计量基础的基本概念和计量单位
一、内容提要：计量基础的基本概念和计量单位
二、重点、难点：计量的定义、校准和检定的概念、法定计量单位的定义和基本方法。
大纲要求
1. 掌握计量的定义
2．掌握校准和检定的概念
3．掌握法定计量单位的定义
4．掌握SI基本单位
5．掌握法定计量单位的基本使用方法
讲解
一、计量的基本概念、内容、分类和特点
(一)计量的内容
量是现象、物体或物质可定性区别与定量确定的一种属性。计量是对“量”的定性分析和定量确认的过程。
计量是实现单位统一、保障量值准确可靠的活动。为了经济而有效地满足社会对测量的需要，应从法制、技术和管理等方面开展计量管理工作。
计量的内容通常可概括为六个方面：
(1)计量单位与单位制；
(2)计量器具(或测量仪器)，包括实现或复现计量单位的计量基准、计量标准与工作计量器具；
(3)量值传递与溯源，包括检定、校准、测试、检验与检测；
(4)物理常量、材料与物质特性的测定；
(5)测量不确定度、数据处理与测量理论及其方法；
(6)计量管理，包括计量保证与计量监督等。
(二)计量的分类
计量涉及社会的各个领域。根据其作用与地位，计量可分为科学计量、工程计量和法制计量三类，分别代表计量的基础性、应用性和公益性三个方面。
(1)科学计量是指基础性、探索性、先行性的计量科学研究，它通常采用最新的科技成果来准确定义和实现计量单位，并为最新的科技发展提供可靠的测量基础。
(2)工程计量，又称工业计量，是指各种工程、工业、企业中的实用计量。随着产品技术含量提高和复杂性的增大，为保证经济贸易全球化所必需的一致性和互换性，它己成为生产过程控制不可缺少的环节。
(3)法制计量是指由政府或授权机构根据法制、技术和行政的需要进行强制管理的一种社会公用事业，其目的主要是保证与贸易结算、安全防护、医疗卫生、环境监测、资源控制、社会管理等有关的测量工作的公正性和可靠性。
例题：
通常采用最新的科技成果来准确定义和实现计量单位，并为最新的科技发展提供可靠的测量基础的计量是（）。
A.科学计量
B.法制计量
C.工程计量
D.应用计量
答案：A
(三)计量的特点
计量的特点可以归纳为准确性、一致性、溯源性及法制性四个方面。
(1)准确性是指测量结果与被测量真值的一致程度。所谓量值的准确性，是在一定的测量不确定度或误差极限或允许误差范围内，测量结果的准确性。
(2)一致性是指在统一计量单位的基础上，无论在何时何地采用何种方法，使用何种计量器具，以及由何人测量，只要符合有关的要求，测量结果应在给定的区间内一致。也就是说，测量结果应是可重复、可再现(复现)、可比较的。
(3)溯源性是指任何一个测量结果或测量标准的值，都能通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，与测量基准联系起来的特性。溯源性使其准确性和一致性得到技术保证。
(4)法制性是指计量必需的法制保障方面的特性。量值的准确可靠不仅依赖于科学技术手段，还要有相应的法律、法规和行政管理的保障。
由此可见，计量不同于一般的测量。测量是以确定量值为目的的一组操作，一般不具备、也不必完全具备上述特点。计量既属于测量而又严于一般的测量，在这个意义上可以狭义地认为，计量是与测量结果置信度有关的、与测量不确定度联系在一起的一种规范化的测量。
例题
使计量的准确性和一致性得到技术保证的是计量（）特点。
A. 准确性
B. 一致性
C. 溯源性
D. 法制性
答案：C

三、量值溯源、校准和检定
(一)量值溯源体系
通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准(通常是国家计量基准或国际计量基准)联系起来的特性，称为量值溯源性。
量值溯源等级图，也称为量值溯源体系表，它是表明测量仪器的计量特性与给定量的计量基准之间关系的一种代表等级顺序的框图。该图对给定量及其测量仪器所用的比较链进行量化说明，以此作为量值溯源性的证据。
实现量值溯源的最主要的技术手段是校准和检定。
(二)校准
在规定的条件下，为确定测量仪器(或测量系统)所指示的量值，或实物量具(或参考物质)所代表的量值，与对应的由其测量标准所复现的量值之间关系的一组操作，称为校准。
1．校准的主要含义
(1)在规定的条件下，用参考测量标准给包括实物量具(或参考物质)在内的测量仪器的特性赋值，并确定其示值误差。
(2)将测量仪器所指示或代表的量值，按照比较链或校准链，将其溯源到测量标准所复现的量值上。
2．校准的主要目的
(1)确定示值误差，有时(根据需要)也可确定其是否处于预期的允差范围之内；
(2)得出标称值偏差的报告值，并调整测量仪器或对其示值加以修正；
(3)给标尺标记赋值或确定其他特性值，或给参考物质的特性赋值；
(4)实现溯源性。
校准的依据是校准规范或校准方法，对其通常应作统一规定，特殊情况下也可自行制定。校准的结果可记录在校准证书或校准报告中，也可用校准因数或校准曲线等形式表示。
例题：
在规定的条件下，为确定测量仪器所指示的量值，或实物量具所代表的量值，与对应的由其测量标准所复现的量值之间关系的一组操作，称为（）。
A.溯源
B.校准
C.审核
D.检查
答案：B
(三)检定
测量仪器的检定，是指查明和确认测量仪器是否符合法定要求的程序，它包括检查、加标记和(或)出具检定证书。
检定具有法制性，其对象是法制管理范围内的测量仪器。根据检定的必要程度和我国对其依法管理的形式，可将检定分为强制检定和非强制检定两类。
(1)强制检定是指由政府计量行政主管部门所属的法定计量检定机构或授权的计量检定机构，对某些测量仪器实行的一种定点定期的检定。我国规定，用于贸易结算、安全防护、医疗卫生、环境监测四个方面且列入《中华人民共和国强制检定的工作计量器具明细目录》的工作计量器具，属于国家强制检定的管理范围。此外，我国对社会公用计量标准，以及部门和企业、事业单位的各项最高计量标准，也实行强制检定。强制检定的特点，是由政府计量行政部门统管，指定的法定或授权技术机构具体执行，固定检定关系，定点送检；检定周期由执行强检的技术机构按照计量检定规程，结合实际使用情况确定。
(2)非强制检定是指由使用单位自己或委托具有社会公用计量标准或授权的计量检定机构，对强检以外的其他测量仪器依法进行的一种定期检定。其特点是使用单位依法自主管理，自由送检，自求溯源，自行确定检定周期。
强制检定与非强制检定均属于法制检定，是我国对测量仪器依法管理的两种形式，都要受法律的约束。不按规定进行周期检定的，要负法律责任。计量检定工作应当按照经济合理的原则，就近就地进行。
检定的依据是按法定程序审批公布的计量检定规程。我国《计量法》规定：“计量检定必须按照国家计量检定系统表进行。国家计量检定系统表由国务院计量行政部门制定。计量检定必须执行计量检定规程。国家计量检定规程由国务院计量行政部门制定。没有国家计量检定规程的，由国务院有关主管部门和省、自治区、直辖市人民政府计量行政部门分别制定部门计量检定规程和地方计量检定规程，并向国务院计量行政部门备案。”因此，任何企业和其他实体是无权制定检定规程的。
在检定结果中，必须有合格与否的结论，并出具证书或加盖印记。从事检定工作的人员必须经考核合格，并持有有关计量行政部门颁发的检定员证。
对大量的非强制检定的测量仪器，为达到统一量值的目的，应以校准为主。校准在量值溯源中的地位已逐步确立。
校准和检定的区别可归纳为如下5点：
1、 校准不具法制性，是企业自愿的溯源行为；检定则具有法制性，属计量管理范畴的执法行为。
2、 校准主要确定测量仪器的示值误差；检定则是对其计量特性及其技术要求符合性的全面评定。
3、校准的依据是校准规范、校准方法，通常应作统一规定，有时也可自行制定；检定的依据则是鉴定规程。
4、校准通常不判断测量仪器合格与否，必要时也可确定其某一性能是否符合预期要求；检定则必须作出合格与否的结论。
5、校准结果通常是出具校准证书或校准报告；检定结果则是合格的发检定证书，不合格的发不合格通知书。

四、计量单位概述
所谓计量单位，是指为定量表示同种量的大小而约定地定义和采用的特定量。为给定量值按给定规则确定的一组基本单位和导出单位，称为计量单位制。
法定计量单位是指由国家法律承认、具有法定地位的计量单位。
我国《计量法》规定：“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。”
国际单位制是我国法定计量单位的主体，所有国际单位制单位都是我国的法定计量单位。
国家选定的作为法定计量单位的非国际单位制单位，是我国法定计量单位的重要组成部分，具有与国际单位制单位相同的法定地位。
国际标准或有关国际组织的出版物中列出的非国际单位制单位(选人我国法定计量单位的除外)，一般不得使用。若某些特殊领域或特殊场合下有特殊需要，可以使用某些非法定计量单位，但应遵守相关的规定。
例题：
在测量中用数值和测量单位的（）来表示被测量的量值。
A.幂函数
B.乘积
C.乘方
D.商
答案:B

、法定计量单位的构成
国际单位制是在米制的基础上发展起来的一种一贯单位制，其国际通用符号为“SI”。它由SI单位(包括SI基本单位、SI导出单位)，以及SI单位的倍数单位(包括SI单位的十进倍数单位和十进分数单位)组成，具有统一性、简明性、实用性、合理性和继承性等特点。SI单位是我国法定计量单位的主体，所有SI单位都是我国的法定计量单位。此外，我国还选用了一些非SI的单位，作为国家法定计量单位。
我国法定计量单位的构成：
(1)SI基本单位共7个，见教材P238表5.2-1；
(2)包括SI辅助单位在内的具有专门名称的SI导出单位共21个。见教材P239表5.2-2；
(3)由SI基本单位和具有专门名称的SI导出单位构成的组合形式的SI导出单位；
(4)SI单位的倍数单位，包括SI单位的十进倍数单位和十进分数单位，构成倍数单位的SI词头共20个。见教材P240表5.2-3；
(5)国家选定的作为法定计量单位的非SI单位共16个。见教材P241表5.2-4；
（6）由以上单位构成的组合形式的单位。
(一)SI基本单位，它们是构成SI的基础。
(二)SI导出单位
SI导出单位是用SI基本单位以代数形式表示的单位。它由两部分构成：一部分是包括SI辅助单位在内的具有专门名称的SI导出单位；另一部分是组合形式的SI导出单位，即用SI基本单位和具有专门名称的SI导出单位(含辅助单位)以代数形式表示的单位。
(二)SI导出单位
SI导出单位是用SI基本单位以代数形式表示的单位。它由两部分构成：一部分是包括SI辅助单位在内的具有专门名称的SI导出单位；另一部分是组合形式的SI导出单位，即用SI基本单位和具有专门名称的SI导出单位(含辅助单位)以代数形式表示的单位。
某些SI单位，例如力的SI单位，在用SI基本单位表示时，比较繁琐，不便使用。为了简化单位的表示式，经国际计量大会讨论通过，给它以专门的名称一牛[顿]，符号为N。类似地，热和能的单位通常用焦[耳](J)代替牛顿米(N•m)和kg•㎡／s2。这些导出单位，称为具有专门名称的SI导出单位。
电离辐射、医疗卫生领域中的某些量，涉及人类健康和安全防护。这些量的量纲相同，或具有与其他量相同的量纲，为了便于区分不同的物理量，避免使用时混淆而造成事故，这些量的SI导出单位也被赋予专门的名称。例如：吸收剂量通常用戈[瑞](Gy)代替焦耳每千克(J／kg)，剂量当量单位则用希[沃特]代替焦耳每千克(J／kg)。
SI单位弧度(rad)和球面度(sr)，称为SI辅助单位，它们是具有专门名称和符号的量纲为一的量的导出单位。它是组合形式的SI导出单位之一。
(三)SI单位的倍数单位
在SI中，用以表示倍数单位的词头，称为SI词头。它们是构词成分，用于附加在SI单位之前构成倍数单位(十进倍数单位和分数单位)，而不能单独使用。
表5.2-3共列出20个SI词头，所代表的因数的覆盖范围为10-24 ~ 1024
词头符号与所紧接着的单个单位符号应视作一个整体对待，共同组成一个新单位，并具有相同的幂次，而且还可以和其他单位构成组合单位。
由于历史原因，质量的SI基本单位名称“千克”中已包含SI词头，所以，“千克”的十进倍数单位由词头加在“克”之前构成。例如：应使用毫克(mg)，而不得用微千克(μkg)。
(四)可与SI单位并用的我国法定计量单位
由于实用上的广泛性和重要性，在我国法定计量单位中，为11个物理量选定了16个与SI单位并用的非SI单位，其中10个是国际计量大会同意并用的非SI单位，它们是：时间单位—分、[小]时、日(天)；[平面]角单位—度、[角]分、[角]秒；体积单位—升；质量单位—吨和原子质量单位；能量单位—电子伏。另外6个，即海里、节、公顷、转每分、分贝、特[克斯]，则是根据国内外的实际情况选用的。

法定计量单位的基本使用方法
我国国家标准GB3100-93和GB3101-93，对SI单位的使用方法作了规定，并与国际标准ISO 1000：1992和ISO 31—0：1992的规定一致。
(一)法定计量单位的名称
法定计量单位的名称，除特别说明外，一般指法定计量单位的中文名称，用于叙述性文字和口述中。名称中去掉方括号中的部分是单位的简称，否则是全称。简称和全称可任意选用，以表达清楚明了为原则。
组合单位的中文名称，原则上与其符号表示的顺序一致。单位符号中的乘号没有对应的名称，只要将单位名称接连读出即可。例如：N•m的名称为“牛顿米”，简称为“牛米”。而表示相除的斜线(／)，对应名称为“每”，且无论分母中有几个单位，“每”只在分母的前面出现一次。例如：单位J／(kg•K)的中文名称为“焦耳每千克开尔文”，简称为“焦每千克开”。
如果单位中带有幂，则幂的名称应在单位之前。二次幂为二次方，三次幂为三次方，依次类推。但是，如果长度的二次和三次幂分别表示面积和体积，则相应的指数名称分别称为平方和立方；否则，仍称为“二次方”和“三次方”。例如：m²／s这个单位符号，当用于表示运动粘度时，名称为“二次方米每秒”；但当用于表示覆盖速率时，则为“平方米每秒”。负数幂的含义为除，既可用幂的名称，也可用“每”。例如：℃^-1的名称为每摄氏度，亦称负一次方摄氏度。
例题：
5kg/ m³ 的正确读法是(   )。
A.5千克每立方米
B.5千克每三次方米
C.5千克每米三次方
D.每立方米5千克
答案：A

(二)法定计量单位和词头的符号

法定计量单位和词头的符号，是代表单位和词头名称的字母或特种符号，它们应采用国际通用符号。在中、小学课本和普通书刊中，必要时也可将单位的简称(包括带有词头的单位简称)作为符号使用，这样的符号称为“中文符号”。

法定计量单位和词头的符号，不论拉丁字母或希腊字母，一律用正体。单位符号一般为小写字母，只有单位名称来源于人名时，其符号的第一个字母大写；只有“升”的符号例外，可以用L。例如：时间单位“秒”的符号是s，电导单位“西[门子]”的符号是S，压力、压强、应力的单位“帕[斯卡]”的符号是Pa。

词头符号的字母，当其所表示的因数小于10⁶时，一律用小写体；而当大于或等于10⁶时，则用大写体。尤其要注意区分词头符号Y(10²⁴)与y(10^-24)，Z(10²¹)

与z(10^-21)，P(10¹⁵)与p(10^-12)，M(10⁶)与m(10^-3)。

单位符号没有复数形式，不得附加任何其他标记或符号来表示量的特性或测量过程的信息。它不是缩略语，除正常语句结尾的标点符号外，词头或单位符号后都不加标点。

由两个以上单位相乘构成的组合单位，相乘单位间可用乘点也可不用。但是，单位中文符号相乘时必须用乘点。例如：力矩单位牛顿米的符号为N·m或Nm，但其中文符号仅为牛·米。相除的单位符号间用斜线表示或采用负指数。单位中分子为1时，只用负数幂。例如：用m^-3，而不用1／m³。表示相除的斜线在一个单位中最多只有一条，除非采用括号能澄清其含义。例如：用W／(K．m)，而不用W／K／m或W／K·m。也可用水平线表示相除。

词头的符号与单位符号之间不得有间隙，也不加相乘的符号。口述单位符号时应使用单位名称而非字母名称。

(三)法定计量单位和词头的使用规则

法定计量单位和词头的名称，一般适宜在口述和叙述性文字中使用。而符号可用于一切需要简单明了表示单位的地方，也可用于叙述性文字之中。

单位的名称与符号必须作为一个整体使用，不得拆开。例如：摄氏度的单位符号为℃，20℃不得读成或写成“摄氏20度”或“20度”，而应读成“20摄氏度”，写成“20℃”。    

用词头构成倍数单位时，不得使用重叠词头。例如：不得使用毫微米等。选用SI单位的倍数单位，一般应使量的数值处于0.1~1 000的范围内。非十进制的单位，不得使用词头构成倍数单位。亿(10⁸)、万(10⁴)不是词头，只按一般数词使用。只通过相乘构成的组合单位，词头通常加在组合单位中的第一个单位之前。例如：力矩的单位kN·m，不宜写成N·km。只通过相除构成或通过乘和除构成的组合单位，词头通常加在分子中的第一个单位之前，分母中一般不用词头。例如：摩尔内能单位kJ／mol，不宜写成J／mmol。但质量的SI单位kg不作为有词头的单位对待。例如：比授能的单位可以写成J／kg。当组合单位分母是长度、面积和体积单位时，按习惯和方便，分母中可以选用词头构成倍数单位。例如：密度的单位可以选g／cm³。