浅谈计量全球范围内的历史

背景

自从人类使用劳动工具从事简单的生产劳动时起，就开始进行计量。最初，还没有计量单位或量具，只是把要测定的物体同自己身体的一部分作比较，如用手指张开的距离。或双手伸开的长度去量物体的长，用一把或一捧来计量体积容量等。以后由于生产和交换的发展，出现了计量单位和量具。

早在4000多年以前，出现了用实物来表示计量单位。例如，古埃及最早的长度计量单位——腕尺，这是以肘至手指尖的长度为基础的。十世纪时，英国国王以自己拇指关节之间的长度定为一英寸，以自己的脚长定为一英尺，至今在英语里“脚”和“英尺”是同一个词（foot）。

我国古代的度量衡单位也是取自自然物。早在公元前两千多年就开始用一黍的宽度作为一分，十分作为一寸，百分作为一尺。汉代书籍（如《孔子家语》）有“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”的记载，说明古代曾把手指顶端一节的长度定为一寸，把大拇指与中指张开（即一拃）的长定为一尺，把两臂伸开的长八尺作为一寻。（据考证，周朝一尺长约20厘米，大致相当于一拃的长度）

在计量时间方面，最初人类是根据自然界的一些长时间重复变化的现象，特别是太阳的升落，月亮的圆缺，给人类提供了计量时间的标准，逐渐形成了日、月、年的概念。公元前2000年左右，古代埃及根据天狼星出现的间隔就发明了太阳历，把每年分为3季，共12个月，每月30天，年终加5天节日，共365天。公元前两千年代初，古巴比伦人已测出月亮的持续时间是29日12时44分3秒，与现代天文学所测定的数据只差1/3秒。他们根据月亮的圆缺，制订了太阴历，每月定为29日或30日。

由于古代依据自然物来确定计量单位，缺乏合理性，再加上各国各地的计量制度不同，在交往上造成了很大的不便和困难。早在十七世纪，法国就有些科学家提出改革和统一计量制度的想法。1791年法国国会决议采用科学院的建议，取通过巴黎的地球子午线的四千万分之一作为长度的基本单位，并称作米。1792年由法国科学家对敦克尔克至西班牙巴赛伦那之间地球子午线的长度进行了精密的测量。1799年全部测量工作完成后，制出了米和千克（公斤）的标准原器。

米制虽然比历史上的各种计量制度先进，但是后来发现米所定义的长度有误测，而且随着科学技术的发展，从米制派生出一些计量单位，彼此之间缺乏科学的联系，给科学和生产带来不少麻烦。同时，有些国家还使用各自的计量制度，严重妨碍国际间的交往。1948年第九届国际计量大会提出，创立一种简单而科学的使所有米制公约签字国均能采用的实用单位制。1960年第十一届国际计量大会上决议将这种单位制命名为“国际单位制”，国际符号为SI，并规定了词头、导出单位及辅助单位。1971年第十四届国际计量大会又作了修改，以米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔、坎德拉七个单位作为基本单位。对每个单位都给以严格的理论定义，导出单位则通过选定的方程式用基本单位来定义，使各单位间合理地相互联系起来。

1959年，我国国务院发布《关于统一计量制度的命令》，确定以米制为我国的基本计量制度，人们日常生活已经习惯通用的市制可以保留，还公布了《统一公制计量单位中文名称方案》。国际单位制创建以后，国家计量部门积极准备推行工作。1977年国务院颁布了《中华人民共和国计量管理条例（试行）》，其中第三条规定：“我国的基本计量制度是米制，逐步采用国际单位制，目前保留的市制，要逐步改革，”1978年成立国际单位制推行委员会，负责推行国际单位制的工作。1984年国务院又发布了《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》，要求全国到八十年代末基本完成向法定计量单位的过渡，允许市制单位使用到1990年年底，从1991年元旦起，一般不允许再使用非法定计量单位。

量

公元前的测量

3000 B.C.

中东建立的第一个城市国家。Sumerians人将度量衡用在交易中。它们是基于古希伯来金币,大约是8.36 g (129谷或0.29盎司) 。

2575 B.C.

金字塔 (Cheops)

2575 B.C.

保存下来的有关长度的标准,Gudea塑像腿的长度就是英尺,他是4000年前Lagash城的行政长官。它被分成16部分,共26.45 cm长(10.41 英寸长)。

埃及的建筑工人只有简单的铅垂线、木制方尺和标尺,但他们的测量可精确到毫米。Gizeh金字塔的尺寸,是由上千的工人完成的,并自夸边缘的差别不超过平均长度的0.05％ - 也就是在横跨755英尺的区间内,只有4.5英寸的偏差。

古代人发明了稳健而又精确的方法,对四种量进行测量：长度、面积、体积和重量或质量,这种情况他们并没有细分。

他们使用时间测量大的长度和面积。例如,耗费许多小时的旅程或月亮。一群牛一天耕地的数量称为一英亩,一犁沟的长度称为一浪。许多古代的度量起源于身体各部位,或者是随处可得的材料。我们现在在测量长度时还谈到英尺和一手之宽。其他基于身体各部位的度量就不太明显了。英寸从前是基于大拇指最后一个关节的长度。英寻是在手臂张开后两手中指尖之间的距离,码是从在右手臂张开后,从鼻尖到手指尖的距离。

用这些做为度量的问题每个人的身体在尺寸上都有差异。早先为克服这个问题所采用的方法根据某些标准定义长度,例如,从国王的鼻尖到他张开手臂的手指尖距离。最早对长度所保存的标准是一个Gudea塑像腿的长度,大约4000年前他是Lagash的行政长官。

2600 B.C.

日规的初始形状出现在中国。

2500 B.C.

Moenjo-Daro,被认为是第一座"城市"位于在目前的巴基斯坦卡拉奇300公里以北的地方

从Moenjo-Daro挖掘出测量仪器证明了精密和精度的重要。重量,一般由黑硅石表达,就象硬的燧石状岩石,按照严格的标准进行切割。尽管标尺有些破碎,但其上精确地以.264英寸进行间隔。

石制鹅重量标准,发现于Mesopotamia。重量经常用产品来衡量,例如用谷物做为比较。因为这些重量可有所不同,重量的标准系统被发明。早期的重量标准具备令人惊异的精确性,并挖掘出石制的睡鹅形状的重量标准。

1950 B.C.

最早知道的测长的标准是一个重的铜条,挖掘自Euphrates河的Nippur。这个铜条被分成4个大的单元每个单元又分成16个小单元,很象英尺和英寸。

448-432 B.C.

巴台农神庙,雅典卫城

214 B.C.

中国开始修建长城

80-72 B.C.

修建罗马大剧场

公元以后的测量

埃及人的测量

手指一个手指的宽度
手掌 4个手指
手 5个手指
肘肘到手指的长度
28指宽,20.6 in

罗马人的测量

英尺将一英尺的长度变成12份,称为英寸
步长 5英尺, 1000个就成为罗马的里

在古代的时间测量系统中,白天和夜晚各分成12小时。这样对于使用日规是方便的,公元前2600年中国人就以古老的方式采用类似的方法。因为日光的明暗随季节有所不同,中国的小时长度也有所变化。当水钟开始在日规使用大约一千年后,两种测量方法之间的矛盾是显而易见的。

水钟的工作是基于水从一个容器里通过一个小孔以稳定的速度流到另外一个容器。另外一个容器的水量以某种标尺表明, - 用最简单的方式标记水面。随着水面指示的移动,显示了时间以小时进行流逝。当小时的长度以季节的变化有所不同时,需要为每个月配置不同的水钟。古代人以各种方法解决这个问题,如对每个月有不同的标记面标准。在那种情况下,水钟与当时仍在使用的日规保持一致。后来,抛弃了随季节调整水钟的方法,日规被用来在全年显示同样的小时长度。

在8世纪,中国人开始将水钟配上摆轮。摆轮是一个棘爪使得一个轮只能移动一定的长度然后就停止。连续运动被分离的"滴答"声所取代。在14世纪开始,摆轮的概念在欧洲被应用,并被用来采用细绳或链条悬挂的重物来减缓运动。运动通过齿轮的转化钟表指针的运动。机械式钟表采用摆轮和重锤,使得性能得到提高,并放在全欧洲的塔楼上使用。

1215 A.D.

John国王被英国贵族强迫签订打算宪章。在其他条款中,标准的测量系统被推出。

1350 A.D.

英格兰国王Edward一世颁布规定：三谷大麦,饱满而又干燥,头尾相连,代表了一英寸,这种有歧义的"标准"数百年后还在发挥作用,直到19世纪。

1590 A.D.

荷兰眼镜制造商Hans Janssen先生和他的儿子将两个镜片放在一个管子的两头,用来检查微小的物体。这标志着第一台组合显微镜的产生。

1592 A.D.

Galileo先生将一管气体放到一个充满彩色液体的容器内,制造出第一个原始的温度计。

1602 A.D.

Richard More先生,一个充满学者风度的伦敦木匠,在他的一本书中,描述了大量的木匠用尺子的模型,同时,他还在书中批评了标准化的缺乏。

1631 A.D.

Pierre Vernier先生推出了关于精密测量的发明,现在称为游标尺。

1637 A.D.

Hartford 城人,CT Settlement先生重新安排了每个殖民地都要服从按照统一的规划标准,这样就能够建立连续的标准。8年以后,随着有额外的地区加入到殖民地,又重新对各地区进行了评测,这样它们就可以相互比较并达到平等。一笔12便士的罚款在1647年制定,为的是任何没有经过城镇管理员认定标准验证商品的出售。城镇管理员需要明确,签章前用的标尺是用当季的木头制造,如果有折断或破坏,如重量、码数或测量长度,就会视为有缺陷。

1641 A.D.

英国天文学家Gascoigne先生发明了叉线,开始了将望远显微镜从单纯的观察装置转化为精密测量仪器。

1648 A.D.

William Gascoigne第一次将螺旋应用到测量仪器

1660 A.D.

意大利发明酒精温度计

1670 A.D.

Gabriel Mouton先生,里昂St. Paul教堂的主教,推出了一套完整的十进制称重和测量系统,测量第一次将物理原形做为基准而不是个体的人。该十进制系统是公制的基础。

1683 A.D.

荷兰仪器制造商Antony van Leeuwenhoek制造世界上第一台高性能精密显微镜。

在17世纪前,几乎不可能在任何东西上进行精密测量。尽管长度和重量可以一定的精度进行测量,化学家还没有认识到天平的作用,最初天平是被化验者所使用。时间只能测量大的间隔。温度和液压根本还不能测量。

Galileo先生改变了这一切。在1581年,当他只有16岁时,发现钟摆的周期只受其长度的控制。这一发现导致了在17世纪末带摆的钟成为商品。在1586年,Galileo先生发明了静压平衡原理。

在1600年,他推出了第一台测量温度的仪器。经过改造成为可行的温度计,并被德国物理学家GabrielFahrenheit在1714改造成为具备现代特色的温度计。是Galileo先生建议Evangelista Torricelli进行研究,并发明了气压计。Galileo先生发明的望远镜鼓励了其他人创造宇宙望远镜,从而导致了微分螺纹的需求,望远镜用于研究使得游标的应用变得广泛,用来精确测量角度。

1742 A.D.

瑞典天文学家Anders Celsius设计了温度计并带上他的名字,并在随后在许多国家用作公制系统的一部分。

1775 A.D.

英国发明家Jesse Ramsden发明了循环切割机。Ramsden在伦敦的车间生产高精度六分仪,测微仪和天平。他的精密经纬仪被用在连接英国和欧洲大陆的三角图形测量方面。

1780 A.D.

工业革命开始。

双卡尺

腿用来测量内径,上面的部分测量外径。

双卡尺

家具木工的工具,完成车床加工产品直径测量。

伐木测径器

一个巡回伐木标尺制造者,William Greenlief,专为伐木工人设计测量设备。轮式测量,测量圆木的尺寸,每一圈5英尺。测径器以英寸测量圆木的直径。尺上的标记标出从坎倒的树木上获得多少木材。测径器以立方英尺定义弯曲原木的体积。

行车

被铁匠用作测量木头边缘。

1791 A.D.

在法国提出了公制测量标准系统。

1792 A.D.

Jean-Babtiste Delambre和Pierre Mechain开始测量子午线的弧度,从Dunkirk到Barcelona,并导致了测量标准系统的建立。

1805 A.D.

"贵族大臣"测微仪,具有1/10,000英寸的分辨率,来自于Henry Maudslay的发明。

1820 A.D.

英国议会通过了关于度量衡的"帝国标准",基于码和磅

在1670年早期,Jean Picard对地球子午线长度进行了评估,并建议测量基于子午线。那种测量,一个测量单元被称为米,是极点到赤道长度的千万分之一。重量的基本单位,称为克,也建立的基准。是基于一定体积的纯水在给定温度的重量。

重量和测量在大于和小于克或米时,就要同十进制系统相关联。

排除其自身的优势,国家在抛弃传统的公制系统的测量方法时却是缓慢的。即使在法国,是该系统的发源地,改变也并不是很早作出。在1875年,公制系统被充分建立,为建立国际标准局的度量衡标准打下基础。

国际标准局认为科学的测量在长度是基于地球长度和重量基于纯水的情况下是不能精确测量的。取而代之的是,该局改变了这些测量方法,并以标准的铂－铱条长度和标准的铂－铱重量。

1848 A.D.

来自法国的专利,"un calibre ?vis et ?vernier circulaire" (外径千分尺)

利用螺旋推进细小的移动。结合以分度头标尺,这一原则成为测量微小距离的精确方法。法国人Jean Palmier是第一个在1848年将这种观念应用于螺旋规的实践(后来称为测微仪)。

17世纪铁匠造的方尺,一般是手工锻造的工具。叶片和和舌簧是在接缝处是用榔头敲击而成,而分度是由Joseph Whitworth先生此时开发的测量系统完成。在最初的Whitworth生产车间,测微仪分度标尺代表了一英寸的一万分之一。螺旋有以英制有20个螺纹,轮分度为500份。500乘以20,使得分辨率为万分之一英寸。

1867 A.D.

Davis水平仪。可调气泡水准器、测锤和倾斜仪在1867年获取了有关专利,专为木匠和加工工人开发的

1917 A.D.

气动测长仪

采用示波器进行测量

可能最为精确的测量方式是基于光波间的相互干涉。涉及的原理对于水波、光波或者是声波是相同的。如果波之间是相同的,他们可以调节,这样他们可相互消减或增强。如果波之间是不同的,相互的叠加将会产生明暗带,称为干涉模式。采用干涉模式来进行测量被称为干涉。

首先将干涉原理用在测量的人中,包括了Albert Michelson,在1881年。到了1887年,他和Edward Morley利用这个原理进行了科学史上最为著名的试验之一。通过试验数据,他们判断出光速不受地球空间运动的影响。这一发现,帮助爱因斯坦相对论理论的成立,相对论中包括了光速在容器中保持恒定的概念。

计算机时代的测量

70年代和80年代开发通用计算系统的工作,使得将许多测量工作自动完成成为可能,并且可以快速分析大量尺寸数据。将计算机技术与测量进行结合的一个显著例证是超级COSMOS机器,位于Edinburgh的皇家观察试验室。它有一个精密的Leitz三坐标测量机和一台功能齐备的计算机来收集关于各种物体的尺寸数据和定位数据。

软件技术的发展也使得测量复杂的形状成为可能,如齿轮、压缩机转子以及汽车整车,可达到极高的精度。通过分析提供了控制制造流程的信息,从而使得质量得到显著提高。

1923 A.D.

干涉比长仪用于测量块规

1931 A.D.

第一台电子显微镜由德国物理学家Ernst Ruska发明。今天,它是实验室和工业上一种重要研究设备。

1935 A.D.

电子长度测量仪器配以电感测头由Bauer公司推出

1957 A.D.

TESAMASTER外径千分尺

1963 A.D.

世界上第一台电控测量机的推出: "ALPHA" ,由DEA公司设计和制造。

1978 A.D.

Brown & Sharpe推出了数字游标卡尺。

1981 A.D.

MICRO-HITE高度仪的推出。

21世纪……计算机时代的测量

计算机和软件技术的发展,使得自动完成测量工作成为可能,并且可以快速分析大量尺寸数据。软件技术的发展也使得测量复杂的形状成为可能,如齿轮、压缩机转子以及汽车整车,可达到极高的精度。通过分析为制造流程提供了信息,从而使得质量得到显著提高。

转自佳工机电网