计量的特点与作用

计量，过去在我国称为度量衡，只是在二十世纪五十年代以后，才逐渐以"计量"取代"度量衡"这一称谓。沿用了两千多年的度量衡，其原始含义为长度、容积、重量的计量，主要器具为尺、斗、秤。随着社会的发展其含义亦在不断变化和发展，可以说，计量是度量衡的发展；也可以说，计量是现代度量衡。显然，"计量"比"度量衡"更确切、更广泛、更科学。

　　从概念上说，计量学是关于测量理论与实践的知识领域。换句话说，有关测量的一切，都是计量学研究的对象，都包含于计量学之中。计量是量值准确一致的测量。如何才能使量值准确一致，那就需要有公认、约定或法定的计量单位、计量器具、计量人员、计量检定系统（过去曾称为量值传递系统）、检定规程等。

概括起来，计量具有下列基本特点：
　　1、准确性。准确性是计量的基本特点，它表征的是测量结果与被测量的真值的接近程度。也就是说，计量不仅应明确地给出被测量的值，而且还应给出该量值的误差范围（不确定度）。否则，量值便不具备明确的社会实用价值。所谓量值的统一，也是指在一定准确性范围内的统一。
　　2、一致性。计量的一致性，不仅限于国内，而且也适于国际。即无论在任何时间、地点、利用任何方法、器具以及任何人进行测量，只要符合有关计量所要求的条件，计量结果就应在误差范围内一致。
　　3、溯源性。在实际工作中，由于目的和条件的不同，对计量结果的要求亦各不相同。但为使计量结果准确一致，所有的量值都必须由相同的基准（或标准）传递而来。换句话说，任何一个计量结果，都能通过连续的比较链与原始的标准器具联系起来，这就是溯源性。就一国而论，所有的量值都应溯源于国家基准（或标准）；就世界而论，则应溯源于国际基准（或标准）或相应的约定标准。否则，量出多源，不仅无准确一致可言，而且势必造成技术上和应用上的混乱，以致酿成严重的社会后果。
　　4、法制性。计量本身的社会性就要求有一定的法制保障，也就是说，量值的统一，不仅要有一定的技术手段，而且还要有相应的法律和行政管理。特别是那些对国计民生有明显影响的计量，更必须有法制保障。否则，量值的统一便不能实现，计量的作用便无法发挥。
随着科技的进步、生产的发展，计量的作用和意义已日益明显，下面略举几例，便可显见一斑。

　　1、计量与科学技术
　　众所周知，科学技术是人类生存和发展的一个重要基础。没有科学技术，便不可能有人类的今天。任何科学技术都是为了探讨、研究、分析、掌握和利用事物的客观规律，而所有事物的基础都是"量"，体现形式仍然是"量"。为了准确地获得这些量值，只有通过计量。比如，哥白尼关于天体运行的学说，只是在伽例略发明了望远镜，进行了实际观察之后才得以确立的；著名的万有引力定律，尽管早已被牛顿所揭示，但直到百年之后，经过实际测量的验证，才被确认；爱因斯坦的相对论，也是在光频精密测量的基础上获得了比较精确的光速c值后、才得到了比较明确的验证；李政道和杨振宁关于弱相互作用下宇称不守恒的理论，也是吴健雄等人在进行了专门的计量测试后才验证的。从经典的牛顿力学到现代的量子力学，各种定律、定理，都是经过实际验证才得以确立或被承认的。计量正是所有验证的技术基础与重要的手段。
　　历史上三次大的技术革命，都充分地依靠了计量，同时也促进了计量本身的发展。以蒸汽机的广泛应用为主要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，使生产力得以迅速的提高，从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，更加推动了社会生产的发展。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物理基础；而各种热电偶的研制成功，则对温度计量、电工计量以至无线电计量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，迈克尔逊用镉光（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标准米尺的长度，获得了相当精确的结果（等于 1553163.5个红光波长）。直至近百年后的今天，利用各种干涉仪精密测量长度，仍是几何量计量的一个重要方法。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，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、核物理学的创立和发展，电离辐射计量逐渐形成。核能及化工等的应用和发展，导致了第三次技术革命。在这个时期，科学技术和社会生产的发展更加迅速，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，由经典计量进入了量子计量的新阶段，计量的宏观实物基准正在向自然（量子）基准过渡。新的米定义和原子频标的建立，有着相当重要的意义。长度和频率的精密测定，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、航海、航天、遥感、激光等许多科技领域，都是以频率和长度的精密计量为重要基础的。
　　至于当前人们广泛谈论和关注的所谓第四次技术革命，将引起科技和社会的重大变革，人类将进入"超工业社会"或"信息社会"。那时，不可再生的石化燃料能源将转换成可再生的太阳能、海潮发电等新能源，钢铁、机械、汽车、橡胶等传统产业部门将为电子工业、宇航工程、海洋工程、遗传工程等新兴工业所取代，等等。这场技术革命的先导是微电子学和计算机，而集成电路的研制又可以说是先导的核心。集成电路的研制，没有相应的计量保证是不可想象的。比如，硅单晶的物理特性、几何参数，超纯水、超纯气的纯度，化学试剂、光刻胶的性能，膜层厚度、层错位错，离子注入深度、浓度、均匀度以及工艺监控测试图形等的测定，都是精密计量。当前，我国集成电路的研制尚比较落后，计量工作跟不上是其中的一个主要原因。
　　总之，科学技术的发展，特别是物理学的成就，为计量的发展创造了重要的前提，同时也对计量提出了更高的要求；而计量学的成就，又促进了科技的发展。正如门捷列夫所说：没有测量，就没有科学。聂荣臻同志也明确指出：科技要发展，计量须先行；没有计量，寸步难行。

　　2、计量与工农业生产
　　计量对工业生产的作用和意义是很明显的。社会化大生产的本身就要求有高度的计量保证。生产的发展，大体上可分为三个阶段，即以经验为主阶段，半经验、半科学阶段和科学阶段。计量则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的质量检验，都离不开计量。比如，一辆载重汽车有9000多个零件，由上百个工厂生产，若没有一定的计量保证，怎么能装配成功？鄂钢加强能源计量管理，组织动员职工扎扎实地开展节能降耗，向计量要效益的活动，加强了对废气、空气量、燃烧供热量以及温度等的计量监控，仅2001年一年炼铁喷煤控制系统的顺利运行就降低生产成本534.22万元。天津玛钢厂是我国生产玛钢零件的第一大厂。长期以来，耗能十分严重，是天津市耗能的重点户。为摸清耗能严重的原因，厂里对13种主要设备进行了热平衡测试，取得了近7000个数据，从而计算出设备热平衡和企业能源的利用率，初步摸到了能源使用的规律。原来玛钢退火窑的热效率仅为 7%－ 8.6%，通过热平衡测试，找出了原因，并安装了相应的监测仪表，使窑温差由300℃降到100℃，退火时间由60小时降到35小时，热效率从7－8.6%提高到12.1%，三个月就节煤457吨，节电 6500千瓦小时（度）。武钢于2000年元月实现自产矿100%计量，途耗由5.8%下降 2%以下，使公司生产成本降低，带来了近 5000万元的可观效益。
　　上述例子都是较大的工业企业，对于中小型以至乡镇企业，计量亦同样重要，比如，我们在某砖厂围窑和轮窑上安装了热电高温计、风量风压计等计量仪表，并用光学高温计和快速测温枪来监控窑温，经过几个月的现场计量测试，获得了烧砖过程中的温度、压力、流量等主要参量的9200多个数据，从而找出了各主要影响量的最佳值，制定了烧砖工艺标准。结果，轮窑机砖的质量由原来的35号上升到150号，正品率由92%提高到98%以上，产量增加13%，能耗降低20%。
　　农业生产，特别是现代化的农业生产，亦必须有计量保证，必须通过计量来掌握土壤的酸碱度、盐分、水分、有机质和氨、磷、钾的含量以及温度等。在盐水选种、温场或药剂浸种、适温催芽和离心脱水等过程中，亦都要靠一定的计量保证。电离辐射育种，是近年发展起来的一项重要增产措施，我国已用该法培育出160多个农作物新品种，其中鲁棉一号使棉花大面积地成倍增产，3年的产值即达19亿元。利用高剂量的辐射照射，可以实现农产品和食物的保鲜，是所谓辐射加工工业的一个重要方面。所有这些，都需要相应的计量保证，否则不仅达不到预期的效果，反而会造成不应有的损失。事实充分表明，科学生产和技术革新，都离不开计量测试。

　　3、计量与国防
　　计量对国防，特别是尖端技术的重要性，尤为突出。国防尖端系统庞大复杂，涉及的科学技术领域广、技术难度高、要求计量的参数多、精度高、量程大、频带宽。比如，由于飞行器与地面的距离不断增大，对通讯、跟踪、测轨、定位等都相应地提出了更高的要求。通讯同步卫星距地面35800公里，用无线电信号作为空间与地面的联络手段，就必须有大功率的发射机和高灵敏度的接收机，因而必须对大功率、低噪声温度、大衰减和小电压等主要参数进行计量测试。这不但要研究测试方法和设备，而且要建立相应的计量标准。当前，地面设备的发射平均功率已可达几十千瓦，接收机的噪声温度已能低于15K。为提高对飞行器的控制能力，对跟踪、定位、测速、测距、测角等的精度要求越来越高，不仅对电子参数，而且对设备加工和伺服控制元件亦提出了更严格的要求。在连续波测量系统中，为保证测速精度达到每秒几厘米，地面频标的短期稳定度应在10-12以上。在宇航系统中，地面设备之间的信息联系，地面对空间飞行器的探测、控制，都要高速地传输大量数据。因此，要求传送信号的频带很宽。国际上，通讯和广播卫星将普遍使用11/14、20／30GHz或更高频段，不断向毫米波和亚毫米波波段迈进，这就必须研制新的元器件、部件以至整机，从而对计量测试亦必然要提出相应的新的要求。
　　对国防尖端技术系统来说，工作环境比较特殊，往往要在现场进行有效的计量测试，技术上的难度较大。例如，飞行器在运输、发射、运行、回收等过程中要经历一系列诸如振动、冲击、高温、低温、高湿度、强辐射等恶劣环境。当弹头进入大气层时，要经受几千度以上的超高温；提高接收机灵敏度的关健部件一般要在液氮的超低温下工作；发动机的推力可达几 MN到数十 MN；而姿态控制发动机的推力则只有几cN，等等。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。因此，必须进行动态压力、动态温度、脉动流量、振动、冲击、超高温、超低温、大推力、小推力以及核辐射等一系列计量测试。
　　由于计量测试提供了所需的数据，保证了各种部件、分系统和整个系统的可靠性；同时，还可以缩短研制周期、节约大量人力、物力和时间。例如，美国航空喷气发动机公司在研制一种新型发动机的过程中，需要进行大量的计量测试。当测量仪器的误差为0.75σ时，需要进行 200次实验，耗资 2000万美元；当仪器误差减少到0.5σ时，只需要进行28次实验就可以了。也就是说，仪器的误差每减少0.25σ，每台发动机的成本即可降低 120美元。
中国计量科学研究院等六个单位，在数年计量测试所获得的八万多个数据的基础上，联合编制了"铝合金硬度与强度换算表"。依据该表，某军火工厂在检查一批产品的质量事故中，正确地判断了产品的合格率，以致200多枚武器没有误作废品处理，使国家少损失400多万元。
　　可见，在国防建设中，计量测试是极其重要的技术基础，具有明显的技术保障作用，不仅可以节约资金、争取时间，而且还能为指挥员的判断与决策提供可靠的依据。

　　4、计量与贸易
　　在国际贸易中，需要计量的事例很多。比如，过去我国出口苹果，只凭观察外表或直接尝试，而没有采用计量手段，外商便借故刁难，随意削价。其实，对苹果成熟度的计量很简单，用计量硬度的硬度计测一下就完了。再如，我国的港口由于缺乏计量设备或计量不准，往往造成了不应有的经济损失，而且还影响了国家的信誉。按国际惯例和合同条款，一般货物皆按上岸的计量数目为结账的依据。我国出口原油，由于缺乏准确可靠的计量手段，往往采取多装油而避免索赔罚款的作法，甚至出现过多给了油，反而被船主以超重为由提出索赔的憾事。由于我国港口计量不准，有的外商宁肯以适当减价的优惠，卖离岸数量而不卖到岸数量。这不但丧失了索赔权，而且也有损于国家的尊严。

从上面的一些事例，已可明显地看出，计量是科学技术进步和生产发展的重要技术基础。如今，可以说，任何科学、任何部门、任何行业以至任何活动，都直接或间接地、有意或无意地需要计量。正所谓“没有计量，寸步难行”。

　　5、计量与人民生活
　　计量对人民生活的意义是相当明显的。可以说，人的一切活动都与计量有关，只不过自觉或不自觉罢了。商品生产和交换，是当代社会的一个特点。生产过程中计量测试的作用前面已经提到，而交换对人民生活则更加敏感，它直接触动人们的切身利益。比如，日常买卖中的计量器具是否准确，家用电度表、煤气表和水表是否合格，以至公共交通的时刻是否准确，都会对人民的生活产生一定的影响。
　　粮食是生活的必需品，任何人都离不开它，粮食的质量直接关系到人们的健康。在粮食的生产过程中，施化肥可以增产，洒农药可以除虫。但化肥和农药大多对人体都有害，必须控制在一定的剂量之内，否则将会导致积累性中毒，造成严重的后果。食品的保鲜，是人们越来越关注的一个问题。医学界已经证明，粮食及粮食制品，发霉变质会产生黄曲霉素，人和动物食用后便容易致癌。另外，食品在加工过程中，往往要加入一些添加剂，如色素、味剂、防腐剂等，都必须经过鉴定和计量，否则也会导致不良的后果，危害人们的健康。所以，粮食及粮食制品的生产、贮存和加工等过程中，都离不开计量测试。
　　近年来，随着城市的迅速发展，各种污染日趋严重，几乎成了一种难以根除的公害。世界各国，特别是工业比较发达的国家，对环境保护工作都给予了高度的重视。其中，关健的一环，就是进行有效的监测，诸如对大气、水质以及噪声等。当前，北京的机动车辆造成的城市噪声相当严重．为减小噪声，一些国家对汽车的衰音程度作了明文规定，不合格的不准行驶。目前，世界的大城市，为减少噪声污染，大都有不准机动车鸣笛的禁令。我国的一些大城市，也都相继作出了机动车不准在市区或部分街道鸣笛的规定。北京市的环保部门，曾组织计量工作人员对各交通要道的噪声进行了现场测试，并根据测试结果报请市人民政府作出了拖拉机、载重汽车不准进入城内等规定。
　　至于水和空气对人的重要性，是不言而喻的。人口的社会调查表明，一些水质良好、空气新鲜的地区，特别是山区，人们的平均寿命较长；相反地，水质不好、空气污染严重的地区，人们的发病率较高，寿命普遍偏低。近年来，通过对空气的计量测试，发现当空气中的负离子浓度较大时，空气便格外新鲜，对人体具有一定的医疗保健作用。这　　也是往往将疗养所、保健院建于林区或海滨、湖畔的原因之一。
　　在医疗卫生方面，计量测试的作用亦越来越明显。现代医学对疾病的预防、诊断和治疗，都离不开计量测试。比如，测量体温、血压，作心电图、脑电图以及各种化验等，皆是常见的计量测试。测量和化验的数据不准，将会带来严重的后果。例如，我省某县的一个医院，由于血压计失准，医生把一个高血压患者误诊为低血压，给患者开了升压处方，以致病人服药后造成不良后果。随着现代科技的发展，计量测试水平不断提高，一些新的医用计量测试器具不断问世。比如已研制出一种实用的红外测温仪，用来测量人的体温，可以观察到体内的微小温差。临床试验表明，用红外测温仪可测出乳腺癌的温度比周围组织约高0.1℃，从而不必作切片检查，即可对浅表肿瘤作出相应的判断。
　　提到癌症，人们都非常关注，是目前死亡率最高的病症之一。据美国的估计，总人口的四分之一，在其一生中可能患各种癌症。当前，有的国家的癌症患者已达百万之多。其中，约 70%的患者接受放射线治疗，但治愈率仅40%左右。这里，要求肿瘤所接受的放射线剂量准确到±5%。因为，剂量小了，不足以抑制和杀伤癌细胞，甚至还可能刺激其增生；剂量大了，则对人体的危害加重，使患者受到不应有的损伤。微波加热治疗癌症，亦可收到一定的效果。实验表明，当肿瘤被加热到43℃以上时，癌细胞才有可能被杀死；当加热温度低于43℃时，疗效不明显；当加热温度高于45℃时，便会大量损伤人体的正常细胞。
　　科学家们对人体的研究发现，人体内一般存有60多种元素，其中除占人体总量 99%的 11种常量元素外，还有 10余种微量元素是生命所必需的。这些微量元素在人体内都有一个正常的含量范围，不足或超过应有的含量，都会产生不良的后果。实践证明，这些微量元素，在头发中的含量要比血液中高得多。因此，通过系统定量的计量测试，便可从头发中微量元素的含量来诊断疾病和职业中毒，以及监视病症的治疗、判断智力发育、监测环境污染等。这种方法，既方便廉价，又安全可靠，而且无任何痛苦。然而，头发中微量元素的系统定量测定，谈何容易，必须有高度的计量测试技术与手段才能实现。
　　随着微电子技术的发展、超高速大容量电子计算机的投入使用，计算生物学将不断取得进展，用计算的方法来破译基因的遗传密码，已成为现实。然而，话又说回来，微电子技术的发展、超高速大容量电子计算机的研制，都离不开计量。比如，从原材料的电阻率。位错数、浓度、俘获中心数、表面平整度以及寿命指标到工艺过程中的制板、光刻、蒸发和注入，从净化条件到成品的电性能都需要进行大量的微区微量精密计量测试，涉及几何量、电磁、电子、热工、化学、力学、光学以及电离辐射等多种计量领域。