測(cè)量是科學(xué)研究、工程技術(shù)、商業(yè)活動(dòng)等各領(lǐng)域中不可或缺的基礎(chǔ)工作。幾乎所有的日?；顒?dòng)都離不開它，因?yàn)樵谌粘Ｉ钪?，我們?huì)遇到長度、重量、時(shí)間等不同類型的測(cè)量。我們可以把測(cè)量看作是將數(shù)字與物理量聯(lián)系起來的過程，是一種旨在產(chǎn)生有關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)狀態(tài)的知識(shí)的活動(dòng)。測(cè)量理論涵蓋了如何將數(shù)字分配給物體和現(xiàn)象、不同測(cè)量之間的關(guān)系以及測(cè)量過程中相關(guān)誤差的原理。

　　根據(jù)艾森哈特的定義，測(cè)量是 "為物質(zhì)事物分配數(shù)字[或數(shù)值]，以表示它們之間在特定屬性方面的關(guān)系"。分配數(shù)字的過程會(huì)產(chǎn)生輸出結(jié)果，而輸出結(jié)果可通過統(tǒng)計(jì)技術(shù)進(jìn)行控制，分配的值被定義為測(cè)量值。他提出的三個(gè)基本概念被人們接受：

　　測(cè)量過程需要統(tǒng)計(jì)控制；

　　統(tǒng)計(jì)控制意味著測(cè)量過程具有可重復(fù)性和再現(xiàn)性；

　　測(cè)量值必須包含不確定性聲明。

　　艾森哈特的工作對(duì)整個(gè)計(jì)量界的測(cè)量過程產(chǎn)生了永久性的影響，它被標(biāo)準(zhǔn)化組織廣泛接受和使用。

　　獲得測(cè)量結(jié)果的綜合流程稱為測(cè)量系統(tǒng)，其中可能包括儀器或量具、標(biāo)準(zhǔn)、方法、夾具、軟件和人員的集合，最終為被測(cè)特征分配一個(gè)數(shù)字。由于測(cè)量過程的輸出結(jié)果用于對(duì)產(chǎn)品和制造過程做出決策，因此測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量至關(guān)重要，這些數(shù)據(jù)通常以偏差和方差為特征。使用基于數(shù)據(jù)的程序價(jià)值受到測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的限制，而測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量與從測(cè)量系統(tǒng)中獲得的多個(gè)測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)屬性有關(guān)。

　　標(biāo)準(zhǔn)化

　　標(biāo)準(zhǔn)化伴隨著人類社會(huì)的發(fā)展，早在古代就有了標(biāo)準(zhǔn)。早期標(biāo)準(zhǔn)的主要目的是使人類活動(dòng)與自然現(xiàn)象保持一致，最初的標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)量時(shí)間和空間的方法。

　　時(shí)間單位標(biāo)準(zhǔn)

　　約2萬年前，冰河時(shí)期的獵人在洞穴中刻線，計(jì)算不同月相之間的天數(shù)。中國的度量衡體系以人體的某部分或自然界某些穩(wěn)定的物理特征為基準(zhǔn)，如“布手知尺”、“掬手為升”、“權(quán)衡取重”，初步建立了長度、容積和重量的基本單位。商周時(shí)期，度量衡制度有了進(jìn)一步的發(fā)展和完善。甲骨文中有許多關(guān)于度量衡的記載，如“步”（長度單位）、“斛”（容量單位）、“斤”（重量單位）等。

　　秦始皇統(tǒng)一六國后，于公元前221年推行全國統(tǒng)一的度量衡制度，這是中國歷史上第一次大規(guī)模的度量衡標(biāo)準(zhǔn)化改革。秦朝確定了嚴(yán)格的度量衡單位，如“一步六尺，二百四十步為一里；一斛十斗，十六兩為一斤”。這一舉措極大地推動(dòng)了全國范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，也為后續(xù)各朝代度量衡制度的完善奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　科學(xué)、技術(shù)和制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我們的生活影響巨大，因?yàn)樗鼈兛梢苑乐箍赡馨l(fā)生的技術(shù)問題。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)改善了日常生活，解決了從制造業(yè)到公共安全的各種問題。

　　正如希臘哲學(xué)家赫拉克利特所說："戰(zhàn)爭(zhēng)是萬物之父，也是萬物之王"，戰(zhàn)爭(zhēng)常常迫使人們實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化。軍事標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)例子是可互換步槍零件，19世紀(jì)最初幾年，伊萊-惠特尼用這種零件組裝火槍，在美國得到推廣。

　　其中一個(gè)與公共安全有關(guān)的例子是1904年巴爾的摩大火，這場(chǎng)大火燃燒了一天多，燒毀了1500座建筑。來自紐約、費(fèi)城、威爾明頓和哈里斯堡的消防隊(duì)來到巴爾的摩滅火，但他們的大部分消防水龍無法連接到消防栓上。吸取教訓(xùn)后，美國啟動(dòng)了許多標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目。

　　最新的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)例之一是電動(dòng)汽車充電連接器。北美充電標(biāo)準(zhǔn)（NACS）連接器的標(biāo)準(zhǔn)化將確保所有制造商都能在電動(dòng)汽車上和充電站安裝NACS連接器。

　　根據(jù)上述例子，"標(biāo)準(zhǔn) "一詞的具體含義可因語境而異。它可以指一種測(cè)量單位、一套做法、特定部分或看待世界的方式。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)可以確保技術(shù)正常運(yùn)行，因?yàn)樗鼈兲峁┖饬亢驮u(píng)估性能的基本術(shù)語。使不同制造商生產(chǎn)的部件可以互換；以及通過確保產(chǎn)品的安全性和耐用性來保護(hù)消費(fèi)者。

　　標(biāo)準(zhǔn)的主要類別包括：

　　測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：度量衡系統(tǒng)的基本參考；

　　文件標(biāo)準(zhǔn)：測(cè)試方法、抽樣程序、分類等。

　　測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的例子包括作為美國民用時(shí)間基礎(chǔ)的 NIST - F1 和 F3 原子鐘，以及作為所有質(zhì)量測(cè)量基礎(chǔ)的 Kibble 天平。

　　國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）。NIST 成立于 1901 年，是美國的主要標(biāo)準(zhǔn)組織，負(fù)責(zé)與其他國家協(xié)調(diào)其測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)并向其他測(cè)量系統(tǒng)分發(fā)測(cè)量和校準(zhǔn)程序。校準(zhǔn)程序是用于傳遞測(cè)量結(jié)果的過程，目的是使其他測(cè)量系統(tǒng)與 NIST 的測(cè)量結(jié)果保持一致。這一轉(zhuǎn)移過程通常涉及一個(gè)分級(jí)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)；每個(gè)級(jí)別都依賴于自己的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。

　　物理測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)有幾個(gè)等級(jí)層次：

　　國家標(biāo)準(zhǔn)：通常由 NIST 掌握。

　　一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：由 NIST 利用最先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)將測(cè)量結(jié)果傳遞給它。

　　二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：由能夠獲得一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的組織移交。

　　工作標(biāo)準(zhǔn)：用于校準(zhǔn)生產(chǎn)設(shè)施的測(cè)量系統(tǒng)。

　　通過適當(dāng)校準(zhǔn)程序連接回 NIST 的測(cè)量被定義為可溯源至 NIST。同樣，美國國防部將溯源性定義為 "通過不間斷的比較鏈，將單個(gè)測(cè)量與國家標(biāo)準(zhǔn)或國家認(rèn)可的測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)系起來的能力"?？勺匪菪允且粋€(gè)重要的概念，因?yàn)榭勺匪莸较嗤瑯?biāo)準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果會(huì)比不可追溯的測(cè)量結(jié)果更加一致?？勺匪菪钥蓪?duì)減少產(chǎn)品的重新測(cè)試、拒收或接收產(chǎn)生積極影響。

　　如果不使用可追溯標(biāo)準(zhǔn)，就不可能確定測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。沒有自己計(jì)量部門的制造和測(cè)試機(jī)構(gòu)通常會(huì)使用被稱為 "校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室 "的外部機(jī)構(gòu)的服務(wù)。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能夠在特定條件下確定特定測(cè)量設(shè)備與已知參考值和不確定度的溯源標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系。

　　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是一種專門的文件形式，它試圖在特定的實(shí)踐社區(qū)中創(chuàng)建一致和統(tǒng)一的做法。各組織圍繞標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成共識(shí)的方式各不相同。

　　制定標(biāo)準(zhǔn)的方法和過程的形式?jīng)Q定了標(biāo)準(zhǔn)的類型。兩種主要的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)類型是

　　事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)：在實(shí)踐中被某個(gè)行業(yè)及其客戶廣泛接受，但未經(jīng)正式批準(zhǔn)。

　　法律上的：由官方標(biāo)準(zhǔn)組織批準(zhǔn)，通過正式程序制定。

　　無論是事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)還是法律標(biāo)準(zhǔn)，都是自愿遵守的。不過，在某些情況下，法律上的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)被法律規(guī)范或法規(guī)引用，從而強(qiáng)制要求遵守。在某些情況下，如果通過正式的標(biāo)準(zhǔn)程序，事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)可以成為法律標(biāo)準(zhǔn)。

　　國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的網(wǎng)站上有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的最佳描述。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的說法，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的標(biāo)準(zhǔn)是由專家在國際范圍內(nèi)商定的，它們代表了在其主題領(lǐng)域擁有專業(yè)知識(shí)并了解其所代表的組織的需求的人們的智慧結(jié)晶。標(biāo)準(zhǔn)就像一個(gè)公式，描述了做某件事的最佳方法。

　　ASTM 國際組織（前身為美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)）將標(biāo)準(zhǔn)正式定義為 "在協(xié)會(huì)協(xié)商一致的過程中制定和確立的文件，符合 ASTM 程序和規(guī)定的審批要求"。

　　ASTM 出版了六種不同類型的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括 (a) 測(cè)試方法、(b) 規(guī)格、(c) 分類、(d) 實(shí)踐、(e) 指南和 (f) 術(shù)語。

　　標(biāo)準(zhǔn)制定。標(biāo)準(zhǔn)化包括從實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)制定到其出版、接受和實(shí)施的廣泛考慮。美國的標(biāo)準(zhǔn)化體系是一個(gè)分散的體系，按工業(yè)部門劃分，并由獨(dú)立的私營部門標(biāo)準(zhǔn)制定組織提供支持。這也是一個(gè)自愿和需求驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，由利益相關(guān)者根據(jù)行業(yè)和消費(fèi)者表達(dá)的具體關(guān)切和需求制定和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。

　　在美國，美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）成立于 1918 年，是一個(gè)管理和協(xié)調(diào)美國標(biāo)準(zhǔn)以及合格評(píng)定系統(tǒng)的組織。它批準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)（ANS），是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際電工委員會(huì)（IEC）和其他組織的美國國家成員機(jī)構(gòu)。

　　國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）是一個(gè)獨(dú)立的非政府國際標(biāo)準(zhǔn)制定組織，由成員國國家標(biāo)準(zhǔn)組織的代表組成。截至 2023 年，共有 167 個(gè)成員。該組織制定并發(fā)布技術(shù)和其他領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。

　　對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)常見誤解是，標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)發(fā)布就被認(rèn)為是成功的，工作也就完成了。人們錯(cuò)誤地認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)的采用和一致性本身就會(huì)隨之而來。

　　如前所述，自愿制度是美國標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)；標(biāo)準(zhǔn)的制定有賴于不同利益相關(guān)者之間的數(shù)據(jù)收集、討論和協(xié)議。由于這些原因，在制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將廣泛的參與者納入這一過程至關(guān)重要。

　　這些貢獻(xiàn)者必須具備豐富的知識(shí)，才能制定出反映當(dāng)前技術(shù)和需求的標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到最佳效果，必須在產(chǎn)品制造商、最終用戶、技術(shù)專家和標(biāo)準(zhǔn)專家等特定貢獻(xiàn)者群體之間取得平衡。盡管有適當(dāng)?shù)拇?，但兩個(gè)群體對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化成果的評(píng)價(jià)可能完全不同。

　　例如，特定的制造商可能認(rèn)為擬議的標(biāo)準(zhǔn)不適合他們的產(chǎn)品，而其他制造商則認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)非常適合他們的技術(shù)。這兩類人對(duì)成功的標(biāo)準(zhǔn)有著不同的看法。標(biāo)準(zhǔn)制定工作的大多數(shù)參與者都希望標(biāo)準(zhǔn)獲得成功，但不同參與者對(duì)成功的理解可能有所不同。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)常見誤解是，標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)發(fā)布就被認(rèn)為是成功的，工作也就完成了。人們錯(cuò)誤地認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)的采用和一致性本身就會(huì)隨之而來。

　　與自愿標(biāo)準(zhǔn)制定相關(guān)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是潛在的串通，即兩個(gè)或兩個(gè)以上的技術(shù)制造商共同推動(dòng)有利于其技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　如前所述，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是在特定社區(qū)內(nèi)統(tǒng)一具體做法（如測(cè)試方法）。制定一項(xiàng)讓各方都滿意的標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，同時(shí)還要認(rèn)識(shí)到不同貢獻(xiàn)者的不同目標(biāo)和優(yōu)先事項(xiàng)，這對(duì)于就具體測(cè)試方法和功能達(dá)成共識(shí)非常重要。

　　除了標(biāo)準(zhǔn)制定的組織部分，工程和科學(xué)方面的努力對(duì)于制定成功的標(biāo)準(zhǔn)也同樣重要。在制定新的測(cè)試方法時(shí)，必須在各個(gè)階段采用嚴(yán)格的工程實(shí)踐。

　　新的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法應(yīng)針對(duì)其預(yù)期目的和應(yīng)用范圍進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證過程中，最終目標(biāo)是確保測(cè)試方法代表了產(chǎn)品的特性，并具有所需的重現(xiàn)性和可重復(fù)性。

　　ASTM E 1488《用于制定和應(yīng)用測(cè)試方法的統(tǒng)計(jì)程序標(biāo)準(zhǔn)指南》2 為如何制定估計(jì)精度和偏差聲明提供了指導(dǎo)。該標(biāo)準(zhǔn)建議在制定測(cè)試方法時(shí)分幾個(gè)特定階段進(jìn)行。圖 2 顯示了其中的一些步驟。

　　建議采取四個(gè)步驟：

　　設(shè)計(jì)階段

　　開發(fā)階段

　　評(píng)估階段

　　監(jiān)測(cè)階段

　　在完成實(shí)驗(yàn)室間研究（ILS）后，在測(cè)試方法中加入精度說明，以提供使用測(cè)試方法時(shí)預(yù)期變異的具體估計(jì)值。精度說明的目的是提供信息，說明不同的測(cè)試結(jié)果之間可能出現(xiàn)的差異。重復(fù)性和再現(xiàn)性是對(duì)測(cè)試方法變異性的兩種衡量。需要注意的是，由于眾所周知的霍桑效應(yīng)3 ，ILS 結(jié)果可能會(huì)低估測(cè)量的變異性。當(dāng)操作人員不知道正在進(jìn)行評(píng)估時(shí)，盲測(cè)可能會(huì)導(dǎo)致不同（更高）的變異性。

　　所有 ASTM 測(cè)試方法都要求包含精度說明，這一建議是基于艾森哈特1 的研究提出的。遺憾的是，一些與過濾效率測(cè)量相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，包括 ASHRAE 和 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，并未包含精度說明。這些說明可能會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的公布、比較和過濾器選擇決策過程產(chǎn)生重大影響。