杜曉爽 胡毅飛 馮英強(qiáng) 李新良 劉 民劉原棟 趙 環(huán)

（1.北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039；2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095；3.北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京100086；4.國(guó)防科技工業(yè)應(yīng)用化學(xué)一級(jí)計(jì)量站，山東濟(jì)南250031）

1 引 言

計(jì)量學(xué)是測(cè)量及其應(yīng)用的科學(xué)。國(guó)家質(zhì)量基礎(chǔ)是聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組織、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在總結(jié)一百多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的概念，主要包括計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證認(rèn)可和檢驗(yàn)檢測(cè)。作為其重要組成部分，計(jì)量是標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證認(rèn)可的基準(zhǔn)，因此，產(chǎn)品質(zhì)量的提升離不開(kāi)科學(xué)、精準(zhǔn)的計(jì)量。計(jì)量是實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠的活動(dòng)，關(guān)系到生產(chǎn)、貿(mào)易、科學(xué)技術(shù)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)?！坝?jì)量是一個(gè)國(guó)家、一個(gè)地區(qū)和一個(gè)部門科技發(fā)展的探測(cè)器”，計(jì)量技術(shù)水平體現(xiàn)了科技發(fā)展的先進(jìn)程度。

普朗克常數(shù)等物理常數(shù)量值的確定，為千克、開(kāi)爾文、安培和摩爾四個(gè)基本單位的重新定義奠定基礎(chǔ)；量子化技術(shù)在交流量子霍爾電阻、量子磁強(qiáng)計(jì)、鍶晶格鐘等領(lǐng)域的應(yīng)用取得新進(jìn)展；微納尺度技術(shù)在納米材料、納米加工、微納尺度復(fù)雜系統(tǒng)測(cè)量中的應(yīng)用不斷拓展；黑體溫度在軌校準(zhǔn)、空間原子頻標(biāo)等空間計(jì)量技術(shù)成為國(guó)際熱點(diǎn)；先進(jìn)測(cè)試分析技術(shù)在碳納米材料等表征領(lǐng)域不斷發(fā)展；飛秒激光、太赫茲等新原理及智能化計(jì)量技術(shù)促進(jìn)測(cè)量范圍拓展、測(cè)量準(zhǔn)確度提升、測(cè)量效率提高。

2 國(guó)際單位制面臨重大變革

2017年7月，負(fù)責(zé)確定基礎(chǔ)物理常數(shù)量值的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)向國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）提交最終數(shù)據(jù)，CIPM在此基礎(chǔ)上提出分別基于普朗克常數(shù)、波爾茲曼常數(shù)、電子電量、阿伏伽德羅常數(shù)重新定義千克、開(kāi)爾文、安培和摩爾四個(gè)基本單位的方案，國(guó)際單位制面臨其誕生以來(lái)最大的一次變革。國(guó)際單位制的量子化演進(jìn)，對(duì)精度較低的日常測(cè)量活動(dòng)影響不大，但對(duì)計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)建立、高精尖科學(xué)技術(shù)研究等方面將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

國(guó)際單位制的核心是7個(gè)基本單位［1］，即時(shí)間單位“秒（s）”、長(zhǎng)度單位“米（m）”、質(zhì)量單位“千克（kg）”、熱力學(xué)溫度“開(kāi)爾文（K）”、電流單位“安培（A）”、發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉（cd）”和物質(zhì)的量單位“摩爾（mol）”，新舊國(guó)際單位定義比較如圖1所示［2］。

圖1 新舊國(guó)際單位定義比較Fig.1 Comparison of the new and old international system of units

新舊單位制體系相關(guān)常數(shù)和量值的測(cè)量不確定度變化如圖2所示。國(guó)際上，各研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)數(shù)十年研究確定基礎(chǔ)物理常數(shù)的量值，這些量值必須滿足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。千克研究團(tuán)隊(duì)于2015年達(dá)標(biāo)，所有團(tuán)隊(duì)都在2017年7月1日前提交了最終數(shù)據(jù)。在新方案中，普朗克常數(shù)、波爾茲曼常數(shù)等物理常數(shù)成為沒(méi)有測(cè)量不確定度的固定值，各常數(shù)之間建立起清晰的相互依賴關(guān)系，這些常數(shù)的測(cè)量不確定度轉(zhuǎn)移到相關(guān)物理量中，國(guó)際千克原器、水的三相點(diǎn)等量值的測(cè)量不確定度增大。CIPM將于2018年11月向國(guó)際計(jì)量大會(huì)提交方案，若獲批準(zhǔn)，將于2019年5月實(shí)施。

圖2 新舊單位制體系相關(guān)常數(shù)和量值的測(cè)量不確定度變化Fig.2 Measurement uncertainty changes with the related constants and quantities of new and old system of units

在變革后的國(guó)際單位制下，千克等四個(gè)單位將以物理常數(shù)為基礎(chǔ)重新定義，新單位制體系允許以多種規(guī)定方式，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行高準(zhǔn)確度測(cè)量，促進(jìn)計(jì)量量值傳遞方式向量子化、扁平化方向發(fā)展?；谖锢沓Ｊ熘匦露x千克（瓦特稱）開(kāi)爾文（聲學(xué)溫度計(jì)）安培（單電子泵）摩爾（硅球）的推薦方案如圖3至圖6所示。

圖3 基于物理常數(shù)重新定義千克的推薦方案Fig.3 Recommended scheme of redefining kilometer based on physical constants

圖4 基于物理常數(shù)重新定義開(kāi)爾文的推薦方案Fig.4 Recommended scheme of redefining Kelvin based on physical constants

圖5 基于物理常數(shù)重新定義安培的推薦方案Fig.5 Recommended scheme of redefining Ampere based on physical constants

圖6 基于物理常數(shù)重新定義摩爾的推薦方案Fig.6 Recommended scheme of redefining mole based on physical constants

3 基于量子效應(yīng)的計(jì)量技術(shù)

基于量子效應(yīng)的量子基準(zhǔn)將逐步取代傳統(tǒng)實(shí)物基準(zhǔn)。應(yīng)用物理常數(shù)復(fù)現(xiàn)量值，測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度大幅提高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。目前，國(guó)際上在交流量子霍爾電阻、量子磁強(qiáng)計(jì)、鍶晶格鐘、脈沖驅(qū)動(dòng)式約瑟夫森陣列、可編程量子電流測(cè)量裝置、單光子輻射源等研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。

3.1 交流量子霍爾電阻

量子霍爾電阻樣品的結(jié)構(gòu)具有較大的分布參數(shù)，使得交流量子霍爾電阻測(cè)量存在較大誤差，多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室研究工作曾經(jīng)停滯。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）采用雙樣品屏蔽技術(shù)，在國(guó)際上首次將交流量子霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度等級(jí)提高到1E-8量級(jí)，成為近年電學(xué)領(lǐng)域計(jì)量技術(shù)的重大突破，其標(biāo)準(zhǔn)樣品結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2 量子磁強(qiáng)計(jì)

圖7 交流量子霍爾電阻樣品結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of an AC quantum hall resistor specimen

He-Cs量子磁強(qiáng)計(jì)是基于4He原子自旋在靜磁場(chǎng)中的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率測(cè)量磁場(chǎng)的精密測(cè)量?jī)x器。俄羅斯門捷列夫計(jì)量院研制的He-Cs量子磁強(qiáng)計(jì)，磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍500nT～1mT，測(cè)量不確定度0.03nT，技術(shù)指標(biāo)明顯優(yōu)于目前廣泛使用的質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)，其原理如圖8所示。

3.3 鍶晶格鐘

鍶晶格鐘是繼銫原子噴泉鐘后首個(gè)能同時(shí)保證高穩(wěn)定性與超高準(zhǔn)確度的新型原子鐘［3］。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）將87Sr原子激光冷卻到費(fèi)米溫度，并封裝入三維光學(xué)晶格中，晶格中原子數(shù)密度達(dá)到1E13個(gè)/cm3，提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，穩(wěn)定度達(dá)到 3.1E-17/τ1/2，2h 準(zhǔn)確度達(dá)到 3.5E-19，比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)裝置提高近20倍，對(duì)提高時(shí)間測(cè)量精度、重新定義時(shí)間單位具有重要意義。三維光晶格鐘原理如圖9所示。

3.4 脈沖驅(qū)動(dòng)式約瑟夫森陣列裝置

德國(guó)PTB研制脈沖驅(qū)動(dòng)式約瑟夫森陣列裝置，在1V、250Hz條件下與可編程約瑟夫森裝置的比對(duì)偏差小于2E-8，在1V、1kHz條件下與熱電式交直流電壓標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)偏差接近1E-6，未來(lái)可能替代熱電式交直流電壓標(biāo)準(zhǔn)，成為交流電壓的最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 He-Cs量子磁強(qiáng)計(jì)原理圖Fig.8 Schematic diagram of a He-Cs quantum magnetometer

3.5 可編程量子電流測(cè)量技術(shù)

采用單電子隧道效應(yīng)復(fù)現(xiàn)電流單位已達(dá)到1E-6量級(jí)，但進(jìn)一步提高技術(shù)指標(biāo)面臨很大困難?？删幊塘孔与娏鳒y(cè)量裝置與之不同，基于歐姆定律利用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻的組合，間接把電流單位溯源到量子基準(zhǔn)，在1μA至10mA范圍的測(cè)量不確定度達(dá)到1E-7，可用于復(fù)現(xiàn)SI電流單位，如圖10所示。

3.6 單光子輻射源產(chǎn)生技術(shù)

基于冷原子團(tuán)四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生單光子源，美國(guó)NIST獲得量子關(guān)聯(lián)孿生光束與糾纏圖像，壓縮度達(dá)到9dB，斯坦福大學(xué)獲得線寬最窄糾纏光子對(duì)達(dá)到0.75MHz，單光子輻射源將應(yīng)用于單光子成像探測(cè)、量子信息與通信等量子光學(xué)計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域，成為量子光學(xué)計(jì)量的新趨勢(shì)，其原理如圖11所示。

圖9 三維光晶格鐘原理示意圖Fig.9 Schematic diagram of a 3D optical lattice clock(strontium lattice clock)

圖10 可編程量子電流發(fā)生器示意圖Fig.10 Schematic diagram of a programmable quantum current generator

圖11 單光子源產(chǎn)生原理圖Fig.11 Schematic diagram of generating a single photon source

4 微納尺度計(jì)量技術(shù)應(yīng)用持續(xù)拓展

國(guó)外先進(jìn)計(jì)量機(jī)構(gòu)在致力于納米量值溯源技術(shù)研究和新型傳感器研制的同時(shí)，高度重視微納尺度計(jì)量技術(shù)與其他應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合。微納尺度計(jì)量技術(shù)在納米材料、納米加工和微納尺度復(fù)雜體系測(cè)量等方面顯示出廣泛的應(yīng)用前景。

4.1 基于亞微觀LED的納米探針技術(shù)

美國(guó)NIST研制一種新型納米探針系統(tǒng)，以GaN納米線為基礎(chǔ)，形成超小型LED“聚光燈”探針尖端和集成近場(chǎng)光電子系統(tǒng)，除可實(shí)現(xiàn)原子力顯微鏡測(cè)量功能和微波發(fā)射/接收器功能外，這種探針尖端可用于測(cè)量樣本的照明響應(yīng)特性，同時(shí)測(cè)量幾十納米寬樣品區(qū)域的形狀、電特性和光學(xué)特性，在太陽(yáng)能電池材料測(cè)試和微芯片電路加工等方面具有應(yīng)用價(jià)值，如圖12所示。

圖12 新型納米探針系統(tǒng)及圖樣Fig.12 New nano probe system and its sample

4.2 原子力顯微鏡等技術(shù)

英國(guó)NPL采用原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、拉曼光譜顯微鏡等微納尺度測(cè)量技術(shù)對(duì)石墨烯的表面形貌、楊氏模量、附著力、有關(guān)電子結(jié)構(gòu)信息、層數(shù)、方向和缺陷等石墨烯結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行測(cè)量與分析，利用熒光顯微法實(shí)現(xiàn)超衍射極限的光學(xué)圖像，橫向及縱向分辨率達(dá)到1nm，拓展了原子力顯微鏡等微納尺度測(cè)量技術(shù)在石墨烯研制領(lǐng)域的應(yīng)用，如圖13所示。

圖13 原子力顯微鏡測(cè)量石墨烯結(jié)構(gòu)Fig.13 Atomic force microscope for measuring the structure of grapheme

圖14 英國(guó)NPL的X射線光譜儀和原子力顯微鏡Fig.14 X-ray spectrograph and atomic force microscope by NPL

4.3 氣含納米顆粒分析儀量值溯源技術(shù)

國(guó)際上普遍采用將氣含納米顆粒分析儀顆粒數(shù)量濃度測(cè)量結(jié)果溯源至氣溶膠靜電計(jì)的方法，將量值溯源至電流標(biāo)準(zhǔn)上，氣含顆粒測(cè)量范圍下限達(dá)到10nm。美國(guó)NIST和日本國(guó)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）研制氣含納米顆粒分析儀校準(zhǔn)裝置，建立量值溯源體系，保證用于艙室環(huán)境潔凈度的氣含納米顆粒監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

5 空間計(jì)量技術(shù)研究成為熱點(diǎn)

太空正在成為各國(guó)戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，對(duì)空間計(jì)量保障提出迫切需求，黑體溫度在軌校準(zhǔn)、空間原子頻標(biāo)等空間計(jì)量技術(shù)不斷發(fā)展。

5.1 美國(guó)提出天基計(jì)量需求

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）參考出版物1342《計(jì)量校準(zhǔn)和測(cè)量過(guò)程指南》提出天基計(jì)量的要求，強(qiáng)調(diào)“天基”是不同于“地基”的計(jì)量需求［4］，如圖16所示?？刹捎米孕?zhǔn)、自測(cè)試、自檢測(cè)和穩(wěn)定參考標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在軌校準(zhǔn)。要求制定在軌計(jì)量相關(guān)的管理政策，推薦小型化標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)用于空間任務(wù)，提出平均超差時(shí)間（MTBOOT）設(shè)計(jì)指標(biāo)。推薦16條在軌計(jì)量技術(shù)建議。

5.2 黑體溫度在軌校準(zhǔn)有望實(shí)現(xiàn)

美國(guó)NASA的全球氣候紅外輻射觀測(cè)計(jì)劃中提出星載黑體測(cè)量不確定度優(yōu)于0.03℃的要求［5］，美國(guó)威斯康辛大學(xué)研究絕對(duì)法在軌標(biāo)定黑體溫度傳感器的方法，選取汞、水、鎵三種物質(zhì)作為相變物質(zhì)，研制微型固定點(diǎn)裝置，利用微型固定點(diǎn)溶化溫坪的復(fù)現(xiàn)性實(shí)現(xiàn)熱敏電阻在軌標(biāo)定，如圖17所示。

5.3 空間原子頻率標(biāo)準(zhǔn)成為熱點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外星載銣頻標(biāo)技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)中有進(jìn)，歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星已攜帶被動(dòng)氫頻標(biāo)在軌運(yùn)行，俄羅斯星載被動(dòng)氫頻標(biāo)研制成功并計(jì)劃裝備下一代格羅納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該國(guó)研制的空間主動(dòng)氫頻標(biāo)已在軌運(yùn)行。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為深空探測(cè)研制的汞離子微波頻標(biāo)已參與長(zhǎng)期守時(shí)，頻率穩(wěn)定度達(dá)到3E-17/d，未來(lái)有望裝備美國(guó)深空探測(cè)器。

圖16 平均超差時(shí)間與在軌校準(zhǔn)間隔的關(guān)系Fig.16 Relationship of the mean out-of-tolerance time with the on-orbit calibration interval

圖17 威斯康辛大學(xué)微型相變點(diǎn)裝置與黑體結(jié)構(gòu)圖Fig.17 Structure diagram of the micro phase-change point measuring device and blackbody by Wisconsin University

6 先進(jìn)材料測(cè)試分析技術(shù)快速發(fā)展

先進(jìn)材料測(cè)量的新原理、新方法和新標(biāo)準(zhǔn)得到各國(guó)重視，碳納米材料、3D打印用堆積材料的表征技術(shù)，以及痕量元素的定值技術(shù)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

6.1 納米薄膜熱擴(kuò)散率測(cè)量新方法

日本國(guó)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所建立基于脈沖激光加熱熱反射技術(shù)的納米薄膜熱擴(kuò)散率標(biāo)準(zhǔn)裝置，可測(cè)量100nm至數(shù)微米厚度的薄膜膜厚方向的熱擴(kuò)散率，并研制熱擴(kuò)散時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和熱擴(kuò)散率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。熱擴(kuò)散時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為石英玻璃基底上沉積的TiN薄膜，厚度680nm，室溫下熱擴(kuò)散時(shí)間145.9ns，測(cè)量不確定度3.6%；熱擴(kuò)散率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是石英玻璃上沉積的Mo薄膜，厚度400nm，室溫下熱擴(kuò)散率 3.28E-5m2/s，測(cè)量不確定度 6.2%［6］。

6.2 多壁碳納米管標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

與單壁碳納米管相比，多壁碳納米管隨著管壁層數(shù)的增加，缺陷和化學(xué)反應(yīng)性增強(qiáng)，表面化學(xué)結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化，對(duì)測(cè)試表征提出更高要求。美國(guó)NIST研制多壁碳納米管標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，通過(guò)中子活化分析和冷中子誘發(fā)瞬發(fā)伽馬活化分析，得到可溯源的鈷元素含量，同時(shí)給出鐵、釷及鋁等元素含量、碳納米管內(nèi)層及外層直徑以及典型位置的碳納米管壁層數(shù)等數(shù)據(jù)，如圖 18 所示［7］。

6.3 痕量氣體雜質(zhì)含量測(cè)量技術(shù)

圖18 多壁碳納米管標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)Fig.18 microstructure of the standard materials of the multi-wall carbon nanotube

腔環(huán)降光譜法是基于激光技術(shù)測(cè)量痕量氣體雜質(zhì)含量的基準(zhǔn)方法，通過(guò)測(cè)量時(shí)間而不是強(qiáng)度的變化來(lái)確定光學(xué)吸收，測(cè)量準(zhǔn)確度僅依賴于痕量氣體分子的吸收截面，有利于提高測(cè)量性能。美國(guó)NIST和德國(guó)PTB利用腔環(huán)降光譜法測(cè)量微痕量的CO含量，測(cè)量靈敏度達(dá)到3nmol/mol，測(cè)量不確定度達(dá)到2.5%。

6.4 聚合物膜三維結(jié)構(gòu)微探針計(jì)量技術(shù)

德國(guó)PTB基于壓致電阻效應(yīng)，研制可準(zhǔn)確計(jì)量聚合物膜三維結(jié)構(gòu)的微探針，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的傳感器測(cè)量微牛量級(jí)的力，實(shí)現(xiàn)聚合物膜三維尺寸的準(zhǔn)確計(jì)量。該技術(shù)在軍工領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如準(zhǔn)確計(jì)量隱身飛機(jī)飛行前后隱身涂層的厚度變化，從而了解隱身飛機(jī)在各類環(huán)境下使用對(duì)隱身涂層的損傷程度［8］。

7 智能技術(shù)逐漸應(yīng)用于計(jì)量領(lǐng)域

隨著德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等持續(xù)推進(jìn)，在工業(yè)制造領(lǐng)域，機(jī)器人、人工智能等智能化技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。智能技術(shù)在計(jì)量領(lǐng)域也得到應(yīng)用，促進(jìn)測(cè)量準(zhǔn)確度的提升、測(cè)量效率的提高。

7.1 六自由度機(jī)械臂用于太赫茲天線測(cè)量

為發(fā)展太赫茲空間傳輸技術(shù)，需要準(zhǔn)確校準(zhǔn)天線。美國(guó)NIST開(kāi)展可達(dá)到500GHz頻段天線測(cè)量方法研究，結(jié)合機(jī)械臂靈活的運(yùn)動(dòng)特性和光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)確的定位特性，實(shí)現(xiàn)空間尺度25μm、角度0.01°的定位精度，對(duì)183GHz的天線特性進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。基于六自由度機(jī)械臂的太赫茲天線測(cè)量系統(tǒng)如圖19 所示［9］。

圖19 基于六自由度機(jī)械臂的太赫茲天線測(cè)量系統(tǒng)Fig.19 Terahertz antenna measurement system based on 6-degree-of-freedom mechanical arm

7.2 高精度輻射計(jì)角度自動(dòng)校準(zhǔn)定位系統(tǒng)取得新進(jìn)展

太陽(yáng)輻射精確計(jì)量依賴于輻射計(jì)方位角的定位精度。為實(shí)現(xiàn)輻射計(jì)測(cè)量角度的快速和高精度定位，西班牙國(guó)家航空航天技術(shù)研究所研制出具有余弦校正功能的輻射角度自動(dòng)校準(zhǔn)定位系統(tǒng)，采用激光干涉原理進(jìn)行角度定位，角度范圍±90°，步進(jìn)0.1°，定位準(zhǔn)確度0.01%，如圖20所示。

圖20 輻射計(jì)角度自動(dòng)化計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)Fig.20 Automatic angular measurement and calibration system of the radiometer

8 采用新原理不斷拓展計(jì)量能力

在計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域，采用飛秒激光、太赫茲、溫度絕對(duì)測(cè)量等新原理，不斷拓展傳統(tǒng)計(jì)量參數(shù)的測(cè)量范圍，提高準(zhǔn)確度。

8.1 基于飛秒激光的距離絕對(duì)測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速

美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究基于飛秒激光實(shí)時(shí)色散傅立葉變換的測(cè)距測(cè)速技術(shù)，在動(dòng)態(tài)范圍44mm時(shí)每20μs測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到10μm，該技術(shù)可應(yīng)用于沖擊物理學(xué)、能量學(xué)、安全工程等領(lǐng)域中的精密測(cè)量過(guò)程，其技術(shù)原理如圖21所示；美國(guó)加州理工大學(xué)研究基于芯片級(jí)微腔光梳的雙光梳測(cè)距技術(shù)，在平均時(shí)間500ms的條件下，測(cè)量不確定度達(dá)到200nm，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量與三維掃描成像測(cè)量，其原理如圖22所示。

圖21 基于實(shí)時(shí)色散傅立葉變換的測(cè)距測(cè)速技術(shù)原理圖Fig.21 Schematic diagram of the range-finding and speed measurement technology based on real-time chromatic dispersion Fourier transform

圖22 太赫茲雙頻梳頻譜分析系統(tǒng)原理圖Fig.22 Schematic diagram of the terahertz dual-frequency comb spectrum analyzer

8.2 太赫茲頻譜分析性能顯著提高

傳統(tǒng)太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的頻譜分辨力受制于飛秒激光重復(fù)頻率，無(wú)法進(jìn)一步降低。美國(guó)NIST使用雙頻梳方法研制的太赫茲頻譜分析系統(tǒng)，通過(guò)脈沖選擇技術(shù)，頻譜分辨力達(dá)到5MHz，提高了太赫茲頻譜分析系統(tǒng)的性能，如圖23所示。

圖23 基于F-P光學(xué)諧振腔的粗低真空基準(zhǔn)Fig.23 Low vacuum reference based on F-P optical resonant cavity

8.3 美國(guó)研制基于F-P光學(xué)諧振腔的真空標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)NIST基于氣體分子極化理論，利用基于固定長(zhǎng)度及可變長(zhǎng)度的F-P光學(xué)干涉腔，實(shí)現(xiàn)高精度氣體折射率測(cè)量反演真空度，研建粗低真空基準(zhǔn)，測(cè)量范圍1Pa～1E5Pa，測(cè)量不確定度優(yōu)于2E-4，最佳分辨率可達(dá)超聲干涉壓力計(jì)的35倍。

8.4 高溫共晶點(diǎn)賦值技術(shù)取得重要進(jìn)展

國(guó)際溫度咨詢委員會(huì)在新溫標(biāo)中加入高溫共晶點(diǎn)，要求各國(guó)計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)各自研制的高溫共晶點(diǎn)進(jìn)行熱力學(xué)溫度絕對(duì)法測(cè)量，并開(kāi)展國(guó)際比對(duì)工作。國(guó)際計(jì)量局（BIPM）、美國(guó)NIST和德國(guó)PTB等計(jì)量機(jī)構(gòu)分別采用輻射亮度和輻射照度測(cè)量法，開(kāi)展絕對(duì)輻射溫度計(jì)量技術(shù)研究，如圖24所示。

圖24 德國(guó)PTB的輻射照度測(cè)量方案Fig.24 Radiant illumination measurement scheme by PTB

9 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)搜集、整理量子化技術(shù)、微納尺度技術(shù)、空間計(jì)量技術(shù)、碳納米材料技術(shù)、智能化計(jì)量技術(shù)等國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料，歸納并分析了國(guó)外先進(jìn)計(jì)量技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)與趨勢(shì)，可為國(guó)防軍工計(jì)量技術(shù)發(fā)展提供借鑒。