第二节 测量

一、测量概述

测量是人类认识和揭示自然界物质运动的规律、借以定性区别和定量描述周围物质世界，从而达到改造自然和改造世界的一种重要手段。按JJF 1001—2011《通用计量术语及定义》中的定义，测量(measurement)就是通过实验获得并可合理赋予某量一个或多个量值的过程。测量不适用于标称特性，它意味着量的比较并包括实体的计数。测量的先决条件是对与测量结果预期用途相适应的量的描述、测量程序以及根据规定测量程序(包括测量条件)进行操作的经校准的测量系统。在计量学中，测量既是核心的概念，又是研究的对象。人们有时把测量也称为计量，例如把测量单位称为计量单位，把测量标准称为计量标准等。

随着人类社会和科学技术的高度发展，人类认识自然的能力不断提高，测量对象不再局限于物理量，还可以对化学量、工程量、生物量等进行定性区别和定量确定，测量范围不断扩大，测量不确定度不断提高，还出现了动态测量、在线测量、综合测量以及在严酷环境下的特殊测量，测量的概念更为宽广，其应用的范围及内容更为丰富。

（一）测量过程

测量活动是一个过程。所谓“过程”是指一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用的活动。输入是过程的依据和要求(包括资源)；输出是过程的结果，是由有资格的人员通过充分适宜的资源所开展的活动将输入转化为输出；“相互关联”反映过程中各项活动间的互相联系、顺序和接口；“相互作用”反映过程中各环节的相互影响和关系。测量过程是由根据输入的测量要求，经过测量活动，得到并输出测量结果的全部活动。测量过程的三个要素是：①输入：确定被测量及对测量的要求。②测量活动：对所需要的测量进行策划，从测量原理、测量方法到测量程序；配备资源，包括适宜的且具有溯源性的测量设备，选择和确定具有测量能力的人员，控制测量环境，识别测量过程中影响量的影响，实施测量操作。③输出：按输入的要求给出测量结果，出具证书和报告。

“量”作为一个概念，有广义量和特定量之分。广义量是从无数特定同种量中抽象出来的量，如温度、容积、长度等；而特定量是特指的某被测对象的量，只有可测量的特定量才能进行测量。测量时，受测量的物体、现象或状态称为被测件或被测对象。被测量有时指受测量的特定量，如水的温度、容器的容积等。

按测量的目的提出测量要求，包括对被测量的详细要求、对影响量的要求、测量不确定度和测量结果的表达形式的要求等。确定了被测量和测量要求后，选择测量原理、测量方法和测量设备，确定测量人员，制定测量程序和开展测量活动。

（二）测量原理

测量原理(measurement principle)是指用作测量基础的现象。它是指测量所依据的自然科学中的定律、定理和得到充分理论解释的自然效应等科学原理。例如，在力的测量中应用的牛顿第二定律，在电学测量中应用的欧姆定律，在温度测量中应用的热电效应，都属于测量原理。正确地运用测量原理，是保证测量准确可靠的科学基础。实际上，测量结果能否达到预期的目的，主要取决于所应用的原理。如在长度测量中，应用激光干涉方法不仅改善了测量不确定度，而且极大地扩展了测量范围。

（三）测量方法

测量方法(measurement method)是指对测量过程中使用的操作所给出的逻辑性安排的一般性描述。即根据给定测量原理实施测量时，概括说明的一组合乎逻辑的操作顺序，测量方法就是测量原理的实际应用。例如：根据欧姆定律测量电阻时，可采用伏安法、电桥法及补偿法等测量方法，在采用电桥法时，又可分为替代法、微差法及零位法等。由于测量的原理、运算和实际操作方法的不同，通常会有多种多样的测量方法。

（1）直接测量法和间接测量法 这是根据量值取得的不同方式来进行分类的。直接测量法是指不必测量与被测量有函数关系的其他量，测量结果可通过测量直接获得的测量方法。大多数情况下采用直接测量法，测得结果是由测量仪器的示值直接给出。间接测量法是指通过测量与被测量有函数关系的其他量，从而得到被测量值的一种测量方法。

（2）基本测量法和定义测量法 通过对一些有关基本量的测量，以确定被测量值的测量方法称为基本测量法，也叫绝对测量法。根据量的单位定义来确定该量的测量方法称为定义测量法，这是按计量单位定义复现其量值的一类方法，这种方法既适用于基本单位也适用于导出单位。

（3）直接比较测量法和替代测量法 将被测量的量值直接与已知其值的同一种量相比较的测量方法称为直接比较测量法。如标准量块的长度测量，在等臂天平上测量砝码等。这种方法有两个特点，一是必须是同一种量才能比较；二是要用比较式测量仪器。采用这种方法，许多误差分量由于与标准的同方向增减而相互抵消，从而获得较高的测量不确定度。将选定的且已知其值的同种量替代被测量，使在指示装置上得到相同效应以确定被测量值的一种测量方法称为替代测量法。

（4）微差测量法和符合测量法 将被测量与同它只有微小差别的已知同种量相比较，通过测量这两个量值间的差值以确定被测量值的一种测量方法称为微差测量法。用观察某些标记或信号相符合的方法，来测量出被测量值与作为比较标准用的同一种已知量值之间微小差值的一种测量方法称为符合测量法。

（5）补偿测量法和零值测量法 补偿测量法是指将测量过程作特定安排，使一次测量中包含有正向误差，而在另一次测量中包含有负向误差，这样测量结果中大部分误差能互相补偿而消去。调整已知其值的一个或几个与被测量有已知平衡关系的量，通过平衡原理确定被测量值的一种测量方法称为零值测量法，也称为平衡测量法，例如，用电桥测量电阻就是采用这种方法。

当然，按测量的特点和方式，测量又可分为接触测量和非接触测量、动态测量和静态测量、模拟测量和数字测量、手动测量和自动测量等。

（四）测量程序

测量程序(measurement procedure)是指根据一种或多种测量原理及给定的测量方法，在测量模型和获得测量结果所需计算的基础上，对测量所做的详细描述。测量程序是根据给定的方法实施对某特定量的测量时，所规定的具体、详细的操作步骤；通常记录在文件中，并且足够详细。相当于通常所说的操作方法、操作规范、操作规程、作业指导书等文件，测量程序应确保测量的顺利进行。测量程序也被称为测量方法，但两者实际是有区别的。

测量原理、测量方法、测量程序是实施测量时的三个重要因素。测量原理是实施测量过程中的科学基础，测量方法是测量原理的实际应用，而测量程序是测量方法的具体化。

（五）测量资源的配置和测量影响量的控制

测量资源包括测量人员、测量所需的测量仪器及其配套设备、测量所需的环境条件及设施、测量方法的规范、规程或标准以及有关文件。为了获得准确可靠的测量、减少测量误差、减小测量不确定度，必须科学评估影响量对测量结果的影响，对测量中明显影响测量结果的环境条件及其他各种因素，要采取控制措施。

（六）测量结果

测量结果是测量过程的输出，是经过测量所得到的被测量的值，完整的测量结果应当包括有关测量不确定度信息，必要时还应说明有关影响量的取值范围。

把测量活动作为测量过程来看待，有利于理解测量中的各项要素，识别测量要求，明确测量的资源、流程、接口、关系及相互作用，也有利于实施对测量活动的管理和监控。

二、测量的作用

测量是人们认识世界、改造客观世界的重要手段。测量是科学技术的基础，正如著名科学家门捷列夫所说：“没有测量，就没有科学。”科学从测量开始，每一种物质和现象，只有通过测量才能真正认识。测量与国民经济、社会发展和人民生活有着十分密切的关系，测量是工业生产的重要手段，测量是掌握资源财富数量的关键途径，测量是维护国内和国际社会经济秩序的重要保证，因此测量具有十分重要的地位与作用。