米墩测量仪

高山滑雪最高时速达248km/h，滑雪赛道也需要“塑胶跑道”“更快，更高，更强”是奥林匹克的口号，充分反映了奥林匹克运动所倡导的不断进取、永不满足的奋斗精神。奥运会纪录的频频打破，不但有运动员的刻苦训练，教练员的辛勤指导，科技尤其是对于运动场地的科技提升也扮演了重要的角色。就拿大家熟悉的田径运动场而言，最初的跑道是煤渣跑道（相信很多70后、80后的老伙伴们都跑过吧），后来改成了人工合成的塑胶跑道，与煤渣跑道相比，其弹性好，吸震能力好，为运动员的发挥和成绩的提高提供了物质基础。在1968年的墨西哥奥运会上，在首次使用的塑胶跑道赛场上创造了诸多的奥林匹克纪录。2022年中国北京即将举行冬季奥林匹克运动会，中国提出了“科技冬奥”的概念，中国冰雪运动必须走科技创新之路。高山滑雪比赛是冬季奥运会的重要组成部分，被誉为“冬奥会皇冠上的明珠“。高山滑雪的观赏性强，危险性大，比赛时运动员最高时速可达到248km/h。高山滑雪比赛均采用冰状雪赛道。什么是冰状雪？所谓冰状雪，是指滑雪场的雪质形态，其表面有一层薄的硬冰壳，用于减小赛道表面对于滑雪板的摩擦力。可以说冰状雪赛道就是高山滑雪项目的塑胶跑道，其制作的质量对提高运动员的成绩及滑雪的舒适感，保护运动员的身体，延长运动寿命有着十分重要的作用。看似简单的冰状雪赛道，制作起来却大有讲究。冰状雪的制作过程十分复杂，目前采用的是向雪地内部注水的方案。但是注水的强度和注水的时间把握需要根据不同的赛道地点以及当时注水时的气温进行相应的调节，以保证冰状雪赛道既有一定的强度，又有足够的弹性，使得运动员能够在高速的高山滑雪比赛中舒畅的进行滑降、回转等比赛项目。与田径场塑胶跑道不同的是，每次比赛每一个运动员在进行高山滑雪比赛时，由于技术动作的需要，都或多或少的会对冰状雪的赛道产生一定损伤，为了保证比赛的公平性，前后出发的滑雪运动员的赛道雪质状态需要保证一致，因此冰状雪赛道还需要有一定的厚度以及均匀性。研制新型冰状雪测量仪器，保障赛道质量既然冰状雪赛道有如此多的要求，那么过去是如何判断冰状雪赛道的雪质的呢?主要是采用人工判断的方法，即找一些有经验的裁判员用探针安装在电钻上进行触探工作，通过触探工作反馈的手感判断冰状雪赛道的建造质量。这种带有一定“盲盒”性质的判断工作往往会显得很不透明，也不利于这项运动的推广。助力2022北京冬奥会，依托科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项2020的“不同气候条件下冰状雪赛道制作关键技术”项目，中国科学院南京天文光学技术研究所南极团队和中国气象科学研究院共同合作研发了用于判断冰状雪赛道质量的冰雪粒径测量仪和冰雪硬度测量仪，其目的在于将冰状雪质量的人工主观判断，变成清晰可见的客观物理数据，通过对这些物理数据的科学分析，结合有经验的运动员的滑雪体验，掌握不同地点，不同天气条件下冰状雪赛道的制作方法。主要有如下两种仪器：冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪。积雪颗粒的形状及大小是影响雪的力学性质的主要因素，不同大小雪粒之间在自然状态下空隙不断变小，雪中含有的空气降低，使得雪粒间的化学键合力增强，从而影响雪的硬度。那么如何测量积雪的颗粒呢，科研人员采用漫散射原理：近红外光经过粗糙的表面会被无规律的向各个方向反射，会造成光强度减弱，光减弱的大小跟表面的粗糙相关，而积雪表面的粗糙程度是由粒径决定的。通过测量光减弱的比例间接的测量出冰雪的颗粒大小。冰雪粒径自动测量仪测量注水雪样雪的硬度测试是反映冰雪强度的重要指标之一，冰雪硬度测量仪的原理是通过电机带动滑轨驱动探头打入冰状雪赛道内部，并读取探头受到的反作用力的大小来判断冰雪的硬度条件。该方法的好处是可以做到基本无损的对赛道进行冰雪硬度的测量，不影响赛道的后续使用，并且可以通过读取力和冰状雪深度的曲线了解冰状雪赛道的均匀性。针对高山滑雪的赛场坡度较陡，人工攀爬十分困难，科研人员在仪器的便携性上做了特殊的设计，设计了一款折叠式的硬度测量仪，方便携带，可以从坡顶沿雪道一直测量到坡底，实现了仪器的“就地展开”和“指哪测哪”的功能。冰雪硬度测量仪现场工作照片2020年11月-2021年3月，抓住冬奥会举办前的最后一个冬季的机遇，在冬奥会举办地北京延庆、河北张家口以及黑龙江哈尔滨亚布力冬季体育训练基地对不同气候条件、不同注水强度的冰状雪赛道，使用研制的冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪进行了粒径及冰雪硬度测试，获得了不同深度冰雪粒径的变化图以及不同深度的冰雪硬度的曲线图。冰状雪赛道压强-深度关系图该项目的首席科学家，中科院西北研究院冰冻圈科学国家重点实验室副主任王飞腾研究员认为“雪粒径及硬度计等新型冰雪仪器的研究，将过去以人工经验为主的冰状雪赛道状态判断变为了客观、清晰的科学指标，为冰状雪赛道制作标准的透明化提供了参考依据”。项目攻关团队的带头人，国际冰冻圈科学协会副主席，中国气象科学研究院丁明虎研究员认为“雪粒径和硬度计的设计充分考虑了不同于自然雪的人工造雪的特殊情况，仪器在项目工作中表现优异，性能稳定，可靠性高。”未来将在南极天文台发挥作用冰雪强度、硬度的测量不仅可以应用于滑雪相关的体育运动中，在未来的极地工程建设上也能发挥作用。遥远的南极虽然不是适合人类居住的地方，但是却有着良好的天文观测条件。根据2020年在 Nature 上发表的一篇文章，证明昆仑站所在的冰穹A地区的光学天文观测条件优于已知的其他任何地面台址。这项研究成果确认了昆仑站有珍贵的天文观测台址资源，为我国进一步开展南极天文研究奠定了科学的基础。但是如何在南极地区安装大型望远镜又有很多实际的困难，其中之一就是普通的大型望远镜的基墩都是直接安装在地球的基岩上，这样基墩比较扎实稳固，能保证望远镜在观测时不会因为地基不稳产生晃动，但是冰穹A地区的冰大约有4000m那么厚，相当于1500层楼房那么高，如果再想将望远镜基墩打入基岩显然难以做到。那么大型望远镜如何能够平稳的伫立在南极浮动的冰盖上呢？这就需要科学家们对冰穹A地区的冰雪进行特殊的加固处理，使其能够满足基墩的设计要求。在加固处理完后，我们的雪粒径和硬度测量仪就可以对加固后的冰雪强度进行测量，通过科学的数据检验其是否能够满足南极大型望远镜的需求。

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第二届国际高端测量仪器高层论坛暨第12届精密工程测量与仪器国际会议（IFMI & ISPEMI 2022）于2022年8月8日至10日在广西桂林成功举办。本论坛由中国工程院、国际测量与仪器委员会（ICMI）共同指导，中国工程院信息与电子工程学部、中国仪器仪表学会、中国计量测试学会和哈尔滨工业大学联合承办，桂林电子科技大学、北京信息科技大学协办。本次论坛的目的是，根据世界科技革命与产业变革发展趋势，探讨和判断高端测量仪器技术发展趋势和仪器产业发展趋势，提出促进世界高端测量仪器科技与产业重点发展方向，共同推进世界范围内高端测量仪器技术形态和产业业态的变革。中国工程院院士、哈尔滨工业大学精密仪器工程研究院院长、中国仪器仪表学会副理事长谭久彬教授担任大会主席并主持会议。谭久彬院士指出：“仪器是测量的载体，是科学发现和基础研究突破的重要手段。… … 精密仪器技术与工程支撑着整个现代科技产业、国民经济和社会管理的高质量发展。随着新一轮科技革命和产业变革的深入，新一代物联网、大数据、云计算、人工智能、精准医疗、智能制造、智慧城市建设等领域不断发生革命性变化，因此，精密工程测量与仪器技术势必会遇到前所未有的巨大挑战和发展机遇。”谭久彬院士担任大会主席并主持会议大会现场国际测量技术联合会（IMEKO）前主席Kenneth T. V. Grattan院士、中国计量测试学会副理事长兼秘书长马爱文先生、桂林电子科技大学党委副书记聂慧教授参加大会并在开幕式上致辞。Grattan院士指出，测量是科学研究的基础。以精密测量为基础的技术突破促进了高端精密仪器的制造，同时进一步推动了加工制造、光学、材料、生命科学等领域的发展。最后，Grattan院士强调，随着人工智能技术的不断发展，将智能化技术融入精密制造、数字化测量等领域是当前面临的重要机遇与挑战。本次会议分为主论坛大会报告、分论坛研讨和圆桌论坛3部分。共有来自美国、英国、澳大利亚、德国、比利时、加拿大、俄罗斯、韩国、日本、新加坡、中国等12个国家和地区的250余位专家出席本次盛会，2600余名科技工作者和研究生观看了会议直播。大会特邀国际测量联合会主席(IMEKO)、德国联邦物理技术研究院（PTB）副院长Frank Härtig教授，美国加州理工大学Lihong Wang院士，伦敦大学城市学院Tong Sun院士，兰州空间技术物理研究所李得天院士，悉尼科技大学Dayong Jin院士，加拿大维多利亚大学Yang Shi院士，比利时鲁汶大学Han Haitjema教授，海克斯康技术总监隋占疆等国际著名专家分别围绕“计量学——数字化的基础支柱”、“从细胞器分子吸收到患者尺度的光声断层扫描”、“应用驱动型传感器循环设计”、“空间充放电效果模拟测试技术及其在中国空间站的应用”、“稀土高掺杂发光材料、单颗粒光谱系统多维度表征与新发光特性、新型超高分辨成像方法与仪器研发、生医工交叉应用等需求”、“自主智能机电系统的高级鲁棒模型预测控制框架”、“光学表面形貌测量仪器的特性及标定”、“数字时代下，计量技术如何赋能行业发展”进行主题演讲。分论坛分为8个分会场，共计48个分论坛邀请报告。分论坛的专家学者们结合测量仪器技术与精密工程各个分支方向，交流了目前本领域存在的重大科学问题与关键技术问题、具有发展优势的新的技术路线和近期重大研究进展与突破；探讨了因学科交叉衍生出的新原理、新技术和新方向；并对该领域未来10年的发展趋势与特点、新的应用背景和可能产生的新突破进行了探索与研判；预测未来国际和国家测量体系和仪器行业的发展趋势，从而规划国际和国家测量体系的建设路线和新形态仪器技术的发展路径。除主论坛、分论坛的学术交流与研讨外，会议还以圆桌会议形式进行战略研讨。受谭久彬院士委托，中国仪器仪表学会常务理事、哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院院长刘俭教授主持研讨。圆桌论坛邀请叶声华院士等著名科学家、测量仪器领域著名专家学者，以及华为技术有限公司、海克斯康测量技术有限公司、天津三英精密仪器股份有限公司、深圳中图仪器科技有限公司、哈尔滨芯明天科技有限公司、中铁一局集团陕西卓信工程检测有限公司、深圳中科精工科技有限公司、江苏天准科技股份有限公司、国营芜湖机械厂等企业的近百名技术型企业家参加了研讨。圆桌论坛围绕“我国高端仪器的瓶颈在哪里以及国产高端仪器如何突围”这两个主题展开讨论。与会专家和企业家首先就我国高端仪器与国际高端仪器在前沿技术方面的主要差距、国产高端仪器如何面向国家重大需求与国际科技前沿、我国高端仪器产业推广与高校企业成果转化对接面临的问题、如何打通高端仪器产业上下游等热点问题展开了热烈讨论。随后就目前我国高端仪器产业面临的问题、亟待解决的政策支持以及未来的发展战略充分发表了建议。最后就高端仪器技术布局与标准化、高端仪器创新链与产业链上下游打通等问题进行了深入探讨，并达成了初步共识。