计量基础知识

计量概论 第一节计量工作简史 一 概述计量是实现单位统一和可靠的测量活动 计量在历史上称为度量衡和权度 其含义包括 长度 容积 质量的计量 主要的计量器具为尺 斗 秤 现代计量的范围已经远远超过了度量衡和权度 计量比度量衡和权度更确切 更概括 更科学 计量是实现单位统一 量值准确可靠的活动 计量学是关于测量的科学 二 计量工作简史计量发展的历史是与社会的进步联系在一起的 它是人类文明的一个重要组成部分 早在100多万年以前的人类的祖先 猿人 为了加工木棒 打制石器和分吃食物 就逐渐萌发出长短 轻重 多少的概念 古代人从 布指知寸 布手知尺 舒肘为寻 迈步定亩 自然而然地过度到以人体的某一部分为标准的客观自然长度标准 据说大禹把自己的身长作为当时的长度标准 在国外也是如此 英国以英王查理曼大帝的足长为 一英尺 以英王埃德加姆的拇指关节之间的长度为 一英寸 在时常交易时 一般还是以 杠 绳 为主 而后人们根据 布手知尺 以人的大拇指和食指分开的距离作为一尺的长度 大约16cm左右 精心制作了最早的尺 公元前221年 秦始皇统一中国 颁发了统一度量衡的诏书 秦代度量衡制度为我国古代计量奠定了一个牢固的基础 对封建社会的发展起了重要作用 秦代度量衡制度为 度制 1引 10丈 100尺 1000寸 10000分量制 1斛 10斗 100升 1000合 g 2000龠 yu 衡制 1石 dan 4钧 1钧 30斤 1斤 16两 1两 24铢 可以看出 该制度在当时是比较先进的 其中的度 量制的大部分采用了十进制 还实行了定期检定等严格的法制管理 这时 计量已从原始的度量衡发展为比较完善的古典度量衡 直到19世纪中叶清朝末期 米制正式传入我国为止 两千多年的历代封建王朝的度量衡制度 基本上是沿用了秦制 1949年中华人民共和国成立后 设立度量衡处 负责全国的度量衡统一管理工作 1954年设立国家计量局 1959年6月25日 国务院发布了 关于统一我国计量制度的命令 确定米制为我国基本计量制度 1977年我国正式参加国际米制公约组织 1984年2月27日国务院发布 关于在我国统一实行法定计量单位的命令 1985年全国人大通过 中华人民共和国计量法 1987年1月19日 国务院通过 中华人民共和国计量法实施细则 半个世纪以来 我国的计量管理工作取得了很大成绩 1 在全国范围内实现了计量制度的统一 2 基本上形成了全国计量管理网和量值传递网 3 加强了计量器具产品的投产和生产过程的监督管理 4 加强了计量器具的管理 5 颁发和发布了各种计量检定系统表和计量检定规程 6 开发了计量人员的考核发证工作 7 建立和发展了同国际计量组织的广泛联系和业务交流 8 在全国范围内形成了一个较为完善的计量法规体系 计量管理纳入了法制轨道 第二节计量的特点和作用 一 计量的特点 四性 P3 准确性 是测量结果与被测量真值的一致程度 即准确程度 一致性 在统一计量单位基础上 不同时间 不同地点 不同方法 不同计量器具 不同人进行同一测量 只要符合有关要求 其测量结果就应在给定的区间内一致 可以重复 再现 比较的 溯源性 任何一个测量结果或计量标准的值都能够通过一条具有规定不确定度的连续比较链 与计量基准联系起来 法制性 来源于市场的社会性 有由政府主导建立起来的法制保障 二 计量在国民经济中的作用 计量在学科方面具有双重性 从科学技术角度来说 它属于自然科学 从经济与管理学 社会学的概念方面理解 它又属于社会科学范畴 因此 计量具有自然科学与社会科学双重性 这一性质 客观上决定了它在国民经济当中所具有的重要地位及所起的重要作用 一 计量与人民生活 计量与人民生活密切相关 商品生产和交换是当代社会的一个特点 人们日常买卖中的计量器具是否精确 家用水 电 气 暖表是否合格 都直接关系到人们的切身利益 在食品的生产过程中所使用的添加剂 色素 味剂 防腐剂等都必须经过鉴定和计量 否则会危害人们的身体健康 在医疗卫生方面 现代医学对疾病的诊断和治疗都离不开计量测试 如 测体温 测血压 做心脑电图等 计量和化验的数据不准 也将会产生严重的后果 随着现代科技的发展 计量是科学生产的技术基础 从原材料的筛选到定额投料 从工艺流程监控到产品质量的检验 都离不开计量 优质的原材料 先进的工艺设备和现代化的计量检测手段 是现代化生产的三大支柱 农业生产 必须有计量来保证 要想科学种田 就必须通过计量来掌握土壤的酸碱度 盐分 水分 有机质含量以及温度等事实证明 科学生产和新技术开发应用都离不开计量测试 二 计量与工农业生产 计量在国防建设中具有非常重要作用 国防尖端系统庞大复杂 涉及到许多科学技术领域 技术难度高 要求计量的参数多 精度高 量程大 频带宽 所以计量在国防尖端技术领域更显得尤为重要 例如 飞行器在运输 发射 运行 回收等过程中 要经历一系列的震动 冲击 高温 低温 强辐射等恶劣环境的考验 原子弹 氢弹等核武器的研制与爆炸威力的实验 对计量都有特殊的要求 在1991年的海湾战争中 爱国者 导弹之所以能够成功地拦截 飞毛腿 导弹 精确的计量测试是重要的技术保证 三 计量与国防科学 计量在贸易中起着很重要的作用 从历史上简单的商品交换 到今天发达的国际贸易 每一步都离不开计量 按照国际惯例和合同条款要求 货物一般均按上岸后的计量结果来作为结帐的依据 计量是保证产品质量 提高商品市场竞争能力的主要技术保障 对于国际贸易计量更是重要手段之一 计量水平的高低已成为衡量一个国家科技 经济和社会发展进步程度的重要标志 世贸组织 WTO 协议签定后 随着我国对外贸易的不断扩展 对计量准确度的要求也将越来越高 四 计量与贸易 科学技术是人类生存与发展的重要基础 没有科学技术就不可能有人类的今天 计量本身就是科学技术的一个组成部分 当代的技术创新离不开对计量基准和测试技术的要求 尤其在对电子材料 高精度加工 光机电系统等领域对精确度都提出了极高的要求 同时新技术 新成果的出现又带动计量技术的发展 50年来 计量机构经历了由国家计量局 国家技术监督局 国家质量技术监督局的变迁 每一次变迁 计量工作都得到了逐步强化和发展 计量领域越来越宽广 计量工作的地位和作用进一步加强 特别是近几年来 计量工作以服务 两个根本性转变 为一切工作的出发点 紧密结合国家经济建设和社会发展的重要任务 解决市场经济条件下出现的新的突出问题 为国家经济建设和社会发展提供了可靠的技术保障 五 计量与科学技术 第三节常用的计量名词术语 JJF1001 1998 通用计量术语及定义 在此技术规范中介绍了258个计量名词术语 日常应重点掌握以下38个 常用的计量名词术语 量值传递与溯源 测量仪器及特性 测量结果 量和测量 测量标准 共计 38个 4个 7个 10个 9个 8个 量 计量学 计量 测量 一 量和测量 共计4个 一般意义的量 如长度 时间 质量 温度 电阻 物质的量浓度等 特定量 某根棒的长度 某根导线的电阻 某份酒样中乙醇的浓度 p79量 现象 物体或物质可定性区别和定量确定的属性 1 量 同种量 可相互比较并按大小排序的量 如 砝码组中各砝码的质量 同类量 若干同种量合在一起可称之为同类量 如厚度 周长 波长等 2 测量 P115测量 以确定量值为目的的一组操作 3 计量 根据国家计量技术规范JJF1001 1998 通用计量术语及定义 计量是实现单位统一 量值准确可靠的活动 p1 计量的可靠活动主要有 科学技术方面 进行科学研究 发展计量技术 建立基准 标准 以保证计量结果具有溯源性 法律法规方面 制定和颁布法律 法规和条例 行政管理方面 开展计量行政管理 包括计量保证和计量监督 3 计量 计量不同于一般的测量 测量是为确定量值而进行的全部操作 计量属于测量而又严于一般的测量 计量与测量结果置信度有关 与不确定度联系在一起的规范化的测量 计量学是关于测量的科学 注 1 计量学涵盖有关测量的理论与实践的各个方面 而不论测量的不确定度如何 也不论测量是在科学技术的哪个领域中进行的 2 计量学有时简称计量 3 计量学曾称度量衡学和权度学 4 计量学 计量学的分类 按学科而分为七类 1 通用计量学 关于计量单位 测量误差与数据处理 测量不确定度 计量器具的基本特性等 2 应用计量学 研究特定的计量学部分 如长度 温度 硬度 频率 天文 海洋 医疗等特定量的具体应用 3 技术计量学 涉及自动测量 在线测量 动态测量等测量技术和方法 4 理论计量学 量的定义和单位的实现 复现等测量理论和计量信息理论 5 品质计量学 研究质量管理的计量学部 保证有关品质的计量器具 计量方法 计量结果 质量管理 6 法制计量学 计量工作中的法律 法规和法定要求与法制管理 7 经济计量学 也称为效益计量学 涉及到为国民经济中作用和效益的评估 几何量 温度 力学 电磁 无线电 时间频率 光学 电离辐射 声学 化学 含标准物质 计量学按被测量分为 十大计量 几何量 人类认识客观物体存在的重要组成部分之一 用以描述物体大小 长短 形状和位置 温度 表征物体冷热程度的物理量 单位名称为开 尔文 国际单位制中七个基本单位之一 力学 物体力学的计量与测试 内容广泛 通常分为质量 密度 粘度 重力 力值 硬度 转速 振动 冲击 压力 流量 真空13个项目 电磁 电学计量和磁学计量 无线电 无线电电子技术的宏观方面 时间频率 时间是国际单位制中七个基本单位之一 频率是单位时间内周期性过程重复 循环或振动的次数 光学 光波是电磁波的一部分 光学计量的波长范围大致在10 4 10 9m内 声学 研究声学基本参量 声压 声强等 和主观评价参量 响度 听力损失等 的测量 电离辐射 过去常称为 放射性计量 关于微观致电离离子的计量 化学 物理化学 分析化学 研究物理化学特性参量 研究化学成分标准物质和标准分析方法 目前国际趋向将计量学分为三类 1 科学计量 是指基础性 探索性 先行性的计量科学研究 通常用最新的科技成果来精确地定义与实现计量单位 并为最新的科技发展提供可靠的测量基础 2 工程计量 也称工业计量 是指各种工程 工业 企业中做实用计量 例如有关能源或材料的消耗 工艺流程的监控以及产品质量与性能的测试等 工程计量涉及面甚广 为保证经济贸易全球化所必需的一致性和互换性 它已成为生产过程控制不可缺少的环节 3 法制计量 与法定计量机构工作有关的计量 涉及到对计量单位 计量器具 测量方法及测量实验室的法定要求 计量 基准 工作标准 传递标准 二 测量标准 国家 计量 基准 国际 计量 基准 基准原级标准 次级标准 共计 7个 1 计量 基准 为了定义 实现 保存或复现量的单位或一个或多个量值 用作参考的实物量具 测量仪器 参考物质或测量系统 例如 a 1kg质量标准 b 100 标准电阻 c 标准电流表 d 铯频率标准 e 氢标准电极 f 有证的血浆中可的松浓度的参考溶液 注 1 一组相似的实物量具或测量仪器 通过它们的组合使用所构成的标准称为集合标准 2 一组其值经过选择的标准 它们可单个使用或组合使用 从而提供一系列同种量的值 称为标准组 2 国际 计量 基准 经国际协议承认的测量标准 在国际上作为对有关量的其他测量标准定值的依据 国际协议承认主要是经国际米制公约组织下的国际计量委员会和国际计量局的承认 国际基准保存在国际计量局 BIPM 3 国家 计量 基准 经国家决定承认的测量标准 在一个国家内作为对有关量的其它测量标准定值的依据 我国的国家计量基准是由国家质量技术监督检验检疫总局组织建立和批准承认 4 基准原级标准 具有最高的计量学特性 其值不必参考相同量的其他标准 被指定的或普遍承认的测量标准 注 原级标准也称为基准 这一概念同等地适用于基本量和导出量 5 次级标准 通过与相同量的基准比对而定值的测量标准 注 有时副基准 工作基准亦称次级标准 建立副基准的目的是代替基准的日常使用 也可以用于验证基准的变化 6 工作标准 用于日常校准或核查实物量具 测量仪器或参考物质的测量标准 注 1 工作标准通常用参考标准校准 2 用于确保日常测量工作正确进行的工作标准称为核查标准 7 传递标准 在测量标准相互比较中用作媒介的测量标准 注 当媒介不是测量标准时 应该用术语 传递装置 三 测量仪器及特性 示值误差 准确度 量程 计量器具 标称范围 准确度等级 灵敏度 重复性 稳定性 最大允许误差 共计 10个 1 计量器具 单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具 计量法 条文解释中给出的定义 能用以直接或间接测出被测对象量值的装置 仪器仪表 量具和用于统一量值的标准物质 包括计量基准 计量标准器具和工作计量器具 计量器具是计量管理工作加强 监督管理的主要对象 管理中分为强检计量器具和非强检计量器具 2 标称范围 测量仪器的操纵器件调到特定位置时可得到的示值范围 注 标称范围通常用它的上限和下限表明 例如100 200 若下限为零 标称范围一般只用其上限表明 0 100V的标称范围可表示为100V 3 量程 标称范围两极限之差的模 绝对值 例 对从 10 10V的标称范围 其量程为20V 注 在有些知识领域中 最大值与最小值之差称为范围 4 测量仪器的 示值 误差 测量仪器示值与对应输入量的真值之差 注 1 由于真值不能确定 实用上用的是约定真值 2 此概念主要应用于与参考标准相比较的仪器 3 就实物量具而言 示值就是赋予它的值 5 测量仪器 最大允许误差 对给定的测量仪器 规范 规程等所允许的的误差极限值 注 有时也称测量仪器的允许误差限 测量仪器给出接近于真值的响应的能力 注 准确度是定性的概念 6 测量仪器的准确度 7 准确度等级 符合一定的计量要求 使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等别 级别 注 准确度等级通常按约定注以数字或符号 并称为等级指标 8 灵敏度 测量仪器响应的变化除以对应的激励变化 注 灵敏度可能与激励值有关 灵敏度是反映测量仪器被测量 输入 变化引起仪器示值 输出 变化的程度 对于线性测量仪器来说 灵敏度对于非线性测量仪器 灵敏度灵敏度是测量仪器中一个十分重要的计量特性 它是反映测量仪器 准确度的一项重要指标 9 测量仪器 的重复性 在相同条件下 重复测量同一个被测量 测量仪器提供相近示值的能力 注 1 这些条件包括 相同的测量程序 相同的观测者 在相同条件下使用相同的测量设备 在相同地点 在短时间内重复 2 重复性可用示值的分散性定量地表示 测量仪器的重复性 即多次测量同一量其示值的变化 实质上反映了测量仪器示值的随机误差分量 所以重复性可以用示值的分散性定量表示 10 稳定性 测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力 注 1 若稳定性不是对时间而是对其他量而言 则应该明确说明 2 稳定性可以用几种方式定量表示 例如 用计量特性变化某个规定的量所经过的时间 用计量特性在规定的时间内所发生的变化 四 测量结果 随机误差 测量准确度 相对误差 测量结果 测量 误差 测量结果 的重复性 测量结果 复现性 测量不确定度 系统误差 共计 9个 1 测量结果 由测量所得到的赋予被测量的值 注 1 在给出测量结果时 应说明它是示值 未修正测量结果或已修正测量结果 还应表明它是否为几个值的平均值 2 在测量结果的完整表述中应包括测量不确定度 必要时还应说明有关影响量的取值范围 2 测量 误差 测量结果减去被测量的真值 注 1 由于真值不能确定 实际上用的是约定真值 2 当有必要与相对误差相区别时 此术语有时称为测量的绝对误差 注意不要与误差绝对值相混淆 后者为误差的模 3 相对误差 测量误差除以被测量的真值 注 由于真值不能确定 实际上用的是约定真值 测量结果减去被测量约定真值 所得到的误差或绝对误差除以约定真值 由于绝对误差与被测量的量纲相同 而相对误差是量纲为1的量或无量纲的量 测量结果与在重复性条件下 对同一被测量进行无限多次测量所的结果的平均值之差 注 1 随机误差等于 测量 误差减去系统误差 2 因为测量只能进行有限次 故可能确定的只是随机误差的估计值 4 随机误差 在重复性条件下 对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差 注 如同真值一样 系统误差及其原因不能完全获知 5 系统误差 6 测量准确度 测量结果与被测量真值之间的一致程度 注 1 不要用术语精密度代替准确度 2 准确度是一个定性概念 7 测量结果 的重复性 在相同测量条件下 对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性 注 1 这此条件称为重复性条件 2 重复性条件包括 相同的测量程序 相同的观测者 在相同的条件下使用相同的测量仪器 相同地点 在短时间内重复测量 3 重复性可以用测量结果的分散性定量地表示 8 测量结果 的复现性 在改变了的测量条件下 同一被测量的测量结果之间的一致性 注 1 在给出复现性时 应有效地说明改变条件的详细情况 2 改变条件可包括 测量原理 测量方法 观测者 测量仪器 参考测量标准 测量地点 使用条件 时间 3 复现性可用测量结果的分散性定量地表示 4 测量结果在这里通常理解为已修正结果 9 测量不确定度 表征合理地赋予被测量之值的分散性 与测量结果相联系的参数 依据JJF1059 1999 测量不确定度评定与表示 进行评定 测量不确定度的报告应注明 是A类评定 是B类评定 是合成不确定度 还是扩展不确定度 注 1 此参数可以是诸如标准偏差或其倍数 或说明了置信水准的区间的半宽度 2 测量不确定度由多个分量组成 其中一些分量可用测量列结果的统计分布估算 并用实验标准偏差表征 另一些分量则可用基于经验或其他信息的假定概率分布估算 也可用标准偏差表征 3 测量结果应理解为被测量之值的最佳估计 而所有的不确定度分量均贡献给了分散性 包括那些由系统应引起的 如 与修正值和参考测量标准有关的 分量 五 量值传递与溯源 检定系统 校准 后续检定 检定 首次检定 比对 量值溯源 量值传递 共计 8个 1 检定 查明和确认计量器具是否符合法定要求的程序 它包括检查 加标记和 或 出具检定证书 检定特点 对象是计量器具 包括标准物质 目的是确保量值的统一 确保量值的溯源性 通过检定 评定计量器具的计量特性 通过检定确定计量器具是否合格 新的计量器具是否可以出厂 使用中的决定是否可以使用 具有法制性 从事检定的部门和性质不同所出具的检定证书具有不同的法律地位和效力范围 2 首次检定 对未曾检定过的新计量器具进行的一种检定 3 后续检定 计量器具首次检定后的任何一种检定 1 强制性周期检定 2 修理后检定 3 周期检定有效期内的检定 不论它是由用户提出请求 或由于某种原因使有效期内的封印失效而进行的检定 4 检定系统 将国家基准复现的单位量值通过检定程序 科学 合理 经济地逐级传递到工作用计量器具上 这种检定程序上的技术规定就是检定系统 一般用检定系统表来表示 通过对计量器具的检定或校准 将国家基准 标准器 所复现的计量单位的量值 通过各等级计量标