计量标准的稳定性(共享)

进一步理解计量标准的准确性和稳定性[概要]计量不仅保证着产品的一致性和互换性，而且对于保证产品的优质起着至关重要的作用。测量过程可以溯源到统一的标准，而统一的标准就是计量标准，计量标准最重要的指标是其稳定性和准确性。[关键词]计量标准准确性稳定性随着近代大规模机械生产的发展，对零件提出了互换性要求，这就要有统一的几何量标准。日益扩大的贸易活动也提出了建立统一的质量（mass）标准的要求。一旦这些标准建立了起来，由不同人在不同时间、地点进行的测量过程就有了统一的依据，测量的数值结果可以相互比较。也就是说，测量过程可以溯源到统一的标准。这种可以溯源到统一标准的测量就称为计量，而统一的标准就是计量标准。20世纪中，工业化大生产在世界范围内取得了长足的发展。计量不仅保证着产品的一致性和互换性，而且对于保证产品的优质起着至关重要的作用。随着技术的发展，生产中的各种工艺过程日益精密化和严格化，产品的质量得到了空前的提高。各种生产厂商不断努力加强这种过程，以占领更多市场份额，求得企业发展。大生产在各种领域形成了买方市场，激烈的竞争就围绕着产品的质量展开。所以有人提出，21世纪将是一个产品质量竞争的时代。在检验产品的各方面性能时，计量标准起着保证测试结果准确度的关键作用。因此产品的质量在很大程度上依赖于计量测试工作。朱镕基总理曾指出过，原材料、工艺和计量是保证产品质量的三大要素。20世纪的另一重大特征是高新技术得到了蓬勃发展。集成电路、计算机、激光、航天技术、超导技术、纳米材料等等深刻地改变着我们的社会面貌。近年来环境、食品、农业等方面的问题也得到了越来越多的重视，要求计量测试技术提供各种各样的环境检测服务，为提高生活质量提供切实的根据。在上述高新技术的研发过程中，各种各样的精密实验无不需要计量技术及计量标准为实验的准确性提供保证。同时新兴技术往往也提出建立新的计量标准、发展新型测量技术的要求。因此，现代计量工作在多方面发挥着其社会功能。在过去的20世纪中，计量基准经历了从实物基准到量子基准的提升，准确度有了大幅度的提高，适应了社会对计量工作提出的各种各样的高要求。经典计量与实物基准计量标准一般先在一个国家的范围取得统一，以促进该国的生产和贸易的发展。秦始皇首次统一中国的计量标准（统一度量衡）是历史上我国对计量事业的重要贡献。18世纪以后由于世界性的工业革命以及国际贸易的发展，首先在欧洲形成了一种国际性的计量单位制——米制，确定了以米、千克、秒为最基本的计量单位。经过一百多年，此种单位制已发展成为目前国际上一致公认的国际单位制SI。其中规定了米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔7个基本单位，其它各种单位则由这7个基本单位导出。由于7个基本单位的重要性，国际单位制中给出了它们的严格定义及准确复现单位的方法。用于保存和复现基本单位的装置就是准确度等级最高的计量标准——计量基准。19世纪下半叶到20世纪上半叶，各国建立起了经典的计量基准。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，故称为实物基准。例如一个保存在巴黎国际计量局（BIPM）的铂铱合金圆柱——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，用一组饱和式韦斯顿标准电池的端电压的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等等。计量基准是保证整个计量工作准确度的基础。但也正是由于其重要性，不能轻易使用。为了使产业界能够使用准确的计量量值，需要建立一种量值传递检定网。以最常见的称重计量为例，最高等级的质量计量基准是保存在巴黎国际计量局的铂铱合金千克砝码原器。每数年一次各国的中央计量机构把它们的国家基准千克砝码运到巴黎与砝码原器进行比对以得到各国基准砝码的准确量值，然后再由各国自行向下传递质量量值。我国则已建立了国家、省、市（县）等各极计量机构。这些计量机构都保存着它们的标准砝码，并按照国家级——省级——市、县级——企业的金字塔式的计量量值传递检定系统依次向下传递量值，开展日常的计量检定工作。19世纪以来，各国的计量量值传递检定系统给产业界提供了计量服务，确实在帮助产业界提升产品品质的工作中做出了重大贡献。但是，随着科技及工农业的由标准的电池和标准电阻维持的实物基准，并给出这两种新标准中所涉及的约瑟夫森常数KJ及冯克里青常数RK的国际推荐值。从几年来的实践结果来看，1988年国际计量委员会的建议是十分有效的。采用新方法后电压单位和电阻单位的稳定性和复现准确度提高了两到三个数量级。

目前，各国的计量研究院正在努力攻克经典计量学中的顽固堡垒——用某种量子计量基准来代替尚在使用的铂铱合金千克砝码实物基准。此实物基准是上一世纪制成的，当时估计其准确度为10-9量级，在19世纪的各种计量基准中首屈一指。可惜的是其后陆续发现了不少因素会使其保存的质量量值不断发生变化。例如该砝码尽管不易氧化，但其表面仍会吸附一些肉眼无法察觉的气体分子和其他杂物，甚至其内部也会吸附氢气等气体。这些过程使该砝码质量的增加量可能已达到十多微克（1×10-8以上）。仔细的清洗过程可以减少此种被吸附的杂物，但过一段时间又会发生类似过程。为了摆脱此种困境，亦应该用某种适当的量子计量基准来代替这一已明显跟不上时代步伐的实物基准。目前对这一十分迫切的课题已提出了若干解决方案。例如用高度提纯的硅晶体中的硅原子质量作为新的量子质量基准就是一种有希望的方法，其关键步骤是实际计数出硅晶体中原子的数目。但这一方案虽经多年探索，准确度还只达到10-8量级，尚未能直接取代铂铱合金砝码。还有一种办法是利用约瑟夫森电压和量子化霍尔电阻导出量子电功率基准，再经过速度及重力导出质量量值。从原则上说也算是一种量子质量基准。尽管这种方案构思十分巧妙，但稍嫌复杂，目前的准确度也只能达到10-8量级。国际计量局已明确号召各国的计量科学家用各种各样的方案来攻克量子质量