米单位之间的进率是多少(米单位从小到大排序)
一
长度计量单位——“米”定义的变迁
走进位于巴黎的法国档案局,这里保存着最早的公制长度实物基准——“米原器”,后人称为“档案米尺”。
18世纪以前,世界各国各自规定长度单位,很不统一。1790年,法国科学院受法国国民议会委托,提出了“米制”的建议。建议获得批准后,决定把通过巴黎天文台的地球子午线长度的四千万分之一作为1米的长度,于1799年用铂金制成横截面积为(25.3×4.05)毫米的矩形端面基准米尺,米尺两端面间的距离即为1米。此即为“档案米尺”。
米制因具有简易、逻辑结构合理、通用性广等优点而逐步为其他国家所接受。在1869和1872年,在由法国政府主持召开的两次国际米制委员会会议上,决定制造新的基准米尺,即“米原器”及其复制品。新米原器以“档案米尺”为准。国际米制委员会制造了31根同样的“米原器”,其中6号米尺的长度和“档案米尺”最接近,因此就将其作为国际基准米尺,并保存在巴黎国际计量局。
1889年巴黎世博会米原器纪念章
1889年,第一届国际计量大会批准了国际计量委员会所选择的“米原器”,并宣布“该米原器以后在冰融点温度时代表长度的米单位”。考虑到环境因素对尺长的影响,1927年第七届国际计量大会又对此作了更明确的规定,长度的单位是米,规定为国际计量局所保存的铂铱尺上所刻的两条中间刻线的轴线在0℃时的距离,该铂铱尺被国际计量大会宣布为“米原器”,米原器的复现不确定度约为1.1×10-7。
国际米原器的复制品
从此,“米”这个实物基准,其定义由端面距离转为刻线间距离。但用刻线间距离来定义米也有缺点,如刻线质量和材质稳定性等都会影响其尺寸稳定性和复现精度的提高,而且一旦毁坏,就再也无法复现。
早在19世纪初,就有物理学家认为应该从可见光波长,而不是实物尺寸中去寻找长度基准。但因当时对光辐射的特性了解不够而无法实现。第二次世界大战后,由于同位素分离技术的发展,这一设想成为可能。
1960年,第十一届国际计量大会正式批准废除铂铱米原器,而将米定义改为:“米等于86Kr原子的2P10和5d5能级间的跃迁所对应的辐射在真空中波长的1 650 763.73个波长的长度”。由此,长度基准完成了从实物基准向自然基准的过渡。
经仔细研究后发现,86Kr基准谱线的波长仍稍有不对称。当规定了谱线轮廓中位置后(例如极大值、重心或两者的平均位置),复现米的不确定度可以达到4×10-9。
1983年第十七届国际计量大会通过了新的米定义:“米等于光在真空中299 792 458分之一秒的时间间隔内所经路径的长度”。该定义隐含了光速值c=299 792 458m/s,这是一个没有误差的定义值。
自此,长度基准完成了由自然基准向以基本物理常数定义基本单位的过渡。
自1983年以来,国际计量委员会(CIPM)先后4次推荐了13种可用于复现米定义的稳频激光辐射和若干光谱灯辐射,并分别给出了它们的频率值、波长值及其不确定度。从计量学角度看,已不存在何种辐射光源或何套装置为长度基准的问题。换句话说,就是任何人在任何地方,只要按照定义都可以生成米,而不用依赖国际计量局或其他先进国家。
但从法制计量角度看,仍要求确定某种辐射光源的某套装置为长度计量基准。目前,世界上绝大多数国家,包括我国都采用碘稳频633nm氦氖激光器作为实际上的长度计量基准,在规定的条件下,它的频率和波长值分别为473 612 353 604kHz和632.991 212 58nm,相对标准不确定度为2.1×10-11。
二
“米”重新定义后产生的影响
“米”重新定义后,将首先对制造业产生重大影响,使以前的“不可能”都可以变成现实,数字制造、智能制造技术今后将成为制造业的核心竞争力。
随着其复现精度由10-7提高到10-11,波长“米”基准作为对长度及其他几何参量测量定值的根本和依据,对所有几何尺寸测量精度的提高是显而易见的。
由于波长是连续的,从理论上可以无限细分和倍分,因此使得微纳尺寸和大尺寸测量及制造都成为了可能,并且实现了比实物基准更高的准确度。如可以直接把长度基准米应用于激光干涉仪中,而使激光干涉仪的测长准确度等级及可靠性更高,同时激光干涉仪更易于实现自动化、小型化和轻量化,而被大量应用于先进制造、航空航天测控、天文大地测绘、大型建筑物的变形监测等领域。
早期的加工机床都使用鼓轮、金属或玻璃刻线尺等作为进给和定位长度标准,受制于其刻线宽和刻线间距不能刻划得很小,最小就是微米级,因此很难进行精细加工。而激光干涉仪的分辨力很容易达到纳米级,目前商用的激光干涉仪都可以达到0.03nm,而且干涉仪的数字化程度高、可以进行实时修正补偿,因此在先进制造领域,尤其是超精光学加工、集成电路制造、微纳制造等,大量直接使用激光干涉仪作为数控机床、光刻机的运动反馈控制和测量标准。只要设计好相匹配的机械运动和控制系统,从理论上说就可以直接走出0.03nm的步距,并实现纳米级的进给和定位,同时激光波长作为制造和测量基准,可以实时修正补偿,其测量和反馈的精度和稳定性更高,因此制造精度得到大大提高。
超精加工、集成电路和微纳制造是跨学科、多技术的集成,而嵌入了激光波长米的激光干涉技术是实现“微”、“精”制造的重要和必须条件之一。同时由于超精加工、集成电路和微纳制造技术的使用,使得光学元件、光栅尺和芯片制造达到了纳米级准确度。例如,比干涉仪价格低廉很多且更易安装使用的纳米级光栅尺就可以被制造出来,这样的纳米级光栅尺又可以应用于中高档数控机床,从而取代以前的亚微米或微米级金属玻璃光栅尺,不但能大大提高原有制造精度,而且其稳定性也更好。
此外,激光波长“米”通过光电转换,可以比较容易地由光信号转化为数字信号,进行自动控制和测量,利于实现数字制造。这也是激光干涉技术被直接用于数字制造、智能制造的关键。
除了制造业,在各类高精、动态的测量中,“米”重新定义后,也将带来深刻变化。以稳定的激光波长米为基础,利用其方向性好、准直性好、强度高等特性,又衍生了各类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、激光跟踪技术等,例如激光干涉仪、激光跟踪仪等被大量应用于航空航天领域,对飞行目标进行实时动态的位置、姿态和方向的追踪监控和测量;激光测距仪等被越来越多地应用于天文和大地从几十米到几十、上百公里的远距离测绘;激光干涉、激光扫描和激光跟踪技术被应用于大型建筑物,例如公路、桥梁、大坝、矿山、隧道的变形监测,进行灾难预警。
三
我国应对“米”重新定义开展的研究
激光波长“米”只是一个无方向的标尺,而实际生产制造中大量应用及需要的实体都是由各种尺寸、形状和位置组成的复杂一维、二维、三维几何体,用一把尺子只能说明一维的尺寸大小,无法说明一维、二维、三维间的相互大小、形状、位置和方向间的关系。
因此,中国计量科学研究院自20世纪80年代后期开始,根据国家建设和制造需要,陆续研发建立了以激光波长“米”为基准的9项基准和40余项标准。例如:用于量块校准的“量块干涉仪”、用于一维线纹尺校准的“2米线纹比长仪”、用于二维光学网格标准器校准的“高精度激光二坐标标准装置”、用于齿轮螺旋线样板校准的“齿轮螺旋线基准装置”等。
这些基标准对保证国家生产制造中几何参量量值的准确一致,对国家几何量计量体系的建立和量传有效性起到了重要作用。同时参加了所有CCL和APMP组织的国际比对,并参加了多次EURAMET国际比对,都取得了良好的比对结果,有效保证了国家制造产品几何量值和国际的符合性,增强了国家制造产品的竞争力。
随着超大尺度和微纳尺度技术的发展,目前通用的激光波长这把米尺(633nm),对几十米乃至上千公里的尺度而言实在是太小了,但对微纳尺度而言,这把尺又太大了。近10多年来,随着光频梳技术的逐渐完善,通过光频测量获得宽光谱范围的连续准确波长已不再是非常困难的事情。因此,未来可以利用光频梳不同波长组成合适的“超长基准尺”和“微纳基准尺”,直接进行超大尺度和微纳尺度的绝对测量和制造,又可以实现一次准确度的提升,这也是目前国际和国内的未来热点研究内容。