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计量学 123 Metrology

计量学 123 Metrology. 共 76 页. 几个问题（术语、原理、技术） 几个故事（计量单位漫谈） 几点建议（一些相关问题）. 计量分类. 管理. 法制 计量 legal metrology ：官方授权 强制 管理 的计量。. 对下列内容的法定要求 ： 计量单位、测量方法、测量设备和测量实验室. 需求. 工业 计量 industrial metrology. 企业内部的计量：源于 需求 ，满足 需求. 基础. 科技 计量 scientific metrology. 即真正意义的 计量学 ，涉及十大类量的计量。

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计量学 123 Metrology

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  1. 计量学123Metrology 共76页

  2. 几个问题（术语、原理、技术）几个故事（计量单位漫谈）几点建议（一些相关问题）几个问题（术语、原理、技术）几个故事（计量单位漫谈）几点建议（一些相关问题）

  3. 计量分类 管理 法制计量 legal metrology：官方授权强制管理的计量。 对下列内容的法定要求： 计量单位、测量方法、测量设备和测量实验室 需求 工业计量 industrial metrology 企业内部的计量：源于需求，满足需求 基础 科技计量 scientific metrology 即真正意义的计量学，涉及十大类量的计量。 几何、光学、电离辐射、力学、声学、热工、 化学、电磁、无线电、时间频率

  4. 人员 测量原理 测量方法 校准 计量 测量 测量仪器 测量程序 检定 标准物质 溯源性 基准 质量与检验 单位制 标准与标准化 计量学 计量学：关于测量的科学 本质上就是计量 科 学 技 术

  5. 计量在中国 • 1986年以前：“行政计量” • 1986年－：“法制计量” • 1987年－：产品质量检验机构的“计量认证” • 1998年－：引入“实验室认可”机制 • 目前：计量认证/审查认可、实验室认可并行

  6. ISO 9000 ？ ISO：International Organization for Standardization ISO/TC176：质量管理与质量保证技术委员会 2868 ISO 9000族：ISO/TC176制定的所有的国际标准，已有21项。 ISO共有2868个技术机构： 技术委员会（TC）： 228（闲置38） 分技术委员会（SC）： 611 工作组（WG）： 2022 特别工作组： 45 GB/T 19000系列：等同采用ISO9000族的国家推荐标准（19项）

  7. 产品、服务、质量体系、能力 ISO 14000：ISO/TC207制定的关于环境管理体系的标准 OHSMS：Occupational Health and Safety Management Systems OHSAS： Occupational Health and Safety AssessmentSeries HACCP：Hazard Analysis Critical Control Point GSP： Good Supply Practiced FDA：Food and Drug Administration（U.S.A.）

  8. 几个问题（术语、原理、技术）

  9. 量 测量不确定度 真值 量值 期望值 约定真值 最佳估计值 未修正结果 指定值 已修正结果 参考值 修正值＝－系统误差 通用计量术语：测量与结果 测量结果

  10. 通用计量术语：测量与结果 评价

  11. 通用计量术语：量与单位 SI基本单位：7个 SI辅助单位：2个 具有专门名称的SI导出单位：19个 国家选定的非SI单位：16个 SI单位的十进倍数和分数单位的词头：20个

  12. 单位的写法与读法 GB 3100：国际单位制及其应用 GB 3101：有关量、单位和符号的一般原则 Guó Biāo 中华人民共和国国家标准：GB 3100系列 单位的读法：单位符号的中文读法 1、依据单位符号的顺序， “ • ”：不读；“ / ”：每 2、指数名称在前 单位1 •单位2 / 单位3•单位4 3、面积：平方 体积：立方 不读 每 不读 质量热容： J/(kg•K) J/kg/K 焦耳每千克开尔文

  13. 单位的写法与读法 中文符号：即单位名称的简称。只在有必要时用于中、小学教材和普通书刊中。除了°C外，必须用中文。 中文符号不得与单位符号混用，km/小时 单位的写法：单位符号、单位名称 1、单位符号一律用正体：除了来源于人名的单位符号首字母要大写外，其余均为小写。 2、单位符号在全部数值之后，与数值间留适当的空隙，例外：角度单位的符号与数值间不留空隙，30°，15'，20''。 量的符号：必须用斜体，下标用正体，物理量符号的下标用斜体 作业：量、量的符号；单位、单位名称、单位符号

  14. 规范化 • 纳米微电子学 ？ • 毫微米 ？ mm ？ nm ？ • 50 °C 摄氏50度 ？ 50 摄氏度 ？ • 37.0 ± 0.5°C ？ (37.0 ± 0.5) °C ？ • 10 ～ 30 nm ？10 nm ～ 30 nm ？ (10 ～ 30) nm ？ • 23,500.674,25 ？ 23 500.674 25 ？ 修约区间：0.1，1.25＝？ 1.35＝？ 1.251＝？1.349＝？ 作业题：数的修约规则

  15. 通用计量术语：测量仪器

  16. 如何理解仪器的性能指标 分辨率、灵敏度、量程、响应特性、稳定性

  17. 通用计量术语：测量仪器的特性 JJF1001-1998《通用计量术语及定义》 测量的准确度：Accuracy of measurement 测量仪器的准确度：Accuracy of a measuring instrument 测量仪器的灵敏度：Sensitivity of a measuring instrument 测量仪器的鉴别阈：Discrimination threshold 测量仪器的分辨力：Resolution of a measuring instrument Keithley：《Low Level Measurements Handbook》

  18. 通用计量术语：测量仪器的特性 依赖于量程 分辨力：Resolution 显示装置能有效辨别的最小的示值差。 the smallestportion of the signal that can be detected （显示装置的）分辨力的表示方法： 数字仪表：最小非零读数 ＝ 一个末位有效数字； 一个末位有效数字与（最大读数＋1）的比值 模拟仪表：线性标尺： ＝分度值的一半；1/10? 非线性标尺：＝分度值

  19. 通用计量术语：测量仪器的特性 依赖于最低量程 灵敏度：Sensitivity 测量仪器响应的变化除以对应的激励变化。 the smallestchange in the measurement that can be detected （测量仪器的）灵敏度的表示方法： 数字仪表：最低量程的一个末位有效数字（分辨力） 模拟仪表：最低量程的分度值（～分辨力）

  20. 精度/精密度 Precision 通用计量术语：测量仪器的特性 测量准确度：Accuracy of measurement 测量结果与被测量真值之间的一致程度 Absolute accuracy the closeness of agreement between the result of a measurement and its true value or accepted standard value Relative accuracy the extent to which a measurement accurately reflects the relationship between an unknown and a reference value

  21. 推荐读物：关于电性测量 Keithley：《Low Level Measurements》

  22.    Accuracy Noise Speed Deratings Accuracy of the instrument itself    Input loading Leakage resistance and current   Shielding Guarding 通用计量术语：测量仪器的特性 Instrument Specifications

  23. Accuracy of the instrument itself 国家标准 中国计量科学研究院 (NIM) National Institute for Metrology NIM Standard 工作标准 Secondary Standard Absolute Accuracy 国家标准 国际标准 Relative Accuracy Measuring Instrument 区域标准 行业标准 Device Under Test 地方标准 企业标准

  24. Accuracy of the instrument itself NIM Standard True Value Accuracy 工作标准   Precision Result

  25. Accuracy of the instrument itself Analog Meter 一般来说 准确度是全量程的百分数 usually given as a percentage of full scale, such as ± 1% 50 V 100 V: ± 1%: ± 1 V 100 V 0 V 50 V: ± 2%: ± 1 V 1 V: ± 100%: ± 1 V Accuracy: ± 1% of full scale Readings

  26. ±00000 4½ +10000 –10000 Accuracy of the instrument itself Digital Meter Accuracy 一般来说 准确度是读数的百分数 ＋ 末位有效数字 ± (0.05% reading+1 count) ＋10.000 V usually specified as a percentage of reading plus a number of counts of the least significant digit ± (5 mV + 1 mV) Resolution 00.000 19.999

  27. Accuracy of the instrument itself Digital Meter Analog Meter Accuracy Resolution Sensitivity the lowest range 1 V ±000000 5½ +200.000 mV +100000 –100000

  28. 举例：电压表的技术指标 电压表的技术指标 Accuracy: ± (25 ppm of reading + 5 ppm of range) Range: 2 V ppm: parts per million, 10-6 被测信号 Input signal: 1.5 V 25 ppm = 0.0025% error ＝1.5×(25×10-6) + 2×(5×10-6) ＝(37.5×10-6) + (10×10-6) ＝47.5×10-6 误差计算 测量结果 1.5 V ± 47.5 V 读数落在此范围内 1.5 V-47.5 V 1.5 V 1.5 V+47.5 V

  29. 误差分析与测量不确定度（另设专题）

  30. 为什么采用测量不确定度 误差与测量不确定度的比较

  31. 实验中的测量不确定度 • 对被测量的定义不完整或者不完善 • 实现被测量定义的方法不理想 • 取样的代表性不够 • 对测量过程的环境因素的影响认识不足 • 对模拟式仪器的读数存在人为读数偏差 • 测量仪器的计量性能的影响 • 赋予计量标准的值和标准物质的值不准确 • 引用的数据或者其它参量的不确定度 • 与测量方法和测量程序有关的近似性和假定性 • 在表面看来完全相同的条件下，被测量重复观测值的变化

  32. 几个故事（计量单位漫谈）没有单位，就 不可能 比较量值

  33. 计量单位 unit of measurement • 标准定义：《JJF1001－1998》3.7 为 定量 表示 同种量 的大小而 约定地 定义和采用的 特定量。 法定计量单位 legal unit of metrology 由国家法律承认、具有法定地位的计量单位。 《中华人民共和国计量法》第一章第三条： 国家采用国际单位制。 国际单位制计量单位和国家选定的其他计量单位， 为国家法定计量单位。

  34. 故事：计量单位 统一度量衡（前221年～前216年） • 秦始皇（前259年～前210年）的历史功绩： “度”是指长度的计量，所用的工具是尺； “量”是指容量的计量，常见的工具有“斗”、“升”等； “衡”是指质量的计量，常见的工具是天平和秤。 1 丈＝10 尺＝100 寸。秦尺 ～ 23 厘米。 书同文、车同轨，统一币制 计量：实现单位统一、量值准确可靠的活动

  35. 故事：计量单位 古典阶段：身体 • 权势人物 英寸 inch （in＝2.54 cm）（荷兰语中inch 为大拇指） 10世纪：英王埃德加大拇指的第一个指节的长度。 14世纪：爱德华二世：三个大麦粒的总长度。 英尺 foot（ft＝12 inch＝0.3048 m） 9世纪：英国查理曼大帝的脚板的长度。 16世纪：德国：16个人的左脚板的平均长度。 码 yard（yd＝3 ft＝91.44 cm） 12世纪：英国亨利一世的鼻尖到前伸手臂时中指尖的距离。 丈 ＝ 古代成年男子的身高，大丈夫。 尺 ＝……

  36. 故事：计量单位 经典阶段：实物 • 器具与现象－计量学的开始 米 metre：1875年5月20日“国际米制公约” 1790年：巴黎会议约定：通过巴黎的子午线的四千万分之一。（米原器） 1889年：0 ℃ 时巴黎国际计量局的截面为X形的铂铱合金尺两端刻线记号间的距离。1960年：86Kr在真空中发射出的橙黄色光波长的1650763.73倍。1983年：光在真空中1/299792458 s的时间间隔内的行程。”（俗称光波米） 千克 kilogram：铂铱合金制造的千克原器 根据1立方分米的水在其密度最大时的温度下的质量。 安培 ampere： 根据两通电导线之间产生的作用力而定义的电流单位。 秒 second： 根据地球围绕太阳的转动周期而确定的时间单位。

  37. 故事：计量单位 现代阶段：量子 迄今为止，国际上已正式确立的量子基准有： • 量子（自然）基准（标准）： 时间单位－秒基准： 微波段铯原子钟：Cs－133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所 对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。 光频原子喷泉：激光冷却与原子囚禁 长度单位－米基准：光在真空中1/299 792 458 s的时间间隔内所经过的距离。 电压单位－伏特基准： Josephson常数：KJ＝483 597.9 (1  0.4  10-6) GHz/V 电阻单位－欧姆基准： von Klitzing常数： RK＝25 812.807 (1  0.2  10-6) 

  38. 小事故：计量单位 • 英国gallon与美国gallon： U.K. gallon = 4.546 09 L U.S. gallon = 3.785 41 L Boeing 757－300 43 400 L = 9 547 gallon (U.K.) = 11 466 gallon (U.S.A.) litre, liter (US) metre, meter (US) gram, gramme (UK)

  39. 大事故：计量单位 • 美国火星气候探测器（1998年）： 1999年9月23日：1998年12月美国发射的火星气候探测器与地面失去联系。 火星大气层的最小安全距离：约85 公里～100 公里预定的140 公里～150 公里 实际上，探测器距火星表面最近仅57 公里。 探测器有可能在火星的大气中被“火葬”， 甚至坠毁在火星表面上 低级错误 1999年9月30日的调查报告： 造成飞行高度太低的原因竟然是公制和英制的转换问题。 洛克希德·马丁公司：英制单位（牛·秒） 美国航宇局（NASA）喷推实验室：公制单位（磅·秒）？ 这样计算出的冲量值只是实际值的22%。 推力器校定表的作用是把遥测到的推力器点火工作次数转换成提供给探测器的冲量，以消除因推力器点火工作造成的弹道计算中的剩余误差。

  40. 电磁学单位制 • 电磁学单位制的历史 • 电磁学单位制的现状

  41. 参考读物 • 《计量测试技术手册》第7卷 《电磁学》 《计量测试技术手册》编辑委员会， 中国计量出版社，1996年12月 • 《电磁学发展史（修订版）》 宋德生、李国栋著， 广西人民出版社， 1996年12月

  42. 相对 单位 电压、电量、电容、电流 磁场强度、磁感应强度、磁通 无统一单位制 高斯－韦伯绝对单位：mm-mg-s Ohmad单位制 CGS单位制 绝对 单位 实用单位制 B. A. 单位制 麦克斯韦“象限制” MKSA单位制 MKS单位制 SI单位制 电磁学单位制的历史 以1832年C. F. Gauss引入绝对单位（力学单位）为分界

  43. 电磁学单位制的历史 • 电磁学基本定律 1785年－1789年法国C. A. de Coulomb发现库仑定律（比例的形式） 1820年7月21日丹麦H. C. Oersted发现电流磁效应 1820年9月18日和25日法国A. -M. Ampérre发现安培定律 1820年法国J. -B. Biot与F. Savart发现毕奥－萨伐尔定律 1826年－1827年德国G. S. Ohm发表欧姆定律（双曲线形式） 1831年英国M. Faraday发现电磁感应定律 （定性的形式） 1832年美国J. Henry发现自感现象 1834年德国－俄罗斯H. F. E. Lenz发现愣次定律 1855年－1865年英国J. C. Maxwell提出电磁场方程

  44. 电磁学单位制的历史 • 1832年以前的电磁学单位（制） 相对测量原理 1771年H. Cavendish提出电势，地球零电势 1776年H. Cavendish研究了电鯆的放电现象，提出电容、电压、电量 电容：电英寸（inches of electricity） 电位：带电度（degree of electrification） 电阻：resistance，溶液对电流的阻抗能力 电流强度：velocity，表示电流的大小（自己身体作电流计） 1782年Alessandro G. A. Volta确定电容、电压、电量的关系：静电计

  45. 电磁学单位制的历史 • 绝对单位制－高斯和韦伯 毫米－毫克－秒制 1832年C. F. Gauss提出用力学中的三个基本量：长度L、质量M和时间T来测量和表示电磁学量及其它非力学量，即绝对单位制。 磁场强度的量纲：[L－1/2M1/2T－1]（1835年，高斯《量纲原理》） 电动势： [L3/2M1/2T－2]（1837年，韦伯，电磁感应定律） 电流强度： [L1/2M1/2T-1]（1846年，韦伯，安培电动力学公式） 电阻： [LT－1]（1852年，韦伯，欧姆定律） 电量： [L1/2T1/2]（1846年，高斯－韦伯，库仑定律）

  46. 电磁学单位制的历史 以米制为基础、与力学单位统一的一贯单位制，采用力学单位中的厘米（cm）、克（g）、秒（s ）为基本单位，具有三个基本量方程（库仑定律、安培定律、欧姆定律） • CGS单位制 相距1 cm的单位电荷或者单位磁极相互间的力为1 dyn＝1 cm·g·s－2 CGS静电制（esu）：真空介电常数0为独立量 CGS电磁制（emu）：真空磁导率0为独立量 CGS高斯制（gauss）：电学量（esu）＋磁学量（emu） 电学量的CGS静电制使用不普遍；磁学量的CGS静电制从未使用

  47. 电磁学单位制的历史 • CGS高斯单位制 电学量单位没有专门名称和符号，1 cgs esu的电荷，1 cgs emu的电荷 有四个磁学量单位被赋予专门名称和符号： 磁场强度：Oersted （Oe，奥斯特）[cm－1/2g1/2s－1] 磁感应强度：Gauss（Gs，高斯） [cm－1/2g1/2s－1] 磁通量：Maxwell（Mx，麦克斯韦） [cm3/2g1/2s－1] 磁通势：Gilbert（Gb，吉尔伯特） [cm1/2g1/2s－1] • 相对测量－绝对单位制的弊端 1 cgs emu的电阻＝1×10－9欧姆 自行暂定的“实用”单位出现：如电量的单位“韦伯（Weber）”

  48. 电磁学单位制的历史 为了解决CGS单位制中电磁量单位与常用电磁量单位大小不相适应，以便于计量上的实用而确定的一种单位制，即在CGS电磁制的各个单位上分别乘以10的正或者负整数次方，也称为绝对电学实用单位。 • 实用单位制 电磁学的实用单位制的电磁量单位有专门名称， 如安培、伏特、欧姆、法拉、库仑、亨利、瓦特、焦耳，等 大英帝国 1861年Charles Bright和Latimer Clark在英国曼彻斯特科学促进会上提出：电动势－Ohma；电量－Farad；电流强度－Galvat；电阻－Volt。同年W. Thomson（即Kelvin勋爵）为首的六人电标准委员会提出mgs绝对单位，未被采用，史称Ohmad单位制。后来电学单位委员会给出：电阻－Ohm；电容－Farad；电势－Volt，一直沿用至今，史称B. A.（British Association for the Advancement of Science）单位制。 起 源

  49. 电磁学单位制的历史 1873年，麦克斯韦在《电学和磁学专论》中提出现在称为“象限制”的绝对单位制：长度－109 cm；质量－10－11 g；时间－s。因109 cm恰为地球周长的四分之一。 • 麦克斯韦的“象限制” “象限制”的优点：直接将这三个基本单位带入量纲中，就可以得到以绝对单位表示的实用单位的数值， 如，1 Ohm＝[LT－1]＝109 cm/s。 麦克斯韦的“象限制”导致1881年第一届国际电气大会（IEC，International Electrical Congress）的召开，但是1893年第四届IEC大会否决了“象限制”。原因（可能）在于与力学单位中的基本单位不统一。

  50. 电磁学单位制的历史 1881年在法国巴黎召开的第一届IEC大会开始了统一电学实用单位的尝试。会议决定采用CGS单位制为基础单位，并且定义了五个实用单位：Ohm、Volt、Ampere、Coulomb、Farad • 实用单位制的统一进程（1） 1 Ohm＝109 CGS emu的电阻 1 Volt＝108 CGS emu的电压 1 Ampere＝1 Volt / 1 Ohm（原来一直用Weber/s） 1 Coulomb＝1 Ampere×1 s（原来欧洲大陆一直用Weber） 1 Farad＝1 Coulomb / 1 Volt

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