測量、計量及計量學

測量、計量及計量學

計量培訓；通用計量術語知識講座

中國計量科學研究院總工程師  施昌彥

　　編者按　　為了宣傳JJF1001—1998《通用計量術語及定義》國家計量技術規范，統一理解，普及計量知識，促進計量技術交流，加速計量事業發展，《中國計量》雜志擬于2000年第八期至2001年第八期舉辦《通用計量術語知識講座》。講座由該規范起草人羅振之、施昌彥、金華彰、戴潤生、馬彥冰等同志分別主寫，對有關術語進行解釋、討論，與讀者進行交流。我們初步計劃于2001年下半年在《中國計量》雜志上開展一次有關“通用計量術語和測量不確定度知識競賽”，以活躍基層計量工作，提高業務知識。歡迎廣大計量工作者積極配合，將在實施JJF1001—1998規范中的有關問題或建議及學習心得反饋給我們，讓我們共同把這一講座辦好。   
　　一、測量  measurement
　　以確定量值為目的的一組操作。　　注:(1)操作可以是自動地進行的。　　(2)測量有時也稱計量。
　　這個定義包括三層內涵:(1)測量是操作，至于是什么樣的操作，沒有做具體規定。它可能是一項復雜的物理實驗，如激光頻率的絕對測量、地球至月球的距離測量、納米測量等；也可能是一個簡單的動作，如稱體重、量體溫、用尺量布等。這種操作可以是自動進行的，也可以是手動或半自動的。(2)這里強調的是一組操作或一套操作，意指操作的全過程，直到給出測量結果或報告。也就是從明確或定義被測量開始，包括選定測量原理和方法、選用測量標準和儀器設備、控制影響量的取值范圍、進行實驗和計算，一直到獲得具有適當不確定度的測量結果。(3)該組操作的“目的”在于確定量值，這里沒有限定測量范圍和測量不確定度。因此，這個定義適用于諸多方面和各種領域。
　　這個定義與過去曾廣泛流行的定義——“測量是將被測量與一個被選作單位的特定同類量比較，得出該量是單位的多少倍的實驗過程”相比，顯然更為概括。它們的主要差別在于:舊定義只適用于狹義的物理量，即那些在理論上已得到充分闡明的、包含在有關物理方程式中的量，不適用于其定義與特定參考標尺相聯系的量(如材料的硬度、化學中的pH值、燃油的辛烷值等)；而新定義則可適用于所有可測量的量。但是，新舊兩個定義的中心思想或目標是相同的，即測量的目的是要把所研究的量與一個數值聯系起來。對于物理量，是以一個數值乘以該量的一個單位的形式來建立聯系；對于其他可測量的量，則是通過一個數值與一個表示特定參考標尺的符號來建立聯系。這樣，通過測量就可將無法直接計數和排序的量，轉變為可以計數或排序，從而使人們對物體、物質和自然現象屬性的認識和掌握，達到從定性到定量的轉化。(注:在《通用計量術語及定義》中，把〔可測量的〕量定義為:現象、物體或物質可定性區別和定量確定的屬性。)
　　測量起源于遙遠的古代，當時被測的量主要限于長度、容積、質量(重量)和土地面積等幾個量。中國古代的“度量衡”，在作動詞解釋時，度是指長度測量，量是指容積測量，衡是指質量(重量)測量。隨著人類社會進入工業化和信息化時代，國際交往和貿易快速增長，特別是物理學等“精確科學”的發展，不僅使需要測量的量達到數以百計，而且其量值范圍不斷擴大、不確定度要求不斷提高，還出現了對動態測量、實時測量、綜合測量及嚴酷環境下特殊測量的新需求。
　　在計量學中，測量既是核心概念，又是研究對象。所以，人們有時也稱測量為計量，例如稱測量單位為計量單位、稱測量標準為計量標準等。
　　二、計量  metrology
　　實現單位統一、量值準確可靠的活動。
    計量是實現單位統一、量值準確可靠的活動，包括科學技術上的、法律法規上的和行政管理上的活動。計量在歷史上稱為度量衡，所用的主要器具是尺、斗、秤。在英語中尺子和統治者是同一詞——ruler，我國古代把砝碼稱為“權”，至今仍用天平代表法制和法律的公平，這些都表明計量是象征著權力和公正的活動。
　　確定被測量的量值是測量的目的，最終是為了社會應用。因此，在不同時間、地點由不同的操作者用不同儀器所確定的同一個被測量的量值，應當具有可比性。只有當選擇測量單位遵循統一的準則，并使所獲得的量值具有必要的準確度和可靠性時，才能保證這種可比性。顯然，對測量的這種要求不會自發地得到滿足，必須由社會上的有關機構、團體包括政府進行有組織的活動才能達到。這些活動，大體上包括進行科學研究、發展測量技術、建立基準(標準)與保證測量結果具有溯源性的物質技術基礎，以及制定計量法律、法規、條例，開展計量行政管理，才能保證經濟而有效地為社會提供計量服務。
　　實際上，人類為了生存和發展必須認識自然、利用自然和改造自然，而自然界的一切現象、物體或物質，是通過一定的“量”來描述和體現的。也就是說，“量是現象、物體或物質可定性區別與定量確定的一種屬性”。因此，要認識大千世界和造福人類社會，就必須對各種“量”進行分析和確認，既要區分量的性質，又要確定其量值。計量正是達到這種目的的重要手段之一。在這個意義上可以廣義地認為，計量是對“量”的定性分析和定量確認的過程。實際上，人類在科學研究、經濟活動和社會發展中，每時每刻都離不開計量，通過計量所獲得的測量結果是人類活動最重要的信息源之一。如果這種信息是錯誤的，或者沒有可重復、可再現及可比較的特性，就無法正確地認識事物、認識自然，也就無法利用自然和改造自然。有關的文字記載和器物遺存證明，早在數千年前，出于生產、貿易和征收賦稅等方面的需要，古埃及、巴比倫、印度和中國等地均已開始進行長度、面積(尤其是土地面積)、容積(主要是為確定糧食的數量)和質量(重量)的測量。
　　在相當長的歷史時期內，計量的對象主要是物理量，后來隨著科技進步和社會發展而擴展到工程量、化學量、生理量，甚至心理量。當前普遍開展和比較成熟或傳統的有幾何量、溫度、力學、電磁、無線電、時間頻率、光學、電離輻射、聲學和化學等，即所謂十大計量。同時，在一些高新技術領域如生物、醫學、環保、信息、航天和軟件等方面的專業計量測試，也正在逐漸形成和不斷加強。例如，在醫學和保健方面，不僅需要實驗室用的高準確度計量測試儀器，也需要臨床實時(甚至在體實時)的計量分析儀器及非采樣(非侵入、無損傷)的醫用測試分析儀器。在生物和生命工程方面，人們希望從蛋白質的控制中了解生物學、生理學、生物化學、分子遺傳學，并且正在對構成蛋白質生產的核糖核酸的15萬個標記進行測試和編排。同時，以DNA計算機為首的生物計算機，將為解決當前硅芯片集成器件的數量(集成度)接近極限，因而計算機處理能力也接近極限的難題，提供理想的方案。這里，計量的對象已進入微觀領域。
　　隨著科技、經濟和社會的發展，計量的內容也在不斷地擴展和充實，通常可概括為6個方面:計量單位與單位制；計量器具(或測量儀器)，包括實現或復現計量單位的計量基準、標準與工作計量器具；量值傳遞與量值溯源，包括檢定、校準、測試、檢驗與檢測；物理常量、材料與物質特性的測定；不確定度、數據處理與測量理論及其方法；計量管理，包括計量保證與計量監督等。其中，計量器具是對量的定性分析和定量確認進行管理的最為常用的直接手段。實際上，計量器具起著擴展和延伸人類感官和神經系統的作用，增強了人類認識自然的能力，成為認識自然的有力工具；機器則替代和延伸了人類的體力勞動，成為改造自然的有力工具。而改造自然是以認識自然為前提的，機器配上計量器具才能發揮更大的作用，這正在諸如柔性機床、加工中心等機電一體化的機器中得到體現，并已成為發展趨勢。
　　計量的特點取決于計量所從事的工作，即為實現單位統一、量值準確可靠而進行的科技、法制和管理活動，概括地說，可歸納為準確性、一致性、溯源性及法制性4個方面。
　　準確性是指測量結果與被測量真值的一致程度。由于實際上不存在完全準確無誤的測量，因此在給出量值的同時，必須給出適應于應用目的或實際需要的不確定度或誤差范圍。否則，所進行的測量的質量(品質)就無從判斷，量值也就不具備充分的實用價值。所謂量值的準確，即是在一定的不確定度、誤差極限或允許誤差范圍內的準確。

　　一致性是指在統一計量單位的基礎上，無論在何時、何地，采用何種方法，使用何種計量器具，以及由何人測量，只要符合有關的要求，其測量結果就應在給定的區間內一致。也就是說，測量結果應是可重復、可再現(復現)、可比較的。換言之，量值是確實可靠的，計量的核心實質上是對測量結果及其有效性、可靠性的確認，否則，計量就失去其社會意義。計量的一致性不僅限于國內，也適用于國際，例如國際關鍵比對和輔助比對結果應在等效區間或協議區間內一致。
　　溯源性是指任何一個測量結果或計量標準的值，都能通過一條具有規定不確定度的連續比較鏈，與計量基準聯系起來。這種特性使所有的同種量值，都可以按這條比較鏈通過校準向測量的源頭追溯，也就是溯源到同一個計量基準(國家基準或國際基準)，從而使準確性和一致性得到技術保證。否則，量值出于多源或多頭，必然會在技術上和管理上造成混亂。所謂“量值溯源”，是指自下而上通過不間斷的校準而構成溯源體系；而“量值傳遞”，則是自上而下通過逐級檢定而構成檢定系統。
　　法制性來自于計量的社會性，因為量值的準確可靠不僅依賴于科學技術手段，還要有相應的法律、法規和行政管理。特別是對國計民生有明顯影響，涉及公眾利益和可持續發展或需要特殊信任的領域，必須由政府主導建立起法制保障。否則，量值的準確性、一致性及溯源性就不可能實現，計量的作用也難以發揮。
　　由此可見，計量不同于一般的測量。測量是為確定量值而進行的全部操作，一般不具備、也不必具備計量的4個特點。所以，計量屬于測量而又嚴于一般的測量，在這個意義上可以狹義地認為，計量是與測量結果置信度有關的、與不確定度聯系在一起的規范化的測量。實際上，科技、經濟和社會愈發展，對單位統一、量值準確可靠的要求愈高，計量的作用也就愈顯重要。
　　三、計量學  metrology
　　關于測量的科學
　　注1)計量學涵蓋有關測量的理論與實踐的各個方面，而不論測量的不確定度如何，也不論測量是在科學技術的哪個領域中進行的。
　　(2)計量學有時簡稱計量。
　 (3)計量學曾稱度量衡學和權度學。
　　從學科發展來看，計量學是物理學的一部分，后來隨著領域和內容的擴展而形成了一門研究測量理論與實踐的綜合性科學。特別是計量學作為一門科學，它同國家法律、法規和行政管理緊密結合的程度，在其他學科中是少有的。
　　人們從不同的角度，對計量學進行過不同的分類。例如:把涉及計量單位的換算、計量器具基本特性、測量數據處理等共性問題的，稱為通用計量學；把涉及長度、溫度、硬度等特定量具體應用的，稱為應用計量學；把涉及自動測量、在線測量、動態測量等測量技術和測量方法的，稱為技術計量學；把涉及量的定義和單位的實現、復現等測量理論的，稱為理論計量學；把涉及計量工作中法律、法規和法定要求與法制管理的，稱為法制計量學；把涉及計量在國民經濟中作用和效益評估的，稱為經濟計量學或效益計量學；等等。當前，國際上趨向于把計量學分為科學計量、工程計量和法制計量3類，分別代表計量的基礎、應用和政府起主導作用的社會事業3個方面。這時，計量學通常簡稱為計量。
　　科學計量是指基礎性、探索性、先行性的計量科學研究，通常用最新的科技成果來精確地定義與實現計量單位，并為最新的科技發展提供可靠的測量基礎。科學計量本身屬于精確科學，通常是國家計量研究機構的主要任務，包括計量單位與單位制的研究、計量基準與標準的研制、物理常量與精密測量技術的研究、量值溯源與量值傳遞系統的研究、量值比對方法與測量不確定度的研究等。
　　計量學是關于測量的科學，意味著它要求單位的定義建立在最新科技成果的基礎上，能以當前最小的不確定度實現或復現，并在過渡到新定義時保持原來的單位尺度或大小不變。同時，還要求所有單位構成一個簡明的、可在各國和各學科中通用的單位體系，即構成一個實用的一貫單位制。科學家們經過一百多年的努力，在米制基礎上建立的國際單位制(SI)，就是一種這樣的單位制。在其包含的7個基本單位中，秒的定義建立在銫原子常量的基礎上，實現的不確定度約為10-15量級，是全部單位中最好的；米的定義建立在真空光速和秒定義基礎上；開爾文的定義建立在水三相點的特定物質常量基礎上；摩爾的定義建立在碳原子常量和千克定義基礎上；安培的定義建立在真空磁導率和米、千克、秒定義基礎上；坎德拉的定義建立在特定單色輻射和米、千克、秒定義基礎上；千克的定義則建立在特定宏觀物體的脆弱基礎上，對其進行修改的要求最為迫切，實現的可能方案尚在探索中。從對單位定義的理論要求看，基本單位最好僅僅定義在基本物理常量基礎上，以便保持單位的尺度恒久不變；從對單位在實際測量中的使用要求看，則希望實現或復現的不確定度越小越好。計量學家只能在滿足實際使用要求的前提下，去追求理論上的完善。
　　工程計量也稱工業計量，是指各種工程、工業、企業中的實用計量，例如有關能源或材料的消耗、工藝流程的監控以及產品質量與性能的測試等。工程計量涉及面甚廣，隨著產品技術含量提高和復雜性的增大，為保證經濟貿易全球化所必需的一致性和互換性，它已成為生產過程控制不可缺少的環節。
　　工程計量測試能力，實際上是一個國家工業競爭力的重要組成部分，在以高技術為基礎的經濟構架中顯得尤為重要。隨著微電子工業的迅速發展，納米計量已成為熱門話題，它涉及物體及其表面的特征，1納米～1微米范圍內測量對象的間隔或位移，例如超大規模集成芯片結構的線寬、臺階、膜厚等。利用納米技術可以操縱單個原子，從而為制造量子器件或單電子器件以及制造原子密度的數據存儲器提供了可能。如果說三四十年代的核技術是對物質潛在能量的開發，使“單位質量物質”的爆炸能力提升百萬倍的話，那么，納米技術將是對物質潛在信息和結構的開發，將使“單位體積物質”儲存和處理信息的能力增加百萬倍。這里，計量型原子力顯微境和具有掃描隧道及原子力探頭的掃描探針顯微境，將為評定納米測量不確定度的影響因素及統一納米量值的方法提供有力手段。
　　法制計量是與法定計量機構工作有關的計量，涉及對計量單位、計量器具、測量方法及測量實驗室的法定要求。法制計量由政府或授權機構根據法制、技術和行政的需要進行強制管理，其目的是用法規或合同方式來規定并保證與貿易結算、安全防護、醫療衛生、環境監測、資源控制、社會管理等有關的測量工作的公正性和可靠性，因為它們涉及到公眾利益和國家可持續發展戰略。
　　法制計量的特征除了政府起主導作用，即由政府或代表政府的機構管理外，還有一個明顯的特征:直接傳遞到公眾一端，即直接與最終用戶的計量器具及其測量結果有關。它涉及的不僅是有利益沖突而需要保護，以及測量結果需要公共機構予以特別關注或特殊信任的領域，還包括測量結果違背公眾利益的領域，即保護與違背兩者常常是并存的。例如，隨著人們對健康日趨關心，先進的醫療設備發展迅速，愈來愈多的測量方法和計量器具被應用于醫療和保健，從而形成了“醫療計量”分支，涉及溫度、壓力、質量、超聲、電離輻射、生物力學、腦電流、血液成分等有關參量的測量、分析及監控。忽視醫療計量會造成可怕的醫療事故。例如:超聲波胎心儀的功率超差嚴重，無異于使胎兒在母腹中承受腦震蕩；用伽馬刀放射治療腫瘤，因聚焦偏差過大使正常組織受過高劑量而壞死；用眼球激光治療儀治療白內障，因吸收功率而灼傷視網膜，造成不可逆轉的失明悲劇。
　　現代計量科學技術的成就，保證了所用的法制計量器具被控制在最大允許誤差范圍之內，不僅減少了商貿、醫療、安全等諸多領域的糾紛，而且維護了消費者利益，促進了社會發展，從而給國民經濟帶來可觀的效益。
　　由此可見，科學計量既為法制計量提供技術保障，或者說法制計量是以科學計量為其行政執法的技術基礎，還為工程計量和新技術發展提供測量基礎。正如俄國科學家門捷列夫說過的:“沒有測量，就沒有科學”。另一方面，科學計量本身又必須用最新的科技成果來發展自己，使之始終保持在先行位置，這就決定了它屬于精確科學。正如王大珩院士指出的:“計量學是提高物理量量化精確性的科學，是物理的基礎和前沿”。因此，計量事業理所當然地屬于國家的基礎設施事業之一。（發布時間：2007-4-5）

[ 本帖最后由 duomeiti 于 2007-4-5 14:59 編輯 ]