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什么是精密測量?人民日報刊發(fā)哈工大儀器學院譚久彬院士科普文章


  來源: 哈爾濱工業(yè)大學 時間:2022-04-03 編輯:清風
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近日,《人民日報》“開卷知新”專欄刊發(fā)了哈爾濱工業(yè)大學儀器學院譚久彬院士署名科普文章,題目為《精密測量——科學探索的“眼睛” 高端制造的“尺子”》。



以下是文章全文。


精密測量——

科學探索的“眼睛”高端制造的“尺子”

譚久彬


哈爾濱工業(yè)大學儀器學院譚久彬院士


科學家門捷列夫說:“科學是從測量開始的。”“現(xiàn)代熱力學之父”開爾文有一條著名結論:“只有測量出來,才能制造出來。”人類科學研究的革命,工業(yè)制造的迭代升級,都離不開測量技術的精進。在當代科技和工業(yè)領域,高水平的精密測量技術和精密儀器制造能力,是一個國家科學研究和整體工業(yè)領先程度的重要指標,更是發(fā)展高端制造業(yè)的必備條件。隨著精密測量技術不斷進步,其在科學研究、工程科技、現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。


精密測量是工業(yè)生產(chǎn)的倍增器


精密測量是一個大的泛指的范疇。凡是準確度很高的各類測量,都可稱之為精密測量。在精密和超精密工程領域,精密測量有具體的數(shù)量級,是指測量準確度在1微米至0.1微米量級的測量,超精密測量是指測量準確度優(yōu)于100納米,如10納米、1納米,甚至皮米(千分之一納米)量級的測量。


精密測量興起于工業(yè)大生產(chǎn)。規(guī)?;笊a(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)的重要特征,產(chǎn)業(yè)分工與專業(yè)化配套越來越細化,地域分布越來越廣,產(chǎn)業(yè)鏈遍布全世界。也就是說,一個產(chǎn)品由成百上千甚至成千上萬個零部件組成,這些零部件不可能由一個廠家生產(chǎn),需要聯(lián)合遍布各地的多個優(yōu)勢廠家。比如一部智能手機有1600多個零件和元器件,由分布在世界上10多個國家和地區(qū)的150多家工廠提供。這樣做,能大批量標準化生產(chǎn),生產(chǎn)效率高、質量高、成本低,優(yōu)勢明顯。但技術層面存在一個難題——面對如此多零件、元器件,其中任何一個的尺寸精度或其他技術指標不合格,就無法集成到一起。


為解決這類問題,國際標準化組織(ISO)和國際計量局(BIPM)制定了一系列標準與規(guī)范。依據(jù)這些標準與規(guī)范,國際計量局將公認的標準量值傳遞給每一臺測量儀器,以保證這個標準量值在全世界范圍內(nèi)一致。之后,生產(chǎn)廠商使用測量儀器,對產(chǎn)品的每一個零件和元器件的所有技術參數(shù)進行精密測量。這樣才能保證所有的測量儀器都是精確的,測量數(shù)據(jù)都是精準的,進而成千上萬的零件或元器件具有互換性。通俗地說,就是不同廠商的產(chǎn)品都是合格的、好用的。由此而來,精密測量已成為促進科技發(fā)展的新興學科。


精密儀器助力科學新發(fā)現(xiàn)


怎樣進行精密測量?這就需要實施精密測量的工具——精密儀器。精密儀器包括各類高端測量儀器、分析儀器、成像儀器、診療儀器和各類實驗儀器等。在幫助工業(yè)生產(chǎn)“把關”的同時,精密儀器也是科學研究的有力工具。縱觀各國科技發(fā)展歷史,不難發(fā)現(xiàn),科技強國一定是基礎研究強國,基礎研究強國一定是測量與儀器強國。大多數(shù)現(xiàn)代科學發(fā)現(xiàn)和基礎研究突破,都是借助先進的精密測量方法和尖端測量儀器實現(xiàn)的。引力波探測就是一個典型例子。


引力波探測是直接驗證愛因斯坦廣義相對論、探索宇宙起源和演變的實驗,具有重大科學價值。但引力波信號極其微弱,探測難度極大,采用超高分辨率的遠距離激光干涉測量方法探測,是目前最有優(yōu)勢的技術途徑。也就是說,激光干涉測量儀的測量準確度,將直接決定探測引力波的極限能力。如果激光干涉測量儀建立在地球上,其互為垂直的兩路激光測量臂長至少要達到4000米。只有滿足這一條件,引力波引起的激光測量臂長極其微小的變化(不超過質子直徑的萬分之一)才能被測量到。如果按比例放大,這一超高分辨率測量相當于在繞地球1000億圈的長度上,檢測出不超過一根頭發(fā)絲直徑的長度變化。經(jīng)各國科學家共同努力,2016年人類首次直接測量到高頻段引力波,3位相關科學家因此項成果獲得諾貝爾物理學獎。


關鍵詞:精密測量 譚久彬 儀器    瀏覽量:6254

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