無損測量技術在工業長度計量中的應用

一、技術概述

（一）無損測量定義

無損測量技術，常被視為一種能在不破壞或不影響測量對象原有狀態和功能的前提下，進行尺寸、形狀、物理或化學特性測量的技術。其核心特點體現在“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。在實際應用中，無損測量技術不僅實現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）工業長度計量的定義

工業長度計量關乎對工業制造領域內部件、產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科，并對其進行精確度的評估與分析。工業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的其他測量，例如角度、圓度、平面度等[1]。這一測量技術在保證產品質量、符合設計標準、以及確保產品的功能和可靠性方面起到關鍵的作用。

二、無損測量技術在工業長度計量中的應用

（一）基于光學的無損測量方法

1.激光掃描測量

在現代工業測量技術中，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，激光掃描測量經常被應用到復雜形狀的三維測量和大規模工程的數據采集中，以其毫米甚至微米級的精度滿足了現代工業對高精度測量的渴求。通過快速、連續的掃描，激光測量技術不僅能獲取被測對象的精確尺寸，而且能在極短的時間內完成大量數據的采集和處理，顯著提升了測量效率。

2.光學比較法

相較于激光掃描測量，光學比較法則提供了一種更為直觀的測量手段。光學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準的光學差異，間接獲得測量結果。其優勢在于測量過程簡便，且可以直接獲取圖像化的結果，便于操作者快速判斷和分析。盡管相比激光掃描，光學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勢，特別是在檢測工件的形狀、位置等參數偏差時，能夠提供直觀可靠的參考。

3.干涉測量法

再轉向干涉測量法，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域（如光電子、精密制造等）中占據重要位置。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，展現出無可比擬的優勢和應用前景。

（二）基于聲波的無損測量方法

1.超聲波測量

超聲波測量技術在工業領域中擁有著廣泛的應用，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行測量。當超聲波遇到不同介質的交界時，會產生反射，而反射回來的超聲波信號可以被接收器捕捉并轉換為電信號，從而得到測量數據。以管道壁厚的測量為例，傳統的測量方式可能需要停機檢測，并可能對材料進行物理性的破壞。而超聲波測量能夠在不接觸物體的情況下進行，測量范圍在(0.65～500)mm之間，其精度可以達到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域都受到青睞。

2.表面波測量

表面波測量技術則是利用材料表面的波動來獲取所需的測量信息。當外界力量作用于材料時，材料的表面會產生波動，這些波動的特性和材料的性質、狀態息息相關[3]。因此，通過對這些波動進行分析，就可以獲取到關于材料的重要信息。例如，在特定的頻率范圍內，表面波的傳播速度與材料的彈性模量和密度有關。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。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據，工程師們可以得到材料的詳細參數。

（三）基于電磁波的無損測量方法

1.電磁感應測量

電磁感應測量法在工業領域中主要用來測定電導率或導磁性材料的特性。當電流通過一個導體時，它會在其周圍創建一個磁場，這一物理現象通常被用來進行非接觸式的測量。電磁感應測量法利用電導體中的渦流產生的磁場來檢測物體的屬性，特別是與其電磁特性相關的屬性。在實際應用中，電磁感應測量可用于測定材料的厚度和電導率。例如，它可測定銅板的厚度在(0.1～500)mm的范圍內，并且它在相應的頻率范圍內提供了±1%的精度。

2.X射線或γ射線測量

X射線或γ射線測量法在工業領域主要應用于材料的內部結構的非破壞性檢測，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，能夠探測材料的內部信息，尤其是在檢測內部缺陷或測量厚度方面表現出了巨大的優勢[4]。比如在對鋼材進行內部缺陷的檢測中，X射線測量法能夠精確檢測到其內部是否存在氣泡、裂紋等缺陷。并且其測量數據顯示，該方法能夠在鋼材厚度為(10～100)mm的范圍內提供較高的精度，即使在這樣的范圍內，其檢測精度也可達到±0.5mm。

三、無損測量技術在工業長度計量中的精度和穩定性分析

（一）精度分析

精度分析始終占據著測量學科的核心位置，尤其在無損測量領域，其精度直接關聯到工程實施的可靠性和科學實驗的準確性。在對無損測量技術的精度進行深入探討時，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，不僅僅體現在單一測量上，即便在連續或重復的測量中，也可能體現出數據的微小波動。例如，在連續測量一個已知直徑為5mm的銅球時，五次測量的結果分別為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注的焦點。

表1 精度分析對比表

測量對象 測量方法 測量結果1 測量結果2 測量結果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，“測量結果”列展現了對同一對象的多次測量結果，我們可以從中觀察到結果的微小差異，并進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）穩定性分析

穩定性在無損測量領域占有至關重要的地位，其意義不僅在于保證測量數據的一致性，還在于確保測量過程在不同的環境和時間條件下都能獲得相對穩定的結果。對于工業長度計量，例如在對鋼鐵材料的連續長時間測量中，一個優質的無損測量技術不應該僅僅注重單次的精確度，更應該關注其在連續測量中數據的穩定性和可靠性[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）進行測量，其測量值是否仍舊保持在一個較小的偏差范圍內。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備的測量不穩定引起，或是由外部環境因素（如溫度的升高導致材料膨脹）導致的。

表2 以不同時間做穩定性分析表

測量對象 測量時間點 測量結果1 測量結果2 測量結果3 平均測量結果

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果呈現出微小的變化。接下來的分析可以進一步深入這些數據背后的原因，例如對比其他變量如環境溫度和濕度的變化，設備使用狀態等，進而理解這些測量數據背后的穩定性邏輯和可能的影響因素，為提高無損測量技術的穩定性提供依據。

（三）適應性分析

適應性分析關注無損測量技術在應對不同材料、尺寸和測量環境時的靈活性和準確性。在工業長度計量中，材料的性質、被測物體的形狀以及外部環境的復雜性往往帶來測量上的挑戰。一個理想的無損測量系統應該能在不同的情境下調整其測量策略，確保數據的精準與可靠。例如，在測量不同材料（比如鐵、銅、塑料等）的相同長度時，無損測量技術是否能保持一致的準確度；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。測量長度分別為50mm、500mm和1500mm的鐵管和銅管。假設在理想的控制環境下，我們利用一種特定的無損測量技術進行多次測量，并獲取如下數據：

表3 不同材質測量結果

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

這一系列數據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在測量不同材料時的適應性存在一定的限制，特別是在不同長度尺度上。

四、結語

綜上所述，無損測量技術在精度、穩定性以及適應性上的優勢及其所面臨的挑戰構成了其發展的雙重動力。正是在面對這些技術性的難題與挑戰時，研究者們發揮出科學研究的創新精神，將理論與實踐相結合，不斷拓展這一領域的技術邊界。而此過程中的成功實踐與經驗積累，亦成為了推動相關領域更廣泛應用的可靠保障。

本文來源：《產品可靠性報告》http://www.007hgw.com/w/kj/32519.html