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我们为什么需要计量科学----为中国计量科学研究院60年而作
发布日期:2015-02-10 来源:中国计量科学研究院 作者:卢敬叁 浏览次数: 字号:【

  计量是人们定量描述物质世界,揭示自然界物质运动规律,改造客观世界的一种不可缺少的手段。计量是通过实现单位统一、量值准确可靠来为现代化建设服务的。没有测量就没有科学,计量科学就是准确测量的基础。

  计量科学技术是基础科学,是应用科学,同时也是先导性科学。在新兴科技领域的发生和发展的过程中,往往需要新的计量基准、标准的建立。因此,加强计量科学技术基础研究,对各学科的研究和经济建设、社会发展有着重要的意义。

 

计量的基础作用是什么

     

  计量学是研究一切有关测量的理论和实践问题的科学。其内容包括研究确定计量单位和单位制、计量单位的复现方法和建立基准、标准体系、量值传遍和溯源方法,误差理论及测量结果的质量保证。我们知道,事物的性质是由质和量两方面来体现的。经验表明,科学研究往往是由定性的观察开始,最后以理论来表述。通过数学表达是对自然规律最严谨的描述,没有定量的实验观测便难以证明这种表达的正确性,这一点在物理学中表现得尤其突出。所以,计量学的发展与物理学的发展关系密切。

  自然科学的发现为技术发展奠定了基础。但技术成果若没有可供工程计算的基本数据就不可能进行工程设计,也不可能形成规模生产的能力,不言而喻,测量获取基本数据必不可少的手段。现代化生产是专业分工的社会化生产,产品要有互换性,要求对工艺过程进行严格的控制以保证产生性能的一致性,保证产品质量生产过程中的测量和控制。不可能像手工作业凭经验操作,而要求对多学科工艺参数进行在线的甚至随机的测量和控制。在商品的制造生产中,要求低投入多产出,提高劳动效率、节约原材料,是降低投入与多产出比两大方面。显然生产过程中的自动化是当前提高生产劳动效率的主要途径,而节约原计料和能源除了有赖于设计和工艺方法的改进,还与生产过程的控制有关,自动测量不但替代了人的感官功能,而在灵敏度、量程以及忍受的环境条件方面早己超出了人类感官的范围,有些人类尚无法感觉到物质和现象,我们就用传感器探测出来。所以测量是人类获取生产过程信息的唯一途径。

  计算机的出现推动了第三次工业革命,上世纪90年代以来,由于计算机和光通讯技术的迅速发展,引起了世界范围以“信息革命”为时代标志的科技大进军。信息科学是获取信息、传递信息和处理信息的科学。人们要获取信息,要对自然的认识,是由感性到理性,由定性到定量的过程。现代科学对自然的探索主要靠更精密、更灵敏、更高级的传感器技术及测量仪器定量而精确的获得信息。例如,对遥远的星际发出的脉冲波谱需要进行准确的定量分析;对医学诊断中应用的核磁共振需要极高的准确度测量其频率;对微小的脱氧核糖酸(DNA)也需要进行精确的排序。所有这些测量使用的仪器都必须通过计量校准,从确保其测量结果的准确可靠性来讲,计量科学技术是准确获取信息的基础和保证。

  计量与当代最前沿科学技术有着密切互动关系。当代基础性研究在继续依靠科学家创造性思维的同时,越来越依靠于复杂、精密、宏大的实验系统和科学测量手段。上世纪60年代对宇称不守恒理论的验证,就是应用了美国标准技术研究院的计量仪器设备完成的,从实验证实了宇称不守恒的理论。在物理学方面。牛顿力学奠基以来得到不断的完善,揭示出各种物理量之间的关系,这些关系是以长度、时间和质量3个量为基本量,以量纲形式来表述,但在作量的表述时,随着所采用的基本单住不同而需要引入不同的系数。自1780年法国提出米制作为单位制基础以来,米制因为以十进制为基础,显示出较其他单位制的优越性。同时法国也以当时较为先进的方法,建立了复现单位制的基准,米制逐渐也被其他国家所釆用。除了长度、质量和时间外,还有温度、电流、光强和物质的量作为基本单位,再由这7个基本单位导出其他物质的量。科学技术发展的历史证明,计量与基础科学研究和高新技术的关系从来就是相辅相成的,彼此交叉,互相促进、共同发展。

 

  计量留下了怎样的足迹

   

  回眸计量的往事,看看计量走过的历程,我明白了什么呢?我们说,中国有五千多年的文化,在中国历史的长河中,度量衡技术已成为文化中的奇葩,它伴随着我们走过了悠久的历史发展历程。自从人类有了萌发制造工具进行生产、生活之时,量的概念也就在人类的思维中产生。用石头制工具,用长短适度的树技做武器,以量的大小分配食物等。在有专门测量工具之前,判断物体的长短、轻重和数量是依靠自身的肢体和感觉器官来判。“布手知尺、手捧为升、迈步定亩”,就是最初的计数和测量方法。

  从远古的母系氏族社会,到采用比较精确计量手段进行计量的半封建半殖民地社会,经历了七千年。历史上,多朝多代对“度量衡”进行研究,制作度量衡器具,建立度量衡管理制度。在春秋战国时期,社会制度发生了巨大变革,伴随变革的需要,诸侯各国建立了各自的“度量衡”制度,量值各不相同,度量衡单位的大小、名称也不尽相同,由于中国的不统一,造成了“度量衡”制度混乱。直到秦始皇统一中国后,废除了各国度量衡制度,颁布了新的度量衡制度,制定了度量衡法规,才统一了中国“度量衡”。

  在国际上,1875年,《米制公约》的签订,标志着各国计量制度开始趋于统一;1955年签订《国际法制计量组织公约》和1960年第11届国际计量大会通过国际单位制,则标着各国计量制度初步统一和计量学的基本成熟。而我国古代具有雄才大略的秦始皇统了文字、度量衡和货币,奠定了中华民族两千多年来统一的基础,这里的度量衡即是现今计量的组成部分。国际计量局(BIPM)直译为国际权度局,这里的“权”和“度”即是砝码(质量计量器具)和尺子(长度计量器具),与我国古代称计量为“度量衡”(尺、斗、秤)极其相似。

  

 

  中国计量院旧址:1952--1956年原东四北大街马大人胡同27号,现育群胡同36号

  新中国成立之初,全国度量衡管理处于瘫痪状态。恢复经济,百业待兴,各行各业急需计量技术。1950年初,在中央财政经济委员会技术管理局设立了度量衡处;同年5月,度量衡处接管了旧政府留在重庆的有关度量衡档案和度量衡器具,其中包括经国际计量局检定的营造尺原器和库平两原器,开始了新中国计量工作。1952年,度量衡处划归中央工商行政管理局领导。同年8月从原苏联引进一批计量标准仪器。1953年,度量衡处开展尺子、砝码、量器和密度计等检定工作。同年,中国历史上第一个以“计量”替代“度量衡”命名的机构“第一机械工业部计量检定所”诞生。1954年11月初,第一届全国人民代表大会常务委员会提议成立国家计量局,同年11月8日,人大常委会第二次会议批准成立国家计量局(含中国计量科学研究院)。1958年1月11日,国务院批准将一机部工具科学研究院的计量部分并入国家计量局。1959年6月,国务院正式颁布《并于统一计量制度的命令》;1960年,在国家科委领导下,设立了长度、热工、力学、电学4个计量专业处,下设11个实验室。如长度和角度、量具仪器、高温、中温、质量、测力、硬度、密度、容量、压力、真空、流量、电基准、化学。1960年基本上完成了将16两为1斤改为10两为1斤的改革。

  1965年5月,国家科委批准将计量科研与计量局分开,撤销长度、热工、力学、电学4个专业处,将所属28个实验室(组)合并为11个实验室。1965年9月,国务院批准国家计委、国家科委《关于加强计量战略基地建设的报告》,批准在四川大邑县鹤鸣山建设中国计量科学研究院分院。之后,我国的计量科技事业得到了快速发展。

  1972年,批准成立国家标准计量局。1977年5月,我国正式参加《国际米制公约组织》;1978年4月,中央批准国家计委、国家经委提出的《关于成立国家标准总局和国家计量总局的请示》,并确定国家计量总局由国家科委代管,国家标准总局由国家经委代管。1985年我国第一次颁布《计量法》。

  随着科技、经济和社会的发展,各领域的计量逐步快速的发展起来。上世纪的电学计量、二战后的电离辐射计量,以及后来的化学计量,都春笋般的发展起来了。计量的对象由物理量扩展到工程量、化学量、生物量、医学量,甚至心理量等。同时,在一些高新技术领域信息、航天、航空、环保、资源以及计算机、各种软件技术方面等都需要精确的计量测试,使计量由静态进入动态、多参量综合测量、严酷环境下测量及微观测量领域。特别是经典的实物计量基准,正在被以量子物理为基础、以基本常量为依托的全新的量子计量基准所代替。传统的测量手段正在更新为自动化、智能化、网络化的数字测量仪器,基准准确性、稳定性和适应性得到空前发展。

 

  计量该怎样伴我们走向未来

   

  计量该怎样伴我们走向未来呢?我们要适应世界前沿科技领域的形势,我想是即着眼世界,更要立是现在,具体应该:

  一是全球可持续发展面临着能源、资源和环境的制约,传统的大量耗费不可再生自然资源和破坏生态环境的经济增长方式已经难以为继,必须走科学、协调、可持续发展的道路。创新成为解决人类面临的能源资源、生态环境、自然灾害、人口健康等全球性问题的重要途径,成为经济社会发展的主要驱动力。计量科技要满足支撑人类社会发展中面临着重大的紧迫需求。

  二是跟综国际计量科技的整体发展,国际单位制(SI)面临重大变革。国际单位制是计量学研究的基础和核心。米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔、坎德拉七个基本单位的复现、保存和量值传递是计量学最根本的研究课题。随着现代科学技术的进步,用基本物理常数来重新定义国际单位制中的大多数基本单位已成为国际计量科技的发展趋势。这是自1960年SI建立以来前所未有的重大变革,对于整个世界计量界乃至社会各个领域的测量准确度将产生深远的影响。目前世界先进国家已纷纷开展相关研究并持续攻关,我国必须紧密跟踪、科学应对,才能使中国计量体系的建设顺应国际计量体系的发展,才能在国际上争取话语权,占据主导地位。

 

   

  三是新的应用领域内的战略性新兴产业发展对计量科技提出了更高要求。能够促进经济持续发展、提高生活质量的应用新领域中的计量科技与技术(食品安全、环境保护、生物、能源、材料、医学等)在世界各国得以优先发展。例如:太阳能、风能等新能源的发展要求新的计量技术支持;环境变化的监控要求在温度、温室气体量以及海水含盐量等测量方面,建立长期稳定的计量基、标准和溯源体系;二氧化碳、氮氧化物及易挥发有机化合物在低浓度时的微量变化的测量将是计量领域的一个巨大挑战;纳米材料的发展及其在航空、航天和安全保障领域的应用,成为使有效测量具有超高准确度和可溯源性的推动力;医学领域中不论是诊断还是有效而安全的治疗都需要准确可靠、可互认的测量数据支持。以美国为例,美国国家计量院(NIST)以促进国家创新、提升工业竞争力为使命,紧密围绕测量科学前沿领域和国家重点发展战略开展持续而深入的研究工作,目前正在开展的重点项目包括:可互用智能电网建设,太阳能及存储等先进能源技术,绿色节能建筑测量和标准;支撑总体经济系统碳排放限制和交易体系的测量与标准,纳米技术相关环境、健康和安全测量与标准;医疗信息技术,支撑医疗领域创新的测量标准和测量技术;信息技术安全,如数字安全,量子信息科学,以及测量科学前沿的量子计量标准和测量技术,等等。

  四是国家经济社会发展对计量的需求不断加大,世界各国均结合本国社会经济发展的特点开展计量科学研究,建设科学研究和工业技术发展所需的测量能力,进行新技术探索。

  1、推进自主创新和建立创新型国家对计量科技提出新要求,自主创新是国家竞争力的源泉。党的十七届五中全会通过的《关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》中提出,坚持把科技进步和创新作为加快转变经济发展方式的重要支撑,把科技进步与产业结构优化升级、改善民生结合起来,在装备制造业、信息网络、极大规模集成电路、新型材料、安全健康等领域取得新突破,加强基础前沿研究,在生命科学、空间海洋、纳米科技等领域抢占未来科技竞争制高点。科技创新能力的提高,对先进测量能力的需求迅速增加,对高精度的测量溯源能力提出更迫切要求。计量科技要实现计量基础前沿研究的技术突破,要超前储备,要满足科技创新和前沿技术发展对准确有效测量的新要求。

 

   

  2、发展战略性新兴产业和加速经济结构调整对计量科技提出新要求培育和发展高新技术和战略性新兴产业已成为我国争取新一轮经济和科技发展制高点的重大战略。信息、生物、纳米、新能源、新材料、高端装备制造等新技术的研究和产业化必须依赖更加准确的测量方法和更为先进的测量手段,尤其是对微观量、复杂量、动态量和多参数综合量的测量溯源问题提出了一系列新的要求。如何有效评价新能源的使用效率,如何评价新材料的各种特性,如何实现纳米尺度的高准确度测量和量值溯源,如何实现生物技术安全的准确测量、有效分析和量值溯源,都是摆在我国计量科技面前的紧迫任务。

  改造提升制造业也是我国提高经济增长的质量、效益和国际竞争力的战略重点之一,对计量科技的需求不断增加。汽车业、船舶业、钢铁业、石化业对力值、扭矩、加速度、压力等机械量的测量准确度提出了更高要求,同时要求进一步拓展测量范围以覆盖更大和更小的量值;有色金属产业、装备制造业需要解决计量器具在高温、高压、强碱、腐蚀等特殊条件下的量值准确性问题;纺织业、轻工业等产业迫切需要将量值快速准确地传递到生产设备上,对仪器设备的现场、在线和快速检测提出了更高要求。

  3、维护社会可持续发展和人类生命健康对计量科技提出新要求。节能减排、应对气候变化等环境保护问题为世界各国高度重视,同时已成为我国社会可持续发展的战略重点。监控气候变化需要高准确度的测量,而且必须与长期稳定的计量基、标准建立联系,才能确定在经历一段时间后发生的微小变化。无论是能源生产、输送、交接、使用各环节,还是大气质量、水质污染等评价控制,以及监测和指导用能单位合理用能、减少污染,科学统计分析和评价节能减排指标等都离不开能源计量和量值溯源关键技术的支撑。

  食品安全、医疗安全等问题不仅关系到大众健康和生命安全,而且关系到我国经济社会的持续稳定发展。加强食品安全、医疗卫生领域的监管,必然以准确的成分量测量为支撑,以健全的质量体系和量值溯源体系为保障,这对化学、生物领域的计量能力提出了新的挑战。

 

   

  4、提高国际贸易竞力对计量科技提出新要求。经济全球化和国际贸易的发展促进了资源的全球配置和国家的经济繁荣。如果一个国家缺少国际认可的计量体系和计量基础设施,其出口产品的测量与检测结果就难以得到进口国的承认和接受,这就直接造成了技术贸易壁垒。为了消除国外不合理的非关税壁垒,避免我国出口产品的重复检验和因计量数据的国际互认受制于人,也为了阻止国外不合格产品进入中国市场,我国必须实现计量基、标准的国际等效和在此基础上测量、校准结果的国际互认,才能避免因技术贸易壁垒带来的巨额经济损失,才能使我国在国际贸易竞争中不处于弱势和从属地位。

  5、加强国防安全建设对计量科技提出新要求。全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格罗纳斯系统(GLONASS)以及欧洲的伽利略系统等卫星系统的正常运转,其准确性均依赖于时间频率计量基准。更为准确的导航测量及卫星定位技术,将会有效保障并改善空港、海港的导航安全以及航空器、航天器的安全使用,也将为更好、更及时地预测地震和发布海啸警报做出贡献。开发出拥有自主知识产权的各类原子钟和建设高度现代化的时间频率计量体系,是建设我国独立自主的全球定位系统的关键所在,也是防止我国军事力量和国防安全受制于人的重要手段。在航天航空领域的惯导、自导及自动控制系统中,扭矩传感器得到了广泛运用,其扭矩值的准确测量和控制也为实施精确定位提供了技术保障。

 

   

  6、提高自主创新能力作为提升计量科技水平的首要推动力量,以服务新领域的计量需求作为调整计量基、标准体系布局的中心环节,把建设国际一流的国家计量机构作为面向未来的重大战略选择,不断提升服务国家经济建设和质检事业发展的有效性和贡献率。围绕满足战略性新兴产业发展、国计民生需要和应对国际单位制重大变革的国家新一代计量基、标准及相关关键技术研究和应用。开展以量子物理为基础的计量基标准持续研究和前沿计量技术研究,建立和完善新一代计量基标准体系。开展新领域计量技术研究和国家战略性、新兴产业急需的计量新技术研究,以计量新技术支撑国家战略、“质量兴检”和标准提升。加强测量校准能力及服务能力的持续提升。加强国际比对,丰富和完善量值传递和溯源体系,实现国家计量基标准、标准物质和测量校准能力的国际等效和互认数量和质量上的新跨越。

  总之,科技要发展,计量须先行;没有计量寸步行。计量是基础,计量须创新,这是时代发展的要求。回忆昨天,立足今天,展望明天,计量还需大发展。

   

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