國外計量測試技術發(fā)展動態(tài)及趨勢綜述

杜曉爽 胡毅飛 馮英強 李新良 劉 民劉原棟 趙 環(huán)

（1.北京無線電計量測試研究所，北京100039；2.中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術研究所，北京100095；3.北京東方計量測試研究所，北京100086；4.國防科技工業(yè)應用化學一級計量站，山東濟南250031）

1 引 言

計量學是測量及其應用的科學。國家質量基礎是聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織、國際標準化組織在總結一百多年實踐經驗基礎上提出的概念，主要包括計量、標準、認證認可和檢驗檢測。作為其重要組成部分，計量是標準和認證認可的基準，因此，產品質量的提升離不開科學、精準的計量。計量是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠的活動，關系到生產、貿易、科學技術、社會發(fā)展和國防建設?！坝嬃渴且粋€國家、一個地區(qū)和一個部門科技發(fā)展的探測器”，計量技術水平體現(xiàn)了科技發(fā)展的先進程度。

普朗克常數(shù)等物理常數(shù)量值的確定，為千克、開爾文、安培和摩爾四個基本單位的重新定義奠定基礎；量子化技術在交流量子霍爾電阻、量子磁強計、鍶晶格鐘等領域的應用取得新進展；微納尺度技術在納米材料、納米加工、微納尺度復雜系統(tǒng)測量中的應用不斷拓展；黑體溫度在軌校準、空間原子頻標等空間計量技術成為國際熱點；先進測試分析技術在碳納米材料等表征領域不斷發(fā)展；飛秒激光、太赫茲等新原理及智能化計量技術促進測量范圍拓展、測量準確度提升、測量效率提高。

2 國際單位制面臨重大變革

2017年7月，負責確定基礎物理常數(shù)量值的實驗團隊向國際計量委員會（CIPM）提交最終數(shù)據(jù)，CIPM在此基礎上提出分別基于普朗克常數(shù)、波爾茲曼常數(shù)、電子電量、阿伏伽德羅常數(shù)重新定義千克、開爾文、安培和摩爾四個基本單位的方案，國際單位制面臨其誕生以來最大的一次變革。國際單位制的量子化演進，對精度較低的日常測量活動影響不大，但對計量基標準建立、高精尖科學技術研究等方面將會產生深遠影響。

國際單位制的核心是7個基本單位［1］，即時間單位“秒（s）”、長度單位“米（m）”、質量單位“千克（kg）”、熱力學溫度“開爾文（K）”、電流單位“安培（A）”、發(fā)光強度單位“坎德拉（cd）”和物質的量單位“摩爾（mol）”，新舊國際單位定義比較如圖1所示［2］。

圖1 新舊國際單位定義比較Fig.1 Comparison of the new and old international system of units

新舊單位制體系相關常數(shù)和量值的測量不確定度變化如圖2所示。國際上，各研究團隊歷經數(shù)十年研究確定基礎物理常數(shù)的量值，這些量值必須滿足嚴格的標準。千克研究團隊于2015年達標，所有團隊都在2017年7月1日前提交了最終數(shù)據(jù)。在新方案中，普朗克常數(shù)、波爾茲曼常數(shù)等物理常數(shù)成為沒有測量不確定度的固定值，各常數(shù)之間建立起清晰的相互依賴關系，這些常數(shù)的測量不確定度轉移到相關物理量中，國際千克原器、水的三相點等量值的測量不確定度增大。CIPM將于2018年11月向國際計量大會提交方案，若獲批準，將于2019年5月實施。

圖2 新舊單位制體系相關常數(shù)和量值的測量不確定度變化Fig.2 Measurement uncertainty changes with the related constants and quantities of new and old system of units

在變革后的國際單位制下，千克等四個單位將以物理常數(shù)為基礎重新定義，新單位制體系允許以多種規(guī)定方式，在任何時間、任何地點進行高準確度測量，促進計量量值傳遞方式向量子化、扁平化方向發(fā)展?；谖锢沓Ｊ熘匦露x千克（瓦特稱）開爾文（聲學溫度計）安培（單電子泵）摩爾（硅球）的推薦方案如圖3至圖6所示。

圖3 基于物理常數(shù)重新定義千克的推薦方案Fig.3 Recommended scheme of redefining kilometer based on physical constants

圖4 基于物理常數(shù)重新定義開爾文的推薦方案Fig.4 Recommended scheme of redefining Kelvin based on physical constants

圖5 基于物理常數(shù)重新定義安培的推薦方案Fig.5 Recommended scheme of redefining Ampere based on physical constants

圖6 基于物理常數(shù)重新定義摩爾的推薦方案Fig.6 Recommended scheme of redefining mole based on physical constants

3 基于量子效應的計量技術

基于量子效應的量子基準將逐步取代傳統(tǒng)實物基準。應用物理常數(shù)復現(xiàn)量值，測量準確度和穩(wěn)定度大幅提高，對環(huán)境適應性強。目前，國際上在交流量子霍爾電阻、量子磁強計、鍶晶格鐘、脈沖驅動式約瑟夫森陣列、可編程量子電流測量裝置、單光子輻射源等研究領域取得新進展。

3.1 交流量子霍爾電阻

量子霍爾電阻樣品的結構具有較大的分布參數(shù)，使得交流量子霍爾電阻測量存在較大誤差，多個發(fā)達國家的實驗室研究工作曾經停滯。德國聯(lián)邦物理技術研究院（PTB）采用雙樣品屏蔽技術，在國際上首次將交流量子霍爾電阻標準的準確度等級提高到1E-8量級，成為近年電學領域計量技術的重大突破，其標準樣品結構如圖7所示。

3.2 量子磁強計

圖7 交流量子霍爾電阻樣品結構圖Fig.7 Structure of an AC quantum hall resistor specimen

He-Cs量子磁強計是基于4He原子自旋在靜磁場中的拉莫爾進動頻率測量磁場的精密測量儀器。俄羅斯門捷列夫計量院研制的He-Cs量子磁強計，磁場強度范圍500nT～1mT，測量不確定度0.03nT，技術指標明顯優(yōu)于目前廣泛使用的質子磁強計，其原理如圖8所示。

3.3 鍶晶格鐘

鍶晶格鐘是繼銫原子噴泉鐘后首個能同時保證高穩(wěn)定性與超高準確度的新型原子鐘［3］。美國國家標準與技術研究院（NIST）將87Sr原子激光冷卻到費米溫度，并封裝入三維光學晶格中，晶格中原子數(shù)密度達到1E13個/cm3，提高了三個數(shù)量級，穩(wěn)定度達到 3.1E-17/τ1/2，2h 準確度達到 3.5E-19，比現(xiàn)有標準裝置提高近20倍，對提高時間測量精度、重新定義時間單位具有重要意義。三維光晶格鐘原理如圖9所示。

3.4 脈沖驅動式約瑟夫森陣列裝置

德國PTB研制脈沖驅動式約瑟夫森陣列裝置，在1V、250Hz條件下與可編程約瑟夫森裝置的比對偏差小于2E-8，在1V、1kHz條件下與熱電式交直流電壓標準的比對偏差接近1E-6，未來可能替代熱電式交直流電壓標準，成為交流電壓的最高計量標準。

圖8 He-Cs量子磁強計原理圖Fig.8 Schematic diagram of a He-Cs quantum magnetometer

3.5 可編程量子電流測量技術

采用單電子隧道效應復現(xiàn)電流單位已達到1E-6量級，但進一步提高技術指標面臨很大困難?？删幊塘孔与娏鳒y量裝置與之不同，基于歐姆定律利用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻的組合，間接把電流單位溯源到量子基準，在1μA至10mA范圍的測量不確定度達到1E-7，可用于復現(xiàn)SI電流單位，如圖10所示。

3.6 單光子輻射源產生技術

基于冷原子團四波混頻效應產生單光子源，美國NIST獲得量子關聯(lián)孿生光束與糾纏圖像，壓縮度達到9dB，斯坦福大學獲得線寬最窄糾纏光子對達到0.75MHz，單光子輻射源將應用于單光子成像探測、量子信息與通信等量子光學計量測試領域，成為量子光學計量的新趨勢，其原理如圖11所示。

圖9 三維光晶格鐘原理示意圖Fig.9 Schematic diagram of a 3D optical lattice clock(strontium lattice clock)

圖10 可編程量子電流發(fā)生器示意圖Fig.10 Schematic diagram of a programmable quantum current generator

圖11 單光子源產生原理圖Fig.11 Schematic diagram of generating a single photon source

4 微納尺度計量技術應用持續(xù)拓展

國外先進計量機構在致力于納米量值溯源技術研究和新型傳感器研制的同時，高度重視微納尺度計量技術與其他應用領域的結合。微納尺度計量技術在納米材料、納米加工和微納尺度復雜體系測量等方面顯示出廣泛的應用前景。

4.1 基于亞微觀LED的納米探針技術

美國NIST研制一種新型納米探針系統(tǒng)，以GaN納米線為基礎，形成超小型LED“聚光燈”探針尖端和集成近場光電子系統(tǒng)，除可實現(xiàn)原子力顯微鏡測量功能和微波發(fā)射/接收器功能外，這種探針尖端可用于測量樣本的照明響應特性，同時測量幾十納米寬樣品區(qū)域的形狀、電特性和光學特性，在太陽能電池材料測試和微芯片電路加工等方面具有應用價值，如圖12所示。

圖12 新型納米探針系統(tǒng)及圖樣Fig.12 New nano probe system and its sample

4.2 原子力顯微鏡等技術

英國NPL采用原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、拉曼光譜顯微鏡等微納尺度測量技術對石墨烯的表面形貌、楊氏模量、附著力、有關電子結構信息、層數(shù)、方向和缺陷等石墨烯結構和性能進行測量與分析，利用熒光顯微法實現(xiàn)超衍射極限的光學圖像，橫向及縱向分辨率達到1nm，拓展了原子力顯微鏡等微納尺度測量技術在石墨烯研制領域的應用，如圖13所示。

圖13 原子力顯微鏡測量石墨烯結構Fig.13 Atomic force microscope for measuring the structure of grapheme

圖14 英國NPL的X射線光譜儀和原子力顯微鏡Fig.14 X-ray spectrograph and atomic force microscope by NPL

4.3 氣含納米顆粒分析儀量值溯源技術

國際上普遍采用將氣含納米顆粒分析儀顆粒數(shù)量濃度測量結果溯源至氣溶膠靜電計的方法，將量值溯源至電流標準上，氣含顆粒測量范圍下限達到10nm。美國NIST和日本國立產業(yè)技術綜合研究所（AIST）研制氣含納米顆粒分析儀校準裝置，建立量值溯源體系，保證用于艙室環(huán)境潔凈度的氣含納米顆粒監(jiān)測結果準確可靠。

5 空間計量技術研究成為熱點

太空正在成為各國戰(zhàn)略競爭的熱點，對空間計量保障提出迫切需求，黑體溫度在軌校準、空間原子頻標等空間計量技術不斷發(fā)展。

5.1 美國提出天基計量需求

美國國家航空航天局（NASA）參考出版物1342《計量校準和測量過程指南》提出天基計量的要求，強調“天基”是不同于“地基”的計量需求［4］，如圖16所示?？刹捎米孕?、自測試、自檢測和穩(wěn)定參考標準技術，實現(xiàn)在軌校準。要求制定在軌計量相關的管理政策，推薦小型化標準器應用于空間任務，提出平均超差時間（MTBOOT）設計指標。推薦16條在軌計量技術建議。

5.2 黑體溫度在軌校準有望實現(xiàn)

美國NASA的全球氣候紅外輻射觀測計劃中提出星載黑體測量不確定度優(yōu)于0.03℃的要求［5］，美國威斯康辛大學研究絕對法在軌標定黑體溫度傳感器的方法，選取汞、水、鎵三種物質作為相變物質，研制微型固定點裝置，利用微型固定點溶化溫坪的復現(xiàn)性實現(xiàn)熱敏電阻在軌標定，如圖17所示。

5.3 空間原子頻率標準成為熱點

國內外星載銣頻標技術指標穩(wěn)中有進，歐洲導航衛(wèi)星已攜帶被動氫頻標在軌運行，俄羅斯星載被動氫頻標研制成功并計劃裝備下一代格羅納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該國研制的空間主動氫頻標已在軌運行。美國噴氣推進實驗室為深空探測研制的汞離子微波頻標已參與長期守時，頻率穩(wěn)定度達到3E-17/d，未來有望裝備美國深空探測器。

圖16 平均超差時間與在軌校準間隔的關系Fig.16 Relationship of the mean out-of-tolerance time with the on-orbit calibration interval

圖17 威斯康辛大學微型相變點裝置與黑體結構圖Fig.17 Structure diagram of the micro phase-change point measuring device and blackbody by Wisconsin University

6 先進材料測試分析技術快速發(fā)展

先進材料測量的新原理、新方法和新標準得到各國重視，碳納米材料、3D打印用堆積材料的表征技術，以及痕量元素的定值技術成為當前研究熱點。

6.1 納米薄膜熱擴散率測量新方法

日本國立產業(yè)技術綜合研究所建立基于脈沖激光加熱熱反射技術的納米薄膜熱擴散率標準裝置，可測量100nm至數(shù)微米厚度的薄膜膜厚方向的熱擴散率，并研制熱擴散時間標準物質和熱擴散率標準物質。熱擴散時間標準物質為石英玻璃基底上沉積的TiN薄膜，厚度680nm，室溫下熱擴散時間145.9ns，測量不確定度3.6%；熱擴散率標準物質是石英玻璃上沉積的Mo薄膜，厚度400nm，室溫下熱擴散率 3.28E-5m2/s，測量不確定度 6.2%［6］。

6.2 多壁碳納米管標準物質

與單壁碳納米管相比，多壁碳納米管隨著管壁層數(shù)的增加，缺陷和化學反應性增強，表面化學結構趨向復雜化，對測試表征提出更高要求。美國NIST研制多壁碳納米管標準物質，通過中子活化分析和冷中子誘發(fā)瞬發(fā)伽馬活化分析，得到可溯源的鈷元素含量，同時給出鐵、釷及鋁等元素含量、碳納米管內層及外層直徑以及典型位置的碳納米管壁層數(shù)等數(shù)據(jù)，如圖 18 所示［7］。

6.3 痕量氣體雜質含量測量技術

圖18 多壁碳納米管標準物質微觀結構Fig.18 microstructure of the standard materials of the multi-wall carbon nanotube

腔環(huán)降光譜法是基于激光技術測量痕量氣體雜質含量的基準方法，通過測量時間而不是強度的變化來確定光學吸收，測量準確度僅依賴于痕量氣體分子的吸收截面，有利于提高測量性能。美國NIST和德國PTB利用腔環(huán)降光譜法測量微痕量的CO含量，測量靈敏度達到3nmol/mol，測量不確定度達到2.5%。

6.4 聚合物膜三維結構微探針計量技術

德國PTB基于壓致電阻效應，研制可準確計量聚合物膜三維結構的微探針，通過特殊設計的傳感器測量微牛量級的力，實現(xiàn)聚合物膜三維尺寸的準確計量。該技術在軍工領域具有廣泛應用前景，如準確計量隱身飛機飛行前后隱身涂層的厚度變化，從而了解隱身飛機在各類環(huán)境下使用對隱身涂層的損傷程度［8］。

7 智能技術逐漸應用于計量領域

隨著德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等持續(xù)推進，在工業(yè)制造領域，機器人、人工智能等智能化技術得到廣泛應用。智能技術在計量領域也得到應用，促進測量準確度的提升、測量效率的提高。

7.1 六自由度機械臂用于太赫茲天線測量

為發(fā)展太赫茲空間傳輸技術，需要準確校準天線。美國NIST開展可達到500GHz頻段天線測量方法研究，結合機械臂靈活的運動特性和光學系統(tǒng)準確的定位特性，實現(xiàn)空間尺度25μm、角度0.01°的定位精度，對183GHz的天線特性進行準確測量?；诹杂啥葯C械臂的太赫茲天線測量系統(tǒng)如圖19 所示［9］。

圖19 基于六自由度機械臂的太赫茲天線測量系統(tǒng)Fig.19 Terahertz antenna measurement system based on 6-degree-of-freedom mechanical arm

7.2 高精度輻射計角度自動校準定位系統(tǒng)取得新進展

太陽輻射精確計量依賴于輻射計方位角的定位精度。為實現(xiàn)輻射計測量角度的快速和高精度定位，西班牙國家航空航天技術研究所研制出具有余弦校正功能的輻射角度自動校準定位系統(tǒng)，采用激光干涉原理進行角度定位，角度范圍±90°，步進0.1°，定位準確度0.01%，如圖20所示。

圖20 輻射計角度自動化計量校準系統(tǒng)Fig.20 Automatic angular measurement and calibration system of the radiometer

8 采用新原理不斷拓展計量能力

在計量測試領域，采用飛秒激光、太赫茲、溫度絕對測量等新原理，不斷拓展傳統(tǒng)計量參數(shù)的測量范圍，提高準確度。

8.1 基于飛秒激光的距離絕對測量技術發(fā)展迅速

美國勞倫斯國家實驗室研究基于飛秒激光實時色散傅立葉變換的測距測速技術，在動態(tài)范圍44mm時每20μs測量準確度達到10μm，該技術可應用于沖擊物理學、能量學、安全工程等領域中的精密測量過程，其技術原理如圖21所示；美國加州理工大學研究基于芯片級微腔光梳的雙光梳測距技術，在平均時間500ms的條件下，測量不確定度達到200nm，適合動態(tài)測量與三維掃描成像測量，其原理如圖22所示。

圖21 基于實時色散傅立葉變換的測距測速技術原理圖Fig.21 Schematic diagram of the range-finding and speed measurement technology based on real-time chromatic dispersion Fourier transform

圖22 太赫茲雙頻梳頻譜分析系統(tǒng)原理圖Fig.22 Schematic diagram of the terahertz dual-frequency comb spectrum analyzer

8.2 太赫茲頻譜分析性能顯著提高

傳統(tǒng)太赫茲時域光譜技術的頻譜分辨力受制于飛秒激光重復頻率，無法進一步降低。美國NIST使用雙頻梳方法研制的太赫茲頻譜分析系統(tǒng)，通過脈沖選擇技術，頻譜分辨力達到5MHz，提高了太赫茲頻譜分析系統(tǒng)的性能，如圖23所示。

圖23 基于F-P光學諧振腔的粗低真空基準Fig.23 Low vacuum reference based on F-P optical resonant cavity

8.3 美國研制基于F-P光學諧振腔的真空標準

美國NIST基于氣體分子極化理論，利用基于固定長度及可變長度的F-P光學干涉腔，實現(xiàn)高精度氣體折射率測量反演真空度，研建粗低真空基準，測量范圍1Pa～1E5Pa，測量不確定度優(yōu)于2E-4，最佳分辨率可達超聲干涉壓力計的35倍。

8.4 高溫共晶點賦值技術取得重要進展

國際溫度咨詢委員會在新溫標中加入高溫共晶點，要求各國計量機構對各自研制的高溫共晶點進行熱力學溫度絕對法測量，并開展國際比對工作。國際計量局（BIPM）、美國NIST和德國PTB等計量機構分別采用輻射亮度和輻射照度測量法，開展絕對輻射溫度計量技術研究，如圖24所示。

圖24 德國PTB的輻射照度測量方案Fig.24 Radiant illumination measurement scheme by PTB

9 結束語

本文通過搜集、整理量子化技術、微納尺度技術、空間計量技術、碳納米材料技術、智能化計量技術等國內外大量文獻資料，歸納并分析了國外先進計量技術發(fā)展動態(tài)與趨勢，可為國防軍工計量技術發(fā)展提供借鑒。