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测量是为了确定被测对象量值（即被测量）而进行的操作过程。更准确地说，测量是指将一个被测量与一个预定标准进行定量比较，从而获得被测对象的测量结果。测量结果由测量数值与测量单位两部分共同组成。具体可从以下几方面来理解测量的内涵。
（1）被测对象，即被测对象的相应量值信息，如物体密度、环境湿度、大气压力等。
（2）测量过程，即通过实验测量被测对象的过程。
（3）测量方法，即比较方式，通常有直接比较与间接比较两种方式，这个比较过程一般需要借助测量仪器来完成。
（4）测量单位，即根据约定定义和采用的标量，任何其他同类量可与其比较，使两个量之比用一个数表示，故同类量具有相同的测量单位。
（5）测量结果，即最终需要确定的结果。
在实际测量过程中，需要由测量人员在某个测量环境，使用一定的测量技术和测量仪器对被测对象进行测量操作。因此，测量的基本要素包括被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境，它们之间的关系如图1.1所示，其中所用的测量仪器为整个测量过程的核心。
图1.1 测量的基本要素之间的关系
一个完整的测量过程应包含4个部分：被测量、测量单位、测量方法和测量精度。其具体含义如下。
（1）被测量
被测量主要指几何量，包括长度、面积、高度、角度、表面粗糙度以及形位误差等。由于几何量具有种类繁多的特点，因此测量人员必须掌握被测量的定义、特性以及标准等，以便进行测量。
（2）测量单位
测量单位简称单位，是用来进行定量比较的预定标准。为了保证对同一被测量在不同的时间、地点进行测量时可得到相同结果，必须采用公认的且固定不变的单位。因此，测量单位的确定和统一是非常重要的。
单位制的种类很多，目前普遍使用的是国际单位制（International System of Units，SI），其基本单位和辅助单位如表1.1所示。国际单位制具有严格的统一性、突出的简明性与广泛的实用性，已成为工业生产与社会生活中广泛应用的单位制，我国也采用国际单位制。
表1.1 国际单位制基本单位和辅助单位
（3）测量方法
测量方法是指在进行测量时所用的按类叙述的一组操作逻辑次序。对几何量的测量而言，则要根据被测对象的特点，如大小、质量、材质、属性等，分析、研究被测量与其他参数的关系，最后确定被测量的测量方法。测量方法的选取对测量过程至关重要，它可以推动测量技术的进一步发展。
（4）测量精度
测量精度是指测量结果与真值的一致程度。由于任何测量过程总会不可避免地出现测量误差，误差大则表明测量结果偏离真值远、测量精度低。测量精度和误差是两个相对的概念。由于存在测量误差，因此任何测量结果都以近似值来表示。通过优化测量方法、使用更精密的测量仪器，可有效提高测量精度。
从广义上讲，测量不仅包括对被测量进行定量测量，还包括对更广泛的被测对象进行定性测量。例如，遥感遥测、定位测姿、故障诊断、无损探伤、震源测定等。测量结果不仅可以是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓扑结构等。广义测量原理可以通过信息获取过程来说明，包括信息感知和信息识别两个环节。
从历史的发展来看，人类早期的测量活动涉及对长度（距离）、时间、面积和质量等的测量。秦朝统一后建立的统一的度量衡制度，不仅维持了物质交换、土地划分、资源分配等的稳定，而且通过民生的稳定促进了社会发展，这些都说明了测量对促进当时生产发展和社会进步的重要性。随着社会进步和科学发展，测量活动的范围不断扩大，测量的工具和手段不断精细和复杂化，从而不断地丰富和完善了测量的理论。
尤其是我国装备制造要由中低端向中高端迈进，首先要解决制造质量问题，其核心是解决超精密测量能力问题。例如，中等精度的光刻机有3万多个光机零件，其中70%是精密级和超精密级的，需要600多种专用精密和超精密测量仪器。由此可见，超精密测量对提升高端装备制造质量具有基础支撑作用，并在制造全过程中的质量控制发挥决定性作用。国际测量联合会和国际标准化组织曾经联合制定了一个国家质量保障体系，把标准、计量、合格评定三个方面定位为未来世界经济可持续发展的三大支柱。
与“测量”相近的一个词是“计量”。在《通用计量术语及定义》中，计量的定义是实现单位统一、量值准确可靠的活动。在计量过程中，认为所使用的量具和仪器是标准的，用它们来校准、检定受检量具和仪器，以衡量和保证使用受检量具和仪器进行测量时所获得的测量结果的可靠性。计量涉及计量单位的定义和转换，以及量值的传递和保证量值统一所必须采取的措施、规程和法制等。简而言之，计量是一种特殊形式的测量，是在规定环境下、用规定设备、由专门人员按照检定规程的要求而进行的有一定精度要求的测量。
（1）计量学是关于测量的科学，它涵盖有关测量的理论与实践的各个方面。计量学的一个主要任务是逐步将不可测量的量转化为可测量的量，从而达到改善和控制该量的目的，起到推动社会发展和进步的作用。
（2）计量是可以追溯到标准量的测量，除了获得量值外、还要有系列“活动”；而测量则是为了获得量值，通常会忽略溯源的问题。
（3）“测量”表示“以确定量值为目的的一组操作”。而汉语使用习惯中的“计量”作为一类操作，其含义为：为实现量值传递或溯源而对测量仪器进行的测量。从这个角度看，“计量”作为一类操作在实际工作中表现为检定、校准、对比及对测量仪器进行测试等活动。在《通用计量术语及定义》中，将“计量”对应于英文Metrology，而非Measurement；定义的主体是“活动”，而非“测量”。从这个定义出发，我们不难理解为何唯有计量部门从事的测量才被称作“计量”。因为计量部门从事的测量是“实现单位统一、量值准确可靠的活动”，即“计量”工作包括测量单位的统一，测量方法（如仪器、操作、资料处理等）的讨论，量值传递系统的建立和治理，以及与这些工作有关的法律、法规的制定和实施等。
（1）准确性
准确性是计量最基本的特征，也是计量工作的核心。只有被测量数据准确无误才能保障产品的质量和安全，它体现了测量结果和被测量的真值之间的一致程度。由于受到多种环境因素的影响，现实生活中的测量是存在误差的，但是这个误差的区间必须在合理范围之内，因此在测量时不仅要给出被测量的值，还要给出该量值允许的误差范围，这样测量值才具有意义。
（2）一致性
一致性是计量最本质的特征。计量的基本任务是保证单位与量值一致，这是开展计量活动的根本目的。单位统一和量值统一是计量一致性的两个方面：单位统一是量值统一的前提，量值统一是指在规定的准确度内量值要一致。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，使用何种测量仪器，以及由何人测量，进行同一测量所得的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、可比较的，量值是确实可靠的，否则计量就失去其社会意义。
（3）溯源性
溯源是开展计量活动时确保单位统一和量值准确可靠的重要途径。溯源性指任何一个测量结果或计量标准的量值，都应能通过一条具有规定不确定度的连续比较链与计量基准联系起来。计量有两种传递方式：由上往下传递叫量值传递；由下往上传递叫量值溯源。为了让测量结果准确、一致，所有的量值都应传递到相同的计量基准（国家计量基准或国际计量基准），否则量值出于多源，不仅无准确、一致可言，而且会造成技术和应用上的混乱。“量值溯源”是指自下而上通过校准而构成溯源体系；而“量值传递”则是指自上而下通过逐级检定而构成检定系统。
（4）法制性
法制性是开展计量活动的重要手段。1985年，我国颁布了《中华人民共和国计量法》，其标志着我国计量实现了法制化，是我国计量史上一个重要的里程碑。与国际计量接轨和交流、走上法制化的道路、建立科学的计量技术管理和行政管理体系、实现计量科学研究的现代化是现代计量必不可少的重要指标。
在测量的基础上，计量已发展成为一个成熟的学科——计量学。按照国际计量局、国际电工委员会、国际临床化学和实验医学联合会、国际标准化组织、国际纯粹与应用化学联合会、国际纯粹与应用物理联合会和国际法制计量组织等7个国际组织联合制定的《国际通用计量学基本术语》（1993年版），计量学被定义为“测量学科”，并在注解中说明：“计量学包括涉及测量理论和实用的各个方面，不论其不确定度如何，也不论其用于什么测量技术领域。”计量学涵盖有关测量的理论与实践的各个方面。计量学研究的对象涉及有关测量的各个方面，如可测的量，计量单位和单位制，计量基准、标准的建立、复现、保存和使用，测量理论及其测量方法，计量检测技术，测量仪器（计量器具）及其特性，以及量值传递和量值溯源，包括检定、校准、测试、检验和检测。计量学作为一门学科，它同国家法律、法规和行政管理条例紧密结合的程度，在其他学科中是少有的，不仅涉及有关计量科学技术，而且涉及法制计量和计量管理的内容。
量值传递是将国家计量基准所复现的计量单位量值，通过检定（或其他传递方式）经各级计量标准传递到工作用计量器具，以保证对被测对象所测得的量值准确和一致的过程。量值准确、一致的意思是，同一量值，用不同的计量器具进行测量，其测量结果应在要求的准确度范围内达到统一。量值准确、一致的前提是测量结果必须具有溯源性。溯源性是指通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或计量标准的值能与规定的计量基准（通常是国家计量基准或国际计量基准）联系起来的特性。这条不间断的比较链称为溯源链。
各种计量的目的不同，所要求的计量准确度也不一样。当计量误差满足规定的准确度要求时，则可认为计量结果接近真值，可用来代替真值，称为“实际值”。在计量检定中，通常将高等级（根据准确度高低所划分的等级或级别）的计量标准复现的量值作为实际值，用它来校准其他等级的计量标准或工作计量器具，作为其定值。在全国范围内，具有最高准确度的计量标准就是国家计量基准。国家计量基准具有保存、复现和传递计量单位量值3种功能，是统一全国量值的法定依据。量值传递一般是自上而下、由高等级向低等级传递，具有强制性的特点。
量值传递是统一计量器具量值的重要手段，是保证计量结果准确可靠的基础。任何计量器具都具有不同程度的误差。新制造的计量器具，由于设计、加工、装配和元件质量等各种原因引起的误差是否在允许范围内，必须用适当等级的计量标准来检定，判断其是否合格。经检定合格的计量器具，使用一段时间后，环境的影响或使用不当、维护不良、部件的内部质量变化等因素将引起计量器具的计量特性发生变化，因此需定期用规定等级的计量标准对其进行检定，根据检定结果进行修理或继续使用，经过修理的计量器具是否达到规定的要求，也需用相应的计量标准进行检定。
量值传递和量值溯源应遵循的基本原则是：按照国家计量检定等级图或国家溯源等级图进行量值传递和量值溯源；执行计量检定规程；按照本单位编制的溯源等级图进行量值传递和量值溯源；各级之间的检定或校准方法一般应满足量值传递关系。
目前我国的量值传递方式主要有以下4种。
（1）通过实物标准进行逐级传递
通过实物标准进行逐级传递是一种传统的量值传递方式，也是我国目前在长度、温度、力学、电学等领域常用的一种量值传递方式。根据《中华人民共和国计量法》的有关规定，这种量值传递方式由计量检定机构或授权有关部门或企事业单位计量技术机构（以下简称“上级计量检定机构”）进行。实物标准量值传递方式如图1.2所示。
图1.2 实物标准量值传递方式
该方式是常用的量值传递方式之一，但具有一些缺点，如费时、费钱；有时检定好的计量器具经过运输后，受到振动、撞击、潮湿或温度的影响，会丧失原有的准确度；只能对送检的计量器具进行检定，不能考核使用时的操作方法、操作人员的技术水平、辅助设备及环境条件；对计量器具两次周期检定之间缺乏必要考核，很难保证日常测试中量值的可靠。
（2）通过发放有证标准物质进行逐级传递
有证标准物质（Certified Reference Material，CRM）是在规定条件下具有稳定的物理、化学或计量学特征，并经正式批准作为标准使用的物质或材料。CRM一般分为一级CRM和二级CRM两种。前者主要用于标定二级CRM或检定高精度计量器具；后者主要用来检定一般计量器具。企业或法定计量检定机构根据需求均可购买CRM来检定计量器具或评价计量方法，检定合格的计量器具才能使用。发放有证标准物质量值传递方式如图1.3所示。
图1.3 发放有证标准物质量值传递方式
该方式的优点在于，可以避免送检仪器，在现场快速评定，以及可以衡量计量人员的素质及操作过程的规范性。该方式主要应用于化学计量领域。
（3）通过发播标准信号进行逐级传递
通过发播标准信号进行逐级传递是最简便、迅速和准确的量值传递方式之一，但目前只限于时间频率计量。我国通过无线电台，早就发播了标准时间频率信号。随着国家通信广播事业的发展，中国计量科学研究院将小型铯束原子频标放在中央电视台发播中心，由中央电视台利用彩色电视副载波定时发播标准频率信号，并于1985年开始试播标准时间信号。这样，用户可直接接收并可在现场直接校正时间频率计量器具。发播标准信号量值传递方式如图1.4所示。
图1.4 发播标准信号量值传递方式
（4）通过计量保证方案进行逐级传递
20世纪70年代初，美国在某些计量领域采用了计量保障方案（Measurement Assurance Program，MAP）进行逐级传递。这种量值传递方式的目的是使参加MAP活动的计量技术机构的量值能更好地溯源到国家计量基准。它用统计的方法对那些机构的校准质量进行控制，定量地确定校准的总不确定度，并对其进行分析，因此能及时地发现问题，使误差尽量减小。这是一种新型的量值传递方式，可以更好地溯源到国家计量基准，保证测量过程的长期可靠性。计量保证方案量值传递方式如图1.5所示。
图1.5 计量保证方案量值传递方式
随着量子力学基础研究的突破和实验技术的发展，人们着眼于量子精密测量，利用量子态进行信息处理、传递和传感。量子测量方法在时间、频率、加速度、电磁场等物理量上可以获得前所未有的测量精度。2018年第26届国际计量大会正式通过决议，从2019年开始实施新的国际单位定义，从实物计量标准转向量子计量标准，这标志着精密测量已经进入“量子时代”。目前在量子测量领域中发展较迅速的是：时间频率的精密测量、量子导航和单量子探测。
（1）时间频率的精密测量
目前测量精度最高的基本物理量是原子钟所给出的频率和时间标准。在微波段运行的原子钟已被广泛应用于导航、通信等领域。被广泛使用的卫星定位系统（例如我国的北斗卫星导航系统、美国的全球定位系统等）中的每一颗卫星都载有多台微波段原子钟，通过对信号到达的时间做精确测量来给出用户定位信息。由于在导航系统中的关键作用，星载微波段原子钟被喻为卫星导航系统的心脏。2018年，我国科学家在国际上首次实现了利用激光冷却技术的空间冷原子钟，如今正在积极发展下一代更高精度的星载微波段原子钟。
由于量子测量方法的突破，在光波段运行的原子钟（简称光钟）具有更高的精度与稳定度，有望达到10 -21 量级（即万亿年的误差不超过1秒）。光钟技术在近20年来迅猛发展，例如，美国国家标准局研制的锶原子光钟，不确定度达到10 -18 量级、稳定度达到10 -19 量级，相比微波原子钟提高了至少两个数量级；我国科学家发展的钙离子光钟的不确定度与稳定度均达到10 -18 量级。同时，我国已布局发展空间光钟，目标是在太空中把时间频率测量精度提高两个数量级。新一代时间测量与传递技术将为洲际光钟比对、国际“秒”定义的发展做出贡献，为未来引力波探测、暗物质探测等物理学基本原理检验提供新方法。
（2）量子导航
惯性导航系统是一种不依赖于外部信息且不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有高隐蔽性、全时空间工作的优势，在国家安全等领域具有重要的应用价值。根据公开报道的当前最好的经典惯性导航技术，水下航行100天之后的定位误差将达到100 km量级，还不足以支持长时间的完全自主导航。通过对原子的量子调控，基于原子自旋、冷原子干涉效应的量子陀螺仪和重力仪可实现超高灵敏度的惯性测量，有望达到水下航行100天之后的定位误差小于1 km，实现长时间的完全自主导航。因此，基于量子精密测量的陀螺仪及惯性导航系统具有高精度、小体积、低成本等优势，将为无缝定位导航领域提供颠覆性新技术。
（3）单量子探测
单量子探测对单光子、单电子、单原子、单分子等量子系统的高灵敏度探测具有广泛的应用价值，成为近年来国际物理学研究的热点前沿领域。单自旋量子探测技术在量子计算、生命科学、材料科学等领域有广泛应用。例如，我国研究人员利用以金刚石NV色心为代表的固态单自旋体系实现了同时具有高空间分辨率与高灵敏度的磁场探测技术，在室温大气条件下获得了国际上首张单个蛋白质分子的磁共振谱，为研究单分子、单细胞层面的生物学问题提供了测量基础。该技术也可用于探索微观尺度的磁性质、磁结构等。
近年来，我国学者在量子精密测量方面不断追赶国际先进水平，技术突飞猛进，成果斐然。例如，在原子钟、量子陀螺仪等方面的关键技术已经接近国际先进水平；在量子雷达、痕量原子示踪、弱磁场测量等方面已经达到国际先进水平，并取得了一批国际领先的成果。随着研究水平的不断提升和核心竞争力的进一步增强，我国量子精密测量领域将在科学研究、经济生活和国家安全等重大战略需求中发挥重要作用。
