求（工业生 产过程中，零件往往在许多地方完成，最后再组装）以及科学技术中精密仪器提 出的需要。同时，实验科学和大机器生产（冶金）等的发展也为创建新的计量单 位和计量标准（从材料和工艺上）提供了物质基础，由此带来了各类计量精度的 提高，该阶段的计量准确度已达到万分之一到亿分之一（10-410-8）。 1819 世纪，欧美的科学家创建了一种以科学实验为基础、可在国际上通用的计量单位 制：根据过巴黎地球子午线 1/4 长度的一千万分之一建立了铂铱合金制的米原 器；根据 1 升水在规定温度下的质量建立了铂铱合金制的千克原器；根据地球绕 太阳公转周期确定了时间（历书时）单位

9、秒等，形成一种基于所谓自然不变的米 制，也是今天国际单位制的基础。 1875年5月20日米制公约的签订，标志 着各国计量制度开始趋向统一，计量进入了一个以宏观现象定义计量单位、以人 工实物作为复现计量单位的计量标准、以实验为科学基础进行模拟测量的经典阶 段。为了纪念， 1999年国际米制公约组织召开的国际计量大会决定，将每年的5 月20日作为“世界计量日” ， 2000年国际法制计量组织对此做出了响应的决定。（3）现代阶段 （相当于信息文明时代，大约从1950年至今） 进入二十世纪，大工业生产的巨大发展和科学技术的重大进步，特别是以量子论 和相对论为基础的近代物理学的发展，使人类的触角伸向了广

10、袤的宇宙，伸向了 微观物质层面，伸向了生命跟神经、脑等认知器官的领域，引发了生命科学的革 命，催生出核能、半导体包括大规模集成电路、激光、超导、网络技术和新材料 等，改变了人类现代的生产和生活方式，将人类推进到了知识经济的新时代，也 使计量进入了发展的新阶段。 1955年签订国际法制计量组织公约， 1960年 第 11 届国际计量大会通过国际单位制，标志着各国计量制度基本统一和计量的 基本成熟。1960年以后出现了一系列事件,使得现代计量的发展真正进入了一个 新的时期:1960年10月出现了第一台激光器;1962年约瑟夫逊预言两块靠得很近 的超导体之间存在某种量子跃迁现象，一年后实验证实了这一

11、效应，被称为约瑟 夫逊效应；1965年蓬斯和哈特发明了 X 射线于涉仪；1972年美国首先实现了激 光频率的绝对测量, 为准确测量光速提供了新的手段；1979 年克里青又发现了 量子化霍尔效应；1984 年彭尼和罗厄研制成扫描隧道显微镜；20世纪 90 年代， 又发现了单电子隧道效应。这些事件的出现都极大地影响了现代计量发展的进 程。传统的计量方式因现代自动化仪表和计算机技术的出现正在进行划时代的变革， 参量之间互相渗透，检测方法与设备的光、机、电结合，数字测量逐渐取代模拟 测量，已成为现代计量的特点。现代计量的准确度已达到亿分之一到亿亿分之一(10-810-16)。而现代计量最显著的标志就是

12、由经典理论转向量子理论，由 宏观物体转向微观世界。其最为突出的成就，就是以量子理论为基础的微观量子 基准逐步取代过去的宏观实物基准。20 世纪上半叶以前，基本单位的量值由实物基准复现和保存。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。如保存在法国 巴黎国际计量局(BIPM)的铂铱合金圆柱一一千克砝码原器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“欧姆”，等等。实物基准的局限性很大，尽管它们是用 19世纪末20世纪初工业界所能

13、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变化。如铂铱合金千克 砝码原器会缓慢地吸附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，这种逐年积累变化的准确数量很难确 切查明。 19 世纪制作千克砝码原器时，一共制作了几十个，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，目前，这些原器之间的偏 差已达到5X10-8，不能设想保存在国际计量局的千克砝码原器未变，只是其它 砝

14、码在变，一般认为保存在国际计量局的千克砝码原器也已有了10-8量级的变 化。此外，最高等级的实物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 量值也会因此中断；按实物基准进行的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。 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基准的出现，为解决以上问题提供了全新 的途径。量子基准的准确度一般要比实物基准高几个数量级；它是一种物理实验 装置，可以多处建立，不

15、会有一旦损坏就不能准确复现的问题；按照相同原理建 立的量子基准，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。国际上已正式确立的量子基准有：1960年用氪-86原子的特定 能级跃迁所定义的长度单位米基准、1967 年用铯-133原子的特定能级跃迁所定 义的时间单位秒基准、利用1975年获得诺贝尔物理奖的约瑟夫逊效应建立的电 压单位伏特基准和利用1985年获得诺贝尔物理奖的量子化霍尔效应建立的电阻 单位欧姆基准。2.3国际量子基准研究趋势目前，国际上关于量子基准的研究有以下趋势： 一是在国际单位制的基本单位中,其他基本单位的基于量子跃迁的自然基准也在 积极探索之中,包

16、括：利用单电子隧道效应，通过一个个数电子，来实现电流的 量子基准；利用机械功率与电功率相比较，或者利用超导磁悬浮方法测定磁通量 子等各种途径，来监视进而替代千克砝码原器这是七个基本量中目前唯一还 在使用的实物基准；利用 X 射线晶体密度法，来精密地确定阿伏加德罗常数，这 也是实现物质的量的单位摩尔的重要途径之一。 二是探索以基本物理常数定义基本单位。由于已建立的量子基准总是伴随着某一 种具体的量子物理手段，从而定义了一种基本单位，如果这种手段有了新的发展， 人们就会面临着是否要改变基本单位定义的问题。例如，现在的时间（频率）单 位是用铯原子的超精细能级的跃迁频率定义的，如果发现了其他复现性更好的跃 迁频率（目前的候选者有钙原子、汞原子、激光等），时间（频率）单位的定