无损测量技术在工业长度计量中的应用

一、技术概述

（一）无损测量定义

无损测量技术，常被视为一种能在不破坏或不影响测量对象原有状态和功能的前提下，进行尺寸、形状、物理或化学特性测量的技术。其核心特点体现在“无损”两字，即在测量过程中不会给被测物带来任何形式的损害或变化，保证了测量对象的完整性和实用性。在实际应用中，无损测量技术不仅实现了对被测对象的安全和精确检测，同时也降低了测试成本，并有效缩短了测量周期。

（二）工业长度计量的定义

工业长度计量关乎对工业制造领域内部件、产品或工程空间的精确测定，它是一门专注于对物体线性尺寸或距离的测量学科，并对其进行精确度的评估与分析。工业长度计量不仅局限于直接的线性测量，还拓展至与长度有关的其他测量，例如角度、圆度、平面度等[1]。这一测量技术在保证产品质量、符合设计标准、以及确保产品的功能和可靠性方面起到关键的作用。

二、无损测量技术在工业长度计量中的应用

（一）基于光学的无损测量方法

1.激光扫描测量

在现代工业测量技术中，激光扫描测量通过利用激光的线性传播特性和高度聚焦能力，成为实现高精度、快速、和非接触测量的首选方法之一。在该方法中，激光扫描仪会发出一个或多个激光束，然后检测这些激光束在遇到测量对象表面后的散射或反射情况。在实际操作中，激光扫描测量经常被应用到复杂形状的三维测量和大规模工程的数据采集中，以其毫米甚至微米级的精度满足了现代工业对高精度测量的渴求。通过快速、连续的扫描，激光测量技术不仅能获取被测对象的精确尺寸，而且能在极短的时间内完成大量数据的采集和处理，显著提升了测量效率。

2.光学比较法

相较于激光扫描测量，光学比较法则提供了一种更为直观的测量手段。光学比较法基于光的干涉和衍射原理，通过比较被测对象与已知标准的光学差异，间接获得测量结果。其优势在于测量过程简便，且可以直接获取图像化的结果，便于操作者快速判断和分析。尽管相比激光扫描，光学比较法在精度和测量范围上略显不足，其对于平面或轮廓线的快速比对测量仍具有不可替代的优势，特别是在检测工件的形状、位置等参数偏差时，能够提供直观可靠的参考。

3.干涉测量法

再转向干涉测量法，这一方法主要依赖光波的干涉原理，利用两束或多束光波在空间中重合产生的干涉条纹来获取物体的尺寸、形状或位置信息。由于光波波长的极短，干涉测量法具有极高的测量精度，理论上可以达到纳米级别。这使得它在科研和一些要求极高测量精度的领域（如光电子、精密制造等）中占据重要位置。此外，由于干涉测量不依赖接触性测量，它也常常被应用到精密、脆弱或微小物体的非破坏性测量中，以保障被测对象的完整性[2]。在应对各类精密测量的需求时，干涉测量法凭借其超高的精度和非接触的特性，展现出无可比拟的优势和应用前景。

（二）基于声波的无损测量方法

1.超声波测量

超声波测量技术在工业领域中拥有着广泛的应用，其原理主要是利用超声波在不同材料中的传播速度和反射特性进行测量。当超声波遇到不同介质的交界时，会产生反射，而反射回来的超声波信号可以被接收器捕捉并转换为电信号，从而得到测量数据。以管道壁厚的测量为例，传统的测量方式可能需要停机检测，并可能对材料进行物理性的破坏。而超声波测量能够在不接触物体的情况下进行，测量范围在(0.65～500)mm之间，其精度可以达到0.01mm。这种高精度和非破坏性的特性使得超声波测量在许多领域都受到青睐。

2.表面波测量

表面波测量技术则是利用材料表面的波动来获取所需的测量信息。当外界力量作用于材料时，材料的表面会产生波动，这些波动的特性和材料的性质、状态息息相关[3]。因此，通过对这些波动进行分析，就可以获取到关于材料的重要信息。例如，在特定的频率范围内，表面波的传播速度与材料的弹性模量和密度有关。这意味着，我们可以通过测量表面波的传播速度来推算出材料的某些机械性质。研究显示，在频率为5MHz的情况下，某些金属材料的表面波速度为(3～5)km/s。通过对比不同材料的数据，工程师们可以得到材料的详细参数。

（三）基于电磁波的无损测量方法

1.电磁感应测量

电磁感应测量法在工业领域中主要用来测定电导率或导磁性材料的特性。当电流通过一个导体时，它会在其周围创建一个磁场，这一物理现象通常被用来进行非接触式的测量。电磁感应测量法利用电导体中的涡流产生的磁场来检测物体的属性，特别是与其电磁特性相关的属性。在实际应用中，电磁感应测量可用于测定材料的厚度和电导率。例如，它可测定铜板的厚度在(0.1～500)mm的范围内，并且它在相应的频率范围内提供了±1%的精度。

2.X射线或γ射线测量

X射线或γ射线测量法在工业领域主要应用于材料的内部结构的非破坏性检测，此外，在测量材料厚度和密度方面也具有独到之处。这类射线的穿透能力强，能够探测材料的内部信息，尤其是在检测内部缺陷或测量厚度方面表现出了巨大的优势[4]。比如在对钢材进行内部缺陷的检测中，X射线测量法能够精确检测到其内部是否存在气泡、裂纹等缺陷。并且其测量数据显示，该方法能够在钢材厚度为(10～100)mm的范围内提供较高的精度，即使在这样的范围内，其检测精度也可达到±0.5mm。

三、无损测量技术在工业长度计量中的精度和稳定性分析

（一）精度分析

精度分析始终占据着测量学科的核心位置，尤其在无损测量领域，其精度直接关联到工程实施的可靠性和科学实验的准确性。在对无损测量技术的精度进行深入探讨时，我们不得不将目光投向那些微小的测量值差异。这样的微小差异，不仅仅体现在单一测量上，即便在连续或重复的测量中，也可能体现出数据的微小波动。例如，在连续测量一个已知直径为5mm的铜球时，五次测量的结果分别为5.00mm, 5.01mm, 4.99mm, 5.00mm, 和 5.01mm。这些微小的差异就是我们探讨精度时所关注的焦点。

表1 精度分析对比表

测量对象 测量方法 测量结果1 测量结果2 测量结果3 理论或参考值

10mm铝板 激光测量 10.02mm 10.03mm 10.02mm 10mm

5mm铜球 无接触电磁测量 5.00mm 5.01mm 4.99mm 5mm

在表中，“测量结果”列展现了对同一对象的多次测量结果，我们可以从中观察到结果的微小差异，并进一步分析其背后的可能原因及如何提高测量精度的对策。同时，对比“理论或参考值”一列，也可辅助我们理解测量值与实际值的偏差情况。这样的分析，有助于我们提高未来无损测量的精度和可靠性。

（二）稳定性分析

稳定性在无损测量领域占有至关重要的地位，其意义不仅在于保证测量数据的一致性，还在于确保测量过程在不同的环境和时间条件下都能获得相对稳定的结果。对于工业长度计量，例如在对钢铁材料的连续长时间测量中，一个优质的无损测量技术不应该仅仅注重单次的精确度，更应该关注其在连续测量中数据的稳定性和可靠性[5]。举例来说，如果在一天中不同的时间点（例如上午10点和下午3点）进行测量，其测量值是否仍旧保持在一个较小的偏差范围内。如果我们在10点测量得到的是1500.1mm，而在15点测量得到的是1500.3mm，这样的微小变化是否是由设备的测量不稳定引起，或是由外部环境因素（如温度的升高导致材料膨胀）导致的。

表2 以不同时间做稳定性分析表

测量对象 测量时间点 测量结果1 测量结果2 测量结果3 平均测量结果

1500mm钢管 上午10点 1500.1mm 1500.2mm 1500.1mm 1500.13mm

1500mm钢管 下午3点 1500.3mm 1500.4mm 1500.3mm 1500.33mm

在表格中，我们可以看到在不同时间点的测量结果呈现出微小的变化。接下来的分析可以进一步深入这些数据背后的原因，例如对比其他变量如环境温度和湿度的变化，设备使用状态等，进而理解这些测量数据背后的稳定性逻辑和可能的影响因素，为提高无损测量技术的稳定性提供依据。

（三）适应性分析

适应性分析关注无损测量技术在应对不同材料、尺寸和测量环境时的灵活性和准确性。在工业长度计量中，材料的性质、被测物体的形状以及外部环境的复杂性往往带来测量上的挑战。一个理想的无损测量系统应该能在不同的情境下调整其测量策略，确保数据的精准与可靠。例如，在测量不同材料（比如铁、铜、塑料等）的相同长度时，无损测量技术是否能保持一致的准确度；或者在测量不同长度（比如10mm与1000mm）的相同材料时，是否能在不同尺度上保持精准。测量长度分别为50mm、500mm和1500mm的铁管和铜管。假设在理想的控制环境下，我们利用一种特定的无损测量技术进行多次测量，并获取如下数据：

表3 不同材质测量结果

物体 理论长度 测量长度1 测量长度2 测量长度3

铁管 50mm 50.1mm 50.0mm 50.2mm

铜管 50mm 50.3mm 50.2mm 50.3mm

铁管 500mm 500.4mm 500.5mm 500.3mm

铜管 500mm 500.2mm 500.1mm 500.3mm

铁管 1500mm 1500.2mm 1500.3mm 1500.1mm

铜管 1500mm 1501.0mm 1500.9mm 1500.8mm

这一系列数据为我们提供了丰富的分析视角。我们可以观察到，在短长度测量时，铁管和铜管的测量值较接近，但在更长的长度测量中，两者的测量值开始出现较大差异。特别是对于较长的铜管，其测量误差相对较大。这可能意味着这种无损测量技术在测量不同材料时的适应性存在一定的限制，特别是在不同长度尺度上。

四、结语

综上所述，无损测量技术在精度、稳定性以及适应性上的优势及其所面临的挑战构成了其发展的双重动力。正是在面对这些技术性的难题与挑战时，研究者们发挥出科学研究的创新精神，将理论与实践相结合，不断拓展这一领域的技术边界。而此过程中的成功实践与经验积累，亦成为了推动相关领域更广泛应用的可靠保障。