美國最新開發(fā)出一種高精度壓力測量技術(shù)及壓力傳感器設(shè)備

目前，計量學(xué)領(lǐng)域的革命正在加速。繼2019年5月國際計量學(xué)大會通過了啟用新修訂國際單位制(SI)的決議后，計量學(xué)家又有了新的奮斗目標(biāo)：壓力。美國研究人員現(xiàn)已開發(fā)出定義壓力及其衍生SI單位的新方法。壓力單位帕斯卡基于汞的測量方法自1643年起一直沿用至今。新的方法或許在一年內(nèi)完成替代。

單位面積受到的力通常被定義為壓力，1帕斯卡相當(dāng)于每平方米受到1牛頓的力。以往，對帕斯卡的測量，是通過一種基于汞元素的氣壓值測定設(shè)備。馬里蘭州美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)擁有世界上為數(shù)不多的最精確壓力計之一，作為其他壓力傳感器的校準(zhǔn)基準(zhǔn)。

但現(xiàn)在，NIST的研究者開發(fā)了另一套高精度的壓力測量方法，該方法的基本原理是將壓力視作能量密度，即單位體積內(nèi)包含的能量。能量密度這一單位也從SI導(dǎo)出。

據(jù)悉，新方法用光進(jìn)行更高精度的壓力測量，設(shè)備是由氣體和真空通道組成的光學(xué)諧振腔，通過探測其中的氣體原子以確定壓力。研究團(tuán)隊希望在2020年可證明該設(shè)備的準(zhǔn)確性與壓力計相媲美，并鼓勵實驗室將這一設(shè)備作為測定標(biāo)準(zhǔn)。

若這一手段被計量界廣泛認(rèn)可，意味著對汞元素的需求將減少。汞具有毒性且在國際上可能面臨限制。此外，新技術(shù)通過自然基本常數(shù)直接測量壓力，意味著科學(xué)家可以在不依賴壓力計測量的其他量(如密度)的情況下得出1帕斯卡的數(shù)值。

理論上講，新的方法可以讓任何人都有機(jī)會利用基本原理測量壓力，而無需繁瑣的工作，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所正高級工程師高波表示，其團(tuán)隊正在研究極低溫度的測量方法。

改進(jìn)空間

長期以來，計量學(xué)家一直在努力讓壓力計的測量結(jié)果更準(zhǔn)確。最初的壓力計可追溯到意大利物理學(xué)家Evangelista Torricelli在1643年發(fā)明的水銀壓力計。

現(xiàn)代版的壓力計包含兩根汞柱，通過平衡壓力與汞的重量產(chǎn)生的力進(jìn)行測量。壓力測定的重要依據(jù)是汞樣本的密度，但得到更精確的密度值是研究者一直努力的事情。NIST計量學(xué)家Jay Hendricks表示，現(xiàn)有的壓力表已達(dá)到了精度極限，而新的壓力測量方法還有很大提升空間。

此次，NIST提出的新型壓力傳感器，準(zhǔn)確的名字叫固定長度光學(xué)諧振腔(FLOC)。它能對通過充氣腔的激光速度和真空中相同光束的速度進(jìn)行比較。光速會隨氣體密度的變化而變化，量子化學(xué)家可以根據(jù)原子的性質(zhì)加以計算。

在穩(wěn)態(tài)的溫度系統(tǒng)中，計量學(xué)家可將這些密度測量結(jié)果(模擬腔內(nèi)顆粒數(shù)量)與摩爾茲曼常數(shù)結(jié)合，后者將溫度與動能聯(lián)系起來，從而計算出氣體的“能量密度”，即壓力。

Hendricks用“干脆利落”形容這種方法，因為它只用量子計算和自然基本常數(shù)計算腔內(nèi)氣體顆粒的數(shù)量，從而得到壓力測量結(jié)果。“本質(zhì)上講，我們有‘量化’的壓力，”他表示，“這是新一代國際單位制的精神，現(xiàn)在這些基本單位都與基本物理常數(shù)掛鉤，而不是通過其他任意引用的對象。從計量學(xué)的角度看，這實在是太棒了?！?/p>

高波表示，NIST的新一代壓力測量技術(shù)有很大潛力，但還有一些問題需要解決，比如氣體中的雜質(zhì)將對測量結(jié)果以及實驗過程產(chǎn)生怎樣的影響，以及如何剔除這種影響。Hendricks表示，針對某些特定情況的壓力測量，F(xiàn)LOC可在一年內(nèi)為成為初步的工業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)做好優(yōu)化準(zhǔn)備。

研究團(tuán)隊表示，F(xiàn)LOC的測量結(jié)果在正常大氣壓下的不確定性為百萬分之六，這幾乎與汞氣壓計精度相當(dāng)，不確定性最低可達(dá)百萬分之三。在測量較低壓力時，其不確定性是汞壓力計的1/3。英國國家物理實驗室(NPL)計量學(xué)家Stuart Davidson稱，這項工作令人“印象深刻”。

變革驅(qū)動力

但對其他國家的計量學(xué)家來說，說服他們采用FLOC為測量標(biāo)準(zhǔn)仍需時日。NIST將首先致力于采用FLOC為其主要的測量標(biāo)準(zhǔn)。為此，NIST將公布新舊方法測量出的結(jié)果并進(jìn)行比較，同時進(jìn)行內(nèi)部審查。該結(jié)果已在國際度量衡委員會的一個附屬機(jī)構(gòu)的監(jiān)督下得到了確認(rèn)。

之后為了獲得官方認(rèn)可，確保FLOC結(jié)果準(zhǔn)確，NIST須向同一機(jī)構(gòu)提出申請，將該設(shè)備與德國布倫瑞克計量研究所傳統(tǒng)壓力計的測量結(jié)果進(jìn)行比較。

為讓新測量方法更廣泛地為人接受，計量學(xué)家可能還需要看到另一個實驗室復(fù)制出第二個FLOC，并獲得同樣的測量結(jié)果。其他國家的測量實驗室正在致力于開發(fā)相同設(shè)備，但還須時日。

Davidson表示，對于新的測量設(shè)備來說，其準(zhǔn)確性和人們對其的信任度需要長時間構(gòu)建。

理論上講，由于SI基本單位現(xiàn)在是用常數(shù)定義的，所以一旦有可復(fù)制的、縝密的測量技術(shù)將壓力的數(shù)量與常量聯(lián)系在一起，這樣的測量方式是應(yīng)該被接受的。

根據(jù)這些定義，F(xiàn)LOC將成為定義壓力的一種方式，但在實踐中，沒人知道國際社會在接受新方法前需要多少證據(jù)來證明，“這可能就是一個先例”。Davidson表示。

與此同時，NIST團(tuán)隊正在開發(fā)基于FLOC原型的便攜版本，以便在工業(yè)中實現(xiàn)更精確的測量。這將對半導(dǎo)體芯片、飛機(jī)制造業(yè)等行業(yè)產(chǎn)生重要影響。比如精密的壓力測量會幫助飛機(jī)減少燃料消耗。

該團(tuán)隊還在調(diào)整相應(yīng)的方法，以便讓新的方法適用于更高的壓力環(huán)境。目前測量較高壓力環(huán)境的準(zhǔn)確手段之一是活塞式壓力計。

NPL計量學(xué)家Michael de Podesta表示，NIST推出的新方法的優(yōu)勢不僅僅在于實用性，而且可以從根本上推動科學(xué)發(fā)展?！熬拖裉岣邎D像分辨率一樣，當(dāng)人們能更準(zhǔn)確地測量壓力時，就能更清楚地看世界。這就像一幅圖片，在構(gòu)建出相應(yīng)的觀測設(shè)備之前，你不知道自己會看到什么。”