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计量百科

来来来,跟着中国计量院两位所长涨姿势!(转载)

发布者:中国质量新闻网发布时间:2019-05-24

  测量是人类探索世界的钥匙,而计量则是实现单位统一、保证量值准确可靠的基础。计量伴随着科技进步不断发展,已经成为检验科学发现、支撑产业发展、保障贸易公平、维护社会治理的重要基石。
  中国计量科学研究院(以下简称中国计量院)作为我国的国家计量院,代表着我国物理、化学、生物等领域多个学科的最高计量能力,是我国计量科学研究和量值溯源体系的源头与核心。本期特别刊发中国计量院化学计量与分析科学研究所所长李红梅、长度计量科学与精密机械测量技术研究所副所长高思田撰写的文章,以期广大读者从中感受到计量在科技创新、质量提升中的重要作用。

  化学计量:精准感知世界 助力质量强国
  化学测量与化学计量

  化学测量无处不在,与经济、科技和社会发展息息相关。无论是临床医学检验,还是食品药品成分分析,再或大气、土壤、水质监测等,都离不开化学测量,都需要通过化学测量分析物质的结构、含量组成和特性。在全球测量活动中,化学测量已经占60%以上。化学测量涉及物质的微观结构、组成和性质,测量过程复杂,影响因素众多,测量方法、测量设备、校准标准、样品处理与试剂、操作者、环境等都可能对测量产生影响,不同医院检验结果不一致,导致检验报告不通用,就是最常见的表现之一。因此,保证测量结果的准确性、可比性成为化学测量的巨大挑战。
  “测不准”问题存在于各个领域,近十年来引起了全球各国广泛重视。据统计,在临床医学领域,医生的诊断结论80%依赖于临床检验,临床检验结果偏差越大,导致的重复测量和医疗资源的浪费就越大。根据美国国家计量院(NIST)的评估报告,在20世纪80年代,美国每年花在医疗方面的费用约为1万亿美元,超过GDP的13%,其中20%以上用于测量。这些测量的三分之一以上是为防止误测和确认测量结果等进行的重复测量,由此导致的费用约为660亿美元,占美国年医疗费用的6.6%。我国2014年卫生总费用为3.5万亿元人民币,若按上述比例估算,花在重复测量的费用约为2300亿元。
  因此,加强化学测量过程及结果的控制和评价,确保化学测量结果的准确性、溯源性和有效性就显得至关重要,这也是化学计量的根本任务。化学计量是研究化学测量及其应用的一门学科,是为了保证化学测量结果的准确可靠有效而进行的活动。
  化学计量主要由标准装置、标准物质和标准方法三个核心要素构成。化学计量源头的基标准装置、基标准方法和基标准物质三位一体,保证化学测量的溯源性,使实际测量量值能够通过不间断的溯源链,溯源至化学计量源头,进而溯源至国际基本单位,保持全球量值一致性和准确度。其中标准物质是量值溯源和传递的主要载体,处于核心关键位置,也被称为“化学测量的砝码”,主要用于校准、质量控制、测量方法与结果评价、确定特性量值等。因此,化学计量的很多工作,是围绕着标准物质的研发和应用相关技术展开的。

  化学计量发展及应用

  世界第一个标准物质因20世纪初工业文明对质量的需求而诞生于美国,推动了美国钢铁产业标准化。随着化学测量结果的溯源性与有效性被逐渐引起关注,1971年“摩尔”正式成为第七个国际基本(SI)单位,标志着化学计量正式启航。1993年国际物质量咨询委员会的成立,化学计量国际化大家庭正式组建,第一个国际化学计量比对随即展开。时至今日,科技、经济、社会都对化学计量提出了更为广泛而迫切的需求,化学计量成为国际上最活跃的计量研究领域。我国随着化学计量与标准物质被列入《国家中长期发展规划(2006至2020年)》和《计量发展规划(2013-2020年)》,化学计量进入了飞速发展时期,国家标准物质作为国家科技资源的重要组成部分之一,从2003年起,纳入了国家科技基础条件平台建设中。
  经过努力,目前中国计量院化学计量综合实力已迈入国际第一梯队。在基本单位复现和原子量测量等基础研究中,10个元素原子量测量结果被国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)采纳并列入国际元素周期表,达到国际领先水平。中国计量院在国际计量委员会(CIPM)/物质量咨询委员会(CCQM)框架下的国家校准与测量标准(以标准物质为主体)能力互认(CMC)数量名列全球第一。其中,在高纯物质、食品安全计量等领域实现了领跑,在大众健康、环境等领域,正努力实现并跑。中国计量院化学计量实验室在食品药品、临床检验、法庭科学、环境保护等领域的化学计量及其应用技术研究方面取得了可喜成绩,共研制6项计量基准、58项计量标准和1600余种标准物质。
  在食品安全方面,化学计量有效保障了民生安全和社会发展需要。基于系列纯度国家基准物质技术开发,研制了农药、兽药及违禁药物纯度基标准物质200余项,应用于全球近4500家用户。
  高准确度测量方法开发、国际互认与面向食品安全检测实验室开展的标准物质、测量质量控制和评价服务等同步进行,实现了对原国家食药总局、质检总局、卫计委、农业部等部门工作的有效支撑和保障。中国计量院化学计量试验室先后为“三聚氰胺”事件处置,2008年奥运会、田联世锦赛运动员食品安全保障等提供技术支撑和保障服务。以“三聚氰胺”事件为例,在较短时间内研发了“快速、准确、经济、便捷”的检测方法和标准物质,满足了国家急需,并被亚太区域计量组织评为支撑国民经济发展的十大典型事例之一。在2015年北京田径世锦赛中,中国计量院化学计量试验室与北京市食品安全监控和风险评估中心联合开展质控技术研究以及检验实验室能力评价,提升了专供运动员食品的兴奋剂检测质量,为避免因食用肉类食品造成的尿检阳性问题,提供有力技术支撑(要求瘦肉精含量比国家标准限量值低两个数量级)。
  在环境监测领域,化学计量为确保环境监测数据的准确可靠提供了必要的技术保障。中国计量院化学计量实验室与生态环境部中国环境监测总站、环保标样所、原国土资源部国家地质实验测试中心、工信部等部门有关单位,联合开展标准物质和化学计量技术研究,为排放水、电子电气产品中重金属检测等国家标准的实施提供了全面支撑。有效保障了我国水质监测和国土资源调查数据的可靠性,支持全国范围水质监测及260万平方公里国土酸雨测报,并使得投入20亿元的《多目标地球化学调查评价计划》中相关检测数据的优良率由46%提高85%。
  在临床诊断领域,化学计量呵护着人类的健康和生活质量。以胆固醇和肿瘤标志物两个临床检验项目测量为例,若分别减少偏差3%和10%,相应的漏诊率将减小9%~20%和10%~50%。再如,血清中C肽测量准确性问题一直困扰着糖尿病的准确诊断和治疗。为了满足世界卫生组织等国际相关机构对C肽诊断标志物准确测量的要求,中国计量院化学计量实验室与国际计量局化学部联合主导并参与了C肽纯度国际计量比对,比对结果取得了等效一致。随著糖尿病等重大疾病诊断标志物的计量技术和标准物质的深入研究,将不断促进国际间测量标准的统一,对大大提高临床诊断的准确性、有效性,实现对同一病人在不同地点和不同时间的检验结果互认具有十分重要的作用。
  在法庭科学领域,化学计量的引入为准确量刑、司法公正提供了更加科学的依据和手段。例如,国际互认的高准确度毒品标准物质应用于涉毒案件中毒品净含量的检测和计算,降低了检测不确定度,减少了量刑不准的概率,彰显了司法公正。

  化学计量未来机遇与挑战

  “十三五”期间,化学计量将继续迎接新的更大机遇与挑战。
  在基础计量研究方面,基本单位制变革,摩尔的重新定义,引领了化学计量研究的学科方向。以溯源至SI的化学计量技术和标准物质为主线,开展物质含量组成、活性、空间结构等技术研究、标准数据库以及计量学模型的构建,将在生命科学、交叉科学领域科学研究发展中,发挥重要支撑作用。
  在食品安全计量方面,为进一步支撑政府决策和监管,保障食品安全质量,提升食品安全检测体系有效性,中国计量院化学计量实验室将重点围绕溯源至SI单位的标准物质、标准方法评价、数据库建立和检测能力评价四个方面开展食品安全计量研究。积极响应国家“一带一路”倡议,与国际计量局(BIPM)、“一带一路”沿线国家或机构开展持续深入合作,建立完善真菌毒素国际计量溯源体系;建立完善农、兽药残留检测计量溯源体系;环境污染物及非法添加物检测计量溯源体系、重金属及形态检测计量溯源体系;着力提升国家食品安全计量能力,保障食品安全。
  在临床检验与药物计量方面,不断加大体外诊断试剂和生物药物的计量研究,努力为重大疾病诊断标志物建立国家计量溯源源头基准物质,实现国际等效互认,并加强临床诊断标志物标准物质技术推广;在生物药物的结构表征、标准数据库建立等方面积极探索,为落实中国计量院与美国NIST之间的计量标准合作内容,为生物医药产业质量提升,作出积极贡献。
  在环境监测计量方面,面对环境保护新挑战,温室气体、POPs、重金属水体和土壤等高准确度标准物质将是该领域的研究重点。而对扁平化量传服务模式的探索,将促使化学计量成果更好地服务一线检测实验室,为我国《环保法》和大气、水、土壤污染防治行动计划的实施提供技术支撑。(中国计量院化学计量与分析科学研究所所长 李红梅)

  长度计量:弘扬工匠精神 助推中国制造

  长度计量简介
  尺度是宇宙万物的基本属性。从最大的宇宙直径到最小的普朗克长度,人类目前已知的尺度跨度达到了10的61次方。但是,没有规矩,不成方圆。古人逐渐认识到,为了衡量比较各种物体的形态和大小,必须规定统一的尺度,从而更好地认识世界和改造世界。
  中国古代有“布手知尺”的说法,英尺则来源于曾在英国大宪章上签字的约翰王的脚长。但基于人体的尺度标准会随着政权的更迭、时间的流逝不断变化。例如,在中国,一尺的长度从商代的约17cm变化到清代的32cm,增加了近1倍。
  目前我国使用的法定长度单位米,源于1795年法国大革命时期法国立法创建的“米制”。当时的法国度量衡委员会主席拉格朗日提出了以地球子午线长度的4千万分之一作为米定义的基础,从而使长度定义于“自然基准”之上,使得尺度大小得以固定。
  1889年第一届国际计量大会确定实物基准“米原器”为国际长度基准,所有国家的米基准必须溯源到国际米原器。但随着工业生产水平的提高,特别是大规模流水线生产方式的采用,米原器的精度已不能满足需要,而且实物基准的易损性和不易复制性也使得米原器一旦损毁就将造成尺度紊乱,必将对世界经济社会造成难以估量的影响。人们逐渐认识到,必须确定一个能够在宇宙生灭的时间跨度内不会变化的米定义。经过了1960年、1983年两次修订,国际单位制(SI)基本单位米的定义最终确定为:光在真空下1/299792458秒中走过的距离。米定义最初是用碘稳频激光波长复现的。但由于气体分子的热力学运动和多普勒效应的影响,其精度极限为10~12量级。
  一百多年前迈克尔逊的著名实验以及爱因斯坦的相对论证明了在可观测的宇宙空间内,光速是不变的,是最基本和最重要的物理学常数。由于距离等于速度乘以时间,时间和空间就这样通过不变的光速联系起来,光速事实上是时空的比例系数。这就意味着,虽然时间是流逝的,长度是固定的,但在SI单位的层面上,时间和空间不是独立的,长度和时间可以相互溯源。
  中国计量院铯原子喷泉钟已经达到了10~ 15量级的相对不确定度,大大优于碘稳频激光波长的精度。为了进一步提高米定义SI单位国家基准的精度,进而提高整个长度计量体系的精度,必须将SI长度单位溯源到SI时间单位。目前,中国计量院已建立了这样的溯源系统,通过自行研制的飞秒光学频率梳实现了从长度到时间的溯源。
  几何参量包括物体尺寸、角度、轮廓、形状和位置姿态,是制造业最重要的基础控制参量。随着制造技术的不断变革,测量过程愈加深入到制造的各个方面,测量精度不断提升,测量范围不断扩大,测量种类不断增加,急需更先进的计量技术来支撑。
  目前,高度工业化国家已将全部劳动力的大约10%用于担任测量检测任务;高性能制造装备中的测量系统成本已达到装备总成本的30%~50%,而且越高水平的制造对测量的要求就越高。高准确度的长度(几何量)计量技术与仪器设备已成为高端装备制造、集成电路制造和智能制造的基础和“眼睛”,决定了高端装备的制造能力与水平,是大国必争的战略高端技术。例如,齿轮的平稳传递有赖于准确的渐开线齿面轮廓;活塞外径和气缸孔径相互配合构成的合适间隙是发动机高效工作的保障;天文望远镜的抛物面准确与否决定了其成像质量;航空发动机的叶片形状及其安装精度对发动机的性能有着极大影响;飞机各部件的控制测量精度是实现飞机数字化装配和影响飞机质量的关键;纳米线宽、线间距和台阶高度是影响集成电路质量和产品合格率的决定性因素等。可以说,缺少了几何量准确测量技术的支撑,就不可能有现代制造业的发展。
  因此,计量并不能仅仅终结于SI基本单位定义的实现和溯源。长度计量作为制造业的基础,为了实现准确测量,就要通过量值传递,为各类零件、部件和整机产品的各种几何参量提供准确的测量量值,从而保证制造和装配精度,保障产品质量。中国计量院建立的各种几何量国家基标准装置,目的就是通过传递标准对制造业的生产设备和测量仪器进行校准,满足制造业对准确测量的需求。同时,这些国家计量基标准装置通过国际比对,均实现了与国际相关量值的等效一致。这也是“中国制造”能够走向世界的基础与前提。

  长度计量研究成果

  中国计量院长度计量科学与精密机械测量技术研究所(以下简称长度所)自1955年成立以来,一直致力于研究、建立、保存、维护国家长度计量基标准、几何量的量值传递、国际比对、标准考核、能力验证、相关国际建议及国家标准制修订、计量规范制修订、高新技术和新发展领域量值溯源体系及相关技术的研究。目前中国计量院在长度计量领域有国家计量基准装置9项,国家计量标准装置41项,能够提供的校准220项,检测项目81种,包括了尺寸计量、形状计量、纳米计量、大长度计量和位置姿态计量,已形成较为完整的长度量值传递系统。长度所的服务对象包括了汽车、轨道交通、石油、钢铁、航空、航天及微电子行业中与制造相关的主要大型企业,有力支撑了我国制造业的发展。此外,长度所还参加了全部长度计量国际关键量比对,共有80项校准与测量能力(CMC)获得了国际互认,保证了我国长度量值的国际等效性。
  其中,由中国计量院研制的两米激光比长仪标准装置,可以将米定义按等间隔长度复现在实物标准器上。该标准装置在1米测量范围的测量不确定度达到60nm,约为人的头发直径的千分之一,准确度达到了国内最高、国际先进水平。装置所用的532nm碘稳频激光器为自主研制,具有完全的自主知识产权,并获得2008年国家科技进步二等奖。
  激光二坐标标准装置填补了二维标准版溯源和掩膜版国内技术空白,解决了相关校准技术难题,有力支撑了国内集成电路、液晶显示、先进制造等领域的发展,提高了这些领域的产品竞争力。
  80m大长度激光比长装置填补了我国大长度计量标准的空白,解决了大型装备制造企业相关测量技术难题,有力地支撑了我国科研院校在光频率梳绝对测距、大尺寸新测量技术、新方法、新设备的研究,促进了大尺寸精密测量技术的发展。
  随着我国经济的发展和制造业水平的提高,中国计量院针对海洋船舶、航空航天等领域的大型设备和装备,开展了大量的现场校准服务。具体如下:
  为中国航天空气动力研究院进行的风洞中飞机姿态仿真平台测试,解决了大功角机构攻角、测滑角、高度、横车定位误差的现场测试难题,满足了气动参数标定用空间姿态仿真的需求。
  为北京卫星制造厂的卫星天线混合测量系统进行系统整体精度测量,解决了多参数、大尺寸测试的问题;为北京卫星环境工程研究所太空模拟仓摄影测量系统进行精度测试,解决了其溯源、绝对精度、空间重复性、光学窗口等测试问题。
  为高铁机车外形的检测限界规、轨道板智能扫描检测系统、轮毂装配自动测量系统等提供测量技术支持及可靠数据溯源技术支持。

  未来思考

  已是制造大国的中国要实现可持续发展,就必须成为制造强国。随着智能时代的到来,无论是新一代信息技术、高档数控机床和机器人、航天航空航海和轨道交通,还是与人类活动密切相关的地理空间位置属性等,都对长度计量提出了新的挑战。这些挑战包括:尺度的扩展、参量的增加、更高的测量精度,设备状态动态测量与控制,多传感器原位在线校准、互联网+远程化校准技术,海量测量数据实时处理与智能生产控制、相关测量技术融合及数据溯源等。长度计量领域的不断创新发展,将为我国向制造强国迈进提供有力的技术保障。

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