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普及計量知識 | 詳解計量的基礎(chǔ)知識

發(fā)布時間：2023-08-28 08:47:43 發(fā)布人：本站

計量起源

計量起源于古代各國，沿用已久的各不相同的計量單位和有關(guān)的制度不可能自發(fā)地統(tǒng)一。即使是一國范圍內(nèi)統(tǒng)一計量制度，也只有借助于政府的作用才可能實現(xiàn)。公元前221年，中國的秦始皇曾下詔全國統(tǒng)一度量衡就是一個明顯的例證。早期的計量相當(dāng)于所指的法制計量，只是范圍較窄，主要限于與貿(mào)易和稅收有關(guān)的測量而已。計量管理工作的主要部分——法制計量，歷來是由政府所主導(dǎo)的一項社會事業(yè)。大致 18 世紀(jì)開始，由于國際貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，歐洲國家之間出現(xiàn)統(tǒng)一計量制度的需求。1867年舉行的巴黎博覽會上專門成立了“度量衡和貨幣委員會”，以處理因計量單位不同而產(chǎn)生的問題。1875 年和 1955 年簽訂的《米制公約》和《國際法制計量組織公約》，都屬于政府間的多邊協(xié)議，相應(yīng)成立的兩個國際組織也都是政府間的組織。

計量的發(fā)展具有悠久的歷史，大體上可以分為原始、經(jīng)典和現(xiàn)代三個階段。

原始階段

以經(jīng)驗和權(quán)力為主，大多利用人、動物或自然物作為計量基準(zhǔn)。例如，中國古代的布手知足、掬手為升、十發(fā)為程、黃鐘律管等；相傳在大禹治水時，就用了“準(zhǔn)繩”和“規(guī)”、“矩”等計量器具體；公元前 221 年，秦始皇統(tǒng)一中國后即頒布詔書，建立了全國統(tǒng)一的度量衡制度，其中度制和量制的大部分采用了十進制，并實行定期檢定計量器具的法制管理(見中國古代度量衡史)。古埃及的尺度是以人的胳膊到指尖的距離為依據(jù)的，稱之為“腕尺”(約 46 厘米)。英國的碼是亨利一世將其手臂向前平伸，從其鼻尖到指尖的距離(1yd =0.9144m)；英尺是查理曼大帝的腳長(1ft =0. 3038m)；英寸是英王埃德加的手指關(guān)節(jié)的長度(lin =25. 4mm)；而英畝則是兩牛同軛，一日翻耕土地的面積(1英畝=4.05X103平方米)。

經(jīng)典階段

一個以宏觀現(xiàn)象與人工實物為科學(xué)基礎(chǔ)的階段。標(biāo)志是 1875 年簽訂的《米制公約》。包括根據(jù)地球子午線 1 /4 長度的一千萬分之一建立了鉑銥合金制的米源器；根據(jù)1m3水在規(guī)定溫度下的質(zhì)量建立了鉑銥合金制的千克源器；根據(jù)地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期確定了時間(歷書時)單位秒等。它們形成一種基于所謂自然不變的米制，并成為國際單位制的基礎(chǔ)。但是這類宏觀實物基準(zhǔn)隨著時間的推移或地點的變動，其量值不可避免的受物理或化學(xué)性能緩慢變化的影響而發(fā)生漂移，從而影響了復(fù)現(xiàn)、保存，并限制了準(zhǔn)確度的提高。實際上英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家J. C麥克斯韋在1870年曾指出，長度、質(zhì)量和時間應(yīng)當(dāng)建立在原子波長、頻率和原子質(zhì)量中，而不是在運動著的星體或物體上。

現(xiàn)代階段

以量子理論為基礎(chǔ)，由宏觀實物基準(zhǔn)過渡到微觀量子基準(zhǔn)。國際上已正式確立的量子基準(zhǔn)有長度單位米基準(zhǔn)、時間單位秒基準(zhǔn)、電壓單位伏特基準(zhǔn)和電阻單位歐姆基準(zhǔn)。從經(jīng)典理論來看，物質(zhì)世界在做連續(xù)、漸進的宏觀運動；而在微觀量子體系中，事物的發(fā)展是不連續(xù)的、跳躍的，也是量子化的。由于原子的能級非常穩(wěn)定，躍遷時輻射信號的周期自然也非常穩(wěn)定，因此，躍遷所對應(yīng)的量值是固定不變的。這類微觀量子基準(zhǔn)，包括 1960 年用氪 86 原子的特定能級躍遷所定義的米、1967 年用銫 133 原子特定能級躍遷所定義的秒等，提高了SI基本單位實現(xiàn)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性。但是他們?nèi)耘c某種原子的特定量子躍遷過程有關(guān)，因而尚不具備普適性。顯然，最好的方案莫過于用基本物理常量 (普適常量)來定義計量單位。例如，1983年將米定義為光在真空中在1 /299792458秒的時間間隔內(nèi)所行進的長度，即認為真空中光速作為一個定義值恒為299792458米/秒(約為 30 萬公里/秒)；而長度事實上變成了時間(頻率)的導(dǎo)出量。這種定義通過不變的光速給出了空間和時間的聯(lián)系，使得新定義的米只依賴于目前測量不確定度最小(10－15量級)的頻率，從而具有準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性和普適性。

計量的意義：

計量的意義（從質(zhì)量、安全、社會、企業(yè)、成本等方面考慮）。

①保證產(chǎn)品質(zhì)量：沒有準(zhǔn)確一致的計量器具來保證，產(chǎn)品就實現(xiàn)不了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的要求，既影響生產(chǎn)效率，又影響產(chǎn)品質(zhì)量。

②保障安全生產(chǎn)：工業(yè)生產(chǎn)中使用計量儀表準(zhǔn)確與，不僅關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，而且有的計量儀表失準(zhǔn)會危及人們的生命安全。

③對整個社會來說：計量在保障人民生活和身體健康中有非常大的作用，計量滲透到社會的各個方面，如醫(yī)療衛(wèi)生、社會服務(wù)、環(huán)保等方面都離不開它。

④計量在企業(yè)中也有非常重要的作用：隨著企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，則對計量技術(shù)的要求也就越來越高計量在企業(yè)中就是生產(chǎn)力。

⑤計量工作可以增產(chǎn)節(jié)約、降低成本：產(chǎn)品和原材料在運轉(zhuǎn)過程中需要計量其重量、檢查其質(zhì)量，因此生產(chǎn)中常用計量器具或計量器具之改進，而獲得巨大經(jīng)濟效益。

基本概念：

1.計量學(xué)：有關(guān)測量知識領(lǐng)域的一門學(xué)科。

2.計量（Measurement）：實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值的準(zhǔn)確可靠。

3.量：現(xiàn)象、物體或物質(zhì)可定性區(qū)別和定量確定的一種屬性。

4.基本單位：在給定量制中基本量的計量單位。

5.導(dǎo)出單位：即導(dǎo)出量的計量單位。

6.國際單位制：由國際計量大會推薦采用的一種一貫單位

7.檢定：為評定計量器具的計量特性，確定其是否符合法定要求所進行的全部工作。（判定合格）

8.校準(zhǔn)：在規(guī)定條件下為確定計量器具示值誤差的一組操作。（只需測出誤差）

9.計量基準(zhǔn)：用來復(fù)現(xiàn)和保存計量單位，具有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所能達到的最高準(zhǔn)確度。

10.計量標(biāo)準(zhǔn)：按國家規(guī)定的準(zhǔn)確度等級作為檢定依據(jù)用的計量器具或物質(zhì)。

11.檢定規(guī)程：指檢定計量器具必須遵守的法定技術(shù)文件。（計量器具的計量性能、檢定項目、檢定條件、檢定方法、檢定周期以及檢定結(jié)果處理。）

12.檢定系統(tǒng)：國家對計量基準(zhǔn)到各等級計量標(biāo)準(zhǔn)直至工作計量器具的檢定主從關(guān)系所作的技術(shù)規(guī)定。

計量分類：

（一）計量依據(jù)其領(lǐng)域可分為以下三類

1、法制計量

法制計量，是為了保證公眾安全,國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，根據(jù)法制、技術(shù)和行政管理的需要，由政府或官方授權(quán)進行強制管理的計量,包括計量單位、計量器具（特別是計量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)）、計量方法以及計量人員的專業(yè)技能等的明確規(guī)定和具體要求。法制計量主要涉及安全防護、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測和貿(mào)易結(jié)算等有利害沖突或特殊領(lǐng)域的強制計量。例如，關(guān)于衡器、壓力表、電表、水表、煤氣表、血壓計等的計量。

2、科學(xué)計量

科學(xué)計量主要是指基礎(chǔ)性、探索性、先進性的計量科學(xué)研究，例如關(guān)于計量單位與單位制、計量基準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)、物理常數(shù)、測量誤差、測量不確定度與數(shù)據(jù)處理等。

科學(xué)計量通常是計量科學(xué)研究單位，特別是國家計量科學(xué)研究機構(gòu)的主要任務(wù)。

3、工業(yè)計量

工業(yè)計量也稱工程計量，系指各種工程、工業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用計量。例如，關(guān)于能源、原材料的消耗、工藝流程的監(jiān)控和產(chǎn)品質(zhì)量與性能的計量測試等。工業(yè)計量涉及面廣，是各行各業(yè)普遍開展的一種計量。

（二）按計量學(xué)可分以下十類

1、幾何量計量

幾何量計量通常稱為長度計量，是最先形成和發(fā)展的一個計量科學(xué)領(lǐng)域。概括地說，幾何量計量的內(nèi)容是物體的幾何尺寸、形狀和位置，即幾何量的“三大要素”。幾何量計量的基本參量是長度和角度，以及由它們導(dǎo)出的平直度、表面粗糙度、園度、圓柱度、坡度、錐度、漸開線、螺旋線等，還包括萬能量具的檢定、光學(xué)儀器檢定及生產(chǎn)中特殊零件的測量。幾何量計量的基本單位是“米”，符號為“m”，它是國際單位制七個基本單位之一。

幾何量計量常用的計量器具主要包括：量塊、角度塊、直尺、千分尺、游標(biāo)卡尺、百分表、千分表、平晶、水平儀、測量顯微鏡、投影儀、園度儀、表面輪廓儀、齒輪測量儀器、測長儀、三座標(biāo)測量機等。

2、溫度計量

溫度計量就是利用各種物質(zhì)的熱效應(yīng)來計量物體的冷熱程度。內(nèi)容包括：超低溫、低溫、中溫、高溫、超高溫、熱量等項。溫度計量單位為開〔爾文〕，符號為“K”。

溫度計量常用的計量器具主要包括：水銀溫度計、熱電偶、半導(dǎo)體點溫計、體溫計、動圈儀表、溫度指示調(diào)節(jié)儀表、溫度巡回檢測儀、自動溫度記錄儀、干燥箱、恒溫恒濕箱、培養(yǎng)箱、高低溫試驗箱等。

3、力學(xué)計量

力學(xué)計量包括質(zhì)量、容量、密度、壓力、真空、測力、力矩、硬度、沖擊、速度、流量、振動、加速度等。力學(xué)計量常用的計量器具主要包括：砝碼、天平、皮帶秤、衡器、標(biāo)準(zhǔn)硬度塊、硬度計、拉力表、測力機、負荷傳感器、材料試驗機、疲勞試驗機、扭矩計、扭矩扳子、扭矩扳子檢定裝置、扭轉(zhuǎn)試驗機、測功機、加速度計、速度傳感器、壓力計、血壓計、血壓表、壓力表、壓力變送器、燃油加油機、密度計、流量計、水表、煤氣表、雷達測速儀、測速儀、轉(zhuǎn)速表等。

4、電磁計量

電磁計量是根據(jù)電磁原理，應(yīng)用各種電磁標(biāo)準(zhǔn)器和電磁儀器、儀表，對各種電磁物理量進行測量。電磁計量包括電流、電動勢、電阻、電感、電容、磁場強度、磁通量等。電磁計量常用的計量器具主要包括：標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電壓源、標(biāo)準(zhǔn)電流源、電阻器、電容器、互感器、電阻箱、電流表、電壓表、功率表、兆歐表、磁通表、電能表、電能表檢定裝置、直流電位差計、直流電橋、交流電橋、萬用表等。

5、無線電計量

無線電計量是指無線電技術(shù)所用全部頻率范圍內(nèi)從超低頻到微波的一切電氣特性的測量。主要有高頻電壓、功率、相位、脈沖、阻抗、噪聲、失真等。無線電計量常用的計量器具主要包括：信號發(fā)生器、調(diào)制分析儀、音頻分析儀、失真度測量儀、示波器、函數(shù)發(fā)生器、腦電圖機、心電圖機、掃頻儀、心電監(jiān)護儀等。

6、時間頻率計量

時間和空間是描述各種客觀事物的發(fā)展運動變化的基本參量，時間和頻率是描述周期現(xiàn)象的兩個不同側(cè)面。時間和頻率在數(shù)學(xué)上互為倒數(shù)，它們共用同一個基準(zhǔn)。計量單位為秒——“s”。時間頻率計量常用的計量器具主要包括：頻率合成器、石英晶體振蕩器、頻率計、通用電子計數(shù)器、秒表、時間間隔發(fā)生器、電子計時器、電話計時計費裝置等。

7、電離輻射計量

也稱放射性計量，是對那些能直接或間接引起電離的輻射(X射線、γ射線、倫琴射線、鐳、鈾釷元素的中子輻射)進行測量稱之為電離輻射計量。電離輻射計量分為適度計量（或稱強度計量）和劑量計量兩個方面。它廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生（如服用同位素、肝掃描都必須劑量診斷準(zhǔn)確）、環(huán)保監(jiān)測、原子能發(fā)電、探礦、探傷、石油管道去污定位以及應(yīng)用于農(nóng)業(yè)上的育種等。電離輻射計量常用的計量器具主要包括：工作用γ射線輻射源、醫(yī)用CT掃描儀、輻射加工工作劑量計、X射線探傷機、X輻射防護儀器、劑量筆、γ輻射防護儀表、醫(yī)用診斷X輻射源、固體工作劑量計、化學(xué)工作劑量計、倫琴計等。

8、光學(xué)計量

光學(xué)計量主要包括光強、光通量、亮度、照度、色度、輻射度、感光度、激光等。光學(xué)計量應(yīng)用很廣泛，現(xiàn)代建筑物的建造要進行光強度的計量，以達到規(guī)定的照度標(biāo)準(zhǔn)。在光譜學(xué)方面，需要測量光譜的光度。此外，軟片、膠卷的感光度、光學(xué)玻璃的折射率、染印、顏料、電影、電視都需要準(zhǔn)確的光度、色度、和色溫計量。在國防上，如導(dǎo)彈的導(dǎo)向、特種攝影等更需要對激光、紫外線、紅外線進行準(zhǔn)確的測量。光學(xué)計量的基本單位是發(fā)光強度坎〔德拉〕,符號：cd。光學(xué)計量常用的計量器具主要包括：照度計、亮度計、標(biāo)準(zhǔn)色板、色差計、測色光譜光度計、醫(yī)用激光源、焦度計、阿貝折射儀、角膜接觸鏡、瞳距測量儀、驗光機、標(biāo)準(zhǔn)鏡片、光譜分析儀、光澤度計、汽車前照燈檢測儀等。

9、聲學(xué)計量

聲學(xué)計量是專門研究測量物質(zhì)中聲波的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)播、接收和影響特性。聲強、聲壓、聲功率是聲學(xué)計量中三個重要的基本參量，其中聲壓應(yīng)用最廣泛。聲學(xué)計量涉及到通信、廣播、電影、電視、房屋建筑、醫(yī)藥衛(wèi)生、航行、海防、語言、音樂、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以及各種生產(chǎn)、生活與科學(xué)領(lǐng)域。聲學(xué)計量常用的計量器具主要包括：傳聲器、聲級計、超聲探傷儀、超聲測厚儀、醫(yī)用超聲源、超聲功率源、聽力計、助聽器等。

10、化學(xué)計量

化學(xué)計量也稱物理化學(xué)計量，是指對各種物質(zhì)的成分和物理特性、基本物理常數(shù)的分析、測定。主要包括：酸堿度、氣體分析、燃燒熱、粘度、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等。由計量部門通過發(fā)放標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行量值傳遞是化學(xué)計量的顯著特點?；瘜W(xué)計量常用的計量器具主要包括：酸度計、濁度計、可見分光光度計、原子吸收分光光度計、熒光分光光度計、濾光光電比色計、煙度計、粘度計、熱量計、粉塵濃度測定儀、煙塵濃度測定儀、液相色譜儀、氣相色譜儀、電導(dǎo)率儀、電解式水分儀、一氧化碳測定儀、二氧化硫分析儀、定碳定硫分析儀、自動電位滴定儀、有毒有害可燃氣體分析檢測報警儀、元素分析儀、傅里葉變換紅外光譜儀、水分測定儀、常用玻璃量器、工業(yè)分析儀、酒精探測器等。

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