测量与标准是高端装备制造的基石

　　测量是科学研究、工程技术、商业活动等各领域中不可或缺的基础工作。几乎所有的日常活动都离不开它，因为在日常生活中，我们会遇到长度、重量、时间等不同类型的测量。我们可以把测量看作是将数字与物理量联系起来的过程，是一种旨在产生有关实验系统状态的知识的活动。测量理论涵盖了如何将数字分配给物体和现象、不同测量之间的关系以及测量过程中相关误差的原理。

　　根据艾森哈特的定义，测量是 "为物质事物分配数字[或数值]，以表示它们之间在特定属性方面的关系"。分配数字的过程会产生输出结果，而输出结果可通过统计技术进行控制，分配的值被定义为测量值。他提出的三个基本概念被人们接受：

　　测量过程需要统计控制；

　　统计控制意味着测量过程具有可重复性和再现性；

　　测量值必须包含不确定性声明。

　　艾森哈特的工作对整个计量界的测量过程产生了永久性的影响，它被标准化组织广泛接受和使用。

　　获得测量结果的综合流程称为测量系统，其中可能包括仪器或量具、标准、方法、夹具、软件和人员的集合，最终为被测特征分配一个数字。由于测量过程的输出结果用于对产品和制造过程做出决策，因此测量数据的质量至关重要，这些数据通常以偏差和方差为特征。使用基于数据的程序价值受到测量数据质量的限制，而测量数据质量与从测量系统中获得的多个测量值的统计属性有关。

　　标准化

　　标准化伴随着人类社会的发展，早在古代就有了标准。早期标准的主要目的是使人类活动与自然现象保持一致，最初的标准是测量时间和空间的方法。

　　时间单位标准

　　约2万年前，冰河时期的猎人在洞穴中刻线，计算不同月相之间的天数。中国的度量衡体系以人体的某部分或自然界某些稳定的物理特征为基准，如“布手知尺”、“掬手为升”、“权衡取重”，初步建立了长度、容积和重量的基本单位。商周时期，度量衡制度有了进一步的发展和完善。甲骨文中有许多关于度量衡的记载，如“步”（长度单位）、“斛”（容量单位）、“斤”（重量单位）等。

　　秦始皇统一六国后，于公元前221年推行全国统一的度量衡制度，这是中国历史上第一次大规模的度量衡标准化改革。秦朝确定了严格的度量衡单位，如“一步六尺，二百四十步为一里；一斛十斗，十六两为一斤”。这一举措极大地推动了全国范围内的经济发展和社会进步，也为后续各朝代度量衡制度的完善奠定了坚实的基础。

　　科学、技术和制造领域的标准对我们的生活影响巨大，因为它们可以防止可能发生的技术问题。技术标准改善了日常生活，解决了从制造业到公共安全的各种问题。

　　正如希腊哲学家赫拉克利特所说："战争是万物之父，也是万物之王"，战争常常迫使人们实行标准化。军事标准化的一个例子是可互换步枪零件，19世纪最初几年，伊莱-惠特尼用这种零件组装火枪，在美国得到推广。

　　其中一个与公共安全有关的例子是1904年巴尔的摩大火，这场大火燃烧了一天多，烧毁了1500座建筑。来自纽约、费城、威尔明顿和哈里斯堡的消防队来到巴尔的摩灭火，但他们的大部分消防水龙无法连接到消防栓上。吸取教训后，美国启动了许多标准化项目。

　　最新的标准化实例之一是电动汽车充电连接器。北美充电标准（NACS）连接器的标准化将确保所有制造商都能在电动汽车上和充电站安装NACS连接器。

　　根据上述例子，"标准 "一词的具体含义可因语境而异。它可以指一种测量单位、一套做法、特定部分或看待世界的方式。一般来说，标准可以确保技术正常运行，因为它们提供衡量和评估性能的基本术语。使不同制造商生产的部件可以互换；以及通过确保产品的安全性和耐用性来保护消费者。

　　标准的主要类别包括：

　　测量标准：度量衡系统的基本参考；

　　文件标准：测试方法、抽样程序、分类等。

　　测量标准的例子包括作为美国民用时间基础的 NIST - F1 和 F3 原子钟，以及作为所有质量测量基础的 Kibble 天平。

　　国家标准与技术研究所（NIST）。NIST 成立于 1901 年，是美国的主要标准组织，负责与其他国家协调其测量标准，开发并向其他测量系统分发测量和校准程序。校准程序是用于传递测量结果的过程，目的是使其他测量系统与 NIST 的测量结果保持一致。这一转移过程通常涉及一个分级转移系统；每个级别都依赖于自己的标准系统。

　　物理测量标准有几个等级层次：

　　国家标准：通常由 NIST 掌握。

　　一级标准：由 NIST 利用最先进的校准技术将测量结果传递给它。

　　二级标准：由能够获得一级标准的组织移交。

　　工作标准：用于校准生产设施的测量系统。

　　通过适当校准程序连接回 NIST 的测量被定义为可溯源至 NIST。同样，美国国防部将溯源性定义为 "通过不间断的比较链，将单个测量与国家标准或国家认可的测量系统联系起来的能力"。可追溯性是一个重要的概念，因为可追溯到相同标准的测量结果会比不可追溯的测量结果更加一致。可追溯性可对减少产品的重新测试、拒收或接收产生积极影响。

　　如果不使用可追溯标准，就不可能确定测量系统的准确度。没有自己计量部门的制造和测试机构通常会使用被称为 "校准实验室 "的外部机构的服务。校准实验室能够在特定条件下确定特定测量设备与已知参考值和不确定度的溯源标准之间的关系。

　　技术标准

　　技术标准是一种专门的文件形式，它试图在特定的实践社区中创建一致和统一的做法。各组织围绕标准达成共识的方式各不相同。

　　制定标准的方法和过程的形式决定了标准的类型。两种主要的公认标准类型是

　　事实标准：在实践中被某个行业及其客户广泛接受，但未经正式批准。

　　法律上的：由官方标准组织批准，通过正式程序制定。

　　无论是事实标准还是法律标准，都是自愿遵守的。不过，在某些情况下，法律上的标准会被法律规范或法规引用，从而强制要求遵守。在某些情况下，如果通过正式的标准程序，事实标准可以成为法律标准。

　　国际标准化组织（ISO）的网站上有对标准的最佳描述。根据国际标准化组织的说法，国际标准化组织的标准是由专家在国际范围内商定的，它们代表了在其主题领域拥有专业知识并了解其所代表的组织的需求的人们的智慧结晶。标准就像一个公式，描述了做某件事的最佳方法。

　　ASTM 国际组织（前身为美国材料与试验协会）将标准正式定义为 "在协会协商一致的过程中制定和确立的文件，符合 ASTM 程序和规定的审批要求"。

　　ASTM 出版了六种不同类型的标准，其中包括 (a) 测试方法、(b) 规格、(c) 分类、(d) 实践、(e) 指南和 (f) 术语。

　　标准制定。标准化包括从实际标准制定到其出版、接受和实施的广泛考虑。美国的标准化体系是一个分散的体系，按工业部门划分，并由独立的私营部门标准制定组织提供支持。这也是一个自愿和需求驱动的系统，由利益相关者根据行业和消费者表达的具体关切和需求制定和实施标准。

　　在美国，美国国家标准学会（ANSI）成立于 1918 年，是一个管理和协调美国标准以及合格评定系统的组织。它批准标准为美国国家标准（ANS），是国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）和其他组织的美国国家成员机构。

　　国际标准化组织（ISO）是一个独立的非政府国际标准制定组织，由成员国国家标准组织的代表组成。截至 2023 年，共有 167 个成员。该组织制定并发布技术和其他领域的标准。

　　对标准化的一个常见误解是，标准一经发布就被认为是成功的，工作也就完成了。人们错误地认为，标准的采用和一致性本身就会随之而来。

　　如前所述，自愿制度是美国标准化的基础；标准的制定有赖于不同利益相关者之间的数据收集、讨论和协议。由于这些原因，在制定技术标准时，将广泛的参与者纳入这一过程至关重要。

　　这些贡献者必须具备丰富的知识，才能制定出反映当前技术和需求的标准。为了达到最佳效果，必须在产品制造商、最终用户、技术专家和标准专家等特定贡献者群体之间取得平衡。尽管有适当的代表，但两个群体对标准化成果的评价可能完全不同。

　　例如，特定的制造商可能认为拟议的标准不适合他们的产品，而其他制造商则认为该标准非常适合他们的技术。这两类人对成功的标准有着不同的看法。标准制定工作的大多数参与者都希望标准获得成功，但不同参与者对成功的理解可能有所不同。对标准化的一个常见误解是，标准一经发布就被认为是成功的，工作也就完成了。人们错误地认为，标准的采用和一致性本身就会随之而来。

　　与自愿标准制定相关的另一个挑战是潜在的串通，即两个或两个以上的技术制造商共同推动有利于其技术的标准。

　　如前所述，技术标准的主要目标是在特定社区内统一具体做法（如测试方法）。制定一项让各方都满意的标准是一项挑战，同时还要认识到不同贡献者的不同目标和优先事项，这对于就具体测试方法和功能达成共识非常重要。

　　除了标准制定的组织部分，工程和科学方面的努力对于制定成功的标准也同样重要。在制定新的测试方法时，必须在各个阶段采用严格的工程实践。

　　新的标准化测试方法应针对其预期目的和应用范围进行验证。在验证过程中，最终目标是确保测试方法代表了产品的特性，并具有所需的重现性和可重复性。

　　ASTM E 1488《用于制定和应用测试方法的统计程序标准指南》2 为如何制定估计精度和偏差声明提供了指导。该标准建议在制定测试方法时分几个特定阶段进行。图 2 显示了其中的一些步骤。

　　建议采取四个步骤：

　　设计阶段

　　开发阶段

　　评估阶段

　　监测阶段

　　在完成实验室间研究（ILS）后，在测试方法中加入精度说明，以提供使用测试方法时预期变异的具体估计值。精度说明的目的是提供信息，说明不同的测试结果之间可能出现的差异。重复性和再现性是对测试方法变异性的两种衡量。需要注意的是，由于众所周知的霍桑效应3 ，ILS 结果可能会低估测量的变异性。当操作人员不知道正在进行评估时，盲测可能会导致不同（更高）的变异性。

　　所有 ASTM 测试方法都要求包含精度说明，这一建议是基于艾森哈特1 的研究提出的。遗憾的是，一些与过滤效率测量相关的标准，包括 ASHRAE 和 ISO 标准，并未包含精度说明。这些说明可能会对测试结果的公布、比较和过滤器选择决策过程产生重大影响。