计量学Metrology 测量原理Principle of measurement by accinent

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									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。
         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
   计量学:关于测量的科学
                 人员
   测量原理
   测量方法          计量          校准
                      测量仪器
   测量程序          测量
                             检定
   标准物质
             溯源性      基准

             单位制           质量与检验
标准与标准化

             计量学
                          本质上就是计量

         科   学    技   术
              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

        原则   适用    考核标准     实验室     考核内容

计量认证    依法   中国     专用          “强制” 仪器、环境、人员、
实验室认可   互认   国际   ISO/IEC 17025 /自愿   管理制度,等
                          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:
 GB/T 19000系列:等同采用ISO9000族的国家推荐标准(19项)
              技术委员会(TC):         228(闲置38)
  国标GB        分技术委员会(SC): 标611 名 称
                ISO                准
              工作组(WG):          2022
GB/T 19000.1 ISO 9000-1 质量管理和质量保证 第一部分:选择和使用指南
              特别工作组:              45
                          质量体系——设计、开发、生产、安装和服务的
GB/T 19001     ISO 9001
                          质量保证模式

GB/T 19002     ISO 9002   质量体系——生产、安装和服务的质量保证模式

GB/T 19003     ISO 9003   质量体系——最终检验和试验的质量保证模式

GB/T 19004.1   ISO 9004-1 质量管理和质量体系要素 第1部分:指南
     产品、服务、质量体系、能力
     标准编号                      标准内容                对象

  GB/T 15481-2000
                       《检测和校准实验室能力的通用要求》           能力
(ISO/IEC 17025:1999)
 GB/T 19000-2000
  ISO 14000:ISO/TC207制定的关于环境管理体系的标准
                    《质量管理和质量保证》                     顾客
   (ISO 9000 )
  OHSMS:Occupational Health and Safety Management Systems
    GB/T 24000
   OHSAS: Occupational Health and Safety Assessment政府、社会、
                        《环境管理体系》                   Series
    (ISO 14000)                                      相关方
    GB/T 28000
    HACCP:Hazard Analysis Critical Control Point
                    《职业安全健康管理体系》                   员工
  (OHSAS 18000)
      GSP:                 食品安全管理体系
      HACCP Good Supply Practiced                  顾客
                基于ISO Administration(U.S.A.)
      FDA:Food and Drug9001的对(汽车)供应方的质
      QS 9000                                      需方
               量管理体系的认证(Crysler、Ford、GM)
       GSP               《医药商品质量管理规范》              各方面
  几个问题
(术语、原理、技术)
     通用计量术语:测量与结果
       量
                      测量不确定度

真值     量值     期望值
                       测量结果

      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
 【测量结果的】重复性         【测量结果的】复现性
                 评价
   Repeatability      Reproducibility
  在相同测量条件下           在改变了的测量条件下
                               测量原理
          测量程序
相同的                 不同的        测量方法
           观测者                 观测者
一个人短时间             不同的人在不
          测量仪器                 测量仪器
内对某量进行             同时间使用不
多次测量的结   参考测量标准    同的原理、方    参考测量标准
 果的一致性     地点      法、仪器对某       地点
                   量进行测量的
           条件      结果的一致性      使用条件
  在短时间内重复测量                     时间
        通用计量术语:量与单位
                         【可测量的】量
        量制             [measurable] Quantity
         SI基本单位:7个
      System of
      quantities
         SI辅助单位:2个 基本量             导出量
                 Base quantity
         具有专门名称的SI导出单位:19个     Derived quantity
           国家选定的非SI单位:16个
                          基本量
           SI单位的十进倍数和分数单位的词头:20个
       量    长度   质量   时间   热力学温度    电流   物质的量   发光强度
 SI
基本    名称     米   千克   秒     开尔文     安培    摩尔    坎德拉
单位
      符号     m   kg   s         K   A     mol     cd
        单位的写法与读法
中华人民共和国国家标准:GB 3100系列
    GB 3100:国际单位制及其应用             Guó Biāo
    GB 3101:有关量、单位和符号的一般原则

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
      单位的写法与读法
 单位的写法:单位符号、单位名称
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
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
                 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=?
 作业题:数的修约规则
                           1.251=?1.349=?
通用计量术语:测量仪器
   测量设备 Measuring equipment

     测量系统 Measuring system

   测量仪器 Measuring instrument
    实物量具
 Material Measure      辅助设备
   测量传感器               Auxiliaries
Measuring transducer
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
 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》
通用计量术语:测量仪器的特性
 分辨力:Resolution                       依赖于量程
                显示装置能有效辨别的最小的示值差。

 the smallest portion 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
 通用计量术语:测量仪器的特性
  灵敏度:Sensitivity                 依赖于最低量程

                测量仪器响应的变化除以对应的激励变化。

the smallest change 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)
 通用计量术语:测量仪器的特性
  测量准确度:Accuracy of measurement
                                           精度/精密
测量结果与被测量真值之间的一致程度                             度
                                           Precision

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
 推荐读物:关于电性测量
Keithley:《Low Level Measurements》
通用计量术语:测量仪器的特性
        Instrument Specifications
                                        
Accuracy         Noise       Speed        Deratings

 Accuracy of the instrument itself

 Input loading  Leakage resistance and current

      Shielding            Guarding
   Accuracy of the instrument itself
                                   国家标准
             NIM         中国计量科学研究院 (NIM)
           Standard     National Institute for Metrology


           Secondary              工作标准
            Standard
Absolute                                    国家标准
Accuracy
           Measuring        Relative            国际标准
           Instrument       Accuracy
                                                区域标准
                                            行业标准
            Device
                                            地方标准
           Under Test
                                            企业标准
    Accuracy of the instrument itself
       True Value            NIM Standard

Accuracy
                                          工作标准
            
                                        
                                            Precision
  Result
                                    n

                                    x  x 
        n

       x
                                                   2
                       si
                i
                    s      si    i 1
                                             i

  x   i 1

            n           n                   n 1
  Accuracy of the instrument itself
      Analog Meter

   一般来说                        usually given as a percentage
准确度是全量程的百分数                    of full scale, such as ± 1%


           50 V
                                 100 V:  ± 1%: ± 1 V

                                   50 V:  ± 2%: ± 1 V

                                    1 V:  ± 100%: ± 1 V

Accuracy: ± 1% of full scale
                               Readings
     Accuracy of the instrument itself
        Digital Meter
                                               Accuracy
       一般来说
                                       ± (0.05% reading+1 count)
    准确度是读数的百分数
     + 末位有效数字

usually specified as a percentage of         +10.000 V
reading plus a number of counts of
                                           ± (5 mV + 1 mV)
the least significant digit

                                               Resolution
        ±00000             00.000           1
4½      +10000                                   0.005%
                                          20000
        –10000             19.999
 Accuracy of the instrument itself
 Digital Meter                   Analog Meter
                  Accuracy


     Resolution   Sensitivity    the lowest range


                      1 V

      ±000000
5½    +100000      +200.000 mV
      –100000
     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                                       -6
                                   ppm: parts per million, 10
被测信号     Input signal: 1.5 V                25 ppm = 0.0025%

 误差计算         error =1.5×(25×10-6) + 2×(5×10-6)
                    =(37.5×10-6) + (10×10-6)
                    =47.5×10-6

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
          误差分析
           与
         测量不确定度
          (另设专题)

 误差      测量结果减去被测量的真值

         表征合理地赋予被测量之值的分散性,与测量结果相
测量不确定度
         联系的参数
      为什么采用测量不确定度
 误差与测量不确定度的比较

            误   差         测量不确定度

表示方法     有正号或者负号的量值      无符号的参数,置信区间

 定义      测量结果偏离真值的大小      测量结果的分散性

 性质    客观存在,与人类的认识程度无关   与人类的认识程度有关

评价方法 真值不可知导致误差不能准确得到 可以进行定量确定,A、B

 分类      随机误差、系统误差        一般不必区分其性质

使用规则    必须用系统误差修正测量结果    不能用来修正测量结果
       实验中的测量不确定度
1.    对被测量的定义不完整或者不完善
2.    实现被测量定义的方法不理想
3.    取样的代表性不够
4.    对测量过程的环境因素的影响认识不足
5.    对模拟式仪器的读数存在人为读数偏差
6.    测量仪器的计量性能的影响
7.    赋予计量标准的值和标准物质的值不准确
8.    引用的数据或者其它参量的不确定度
9.    与测量方法和测量程序有关的近似性和假定性
10.   在表面看来完全相同的条件下,被测量重复观
      测值的变化
    几个故事
   (计量单位漫谈)

没有单位,就 不可能 比较量值
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。
       故事:计量单位
• 秦始皇(前259年~前210年)的历史功绩:
统一度量衡(前221年~前216年)
  “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
         故事:计量单位
• 权势人物                   古典阶段:身体

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 = ……
            故事:计量单位
 • 器具与现象-计量学的开始                 经典阶段:实物

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。
                故事:计量单位
• 量子(自然)基准(标准):                                  现代阶段:量子
       迄今为止,国际上已正式确立的量子基准有:
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) 
            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)
         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。
电磁学单位制

• 电磁学单位制的历史

• 电磁学单位制的现状
      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
     电磁学单位制的历史

相对            电压、电量、电容、电流
     无统一单位制
单位            磁场强度、磁感应强度、磁通

以1832年C. F. Gauss引入绝对单位(力学单位)为分界

              高斯-韦伯绝对单位:mm-mg-s

     CGS单位制             Ohmad单位制
绝对            实用单位制     B. A. 单位制
单位
                        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
• 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
         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
       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)
        电磁学单位制的历史
  • CGS单位制
 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)

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
      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)”
            电磁学单位制的历史
   • 实用单位制
 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。

 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
起 W. Thomson(即Kelvin勋爵)为首的六人电标准委员会提出mgs绝对单
源 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。
        电磁学单位制的历史
 • 麦克斯韦的“象限制”
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。

“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。
           电磁学单位制的历史
  • 实用单位制的统一进程(1)
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


  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
      电磁学单位制的历史
• 实用单位制的统一进程(2)
1882年C. W. Siemens建议增加另外四个实用单位的名称:
磁化强度:Weber;功率:Watt;
磁场强度:Gauss ;热量:Joule

1889年8月31日在法国巴黎召开的第二届IEC大会上
决定采用:1 Watt= 107 CGS emu的功率
       1 Joule=107 CGS emu的功
推荐: 磁通实用单位: Maxwell
     磁感应强度的实用单位:Weber
         电磁学单位制的历史
  • 实用单位制的统一进程(3)
1893年在美国芝加哥召开第四届IEC大会,会议决定采用物理
标 准 为 基 础 , 而 不 以 CGS 单 位 制 为 基 础 单 位 。 以 Ohm 、
Ampere和Volt为基本单位,定义了八个国际单位:国际Ohm、
国际Volt、国际Ampere、国际Coulomb、国际Farad、国际Joule、
国际Watt、国际Henry。

   电磁学历史上的第一个国际单位制,1894年起生效。

1900年开始,磁通:Maxwell;1930年,磁感应强度:Gauss;
磁场 强 度 : Oersted; 1935年, 磁通:Weber ( 1 Weber =108
Maxwell);电导率:Siemens;频率:Hertz。
            电磁学单位制的历史
 • MKS单位制(有理制和非有理制)

1896年G. Giorgi(意大利)提出CGS单位制的推导方法。1901年10月13日
提出MKSO单位制,以m、kg、s和Ohm为基本单位的实用单位制。1904
年在美国St. Louis召开IEC大会将MKSO列入议题。1906年国际电工委员
会 ( IEC , International Electrotechnical Commission) 成 立 。 1935 年 在
Scheveningen-Brussels召开的第届IEC大会上MKS获得通过,但是否定了
将Ohm作为第四个基本单位的设想。

1940年1月1日,CIPM宣布采用MKS单位制,要求国际单位建立
在CGS单位制的绝对测量上,反对用物理条件来决定国际单位。
1946年10月决议:从1948年1月1日起,用绝对单位(cm、g、s)
取代某些物质标准基础上的电学单位。
           电磁学单位制的历史
  • MKS单位制(有理制和非有理制)
                            Q1Q2 Q1Q2                     m1m2   mm
Coulomb Law          Fe                          Fm          1 22
                            r 2
                                   k1 0 r 2               r 2 k2  0 r

                          m  idl sin  m  idl sin         2 r
                                                                        2

 Biot-Savart Law     dF                                       
                               r 2
                                           k3 r 2             t 

                    2   0  0 c0 ,
                                  2
                                          k32  k1k 2

首先确定导出c0的基本单位;其次确定选取0、0、中哪一个
作为独立量;最后确定k1、k2、k3。以保证公式的系数简化。

如果k1、k2、k3选取1时为非有理单位制;选取4时为有理单位制
             电磁学单位制的历史
  • Heaviside有理化单位
1885年Oliver Heaviside将Maxwell的20个分量式电磁场方程简化
为4个较为对称的矢量方程。有理化单位、矢量式、对称性。
    
  E  4              D  0            D  
    
B  0                  B  0            B  0
               
          1 B                        B            B
 E                     E  Jm        E  
           c t                        t            t
                     
      4  1 D                      D                   D
 B        Je           H  Je          H  Je 
          c       c t                t                   t

    CGS单位制                Heaviside方程       现在通用方程
       电磁学单位制的历史
• Maxwell对于物理量分类的贡献
1637年René Descartes(笛卡儿)将直角坐标系(亦称为笛
卡儿坐标系,Cartesian coordinates)引入几何学。

William Rowan Hamilton(哈密顿)把物理量分为矢量和标
量两大类,而矢量和标量是不能相加减的。

1863年James Clerk Maxwell(麦克斯韦)发表《论电量的基
本关系》,系统地引进量纲的概念和表示法。指出“力矢量”
和“通量矢量”的关系及其区别。如磁场强度H和电场强度
E具有力性质;磁感应强度B和电位移矢量D为通量性质。
         电磁学单位制的历史
  • MKSA单位制的采用
 1950 年 7 月 IEC大会采 用 Heaviside 的有理化 单位制 , 引入
 Ampere作为第四个基本单位(电流),即MKSA单位制。

  • SI单位制(新的国际单位制)的建立

1954年第十届国际计量大会 (CGPM)采用有理化单位制;1960
年 10 月 的 第 十 一 届 CGPM , 引 入 Kelvin ( 热 力 学 温 度 ) 和
candela(发光强度);1971年引入Mole(物质的量),至此新
的国际单位制全部建立起来,为了与1893年的第一个国际单位
制相区别,用SI来表示现在的国际单位制。
                  电磁学单位制的现状
      • 统一采用SI单位制
         电磁学的SI单位制与MKSA单位制一致。

      • 谁在使用非SI单位制?
Many U.S. teachers think the answer is “Liberia(利比里亚) and Burma(缅甸)”
(make that Myanmar(缅甸)). Let's give Liberia and Myanmar a break! All
countries have adopted the metric system, including the U.S., and most countries (but
not the U.S.) have taken steps to eliminate most uses of traditional measurements.
However, in nearly all countries people still use traditional units sometimes, at least
in colloquial expressions. Becoming metric is not a one-time event that has either
happened or not. It is a process that happens over time. Every country is somewhere in
this process of going metric, some much further along than others.
                 常用电磁学单位
量别         物理量      量的符号      SI单位                   换算系数          CGS单位

       长度             l          1m         =             102       cm
       质量             m          1 kg       =             103        g

力学量
      磁能积 BH:
       时间             t          1s         =              1         s
       力              F          1N         =             105       dyn
        B的单位T(esla)=kg · 1 W
       功率        P               s-2    ·A-1=             107       erg/s

        H的单位A · m-1
       功[能]      W               1J         =             107       erg
       磁矩           moment    1 Am2         =             103       emu
       磁场强度           ·
              BH=T · AH   m-1=   m-1
                              1 A/m       · kg ·
                                             =     s-2
                                                     410-3        Oe

        能量的单位J(oule)= 1 A/m· kg ·= -2
       磁化强度    M      m2          s                       10-3       G
       磁通                    1 Wb          =             108       Mx
       磁通密度   能量密度= J ·
                  B          m-3 1T   =   m-1
                                            =   · kg · 10  s-2
                                                            4        G
磁学量
      因此: BH=T · A · m-1=J · m-3
       磁极化强度     J      1T     =                         104/ 4    emu
       自感、互感         L、M         1H         =             109       emu
       磁导率                   1 H/m         =            107/ 4    emu
       磁化率                   1 H/m         =        107/ (4)2     emu
                             1 T·A/m        =             40      GOe
       磁能积           BH
                             1 MJ/m3        =             40      MGOe
      如何确定电学单位
• 电学单位与力学单位的关系
s    m             kg            A


     N      kg · m ·   s-2       kg · m2 · s-3 · A-2
                                 
      J     N·m

            kg · m2 · s-3        kg · m2 · s-3 · A-1
    J·s-1                    W   V
    机械功率                 电功率
         如何确定磁学单位
• 磁学单位是导出单位
        由磁学量的定义方程式来确定。
                         
磁矩 m:        m  Is      T  m B
                                     
磁感应强度 B:F  qv  B           磁通:    B  dA
                     
              D
磁场强度 H:   H  J 
                    t
                                   
磁化强度 M: B  0 ( H  M )  (1   )0 H  H
                                         
磁化率 :  M  H                磁导率 : B  H
                 SI单位制的维持机构
The international system of units, SI, Le Système International d’Unités
 Meter Convention,国际米制公约(La Convention du Mètre)
 1875年5月20日共有17个国家在巴黎签署的国际公约(Treaty),成立BIPM
 和CGPM,并由CIPM来组织和管理BIPM和CGPM。至2004年1月有51个缔约
 国和16个准会员。(中国1977年5月9日宣布,6月16日确认。)
 BIPM,国际计量局,总部位于法国巴黎郊区Sèvres的Pavillon de Breteuil。
 The International Bureau of Weights and Measures (Bureau International des Poids
 et Mesures ) 。
 CGPM,国际计量大会,每四年召开一次,为国际计量最高权力机构。
 the General Conference on Weights and Measures (Conférence Générale des Poids
 et Mesures ) 。
 CIPM,国际计量委员会,是CGPM的常设执行结构。
 the International Committee for Weights and Measures (Comité International des
 Poids et Mesures ) 。
CGPM会员与准会员(2004年1月29日)
Members (51)
     Argentina            Greece                         Poland
     Australia            Hungary                        Portugal
     Austria              India                          Romania
     Belgium              Indonesia                      Russian Federation
     Brazil               Iran, Islamic Republic of      Serbia and Montenegro
     Bulgaria             Ireland                        Singapore
     Cameroon             Israel                         Slovakia
     Canada               Italy                          South Africa
     Chile                Japan                          Spain
     China                Korea, Dem. People's Rep. of   Sweden
     Czech Republic       Korea, Republic of             Switzerland
     Denmark              Malaysia                       Thailand
     Dominican Republic   Mexico                         Turkey
     Egypt                Netherlands                    United Kingdom
     Finland              New Zealand                    United States
     France               Norway                         Uruguay
     Germany              Pakistan                       Venezuela

Associates of the CGPM (16)
     Belarus              Jamaica                        Philippines
     Chinese Taipei       Kenya                          Slovenia
     Costa Rica           Latvia                         Ukraine
     Cuba                 Lithuania
                                                         Viet Nam
     Ecuador              Malta
     Hong Kong (China)    Panama
 几点建议
(一些相关问题)
      中华人民共和国计量法
1985年9月6日第六届全国人民代表大会常务委员会第十二次会议通过


          第一章 总     则
    第一条     为了加强计量监督管理,保
 障国家计量单位制的统一和量值的准确可
 靠,有利于生产、贸易和科学技术的发展,
 适应社会主义现代化建设的需要,维护国
 家、人民的利益,制定本法。
        留给我们的思考题
 • 现代战争
             1999年05月08日

   科索沃战争:中国驻南联盟大使馆被炸



时间基准
        精确制导炸弹的精确度

伊拉克战争:斩首行动 Decapitation Strike
         震慑行动:Operation Shock and Awe
2003年3月20日10时34分~2003年5月2日上午9时(北京时间)
        留给我们的思考题
 • 误炸与误伤(2003年伊拉克战争)
3月23日,一枚“爱国者”导弹击落了一架在伊拉克和科威特边界飞
    行的英国空军的一架“旋风”战斗机,造成两名飞行员死亡。
3月24日,一架美国空军的 F-16战斗机用反辐射导弹 A G M-88把一个
    用来控制“爱国者”导弹发射的相控阵雷达击毁。
4月2日,一枚“爱国者”导弹将正在伊拉克中部卡尔巴拉地区执行近
   距空中支援任务的 F/ A-18战斗机击落,造成一名飞行员死亡。
4月6日,一架美军的 F-15战斗机在伊拉克北部误炸了一支由美军特种
   部队和库尔德人武装组成的车队,造成一人死亡、多人受伤。
3月21日,美军发生两架直升机相撞事件。开战之初,美军的一架 A
    - 10攻击机还攻击了英军的装甲车队。
        留给我们的思考题
 • 中日农产品贸易摩擦
2000年12月,日本宣布对自中国进口的大葱、鲜香菇等进行调查。
2001年03月27日,日本农林水产省大臣谷津义男宣布,从4月1日起到
    10月底,对所有进口农产品实施检疫管理。
2001年04月23日零时起,日本对中国出口的大葱、鲜香菇、蔺草席实
    施的临时紧急限制进口措施开始生效,一直持续到11月8日。
2002年04月,日本认为从中国进口的菠菜、松蘑、青豆荚等蔬菜的毒
    死蜱(一种农药)的含量超标。并将检出的个案通过媒体大肆炒作。
    国际上通行的标准是每公斤零点零五毫克,而日本针对中国农产
    品却提出了每公斤零点零一毫克的苛刻标准。

          技术壁垒:痕量检测技术
         留给我们的思考题
  • 不沾锅的毒性-“特富龙”全氟辛酸检
    测
2004年7月8日 美国环保署(EPA)表示,由于杜邦公司20年来均未通
报制造特富龙的一种关键原料——全氟辛酸铵,可能会给人类健康带
来潜在危害,拟对其处以数亿美元的重罚。
特富龙(Teflon)是美国杜邦公司对其研发的所有碳氢树脂的总称。由于其
独特优异的耐热(180℃-260℃)、耐低温(-200℃)、自润滑性及化学稳
定性能等,曾被称为“拒腐蚀、永不沾的特富龙”。它在不粘锅,其他如衣
物、家居、医疗甚至宇航产品中也有广泛应用。

国家质检总局已经组织中国检验检疫科学研究院研究出不粘锅“特富
龙”涂层中全氟辛酸的测定方法(包括气相色谱法和液相色谱法),
对不同环境下(包括高温条件下)全氟辛酸铵的含量及特性进行研究;
同时将就全氟辛酸对人体健康的危害进行研讨和论证。

      技术壁垒:痕量检测技术
           全氟辛酸铵
     Ammonium Perfluoroocatanate

商品名称:全氟烷基羧酸铵
分子式:C8HF15O2N
物化性质:可溶于水、甲醇、丙酮,熔点:130℃(分解)
主要用途:用作分散剂、乳液聚合法合成PVC
          留给我们的思考题
  • 兴奋剂 Doping
           加拿大著名短跑运动员本·约翰逊
   在1988年汉城奥运会上因药检阳性而被取消金牌(9.79 秒)
 1904年美国圣路易斯奥运会,美国马拉松运动员托马斯·西柯斯服用了大量的混合
 了鸡蛋清的的士宁,成为奥运史上第一位有案可查的服药选手。
 1908年奥运会,意大利马拉松运动员多兰多·彼得里跑到终点处虚脱倒地,被认为
 是服用了士的宁(strychnine)。
 1960年,丹麦自行车运动员克纳德·延森在公路自行车比赛时突然死亡。
 1967年,英国历史上最杰出的自行车运动员、1965年世界冠军汤米·辛普森在环法
 赛途中死于法国境内的旺图山峰。在他的衣服口袋中发现了尚未服用完的安非他明
 (Amphetamine 苯丙胺)。
 1973年,前奥运会链球冠军海尔·康诺利承认:“从1964年至1972年,作为我的投
 掷训练的组成部分,我像我的所有竞争对手一样,一直在使用合成类固醇。”
 现在像人体生长激素(HGH)这种因目前找不到满意的检测方法。……

在所有的运动项目中,运动员滥用兴奋剂最严重的依次为自行车、田径、举重、游泳。
         留给我们的思考题
  • 兴奋剂检测 Doping Control   猫捉老鼠游戏
1961年,国际奥委会医学委员会成立于希腊雅典,由阿瑟·波里特爵士出任主席。
1964年,由比利时的亚历山大·德梅罗德亲王担任主席。
 1964年东京奥运会,首次对自行车运动员进行了小规模的某些药物检测。
 1968年格勒诺布尔冬季奥运会和墨西哥城夏季奥运会上,第一次在所有比赛
 项目中实施了全面的药物检测。
 1974年开始采用英国伦敦圣托马斯医院的雷蒙德·布鲁克斯教授发明的一种
 既简单又可靠的分析合成代谢类固醇方法。
 1975年4月,国际奥委会宣布禁止使用代谢类固醇方法。
 德国科隆兴奋剂检测实验室的前领导人曼弗雷德·多尼克教授发明“类固醇
 显形法”,即使某个运动员在药物检测前几个月已停止服药,仍然能查出该
 运动员是否使用了激素类药物。这位科学家不幸于1995年8月逝世。
        留给我们的思考题
 • 兴奋剂检测 Doping Control
 自1964年以来,国际上一直采用的是尿检为主,血检为辅的检测原则。

1989年,国际滑雪联合会才在世界滑雪锦标赛上首次进行血检。
目前难以在尿检中查出的如缩氨酸、荷尔蒙及其同类产品像促红细胞生长素
(EPO)、人体生长激素(hGH)等,可以通过血检进行。
1991年,国际奥委会通过了一项议案,在其医务委员会下成立赛外检查委
员会,进行飞行检查,简称“飞检”,亦称赛外检查,指的是在比赛以外期
间进行的不事先通知的突出性兴奋剂抽查。
国际奥委会已考虑在其总部(瑞士洛桑)建立一所兴奋剂检测实验室,组织
一批医生和研究人员继续完成多尼克教授留下的工作,并进行其它开创性的
研究,以对付滥用药物者不断更新扩充的药物种类和服用方法。
生物芯片?

  魔鬼      科学技术      正义     猫捉老鼠游戏
     IOC违禁药品与违禁方法
到2004年,国际奥委会公布的违禁药品种类已经上升到9种,并且还有3种
违禁方法。9大类药品分别是刺激剂、麻醉镇痛剂、大麻(酚)类、合成类
固醇、肽类激素、受体阻滞剂、抗雌激素作用的制剂、利尿剂和糖皮质类
固醇。三种违禁方法分别是指,提高输氧能力;药物的、化学的或物理的
篡改手段;基因兴奋剂。

刺激剂常用的有安非他明、可卡因、苯丙胺、咖啡因和麻黄素等40余种。

麻醉镇痛剂以吗啡为代表。

合成类固醇常见的有康力龙、大力补等,是使用频率最高的一类兴奋剂。

当研究人员花费数年时间刚刚找到了检测促红细胞生长素(EPO)的新方
法后不久,一种名为“达比波廷”(Darbepoetin)的违禁药物悄然在国际
上流行开来,它属于作用更强的第二代EPO,而且不容易被查到。
                留给我们的思考题
 • 2008年北京奥林匹克运动会




              非商业目的引用

    猫
            捉         老鼠       游戏
    猫                                         2001年7月13日22:10
                                              莫斯科国际贸易中心

“The Games of the 29th Olympiad in 2008 was awarded to the city of Beijing”
               留给我们的思考题
 • 关于纳米的可操作性计量:m  nm?
 • 关于强激光的可操作性计量:TW?
 • 关于软件的可操作性计量:?     思维?

计量科学与技术是综合实力的真正体现!
美国:NIST (National Institute of Standards and Technology)
中国:NIM (National Institute of Metrology)
阿伏加德罗(Avogadro)常数 NA;                 玻耳兹曼(Boltzmann)常数 kB=R/NA
                          cAr (e) M 0 2
普朗克(Planck)常数          h                  引力(gravitation)常数 G
                            2 R N A
c, e, me, RH, R, a0, B, R,…                            Class Is Over

								
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