计量基础知识

1．科学计量

科学计量主要指的是基础性、探索性、先行性的计量科学研究，例如关于计量单位与单位制、计量基准、标准、物理常数以及误差理论与数据处理等。科学计量通常是国家计量科学研究单位的主要任务。

2．工程计量

工程计量亦称工业计量，系指各种工程、工业企业中的实用计量。例如，关于能源、原材料的消耗，工艺流程的监控以及产品品质与性能的测试等。工程计量涉及面甚广，是各行各业普遍开展的一种计量。

3．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，包括对计量单位、计量器具(特别是计量基准、标准)、计量方法和计量准确度(或不确定度)以及计量人员的专业技能等都有明确规定和具体要求。

从实际检测来看，法制计量主要是涉及安全防护、医疗卫生、环境监测和贸易结算等有利害冲突或需要特殊信任领域的强制计量。例如，关于衡器、压力表、电表、水表、煤气表、血压计以及血液中酒精含量(司机和高空作业者上岗前不得饮酒)等的计量。

计量的上述分类，是相对的。有人把科学计量称为基础计量，而将工程计量和法制计量统称为应用计量。这看来似乎更加概括，但实际上却造成了混淆。因为法制计量的特殊性是工程计量不能比拟的；两者必须分别对待，不能相提并论。


计量的基本内容可概括为：
　　1．计量单位与单位制；
　　2．计量器具，包括复现计量单位的计量基准、标准器具以及普通(工作)计量器具；
　　3．量值传递、溯源与检定测试；
　　4．物理常数以及材料与物质特性的测定；
　　5．误差理论与数据处理以及计量人员的专业技能；

计量的基本内容可概括为：
　　1．计量单位与单位制；
　　2．计量器具，包括复现计量单位的计量基准、标准器具以及普通(工作)计量器具；
　　3．量值传递、溯源与检定测试；
　　4．物理常数以及材料与物质特性的测定；
　　5．误差理论与数据处理以及计量人员的专业技能；
　　6．计量管理。

计量的发展，大体上可分为三个阶段。

1．古典阶段
古典阶段是以权力和经验为主的初级阶段，没有或者没有充分的科学依据。作为最高依据的计量基准，多用人体的某一部分、动物的丝毛或某种能力、植物果实、乐器以及物品等。
例如，我国古代的“布手知尺”、“掬手为升”、“十发为程”、“十程为分”；英国的“码”，是英王亨利一世将其手臂向前平伸，从其鼻尖到指尖的距离；英尺是查理曼大帝的脚长；英亩是二牛同扼一日翻耕土地之面积，等等。

2．经典阶段
从世界范围看，1875年“米制公约”的签定，可认为是经典阶段的开始。随着科学技术的进步和社会生产力的发展，计量基准已开始摆脱利用人体、自然物体等的原始状态，进入了以科学为基础的发展阶段。由于科技水平的限制，这个时期的计量基准都是在经典理论指导下的宏观器具或现象。例如，根据地球子午线长度的1/4的1/10 000 000，用铂铱合金制造的长度基准米原器；根据1立方分米的水在其密度最大时的温度下的质量，用铂铱合金制造的质量单位基准千克原器；根据两通电导线之间产生的作用力而定义的电流单位安培；根据地球围绕太阳的转动周期而确定的时间单位秒；等等。
这类宏观实物基准，随着时间的推移，由于物理的、化学的以及使用中的磨损等原因，难免发生微小的变化。另外，由于原理和技术的限制，该类基准的准确度亦难以大幅度提高，以致不能满足日益发展的社会需要。于是便提出了建立更稳定、更精确的新型计量基准的课题。

3．现代阶段
现代阶段的基本标志是由经典理论为基础转为量子理论为基础，由宏观实物基准转为微观量子基准。
建立在量子理论基础上的微观自然基准，或称量子基准，比宏观实物基准优越的多，更精确、更稳定可靠。因为，根据量子理论，微观世界的量，只能是跃进式的改变，而不可能发生任意的微小变化；同时，同一类物质的原子和分子都是严格一致的，不随时间和地点而改变。这就是微观世界的所谓稳定性和齐一性。量子基准就是利用了微观世界所固有的这种稳定性和齐一性而建立的。
迄今为止，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。
随着科技和经济的发展、社会的进步，计量的作用和意义已日益明显。下面略举几例：

1．计量与科学技术

历史上三次大的技术革命，都充分地依靠了计量，同时也促进了计量的发展。
以蒸汽机的广泛应用为主军标志的第一次技术革命，导致以机器为主的工厂取代了以手工为基础的作坊，使生产力得以迅速提高，进而确立了资本主义的生产方式。当时，经典力学和热力学是社会科技发展的重要理论基础。在蒸汽机的研制和应用的过程中，都需要对蒸汽压力、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，就是在这种情况下发展起来的。另外，机械工业的兴起，使几何量的计量得到了进一步的发展。

以电的产生和应用为基本标志的第二次技术革命，更加推动了社会的发展。欧姆定律、法拉第电磁感应定律，以及麦克斯韦电磁波理论等，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。例如，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一种重要手段，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，迈克尔逊等人利用物理学的成就，研制出了迈克尔逊干涉仪，从而为长度计量提供了一个重要方法。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（等于1 553 163.5个红光波长）。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——频率）。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，成了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。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。

核能及化工等的开发与应用，导致了第三次技术革命。在这个时期，科学技术和社会经济的发展更加迅速。原子能、化工、半导体、电子计算机、超导、激光、遥感、宇航等新技术的广泛应用，使计量日趋现代化，计量的宏观实物基准逐步向量子（自然）基准过渡。原子频标的建立和米的新定义的形成,有着相当重要的意义。频率和长度的精密测量，促进了现代科技的发展。比如，光速的测定、原子光谱的超精细结构的探测以及航海、航天、遥感、激光、微电子学等许多科技领域，都是以频率和长度的精密测量为重要基础的。