測量是科學研究、工程技術、商業活動等各領域中不可或缺的基礎工作。幾乎所有的日常活動都離不開它，因為在日常生活中，我們會遇到長度、重量、時間等不同類型的測量。我們可以把測量看作是將數字與物理量聯系起來的過程，是一種旨在產生有關實驗系統狀態的知識的活動。測量理論涵蓋了如何將數字分配給物體和現象、不同測量之間的關系以及測量過程中相關誤差的原理。

　　根據艾森哈特的定義，測量是 "為物質事物分配數字[或數值]，以表示它們之間在特定屬性方面的關系"。分配數字的過程會產生輸出結果，而輸出結果可通過統計技術進行控制，分配的值被定義為測量值。他提出的三個基本概念被人們接受：

　　測量過程需要統計控制；

　　統計控制意味著測量過程具有可重復性和再現性；

　　測量值必須包含不確定性聲明。

　　艾森哈特的工作對整個計量界的測量過程產生了永久性的影響，它被標準化組織廣泛接受和使用。

　　獲得測量結果的綜合流程稱為測量系統，其中可能包括儀器或量具、標準、方法、夾具、軟件和人員的集合，最終為被測特征分配一個數字。由于測量過程的輸出結果用于對產品和制造過程做出決策，因此測量數據的質量至關重要，這些數據通常以偏差和方差為特征。使用基于數據的程序價值受到測量數據質量的限制，而測量數據質量與從測量系統中獲得的多個測量值的統計屬性有關。

　　標準化

　　標準化伴隨著人類社會的發展，早在古代就有了標準。早期標準的主要目的是使人類活動與自然現象保持一致，最初的標準是測量時間和空間的方法。

　　時間單位標準

　　約2萬年前，冰河時期的獵人在洞穴中刻線，計算不同月相之間的天數。中國的度量衡體系以人體的某部分或自然界某些穩定的物理特征為基準，如“布手知尺”、“掬手為升”、“權衡取重”，初步建立了長度、容積和重量的基本單位。商周時期，度量衡制度有了進一步的發展和完善。甲骨文中有許多關于度量衡的記載，如“步”（長度單位）、“斛”（容量單位）、“斤”（重量單位）等。

　　秦始皇統一六國后，于公元前221年推行全國統一的度量衡制度，這是中國歷史上第一次大規模的度量衡標準化改革。秦朝確定了嚴格的度量衡單位，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了全國范圍內的經濟發展和社會進步，也為后續各朝代度量衡制度的完善奠定了堅實的基礎。

　　科學、技術和制造領域的標準對我們的生活影響巨大，因為它們可以防止可能發生的技術問題。技術標準改善了日常生活，解決了從制造業到公共安全的各種問題。

　　正如希臘哲學家赫拉克利特所說："戰爭是萬物之父，也是萬物之王"，戰爭常常迫使人們實行標準化。軍事標準化的一個例子是可互換步槍零件，19世紀最初幾年，伊萊-惠特尼用這種零件組裝火槍，在美國得到推廣。

　　其中一個與公共安全有關的例子是1904年巴爾的摩大火，這場大火燃燒了一天多，燒毀了1500座建筑。來自紐約、費城、威爾明頓和哈里斯堡的消防隊來到巴爾的摩滅火，但他們的大部分消防水龍無法連接到消防栓上。吸取教訓后，美國啟動了許多標準化項目。

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

　　根據上述例子，"標準 "一詞的具體含義可因語境而異。它可以指一種測量單位、一套做法、特定部分或看待世界的方式。一般來說，標準可以確保技術正常運行，因為它們提供衡量和評估性能的基本術語。使不同制造商生產的部件可以互換；以及通過確保產品的安全性和耐用性來保護消費者。

　　標準的主要類別包括：

　　測量標準：度量衡系統的基本參考；

　　文件標準：測試方法、抽樣程序、分類等。

　　測量標準的例子包括作為美國民用時間基礎的 NIST - F1 和 F3 原子鐘，以及作為所有質量測量基礎的 Kibble 天平。

　　國家標準與技術研究所（NIST）。NIST 成立于 1901 年，是美國的主要標準組織，負責與其他國家協調其測量標準，開發并向其他測量系統分發測量和校準程序。校準程序是用于傳遞測量結果的過程，目的是使其他測量系統與 NIST 的測量結果保持一致。這一轉移過程通常涉及一個分級轉移系統；每個級別都依賴于自己的標準系統。

　　物理測量標準有幾個等級層次：

　　國家標準：通常由 NIST 掌握。

　　一級標準：由 NIST 利用最先進的校準技術將測量結果傳遞給它。

　　二級標準：由能夠獲得一級標準的組織移交。

　　工作標準：用于校準生產設施的測量系統。

　　通過適當校準程序連接回 NIST 的測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，將單個測量與國家標準或國家認可的測量系統聯系起來的能力"。可追溯性是一個重要的概念，因為可追溯到相同標準的測量結果會比不可追溯的測量結果更加一致?？勺匪菪钥蓪p少產品的重新測試、拒收或接收產生積極影響。

　　如果不使用可追溯標準，就不可能確定測量系統的準確度。沒有自己計量部門的制造和測試機構通常會使用被稱為 "校準實驗室 "的外部機構的服務。校準實驗室能夠在特定條件下確定特定測量設備與已知參考值和不確定度的溯源標準之間的關系。

　　技術標準

　　技術標準是一種專門的文件形式，它試圖在特定的實踐社區中創建一致和統一的做法。各組織圍繞標準達成共識的方式各不相同。

　　制定標準的方法和過程的形式決定了標準的類型。兩種主要的公認標準類型是

　　事實標準：在實踐中被某個行業及其客戶廣泛接受，但未經正式批準。

　　法律上的：由官方標準組織批準，通過正式程序制定。

　　無論是事實標準還是法律標準，都是自愿遵守的。不過，在某些情況下，法律上的標準會被法律規范或法規引用，從而強制要求遵守。在某些情況下，如果通過正式的標準程序，事實標準可以成為法律標準。

　　國際標準化組織（ISO）的網站上有對標準的最佳描述。根據國際標準化組織的說法，國際標準化組織的標準是由專家在國際范圍內商定的，它們代表了在其主題領域擁有專業知識并了解其所代表的組織的需求的人們的智慧結晶。標準就像一個公式，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協會）將標準正式定義為 "在協會協商一致的過程中制定和確立的文件，符合 ASTM 程序和規定的審批要求"。

　　ASTM 出版了六種不同類型的標準，其中包括 (a) 測試方法、(b) 規格、(c) 分類、(d) 實踐、(e) 指南和 (f) 術語。

　　標準制定。標準化包括從實際標準制定到其出版、接受和實施的廣泛考慮。美國的標準化體系是一個分散的體系，按工業部門劃分，并由獨立的私營部門標準制定組織提供支持。這也是一個自愿和需求驅動的系統，由利益相關者根據行業和消費者表達的具體關切和需求制定和實施標準。

　　在美國，美國國家標準學會（ANSI）成立于 1918 年，是一個管理和協調美國標準以及合格評定系統的組織。它批準標準為美國國家標準（ANS），是國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）和其他組織的美國國家成員機構。

　　國際標準化組織（ISO）是一個獨立的非政府國際標準制定組織，由成員國國家標準組織的代表組成。截至 2023 年，共有 167 個成員。該組織制定并發布技術和其他領域的標準。

　　對標準化的一個常見誤解是，標準一經發布就被認為是成功的，工作也就完成了。人們錯誤地認為，標準的采用和一致性本身就會隨之而來。

　　如前所述，自愿制度是美國標準化的基礎；標準的制定有賴于不同利益相關者之間的數據收集、討論和協議。由于這些原因，在制定技術標準時，將廣泛的參與者納入這一過程至關重要。

　　這些貢獻者必須具備豐富的知識，才能制定出反映當前技術和需求的標準。為了達到最佳效果，必須在產品制造商、最終用戶、技術專家和標準專家等特定貢獻者群體之間取得平衡。盡管有適當的代表，但兩個群體對標準化成果的評價可能完全不同。

　　例如，特定的制造商可能認為擬議的標準不適合他們的產品，而其他制造商則認為該標準非常適合他們的技術。這兩類人對成功的標準有著不同的看法。標準制定工作的大多數參與者都希望標準獲得成功，但不同參與者對成功的理解可能有所不同。對標準化的一個常見誤解是，標準一經發布就被認為是成功的，工作也就完成了。人們錯誤地認為，標準的采用和一致性本身就會隨之而來。

　　與自愿標準制定相關的另一個挑戰是潛在的串通，即兩個或兩個以上的技術制造商共同推動有利于其技術的標準。

　　如前所述，技術標準的主要目標是在特定社區內統一具體做法（如測試方法）。制定一項讓各方都滿意的標準是一項挑戰，同時還要認識到不同貢獻者的不同目標和優先事項，這對于就具體測試方法和功能達成共識非常重要。

　　除了標準制定的組織部分，工程和科學方面的努力對于制定成功的標準也同樣重要。在制定新的測試方法時，必須在各個階段采用嚴格的工程實踐。

　　新的標準化測試方法應針對其預期目的和應用范圍進行驗證。在驗證過程中，最終目標是確保測試方法代表了產品的特性，并具有所需的重現性和可重復性。

　　ASTM E 1488《用于制定和應用測試方法的統計程序標準指南》2 為如何制定估計精度和偏差聲明提供了指導。該標準建議在制定測試方法時分幾個特定階段進行。圖 2 顯示了其中的一些步驟。

　　建議采取四個步驟：

　　設計階段

　　開發階段

　　評估階段

　　監測階段

　　在完成實驗室間研究（ILS）后，在測試方法中加入精度說明，以提供使用測試方法時預期變異的具體估計值。精度說明的目的是提供信息，說明不同的測試結果之間可能出現的差異。重復性和再現性是對測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3 ，ILS 結果可能會低估測量的變異性。當操作人員不知道正在進行評估時，盲測可能會導致不同（更高）的變異性。

　　所有 ASTM 測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，一些與過濾效率測量相關的標準，包括 ASHRAE 和 ISO 標準，并未包含精度說明。這些說明可能會對測試結果的公布、比較和過濾器選擇決策過程產生重大影響。