第四节 计量学

一、计量学概述

从科学的发展来看，计量曾经是物理学的一部分，后来随着领域和内容的扩展，形成了一门研究测量理论和实践的综合性科学，成为一门独立的学科——计量学。按JJF 1001—2011《通用计量术语及定义》中的定义，计量学(metrology)是测量及其应用的科学，计量学涵盖有关测量的理论与实践的各个方面。计量学研究的对象涉及有关测量的各个方面，如：可测的量；计量单位和单位制；计量基准、标准的建立、复现、保存和使用；测量理论及其测量方法；计量检测技术；测量仪器(计量器具)及其特性；量值传递和量值溯源，包括检定、校准、测试、检验和检测；测量人员及其进行测量的能力；测量结果及其测量不确定度的评定；基本物理常数、标准物质及材料特性的准确测定；计量法制和计量管理，以及有关测量的一切理论和实际问题。

计量学作为一门科学，它同国家法律、法规和行政管理紧密结合的程度是其他学科所无法比拟的。计量学有时简称计量，是科学技术和管理的结合体，它包括计量科技和计量管理两个方面，两者相互依存、相互渗透，即计量管理工作具有较强的技术性，而计量科学技术中又涉及较强的法制性。因此计量科学的研究不仅涉及有关计量科学技术，同时涉及有关法制计量和计量管理的内容。

二、计量学的范围

计量学应用的范围十分广泛，人们从不同角度，对计量学进行过不同的划分。按计量应用的范围，即按社会服务功能划分，通常把计量分为法制计量、科学计量和工业计量。我国目前按专业，把计量分为十大类计量，即几何量计量、热学计量、力学计量、电磁学计量、电子学计量、时间频率计量、电离辐射计量、声学计量、光学计量、化学计量。

（一）几何量计量

几何量计量在习惯上又称长度计量。其基本参量是长度和角度。按项目分类，包括：线纹计量、端度计量、线胀系数、大长度计量、角度计量、表面粗糙度、齿轮、螺纹、面积、体积等计量；也包括形位参数：直线度、平面度、圆度、垂直度、同轴度、平行度、对称度等计量；以及空间坐标计量、纳米计量等。几何量计量的应用十分广泛，绝大部分物理量都是以几何量信息的形式进行定量描述的，在计量单位中占有重要地位。

（二）热学计量

热学计量主要包括温度计量和材料的热物性计量。温度计量按国际实用温标划分可分为高温计量、中温计量和低温计量。热物性是重要的工程参量，热物性计量包括导热系数、热膨胀、热扩散、比热容和热辐射特性等方面。通常在工业自动化生产过程中，温度、压力、流量是三个常用的热工量参数，为了与实际应用相结合，通常把压力、真空和流量放入热学计量部分，而把这一部分称为“热工计量”，但按专业划分，即按“量和单位”分类划分，压力、真空和流量应属于力学量。有时把热物性计量纳入化学计量中，则热学计量简称为温度计量。

（三）力学计量

力学计量作为计量科学的基本分支之一，其内容极为广泛。力学计量涉及的领域包括：质量计量、容量计量、力值计量、压力计量、真空计量、流量计量、密度计量、转速计量、扭矩计量、振动和冲击计量、重力加速度计量等，也包括表征材料力学性能的硬度计量等技术参量。力学计量是计量学中发展最早的分支之一，古代“度量衡”中的“量”和“衡”就是现在所谓的容量计量和质量计量。随着现代工业生产和社会经济的发展，特别是近代物理学和计算技术的发展，力学计量的研究内容和手段在不断地扩充和扩展。

（四）电磁学计量

电磁学计量的内容十分广泛，其分类方法也多种多样。按学科可分为电学计量和磁学计量；按工作频率可分为直流电计量和交流电计量两部分。电磁计量所涉及的专业范围包括：直流和1 MHz以下交流的阻抗和电量、精密交直流测量仪器仪表、模数／数模转换技术和交流、直流比例技术、磁学量、磁性材料和磁记录材料、磁测量仪器仪表以及量子计量等。电学计量包括：交直流电压、交直流电流、电能、电阻、电容、电感、电功率等计量。磁学计量包括：磁通、磁矩、磁感应强度等磁学量的计量。电磁计量具有较高的准确度、灵敏度，能够实现连续测量，便于记录和进行数据处理，并可实施远距离测量，人们越来越多地将各种非电量转换为电磁量进行测量。

（五）电子学计量

电子学计量习惯上又称为无线电计量。从电子学计量覆盖的频率范围看，包括超低频、低频、高频、微波计量、毫米波和亚毫米波以及整个无线电频段各种参量的计量。无线电计量需要测量的参数众多，大致可以分为两类：表征信号特征的参量，如电压、电流、功率、电场强度、磁场强度、功率通量密度、频率、波长、波形参数、脉冲参量、失真、调制度(调幅、调频、调相)、频谱参量、噪声等；表征网络特性的参量，如集总参数电路参量(电阻、电导、电抗、电纳、电感、电容)、反射参量(阻抗、电压驻波比、反射系数、回波损失)、传输参量(衰减、相移、增益、时延)以及电磁兼容性等。电子学计量发展迅速，随着电子技术及通信技术的迅猛发展和智能型测量仪器、自动测试仪器的广泛应用，电子学计量在计量工作中发挥了越来越重要的作用。

（六）时间频率计量

时间频率计量所涉及的是时间和频率量，时间是基本量，而频率是导出量。时间计量的内容包括：时刻计量和时间间隔计量。频率计量的主要对象是对各种频率标准(简称频标)、晶体振荡器和频率源的频率准确度、长期稳定度、短期稳定度以及相位噪声的计量，以及对频率计数器的检定或校准。

（七）电离辐射计量

电离辐射计量的主要任务是三个，一是测量放射性本身有多少的量，即测量放射性核素的活动；二是测量辐射和被照介质相互作用的量；三是中子计量。电离辐射计量应建立放射性活度，X、γ射线吸收量，X、γ射线照射量和中子注量等计量基准和标准，开展对标准辐射源、医用辐射源、活度计、X谱仪、γ谱仪、比释动能测量仪、剂量计、照射量计、注量测量仪、电离辐射防护仪等测量仪器的检定和校准。电离辐射计量广泛应用于科学技术研究、核动力、核燃料、工农业生产、生物学、医疗卫生、环境保护、安全防护、资源勘探、军事国防等各个领域和部门。

（八）声学计量

声学计量包括超声、水声、空气声的各项参量的计量，声压、声强、声功率是其主要参量，还包括声阻、声能、传声损失、听力等计量。这些参量的测量和研究是声学计量技术的基础。声学计量包括空气声声压计量、超声声强和声功率计量、水声声压计量、听觉计量和机械噪声声功率及噪声声强计量。声学计量在量值传递、溯源过程中，所检定或校准的对象有传声器、声级计、听力计、超声功率计、水听器、标准噪声源及医用超声源、超声探伤仪、超声测厚仪等。水声计量已成为研究和利用海洋，以及进行探测、导航、通信等的一种强有力的手段，在国防和经济建设中有着广泛的应用。

（九）光学计量

光学计量包括从红外、可见光到紫外的整个光谱波段的各种参量的计量。根据研究对象的不同，光学计量主要包括：辐射度计量(辐射能量、辐射强度、辐射亮度、辐射照度、曝辐射量)、光度计量(发光强度、光亮度、光出射度、光照度、光量、曝光量)、激光辐射度计量(激光辐射量、激光辐射时域参量、激光辐射空域参量)、材料光学参数计量(材料反射特性参数、材料透射特性参数)、色度计量、光纤参数计量、光辐射探测器参数计量等。光学计量还包括：眼科光学计量、成像光学计量、几何光学计量等。

（十）化学计量

随着测量科学的不断发展，化学已从局限于定性描述一些化学现象逐步发展成为今天的定量描述物质运动的内在联系的一门基础科学，而化学计量则是在不同空间和时间里测量同一量时为保证其量值统一的基本手段。由于物质和化学过程的多样性和复杂性，在大多数化学测量中，物质都要经历某些化学变化，而且产生消耗，所以广泛采用相对测量法进行测量。由于化学过程的这一特点，在化学计量中多采用标准物质来进行量值传递和溯源，以及通过有关部门颁布标准测量方法、标准参考数据，建立量值传递和溯源体系。标准物质的研制在化学计量中十分重要。标准物质按特性分为：化学成分标准物质、物理化学特性标准物质、工程技术特性标准物质。化学计量包括燃烧热、酸碱度、电导率、黏度、湿度、基准试剂纯度等计量，也包括为建立生物技术可溯源的测量体系，开展生物量计量。

三、计量学的新领域

（一）产业计量

2013年国务院颁布《计量发展规划(2013—2020年)》中明确提出了产业计量的概念：“在高技术产业、战略性新兴产业、现代服务业等经济社会重点领域，研究具有产业特点的量值传递技术和产业关键领域关键参数的测量、测试技术，研究服务产品全寿命周期的计量技术，构建国家产业计量服务体系”。从国家层面看，产业计量工作已经被放在了非常重要的位置。在由先进产业主导的现代经济社会的发展中，产业计量将发挥着不可替代的显著作用，是当前乃至今后很长时期内计量工作的重中之重，是实现创新与突破的重大举措。

产业计量学以关注最终使用测控数据结果的正确性为目的，是以应用计量要素链的形式服务于各产业经济组织活动中的实用（适用）科学。产业计量已不再是仅仅关注测量的科学，更不是只关注计量器具准确性的科学，而是关注最终使用测控数据的正确性的科学。产业计量定义中所讲正确性还有另一层重要含义，也就是强调应用成本的合理性，在量值技术数据应用的设计中要考虑适宜的指标，用以满足市场竞争的效益需求。因此通过在最终使用目标需求下的量值设计、量值测量、量值控制，实现量值应用的正确性是产业计量关注和研究的核心内容。其科学技术内涵主要体现在：强调量值数据、强调量值应用、强调系统设计、要求质效平衡、关注产业需求、把握测量控制、追求量值正确、强调互动参与、要求对现代产业的覆盖性、强调对产业特点的针对性。除了上述主要工作领域外，产业计量还在科学研究、技术发明、产业发展中具有重要的关联性内涵。

（二）生物计量

生物计量（biometrology）以生物测量理论、测量标准（计量标准）与生物测量技术为主体，实现生物物质的测量特性量值在国家和国际范围内的准确一致，保证测量结果最终可溯源到SI单位、法定计量单位或国际公认单位。生物技术是利用活的有机体来生产和改良产品的一组技术，包括遗传工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。它考虑的是关乎人类健康及在与人类健康息息相关的食品、法医和环境保护领域生物技术的发展中，进行包括核酸测量、蛋白质测量、转基因测量等在内的生物测量科学的研究。

在《计量发展规划（2013—2020）》中明确提出：2013—2020年期间，国家重点发展生物农业、生物医药、生物制造、生物能源等生物产业，“十二五”国家自主创新能力建设规划，战略性新兴产业创新能力建设和公共安全领域提出的食品安全和生物安全（包括转基因生物安全、药品安全及监控、高等级生物安全实验室）建设等，生物产业的发展和国家创新能力建设等为生物计量提供了新的机遇和挑战。生命科学、海洋科学、现代生物产业的发展均对生物计量发展提出了新需求，到2020年生物计量主要面临的挑战有：建立完善各个生物量值的量值溯源传递体系，建立完善各个生物量值的计量基准标准，完善国际关键比对技术与方法、量值传递方法并研制产业和公共安全领域急需生物标准物质等。

（三）医学计量

医学计量是医学领域中实现单位统一和量值准确可靠的活动，是传统专业计量在医学领域中的应用。医学计量属生物医学工程专业的新兴学科，是计量学在医学领域中的延伸与发展，其目的是实现医学领域计量单位的统一和对生命体各种参数测量的准确一致。

随着医疗卫生事业的发展，医学计量需要把计量学知识、技术能力、物质手段和法律保证等结合起来，积极致力于完善医学计量的量值传递体系，着力解决医学影像、临床检验、放射诊断与急救监护等先进医疗仪器的量值溯源问题，将计量管理方式和计量技术手段用于医疗质量控制环节，全力确保医疗设备的准确、可靠、有效、安全，全力保证临床获取准确可靠的诊断和治疗。

（四）能源计量

能源计量是指在能源流程中，对各环节的数量、质量、性能参数、相关的特征参数等进行检测、度量和计算。能源计量器具主要有：压力类、流量类、温度类、重量类、长度类、时间类等；测量对象为一次能源、二次能源和载能工质。根据能源形态的不同而采用不同的计量方法，常用的能源计量方法有：称重法、容积法、瓦秒法、感应式回转表法、流量计量法、分参数计量法等。

能源计量是政府加强节能监测、节能诊断、能源审计、能源统计、能源利用状况分析等能源管理的重要基础，是企业贯彻执行国家节能法规、政策、标准，合理用能，优化能源结构，提高能源利用效率，提高企业经济效益和市场竞争力的重要保证。

四、计量的作用与意义

在人们的广泛社会活动中，每时每刻都在进行着大量的各种不同的测量，科学实验、工农业生产、商品流通、人民生活都离不开测量，而且在测量过程中都在追求测量的准确。没有准确的测量，则对国民经济的各个领域、社会活动的各个方面都将产生影响。计量工作就是为测量的准确提供可靠的保证，确保国家计量单位制度的统一和全国量值的准确可靠，这是国家的重要政策。

计量与科学技术、生产经营、国民经济、全球贸易、环境保护、节能降耗、国防科技、文化体育、人民生活均息息相关。计量是发展国民经济的一项重要技术基础，是确保社会活动正常进行的重要条件，是保护国家安全与利益的重要手段，计量在国民经济和社会生活中具有十分重要的地位和作用。