长度计量单位 长度单位——米的演进

一个

长度测量单位——“米”定义的变化

我走进巴黎的法国档案馆，那里保存着最早的公制长度实物基准——“米原器”，后世称之为“档案米尺”。

18世纪以前，世界各国规定自己的长度单位，并不统一。1790年，法国科学院受法国国民议会委托，提出了“公制”的建议。该建议获得批准后，决定穿过巴黎天文台的地球子午线长度应为一米。1799年，一种横截面积为(25.3×4.05) mm的矩形端面基准米尺由铂金制成，米尺两端距离为一米。这就是“档米尺”。

大米系统以其简单、合理的逻辑结构和广泛的通用性逐渐被其他国家所接受。1869年和1872年，在法国政府主办的国际计量委员会的两次会议上，决定制造一种新的基准公制尺，即“米原器”及其复制品。新大米原设备以“档案米秤”为准。国际计量委员会制造了31个一模一样的“米原器”，6号米尺的长度最接近“档案米尺”，因此作为国际基准米尺保存在巴黎国际计量局。

1889年巴黎世博会大米原始设备纪念章

1889年，第一届国际计量大会批准了国际计量委员会选定的“米原器件”，并宣布“米原器件将代表熔点温度下的米长单位”。考虑到环境因素对尺长的影响，1927年第七届国际计量会议做出了更为明确的规定。长度的单位是米，是国际计量局保存的铂铱直尺上刻的两条中线的轴线在0℃时的距离。铂铱直尺被国际计量大会宣布为“大米原器件”，大米原器件重现不确定度约为1.1×10-7。

国际大米原件的复制品

从那以后，作为物理参考的“米”的定义从端面之间的距离变成了划线之间的距离。然而，使用划线之间的距离来定义米也有缺点，例如划线质量和材料稳定性等。，这将影响其尺寸稳定性和复制精度的提高，并且一旦被破坏，就不能再被复制。

早在19世纪初，物理学家就认为长度参考应该从可见光的波长中找到，而不是从物理尺寸中找到。但由于当时对光辐射的特性认识不足，无法实现。第二次世界大战后，由于同位素分离技术的发展，这一假设成为可能。

1960年，第11届国际计量会议正式批准废除Pt-Ir米，并将米的定义改为:“米等于真空”中86Kr原子2P10和5d5能级跃迁对应的1 650 763.73波长辐射的长度。因此，长度基准完成了从物理基准到自然基准的过渡。

经过仔细研究，发现86Kr参考线的波长仍然略有不对称。当指定谱线轮廓中的位置(如最大值、重心或两者的平均位置)时，复现仪的不确定度可达4×10-9。

1983年，第17届国际计量大会通过了米的新定义:“米等于光在299 792 458/s的时间间隔内空”传播的路径长度。定义暗示光速c=299 792 458m/s，这是一个没有误差的定义值。

从此，长度基准完成了从自然基准到基本物理常数定义的基本单位的过渡。

自1983年以来，国际计量委员会(CIPM)推荐了13种稳定频率的激光辐射和几种光谱灯辐射，可用于4次再现仪的定义，并分别给出了它们的频率值、波长值及其不确定度。从计量学的角度来看，不存在哪个辐射源或哪组设备是长度基准的问题。换句话说，根据定义，任何人都可以在任何地方生产大米，而不依赖国际计量局或其他先进国家。

但从法定计量的角度来看，仍然需要确定某一辐射源的一套器件作为长度测量基准。目前，包括中国在内的世界上大多数国家都采用碘稳频氦氖激光器作为实际长度测量基准。在规定条件下，其频率和波长分别为473 612 353 604kHz和632.991 212 58nm，相对标准不确定度为2.1×10-11。

二

重新定义“仪表”的影响

重新定义“米”后，首先会对制造业产生巨大的冲击，使以前的“不可能”成为现实，数字化制造和智能制造技术将成为未来制造业的核心竞争力。

随着其再现精度从10-7提高到10-11，波长“米”基准是测量长度等几何参数定值的根本和依据，对所有几何尺寸的测量精度的提高是显而易见的。

由于波长是连续的，理论上可以无限细分和分割，因此可以测量和制造微纳尺寸和大尺寸，达到比真实标准更高的精度。例如，长度参考计可以直接应用于激光干涉仪，使激光干涉仪的精度和可靠性更高。同时，激光干涉仪更容易实现自动化、小型化和轻量化，广泛应用于先进制造、航空空航天测控、天文大地测绘、大型建筑变形监测等领域。

早期的加工机床使用滚筒、金属或玻璃划线器作为进给和定位长度标准，但很难进行精细加工，因为划线宽度和划线间距不能很小，最小为微米。激光干涉仪的分辨率很容易达到纳米级，目前商用的激光干涉仪可以达到0.03纳米，而且干涉仪高度数字化，可以实时校正和补偿。因此，在先进制造领域，特别是超精密光学加工、集成电路制造、微纳制造等。，大量激光干涉仪直接用作数控机床和光刻机的运动反馈控制和测量标准。只要设计匹配的机械运动和控制系统，理论上可以直接踏出0.03nm的步距，实现纳米级的进给和定位。同时，作为制造和测量参考的激光波长可以实时校正和补偿，其测量和反馈精度和稳定性更高，因此制造精度大大提高。

超精密加工、集成电路和微纳制造是多学科、多技术的集成，嵌入激光波长计的激光干涉技术是实现“微”和“精密”制造的重要和必要条件之一。同时，由于超精加工、集成电路和微纳制造技术的使用，光学元件、光栅标尺和芯片的制造达到了纳米级精度。比如纳米级光栅尺，比干涉仪便宜很多，更容易安装使用，可以制造出来。这样的纳米级光栅尺也可以应用到中高档数控机床上，从而取代以前的亚微米或微米级的金属玻璃光栅尺，不仅可以大大提高原有的制造精度，而且稳定性更好。

此外，激光波长“米”通过光电转换可以很容易地从光信号转换成数字信号，并且可以自动控制和测量，有利于实现数字化制造。这也是激光干涉技术在数字化制造和智能制造中直接应用的关键。

除了制造业，在各种高精度、动态测量中，“米”的重新定义也会带来深刻的变化。在稳定激光波长计的基础上，利用其方向性好、准直性好、强度高的特点，推导出具有不同技术特点的激光干涉技术、激光衍射技术、激光扫描技术和激光跟踪技术。例如，激光干涉仪和激光跟踪器广泛应用于航空空航天领域，实时动态地跟踪、监测和测量飞行目标的位置、姿态和方向。激光测距仪越来越多地用于天文学和地球从几十米到几十、几百公里的远距离测绘；激光干涉、激光扫描和激光跟踪技术应用于道路、桥梁、大坝、矿山和隧道等大型建筑物的变形监测，用于灾害预警。

三

中国重新定义“米”的研究

激光波长“米”只是一个无向尺，但实际制造中使用和需要的大量实体是由各种尺寸、形状和位置组成的复杂的一维、二维和三维几何图形。用尺子只能解释一维尺寸，不能解释一维、二维、三维尺寸、形状、位置、方向之间的关系。

因此，自20世纪80年代末以来，根据国家建设和制造的需要，中国计量科学研究院相继开发并建立了9个基准和40多个基于激光波长“米”的标准。如“量块干涉仪”用于量块校准，“两米粮长仪”用于一维粮尺校准，“高精度激光双坐标标准装置”用于二维光栅标准装置校准，“齿轮螺旋线参考装置”用于齿轮螺旋线模板校准等。

这些基本标准对于保证国家制造业几何参数的准确性和一致性，对于国家几何测量体系的建立和数量传递的有效性起着重要的作用。同时，他参与了所有CCL和APMP组织的国际比较，并多次参与EURAMET的国际比较，均取得了较好的比较结果，有效保证了国家制成品的几何价值和国际合规性，提升了国家制成品的竞争力。

随着超大规模和微纳尺度技术的发展，目前的通用激光波长(633nm)对于几十米甚至几千公里来说太小了，但是对于微纳尺度来说太大了。近10年来，随着光频梳技术的逐步完善，通过光频测量获得宽光谱范围内连续、精确的波长不再是很困难的事情。因此，未来可以利用不同波长的光频梳形成合适的“超长参考尺”和“微纳参考尺”，可以直接进行超大规模和微纳规模的绝对测量和制造，也可以实现精度的提高，这也是国内外未来的研究热点。