中國計量院建立測量長度實物標準器線膨脹系數

在我國，為了保證長度量值的統一，通過長度計量器具檢定系統，將保存在中國計量院的國家長度標準量值傳遞到全國的各個角落。這個傳遞過程的實物介質主要是量塊、金屬線紋尺或玻璃線紋尺等實物標準器，而這些實物標準器所使用的原材料，其尺寸是隨著溫度的變化而變化的，會影響長度量值在全國的傳遞精度，因此準確掌握材料線膨脹系數對我國長度量值的統一和準確是十分重要的。
建立我國標準器的材料線膨脹系數測量系統并統一全國的量值，這是一個全新而且異常緊迫的任務。2006年，蘇永昌所在的中國計量院長度計量科學與精密機械測量技術研究所開始了研究，申請了“測量長度實物標準器線膨脹系數的國家標準裝置”課題，該課題作為“長度計量基標準的完善和共享”的子課題被列入該院科技平臺項目。
這套歷經3年研制成功的裝置是由控溫保溫系統、溫度測量系統、PTF修正系統和激光干涉測量系統四部分組成，可以測量長度為50毫米～1000毫米的材料。
據介紹，裝置的工作原理是將被測件放在一個類似于大冰柜的保溫箱內，保溫箱里安裝了參考鏡和反射鏡。被測件被置于平面參考鏡和平面反射鏡之間，左邊的參考鏡是固定的，右邊的測量鏡可以在水平方向自由平行移動。在測量過程中，專用的機械結構使被測件與兩個平面鏡保持接觸狀態，溫度控制系統改變保溫箱內的溫度，當被測件的長度隨溫度變化而變化時，參考鏡與測量鏡之間的距離也隨之變化，激光干涉儀測量兩個平面鏡之間的距離，從而達到測量被測件長度變化的目的。
蘇永昌介紹，裝置采用了獨創的熱平衡激光干涉測長系統來測量被測物體的長度。該激光干涉測長系統保證了在溫度變化的過程中，裝置內的其他物件不會受溫度變化的影響，從而確保被測物體長度測量的準確。“這也是系統最大的創新點，這種方法也得到了國際同行的認可，并且優于很多其他國家的設計方案。”另外，自行構造的自動溫度變化系統和自動溫度測量系統也大大提高了裝置的測量準確度。目前，系統的不確定度達到了3.4×10-9K-1（k=2），是我國最高水平的線膨脹測量裝置，在世界上也處于先進水平。
12月17日，在中國計量院組織召開的成果鑒定會上，專家認為該課題研制的裝置“為材料線膨脹系數這個工程物理參數的量值溯源提供了技術和物質保障，對提高我國長度基準和標準器的檢定精度有重要意義，對推動機械和材料科學的發展有輔助支撐作用，該裝置為參加相關參數國際比對提供了技術和物質保障。”鑒定委員會認為裝置性能穩定，所達到的測量范圍和測量不確定度指標已經處于國際先進水平。
“我們已經為成都量具刃具廠等企業的標準器提供了校準測量，下一步，我們將與相關的研究機構合作，對不同的材料進行測量，并為其重新賦值，再逐級往下傳遞，這樣就可以實現我國材料線膨脹系數量值的統一。”蘇永昌說。