無損測量技術(shù)在工業(yè)長度計量中的應(yīng)用

一、技術(shù)概述

（一）無損測量定義

無損測量技術(shù)，常被視為一種能在不破壞或不影響測量對象原有狀態(tài)和功能的前提下，進(jìn)行尺寸、形狀、物理或化學(xué)特性測量的技術(shù)。其核心特點體現(xiàn)在“無損”兩字，即在測量過程中不會給被測物帶來任何形式的損害或變化，保證了測量對象的完整性和實用性。在實際應(yīng)用中，無損測量技術(shù)不僅實現(xiàn)了對被測對象的安全和精確檢測，同時也降低了測試成本，并有效縮短了測量周期。

（二）工業(yè)長度計量的定義

工業(yè)長度計量關(guān)乎對工業(yè)制造領(lǐng)域內(nèi)部件、產(chǎn)品或工程空間的精確測定，它是一門專注于對物體線性尺寸或距離的測量學(xué)科，并對其進(jìn)行精確度的評估與分析。工業(yè)長度計量不僅局限于直接的線性測量，還拓展至與長度有關(guān)的其他測量，例如角度、圓度、平面度等[1]。這一測量技術(shù)在保證產(chǎn)品質(zhì)量、符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、以及確保產(chǎn)品的功能和可靠性方面起到關(guān)鍵的作用。

二、無損測量技術(shù)在工業(yè)長度計量中的應(yīng)用

（一）基于光學(xué)的無損測量方法

1.激光掃描測量

在現(xiàn)代工業(yè)測量技術(shù)中，激光掃描測量通過利用激光的線性傳播特性和高度聚焦能力，成為實現(xiàn)高精度、快速、和非接觸測量的首選方法之一。在該方法中，激光掃描儀會發(fā)出一個或多個激光束，然后檢測這些激光束在遇到測量對象表面后的散射或反射情況。在實際操作中，激光掃描測量經(jīng)常被應(yīng)用到復(fù)雜形狀的三維測量和大規(guī)模工程的數(shù)據(jù)采集中，以其毫米甚至微米級的精度滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高精度測量的渴求。通過快速、連續(xù)的掃描，激光測量技術(shù)不僅能獲取被測對象的精確尺寸，而且能在極短的時間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的采集和處理，顯著提升了測量效率。

2.光學(xué)比較法

相較于激光掃描測量，光學(xué)比較法則提供了一種更為直觀的測量手段。光學(xué)比較法基于光的干涉和衍射原理，通過比較被測對象與已知標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)差異，間接獲得測量結(jié)果。其優(yōu)勢在于測量過程簡便，且可以直接獲取圖像化的結(jié)果，便于操作者快速判斷和分析。盡管相比激光掃描，光學(xué)比較法在精度和測量范圍上略顯不足，其對于平面或輪廓線的快速比對測量仍具有不可替代的優(yōu)勢，特別是在檢測工件的形狀、位置等參數(shù)偏差時，能夠提供直觀可靠的參考。

3.干涉測量法

再轉(zhuǎn)向干涉測量法，這一方法主要依賴光波的干涉原理，利用兩束或多束光波在空間中重合產(chǎn)生的干涉條紋來獲取物體的尺寸、形狀或位置信息。由于光波波長的極短，干涉測量法具有極高的測量精度，理論上可以達(dá)到納米級別。這使得它在科研和一些要求極高測量精度的領(lǐng)域（如光電子、精密制造等）中占據(jù)重要位置。此外，由于干涉測量不依賴接觸性測量，它也常常被應(yīng)用到精密、脆弱或微小物體的非破壞性測量中，以保障被測對象的完整性[2]。在應(yīng)對各類精密測量的需求時，干涉測量法憑借其超高的精度和非接觸的特性，展現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

（二）基于聲波的無損測量方法

1.超聲波測量

超聲波測量技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中擁有著廣泛的應(yīng)用，其原理主要是利用超聲波在不同材料中的傳播速度和反射特性進(jìn)行測量。當(dāng)超聲波遇到不同介質(zhì)的交界時，會產(chǎn)生反射，而反射回來的超聲波信號可以被接收器捕捉并轉(zhuǎn)換為電信號，從而得到測量數(shù)據(jù)。以管道壁厚的測量為例，傳統(tǒng)的測量方式可能需要停機檢測，并可能對材料進(jìn)行物理性的破壞。而超聲波測量能夠在不接觸物體的情況下進(jìn)行，測量范圍在(0.65～500)mm之間，其精度可以達(dá)到0.01mm。這種高精度和非破壞性的特性使得超聲波測量在許多領(lǐng)域都受到青睞。

2.表面波測量

表面波測量技術(shù)則是利用材料表面的波動來獲取所需的測量信息。當(dāng)外界力量作用于材料時，材料的表面會產(chǎn)生波動，這些波動的特性和材料的性質(zhì)、狀態(tài)息息相關(guān)[3]。因此，通過對這些波動進(jìn)行分析，就可以獲取到關(guān)于材料的重要信息。例如，在特定的頻率范圍內(nèi)，表面波的傳播速度與材料的彈性模量和密度有關(guān)。這意味著，我們可以通過測量表面波的傳播速度來推算出材料的某些機械性質(zhì)。研究顯示，在頻率為5MHz的情況下，某些金屬材料的表面波速度為(3～5)km/s。通過對比不同材料的數(shù)據(jù)，工程師們可以得到材料的詳細(xì)參數(shù)。

（三）基于電磁波的無損測量方法

1.電磁感應(yīng)測量

電磁感應(yīng)測量法在工業(yè)領(lǐng)域中主要用來測定電導(dǎo)率或?qū)Т判圆牧系奶匦浴．?dāng)電流通過一個導(dǎo)體時，它會在其周圍創(chuàng)建一個磁場，這一物理現(xiàn)象通常被用來進(jìn)行非接觸式的測量。電磁感應(yīng)測量法利用電導(dǎo)體中的渦流產(chǎn)生的磁場來檢測物體的屬性，特別是與其電磁特性相關(guān)的屬性。在實際應(yīng)用中，電磁感應(yīng)測量可用于測定材料的厚度和電導(dǎo)率。例如，它可測定銅板的厚度在(0.1～500)mm的范圍內(nèi)，并且它在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)提供了±1%的精度。

2.X射線或γ射線測量

X射線或γ射線測量法在工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非破壞性檢測，此外，在測量材料厚度和密度方面也具有獨到之處。這類射線的穿透能力強，能夠探測材料的內(nèi)部信息，尤其是在檢測內(nèi)部缺陷或測量厚度方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢[4]。比如在對鋼材進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢測中，X射線測量法能夠精確檢測到其內(nèi)部是否存在氣泡、裂紋等缺陷。并且其測量數(shù)據(jù)顯示，該方法能夠在鋼材厚度為(10～100)mm的范圍內(nèi)提供較高的精度，即使在這樣的范圍內(nèi)，其檢測精度也可達(dá)到±0.5mm。

三、無損測量技術(shù)在工業(yè)長度計量中的精度和穩(wěn)定性分析

（一）精度分析

精度分析始終占據(jù)著測量學(xué)科的核心位置，尤其在無損測量領(lǐng)域，其精度直接關(guān)聯(lián)到工程實施的可靠性和科學(xué)實驗的準(zhǔn)確性。在對無損測量技術(shù)的精度進(jìn)行深入探討時，我們不得不將目光投向那些微小的測量值差異。這樣的微小差異，不僅僅體現(xiàn)在單一測量上，即便在連續(xù)或重復(fù)的測量中，也可能體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的微小波動。例如，在連續(xù)測量一個已知直徑為5mm的銅球時，五次測量的結(jié)果分別為5.00mm, 5.01mm, 4.99mm, 5.00mm, 和 5.01mm。這些微小的差異就是我們探討精度時所關(guān)注的焦點。

表1 精度分析對比表

測量對象 測量方法 測量結(jié)果1 測量結(jié)果2 測量結(jié)果3 理論或參考值

10mm鋁板 激光測量 10.02mm 10.03mm 10.02mm 10mm

5mm銅球 無接觸電磁測量 5.00mm 5.01mm 4.99mm 5mm

在表中，“測量結(jié)果”列展現(xiàn)了對同一對象的多次測量結(jié)果，我們可以從中觀察到結(jié)果的微小差異，并進(jìn)一步分析其背后的可能原因及如何提高測量精度的對策。同時，對比“理論或參考值”一列，也可輔助我們理解測量值與實際值的偏差情況。這樣的分析，有助于我們提高未來無損測量的精度和可靠性。

（二）穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性在無損測量領(lǐng)域占有至關(guān)重要的地位，其意義不僅在于保證測量數(shù)據(jù)的一致性，還在于確保測量過程在不同的環(huán)境和時間條件下都能獲得相對穩(wěn)定的結(jié)果。對于工業(yè)長度計量，例如在對鋼鐵材料的連續(xù)長時間測量中，一個優(yōu)質(zhì)的無損測量技術(shù)不應(yīng)該僅僅注重單次的精確度，更應(yīng)該關(guān)注其在連續(xù)測量中數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性[5]。舉例來說，如果在一天中不同的時間點（例如上午10點和下午3點）進(jìn)行測量，其測量值是否仍舊保持在一個較小的偏差范圍內(nèi)。如果我們在10點測量得到的是1500.1mm，而在15點測量得到的是1500.3mm，這樣的微小變化是否是由設(shè)備的測量不穩(wěn)定引起，或是由外部環(huán)境因素（如溫度的升高導(dǎo)致材料膨脹）導(dǎo)致的。

表2 以不同時間做穩(wěn)定性分析表

測量對象 測量時間點 測量結(jié)果1 測量結(jié)果2 測量結(jié)果3 平均測量結(jié)果

1500mm鋼管 上午10點 1500.1mm 1500.2mm 1500.1mm 1500.13mm

1500mm鋼管 下午3點 1500.3mm 1500.4mm 1500.3mm 1500.33mm

在表格中，我們可以看到在不同時間點的測量結(jié)果呈現(xiàn)出微小的變化。接下來的分析可以進(jìn)一步深入這些數(shù)據(jù)背后的原因，例如對比其他變量如環(huán)境溫度和濕度的變化，設(shè)備使用狀態(tài)等，進(jìn)而理解這些測量數(shù)據(jù)背后的穩(wěn)定性邏輯和可能的影響因素，為提高無損測量技術(shù)的穩(wěn)定性提供依據(jù)。

（三）適應(yīng)性分析

適應(yīng)性分析關(guān)注無損測量技術(shù)在應(yīng)對不同材料、尺寸和測量環(huán)境時的靈活性和準(zhǔn)確性。在工業(yè)長度計量中，材料的性質(zhì)、被測物體的形狀以及外部環(huán)境的復(fù)雜性往往帶來測量上的挑戰(zhàn)。一個理想的無損測量系統(tǒng)應(yīng)該能在不同的情境下調(diào)整其測量策略，確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)與可靠。例如，在測量不同材料（比如鐵、銅、塑料等）的相同長度時，無損測量技術(shù)是否能保持一致的準(zhǔn)確度；或者在測量不同長度（比如10mm與1000mm）的相同材料時，是否能在不同尺度上保持精準(zhǔn)。測量長度分別為50mm、500mm和1500mm的鐵管和銅管。假設(shè)在理想的控制環(huán)境下，我們利用一種特定的無損測量技術(shù)進(jìn)行多次測量，并獲取如下數(shù)據(jù)：

表3 不同材質(zhì)測量結(jié)果

物體 理論長度 測量長度1 測量長度2 測量長度3

鐵管 50mm 50.1mm 50.0mm 50.2mm

銅管 50mm 50.3mm 50.2mm 50.3mm

鐵管 500mm 500.4mm 500.5mm 500.3mm

銅管 500mm 500.2mm 500.1mm 500.3mm

鐵管 1500mm 1500.2mm 1500.3mm 1500.1mm

銅管 1500mm 1501.0mm 1500.9mm 1500.8mm

這一系列數(shù)據(jù)為我們提供了豐富的分析視角。我們可以觀察到，在短長度測量時，鐵管和銅管的測量值較接近，但在更長的長度測量中，兩者的測量值開始出現(xiàn)較大差異。特別是對于較長的銅管，其測量誤差相對較大。這可能意味著這種無損測量技術(shù)在測量不同材料時的適應(yīng)性存在一定的限制，特別是在不同長度尺度上。

四、結(jié)語

綜上所述，無損測量技術(shù)在精度、穩(wěn)定性以及適應(yīng)性上的優(yōu)勢及其所面臨的挑戰(zhàn)構(gòu)成了其發(fā)展的雙重動力。正是在面對這些技術(shù)性的難題與挑戰(zhàn)時，研究者們發(fā)揮出科學(xué)研究的創(chuàng)新精神，將理論與實踐相結(jié)合，不斷拓展這一領(lǐng)域的技術(shù)邊界。而此過程中的成功實踐與經(jīng)驗積累，亦成為了推動相關(guān)領(lǐng)域更廣泛應(yīng)用的可靠保障。

本文來源：《產(chǎn)品可靠性報告》http://m.12-baidu.cn/w/kj/32519.html