普及计量知识 | 详解计量的基础知识

计量起源

计量起源于古代各国，沿用已久的各不相同的计量单位和有关的制度不可能自发地统一。即使是一国范围内统一计量制度，也只有借助于政府的作用才可能实现。公元前221年，中国的秦始皇曾下诏全国统一度量衡就是一个明显的例证。早期的计量相当于所指的法制计量，只是范围较窄，主要限于与贸易和税收有关的测量而已。计量管理工作的主要部分——法制计量，历来是由政府所主导的一项社会事业。大致 18 世纪开始，由于国际贸易和科学技术的发展，欧洲国家之间出现统一计量制度的需求。1867年举行的巴黎博览会上专门成立了“度量衡和货币委员会”，以处理因计量单位不同而产生的问题。1875 年和 1955 年签订的《米制公约》和《国际法制计量组织公约》，都属于政府间的多边协议，相应成立的两个国际组织也都是政府间的组织。

计量的发展具有悠久的历史，大体上可以分为原始、经典和现代三个阶段。

原始阶段

以经验和权力为主，大多利用人、动物或自然物作为计量基准。例如，中国古代的布手知足、掬手为升、十发为程、黄钟律管等；相传在大禹治水时，就用了“准绳”和“规”、“矩”等计量器具体；公元前 221 年，秦始皇统一中国后即颁布诏书，建立了全国统一的度量衡制度，其中度制和量制的大部分采用了十进制，并实行定期检定计量器具的法制管理(见中国古代度量衡史)。古埃及的尺度是以人的胳膊到指尖的距离为依据的，称之为“腕尺”(约 46 厘米)。英国的码是亨利一世将其手臂向前平伸，从其鼻尖到指尖的距离(1yd =0.9144m)；英尺是查理曼大帝的脚长(1ft =0. 3038m)；英寸是英王埃德加的 手指关节的长度(lin =25. 4mm)；而英亩则是两牛同轭，一日翻耕土地的面积(1英亩=4.05X103平方米)。

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经典阶段

一个以宏观现象与人工实物为科学基础的阶段。标志是 1875 年签订的《米制公约》。包括根据地球子午线 1 /4 长度的一千万分之一建立了铂铱合金制的米源器；根据1m3水在规定温度下的质量建立了铂铱合金制的千克源器；根据地球绕太阳公转周期确定了时间(历书时)单位秒等。它们形成一种基于所谓自然不变的米制，并成为国际单位制的基础。但是这类宏观实物基准随着时间的推移或地点的变动，其量值不可避免的受物理或化学性能缓慢变化的影响而发生漂移，从而影响了复现、保存，并限制了准确度的提高。实际上英国物理学家、数学家J. C麦克斯韦在1870年曾指出，长度、质量和时间应当建立在原子波长、频率和原子质量中，而不是在运动着的星体或物体上。

现代阶段

以量子理论为基础，由宏观实物基准过渡到微观量子基准。国际上已正式确立的量子基准有长度单位米基准、时间单位秒基准、电压单位伏特基准和 电阻单位欧姆基准。从经典理论来看，物质世界在做连续、渐进的宏观运动；而在微观量子体系中，事物的发展是不连续的、跳跃的，也是量子化的。由于原子的能级非常稳定，跃迁时辐射信号的周期自然也非常稳定，因此，跃迁所对应的量值是固定不变的。这类微观量子基准，包括 1960 年用氪 86 原子的特定能级跃迁所定义的米、1967 年用铯 133 原子特定能级跃迁所定义的秒等，提高了SI基本单位实现的准确性、稳定性和可靠性。但是他们仍与某种原子的特定量子跃迁过程有关，因而尚不具备普适性。显然，最好的方案莫过于用基本物理常量 (普适常量)来定义计量单位。例如，1983年将米定义为光在真空中在1 /299792458秒的时间间隔内所行进的长度，即认为真空中光速作为一个定义值恒为299792458米/秒(约为 30 万公里/秒)；而长度事实上变成了时间(频率)的导出量。这种定义通过不变的光速给出了空间和时间的联系，使得新定义的米只依赖于目前测量不确定度最小(10－15量级)的频率，从而具有准确性、稳定性、可靠性和普适性。

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计量的意义：

计量的意义（从质量、安全、社会、企业、成本等方面考虑）。

①保证产品质量：没有准确一致的计量器具来保证，产品就实现不了标准化、通用化、系列化的要求，既影响生产效率，又影响产品质量。

②保障安全生产：工业生产中使用计量仪表准确与，不仅关系到产品质量，而且有的计量仪表失准会危及人们的生命安全。

③对整个社会来说：计量在保障人民生活和身体健康中有非常大的作用，计量渗透到社会的各个方面，如医疗卫生、社会服务、环保等方面都离不开它。

④计量在企业中也有非常重要的作用：随着企业生产技术水平的不断提高，则对计量技术的要求也就越来越高计量在企业中就是生产力。

⑤计量工作可以增产节约、降低成本：产品和原材料在运转过程中需要计量其重量、检查其质量，因此生产中常用计量器具或计量器具之改进，而获得巨大经济效益。

基本概念：

1.计量学：有关测量知识领域的一门学科。

2.计量（Measurement）：实现单位统一和量值的准确可靠。

3.量：现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。

4.基本单位：在给定量制中基本量的计量单位。

5.导出单位：即导出量的计量单位。

6.国际单位制：由国际计量大会推荐采用的一种一贯单位

7.检定：为评定计量器具的计量特性，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。（判定合格）

8.校准：在规定条件下为确定计量器具示值误差的一组操作。（只需测出误差）

9.计量基准：用来复现和保存计量单位，具有现代科学技术所能达到的最高准确度。

10.计量标准：按国家规定的准确度等级作为检定依据用的计量器具或物质。

11.检定规程：指检定计量器具必须遵守的法定技术文件。（计量器具的计量性能、检定项目、检定条件、检定方法、检定周期以及检定结果处理。）

12.检定系统：国家对计量基准到各等级计量标准直至工作计量器具的检定主从关系所作的技术规定。

计量分类：

 

    （一）计量依据其领域可分为以下三类

        1、法制计量

法制计量，是为了保证公众安全,国民经济和社会发展，根据法制、技术和行政管理的需要，由政府或官方授权进行强制管理的计量,包括计量单位、计量器具（特别是计量基准、标准）、计量方法以及计量人员的专业技能等的明确规定和具体要求。法制计量主要涉及安全防护、医疗卫生、环境监测和贸易结算等有利害冲突或特殊领域的强制计量。例如，关于衡器、压力表、电表、水表、煤气表、血压计等的计量。

        2、科学计量

科学计量主要是指基础性、探索性、先进性的计量科学研究，例如关于计量单位与单位制、计量基准与标准、物理常数、测量误差、测量不确定度与数据处理等。

科学计量通常是计量科学研究单位，特别是国家计量科学研究机构的主要任务。

        3、工业计量

工业计量也称工程计量，系指各种工程、工业企业中的应用计量。例如，关于能源、原材料的消耗、工艺流程的监控和产品质量与性能的计量测试等。工业计量涉及面广，是各行各业普遍开展的一种计量。

    （二）按计量学可分以下十类

        1、几何量计量

几何量计量通常称为长度计量，是最先形成和发展的一个计量科学领域。概括地说，几何量计量的内容是物体的几何尺寸、形状和位置，即几何量的“三大要素”。几何量计量的基本参量是长度和角度，以及由它们导出的平直度、表面粗糙度、园度、圆柱度、坡度、锥度、渐开线、螺旋线等，还包括万能量具的检定、光学仪器检定及生产中特殊零件的测量。几何量计量的基本单位是“米”，符号为“m”，它是国际单位制七个基本单位之一。

几何量计量常用的计量器具主要包括：量块、角度块、直尺、千分尺、游标卡尺、百分表、千分表、平晶、水平仪、测量显微镜、投影仪、园度仪、表面轮廓仪、齿轮测量仪器、测长仪、三座标测量机等。

        2、温度计量

温度计量就是利用各种物质的热效应来计量物体的冷热程度。内容包括：超低温、低温、中温、高温、超高温、热量等项。温度计量单位为开〔尔文〕，符号为“K”。

温度计量常用的计量器具主要包括：水银温度计、热电偶、半导体点温计、体温计、动圈仪表、温度指示调节仪表、温度巡回检测仪、自动温度记录仪、干燥箱、恒温恒湿箱、培养箱、高低温试验箱等。

        3、力学计量

力学计量包括质量、容量、密度、压力、真空、测力、力矩、硬度、冲击、速度、流量、振动、加速度等。力学计量常用的计量器具主要包括：砝码、天平、皮带秤、衡器、标准硬度块、硬度计、拉力表、测力机、负荷传感器、材料试验机、疲劳试验机、扭矩计、扭矩扳子、扭矩扳子检定装置、扭转试验机、测功机、加速度计、速度传感器、压力计、血压计、血压表、压力表、压力变送器、燃油加油机、密度计、流量计、水表、煤气表、雷达测速仪、测速仪、转速表等。

        4、电磁计量

电磁计量是根据电磁原理，应用各种电磁标准器和电磁仪器、仪表，对各种电磁物理量进行测量。电磁计量包括电流、电动势、电阻、电感、电容、磁场强度、磁通量等。电磁计量常用的计量器具主要包括：标准电池、标准电压源、标准电流源、电阻器、电容器、互感器、电阻箱、电流表、电压表、功率表、兆欧表、磁通表、电能表、电能表检定装置、直流电位差计、直流电桥、交流电桥、万用表等。

        5、无线电计量

无线电计量是指无线电技术所用全部频率范围内从超低频到微波的一切电气特性的测量。主要有高频电压、功率、相位、脉冲、阻抗、噪声、失真等。无线电计量常用的计量器具主要包括：信号发生器、调制分析仪、音频分析仪、失真度测量仪、示波器、函数发生器、脑电图机、心电图机、扫频仪、心电监护仪等。

        6、时间频率计量

时间和空间是描述各种客观事物的发展运动变化的基本参量，时间和频率是描述周期现象的两个不同侧面。时间和频率在数学上互为倒数，它们共用同一个基准。计量单位为秒——“s”。时间频率计量常用的计量器具主要包括：频率合成器、石英晶体振荡器、频率计、通用电子计数器、秒表、时间间隔发生器、电子计时器、电话计时计费装置等。

        7、电离辐射计量

也称放射性计量，是对那些能直接或间接引起电离的辐射(X射线、γ射线、伦琴射线、镭、铀钍元素的中子辐射)进行测量称之为电离辐射计量。电离辐射计量分为适度计量（或称强度计量）和剂量计量两个方面。它广泛应用于医疗卫生（如服用同位素、肝扫描都必须剂量诊断准确）、环保监测、原子能发电、探矿、探伤、石油管道去污定位以及应用于农业上的育种等。电离辐射计量常用的计量器具主要包括：工作用γ射线辐射源、医用CT扫描仪、辐射加工工作剂量计、X射线探伤机、X辐射防护仪器、剂量笔、γ辐射防护仪表、医用诊断X辐射源、固体工作剂量计、化学工作剂量计、伦琴计等。

        8、光学计量

光学计量主要包括光强、光通量、亮度、照度、色度、辐射度、感光度、激光等。光学计量应用很广泛，现代建筑物的建造要进行光强度的计量，以达到规定的照度标准。在光谱学方面，需要测量光谱的光度。此外，软片、胶卷的感光度、光学玻璃的折射率、染印、颜料、电影、电视都需要准确的光度、色度、和色温计量。在国防上，如导弹的导向、特种摄影等更需要对激光、紫外线、红外线进行准确的测量。光学计量的基本单位是发光强度坎〔德拉〕,符号：cd。光学计量常用的计量器具主要包括：照度计、亮度计、标准色板、色差计、测色光谱光度计、医用激光源、焦度计、阿贝折射仪、角膜接触镜、瞳距测量仪、验光机、标准镜片、光谱分析仪、光泽度计、汽车前照灯检测仪等。

        9、声学计量

声学计量是专门研究测量物质中声波的产生、转播、接收和影响特性。声强、声压、声功率是声学计量中三个重要的基本参量，其中声压应用最广泛。声学计量涉及到通信、广播、电影、电视、房屋建筑、医药卫生、航行、海防、语言、音乐、工农业生产，以及各种生产、生活与科学领域。声学计量常用的计量器具主要包括：传声器、声级计、超声探伤仪、超声测厚仪、医用超声源、超声功率源、听力计、助听器等。

       10、化学计量

化学计量也称物理化学计量，是指对各种物质的成分和物理特性、基本物理常数的分析、测定。主要包括：酸碱度、气体分析、燃烧热、粘度、标准物质等。由计量部门通过发放标准物质进行量值传递是化学计量的显著特点。化学计量常用的计量器具主要包括：酸度计、浊度计、可见分光光度计、原子吸收分光光度计、荧光分光光度计、滤光光电比色计、烟度计、粘度计、热量计、粉尘浓度测定仪、烟尘浓度测定仪、液相色谱仪、气相色谱仪、电导率仪、电解式水分仪、一氧化碳测定仪、二氧化硫分析仪、定碳定硫分析仪、自动电位滴定仪、有毒有害可燃气体分析检测报警仪、元素分析仪、傅里叶变换红外光谱仪、水分测定仪、常用玻璃量器、工业分析仪、酒精探测器等。