工业革命的底气——源自计量测试技术的突破

重温历史可以发现,人类社会已经出现的三次工业革命,都与计量技术的发展有着密切的关系。科技革命是工业革命的根本动力,而在如火如荼的工业革命期间,又会不断涌现对计量技术的需求。这些需求,往往是工业技术中面临的难题和发展瓶颈。计量技术、科技革命和工业革命三者总是相辅相成,携手前行。历史上三次工业革命,都和计量测试技术突破息息相关。

蒸汽机

18世纪60年代,在英国爆发了以蒸汽动力广泛应用为标志的第一次工业革命,机器工业以摧枯拉朽之势,迅速取代了传统手工业生产方式,使生产力得到成千上万倍的提高,进而确立了资本主义制度。

第一次工业革命时,经典力学和热力学成为机器工业的重要理论基础。蒸汽机、科尔尼锅炉的发明以及将蒸汽机应用于交通运输、工业制造领域,都建立在科学界对力学、温度的研究和测试的基础之上。在蒸汽机的研制和应用过程中,需要对蒸汽压力、热膨胀系数、燃料的燃烧效率、能量的转换等进行大量的计量测试。

力学计量和热工计量,就是从那个时候发展起来的。而机械工业的兴起,对零部件的规格、尺寸和公差配合等提出了广泛的需求,也使几何量计量得到了新的发展。


莫尔斯电报机

  19世纪70年代,出现了以电的应用为主要标志的第二次工业革命,又一次推动了生产力的发展。科学研究与技术应用有了更加密切的合作,使内燃机、汽车、飞机等新的交通工具不断创制,新的通讯手段被发明出来。

  在第二次工业革命爆发以前,科学界对电的研究已经历经200多年。1732年,美国富兰克林提出电为一种流体的学说,但直到19世纪初,电磁感应的现象才被发现。人们在深入研究电的作用后,发明出了发电机、电动机、电报、灯泡等等。

  电的应用与电的测量技术研究是不可分割的。不具备对电的测量能力,人类就无法驾驭电能,这种新能源就不可能得到广泛的应用。以电为基础能源的工业革命,大大推动了工业自动化进程,进而使工业企业的劳动生产效率又一次被激发和提高。欧姆定律、法拉第电磁感应定律以及麦克斯韦电磁场理论等,为电磁现象的深入研究和广泛应用、电磁计量和无线电计量的开展,提供了重要的理论基础。

  1821年西贝克发现的热电效应,为热电偶的诞生奠定了理论基础。而各种热电偶的研制成功,则对温度计量、电工计量以及无线电计量等提供了重要手段,促进了相应科技的发展。为了实际测量地球运动的相对速率,迈克尔逊等人借助物理学研究取得的新成就,研制出了迈克尔逊干涉仪,从而为长度计量提供了重要的工具。1892年,迈克尔逊用镐光(单色红光)作为干涉仪的光源,测量了保存于巴黎的铂铱合金基准米尺的长度,获得了相当准确的结果。直至百余年后的今天,利用各种干涉仪精密测量长度,仍然是几何量计量的一种重要方法。

  普朗克关于能量状态的量子化假说,指出物体在辐射和吸收能量时,其带电的线性谐振子可以和周围的电磁场交换能量,以致能从一个能级跃迁到另一个能级状态,并且能量子的能量为E=hυ(式中h——普朗克常数,υ——光的频率)。随着量子力学、核物理学的创立与发展,电离辐射计量逐渐形成。

  爱因斯坦在普朗克假说的基础上,提出了光不仅具有波动性,而且还具有粒子性,即光是以速度c 运动的粒子(光子)流,其单元(光子)的能量为E=hυ,从而说明不同频率的光子具有不同的能量。上述理论成功地解释了光电效应,成为热辐射计量的理论基础,同时也使计量开始从宏观进入微观领域。

卫星.png

  20世纪40年代至50年代,出现了以核能技术、航天技术、电子计算机的应用为代表的第三次科技革命。这次革命,使科学、技术、生产三者之间的联系大大加强,也使社会经济结构和社会生活结构发生了巨大的变化,并且让人类社会跨入了以知识经济为特征的信息时代。

  在第三次工业革命的推动下,科学技术和社会经济发展的融合较先前两次工业革命更加迅速和彻底,引发了信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等多领域的技术革命。在这次革命中,电的应用和测量仍然扮演着主角,同时,与电相关的长度、力学、温度、电磁、光学等计量技术对各个领域的技术进步发挥了更为重要的作用。测量也朝着极大、极小等极端尺度领域拓展。


  在长度计量测试领域,随着计量测试技术研究的深入,物质的纳米特性被发现,纳米测量技术应运而生,并对纳米材料的研究和应用产生了十分重要的作用。线纹计量从一维测试向二维测试转变,促进了集成电路中高精度电路板的校准和溯源仪器的精度不断提高。真空激光干涉技术的应用将测长精度提高到20纳米每米。膜厚计量快速发展,并广泛应用于半导体、微电子、通讯、电镀、核物理研究等行业。时间频率计量的准确度已可达到近亿年不差一秒,并广泛应用于航空航天、导航定位、卫星通讯、计算机、交通运输、重大工程等行业。随着电磁测试技术开始向弱磁方向发展,也为航空航天等产生了重要的推动作用。
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