简易晶管量仪

近日，第3届高端测量仪器国际论坛暨第13届精密工程测量与仪器国际会议（IFMI & ISPEMI 2024）在山东青岛成功举办。会议邀请各国精密工程测量与仪器领域的高层科学家、专家与业界领袖，就国际精密工程测量与仪器领域面临的重大机遇、重大科学问题和关键技术问题展开深入研讨，展望其未来发展方向和技术路线等。会议期间，仪器信息网特别策划了专访环节，荣幸地邀请到了中国计量学会秘书马爱文，就我国精密测量仪器产业发展现状与建议、精密测量技术未来发展方向、制造业转型升级面临的挑战等话题展开分享。国产精密测量仪器产业发展面临瓶颈马爱文秘书长表示，“国内精密测量仪器的发展正面临瓶颈期。从更宏观的视角审视，精密测量技术是社会发展水平的缩影。我们过去常言，测得准才能造得精。这意味着，只有不断推进高精度测量仪器的研发与应用，才能引领产品向更高质量、更高精度迈进。以机械制造业为例，要实现高精尖产品的制造，其背后的工业母机必须具备远超产品本身的精度标准，而测量技术则需再上一层楼，至少达到母机精度的三分之一以上额外精度，方能确保产品的质量。然而，不可否认的是，我国在机械加工领域，包括精度、可靠性等方面，仍面临诸多挑战，这也在一定程度上折射出我国精密测量仪器及其技术与国际先进水平之间的显著差距。更为严峻的是，国际上的高精度产品禁运政策，如同一道无形的壁垒，严重制约了我国多个产业，尤其是高精度仪器仪表产业的发展。但我坚信，挑战与机遇并存，中华民族自古以来便以坚韧不拔、勇于探索著称，面对重重困难，我们定能迎难而上，研发出具有自主知识产权的高精度测量仪器，满足社会高质量发展的迫切需求。”多措并举，推动精密仪器产业高质量发展马爱文秘书长进一步谈到：“推动精密仪器产业的全面发展，需采取多维度策略，首要且核心的是计量测试技术的坚实基础。2018年国际单位制迎来重大变革，将七个基本量被定义于基本物理常数之上，为全球测量技术领域树立了统一的基准线。然而，要精准定义这七个基本量、构建坚实的计量基准体系，仍面临漫长且艰巨的探索之路。鉴于此，国家应聚焦基础研究，攻克计量基准难题，研发高精度仪器，为技术转化与社会应用奠定基础。同时，仪器仪表产业需加大科研投入，加速成果转化，将创新应用于实践。国家与产业界共同努力，才能推动我国精密仪器产业的蓬勃发展。高精密测量仪器的性能，实为整个产业技术水平的集中展现。其内部集成的芯片、精密齿轮及诸多基础零部件，其性能与品质直接决定了仪器的测量精度。这些部件共同构建了一个精密而复杂的产品系统，而系统性问题的解决，如误差调控，便成为推动仪器仪表产业向前发展的关键所在。以激光干涉仪为例，其高精度的实现同样依赖于多元零部件的精密配合。因此，零部件的质量、设计思路、制造工艺等因素，均对精密测量仪器的整体精度产生影响。中国若要在高精度测量仪器领域取得突破，不仅需计量部门的不懈努力，更需整个产业链上下游的协同提升。近年来，我持续关注国产仪器与国外同行在性能与市场上的差距。从设计等多个维度来看，国产仪器已在众多领域展现出替代进口产品的强劲实力。然而，在稳定性和可靠性方面，国产仪器及设备存在一定短板。以机床制造为例，德国机床采用经过30年应力消除的钢材制作导轨，以确保长期精度稳定，而国内企业往往难以达到这种高标准，甚至存在直接使用未经充分应力消除的钢材制作导轨的情况。这直接导致机床在使用一两年后，因应力变化而影响测量精度，发生精度漂移。此现象并非个例，也广泛存在于各类精密测量与测试设备中。国产设备在初期往往表现出色，但长期使用后精度下降的问题较为突出。尽管国家已建立了严格的检定校准制度作为外部保障，但提升设备自身的稳定性和可靠性才是治本之策。此外，在科研领域，前沿理论的探索与现场实际应用的紧密结合也至关重要。针对仪器设备在不同应用环境下的性能变化，特别是测量精度的波动及其对最终结果的潜在影响，亟需深入探究。当前，我国计量体系已臻完善，国家计量院专注于计量基准的研究，各省计量院则负责计量标准的制定。同时，众多高校与科研院所也在测量技术领域深耕细作。我们应凝聚各方智慧与力量，共同推动高精度测量技术及仪器的研发与转化进程，以切实满足企业及社会发展的实际需求。当前，国家高度重视这一领域的协同发展，通过NQI等支撑项目，积极促进产学研深度融合，确保企业界的广泛参与。”AI与量子测量赋能精密测量技术发展聚焦精密测量技术，仪器厂商正积极拥抱人工智能（AI）技术，通过深度融合与创新应用，实现测量精度与效率的双重提升。对此，马爱文秘书长认为，人工智能与精密测量之间相辅相成，不可分割。精密测量借助人工智能的算法优化，显著提升了测量精度；然而，若过度聚焦于人工智能，可能导致对测试技术基础工艺及零部件材料研究的忽视，从而限制了测量技术的整体进步。因此，他强调两者应形成良性的互动循环，人工智能为精密测量提供算法支持，精密测量则为人工智能算法提供精确数据，共同推动整个系统性能的大幅提升。在探讨精密测量的未来发展方向时，马爱文秘书长则表示：“量子测量技术无疑是一个极具潜力和前瞻性的领域。随着2018年国际单位制中七个基本单位全面基于基本物理常数重新定义，人类社会正式迈入了量子时代，极大地促进了量子测量技术的发展。量子测量技术，简而言之，是利用量子、原子、分子等微观粒子作为测量工具，依托其独特的物理特性（如体积小、能量高、带电性、磁性等）来精确感知和测量外界环境的变化。这一技术因其极高的灵敏度，在精密测量领域展现出前所未有的优势，被视为未来发展的重要方向。然而，量子测量仍需攻克诸多技术难题，如离子干涉、离子阱的精确控制、单控温色芯技术的突破等。这些技术挑战要求我们在研发过程中不断创新，攻克难关，以实现量子测量技术的突破与应用。尽管如此，量子测量的潜力和价值不容忽视。它将成为人类认知世界、利用自然规律的重要工具。因此，我衷心希望仪器仪表产业能够紧跟量子测量技术的发展步伐，积极投入研发创新，推出具有自主知识产权的量子测量产品与设备。”精密测量：筑牢数字化与智能化转型的基石2024年3月，工信部等七部门联合印发《推动工业领域设备更新实施方案》，围绕推进新型工业化，以大规模工业设备更新为抓手，实施制造业技术改造升级工程，以数字化转型和绿色化升级为重点，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。针对此重大举措，马爱文秘书长发表了深刻见解：“数字化转型是一个多维度、深层次的变革过程。基于我在工业计量与测量领域的研究，以及对众多工业企业的实地考察，我深刻体会到，我国工业发展尚处在1.0至2.0的初级阶段，数字化与智能化水平与国际前沿存在显著差距，这主要受限于历史工业基础薄弱。然而，值得注意的是，国内大型企业已积极投身数字化、智能化、网络化转型，并初显成效，特别是在汽车制造业中，智能化技术的应用彻底革新了这一传统行业。关于精密测量技术，对于大多数工业企业而言，当前或许并不需要过于高端的测量设备；但在高端装备制造领域，如芯片制造与航空航天关键部件（如齿轮）的制造中，高精度测量仪器不可或缺。这种高精度需求推动了精密测量技术的发展，反过来精密测量技术也促进了工业企业的智能化与快速化进程。传感器作为智能化的基石，其高精度制造同样离不开先进测量技术的有力支撑。因此，精密测量技术与工业智能化之间形成了相辅相成、共同发展的良性循环。工信部最新推出的大规模设备更新政策，旨在通过优化生产工艺与流程，引领工业企业借助数字化转型实现制造质量的提升。在此过程中，我强烈建议加强对测量仪器与设备的集成应用，将其直接嵌入生产流程，确保产品质量的显著提升。以汽车制造业为例，高精度测量技术是机床与机器人高效运作的关键。只有确保机器人装配精准无误，才能组装出高质量汽车。因此，我们必须将计量与高精度测试技术融入设备更新与工艺改造之中，确保每一次升级都是对品质追求的深刻实践，而非简单的设备替换。此外，国家大力倡导的数字化转型及大数据应用，其根基源自精准的测量技术，特别是稳定可靠的高精度数据。这些数据不仅是提升产品质量的基石，也是节能减排、精细化管理及应对气候变化等战略决策的重要依据。因此，我们呼吁将计量与测试技术贯穿于产品全生命周期的每一个环节，从设计、研发、制造到检验、报废，全程赋能产业升级，减少资源浪费，促进可持续发展。同时，这也为测量仪器制造企业与供应商带来了前所未有的发展机遇，但前提是他们必须持续提供高质量的产品与服务，以满足市场的测量需求。”采访中，马爱文多次强调，精密测量技术不仅是产业升级的基石，更是国家高端科研不可或缺的支撑。作为科学研究的先行者，高精度的测量仪器应广泛服务于各科研领域，提供可靠的测量手段。与此同时，智慧城市、智慧交通、医疗及生命科学等领域都离不开精密的测量设备与仪器。我衷心希望，全国的仪器仪表制造企业能够瞄准社会需求，研发出更多高质量、高性能的测量仪器设备，共同促社会进步与发展。

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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