计量学：物理量测量的科学

几何量描述了物理对象的空间特性。工业测量主要涉及四种几何量类型：形状（表面形状及与公称几何形状的偏差）、表面纹理（粗糙度、波纹度及主轮廓）、位置（坐标系中的位置和方向）以及尺寸（长度、宽度、直径和角度）。 工业3D传感器通过将结构光或激光线投射到表面上，并使用CMOS或CCD图像传感器记录反射图案，从而测量几何量。

表面粗糙度 Ra——即表面轮廓线相对于平均线的算术平均偏差——是技术图纸和质量标准中规定最频繁的几何量之一。轮廓高度 $z(x)$ 且Ra值定义为：

Ra=1∫0l∣z(x)∣dxRa​=l1​∫0l​∣z(x)∣dx

其中 $l$ 是求值长度， $z(x)$ 是位置 $x$处的高度。

热量参数描述了物体的温度状态和传热行为。在工业检测中，温度是最常测量的热量参数；热辐射（即作为表面温度函数的红外辐射强度）位居第二。 红外热像仪通过检测8–14 µm波长范围内的长波红外辐射来测量热量参数，且无需与被测物体接触。热成像测量可检测部件过热、焊缝缺陷以及建筑围护结构中的热桥。

物体的单位面积辐射功率遵循斯特凡-玻尔兹曼定律：

M=ε·σ·T⁴M=ε·σ⋅T4

其中 $\epsilon$ 是表面发射率（无量纲，取值范围为 0–1）， $\sigma$ 是斯特藩-玻尔兹曼常数 5.67×10−8 W m−2 K−45.67×10−8W m−2K−4，以及 $T$ 是表面绝对温度（单位为开尔文）。

光学量描述了电磁辐射与表面及材料之间的相互作用。在工业检测中，主要涉及三类光学量：光强（单位立体角内的光学功率）、光谱反射率（随波长变化的表面反射系数）以及透射率（入射辐射穿过材料的比例）。 多光谱和高光谱传感器系统通过测量特定波长带内的光谱反射率，来识别材料成分和表面状况。

力学量包括力（单位为牛顿）、压力（单位为帕斯卡）和应变（无量纲的变形比）。时间和频率量用于描述过程持续时间、循环速率和振动频率。工业测量系统还涉及电学、声学、化学和生物量；这些量类在本knowledge base均有专门的文章进行阐述。

激光三角测量是一种光学测量原理，通过测量反射激光点或激光线相对于激光发射器与图像传感器之间已知基线的角位移，来确定表面距离。三维轮廓传感器将激光线投射到被测物体上；图像传感器则在预定的三角测量角度下捕获反射激光线的轮廓。在短测量距离下，激光三角测量传感器的距离分辨率可达1微米以下。

三角测量距离 $d$ 是根据三角测量角 $\alpha$，基线长度 $b$，以及位移 $s$ ：

d=b·fsd=sb·f​

其中 $b$ 是激光发射器与探测器之间的基线， $f$ 是接收光学系统的焦距， $s$ 是探测器阵列上的光斑位移。若 dˉ(x,y)dˉ(x,y) 随着距离传感器距离的增加而单调递增，则在定义的测量范围内，该测量结果是无歧义的。

结构光投影技术通过投射一系列条纹图案，并根据变形图案中的相位偏移计算深度图，从而将激光三角测量扩展至全表面3D测量。

红外热成像是一种热测量原理，它将物体的红外辐射转换为经过校准的温度图。任何温度高于0开尔文的物体都会发射红外辐射；单位面积的辐射功率遵循斯特藩-玻尔兹曼定律，是表面温度和发射率的函数。 红外热像仪通过焦平面阵列（FPA）探测器——即非制冷微热计或制冷光子探测器——捕获这种辐射的空间分布，并利用出厂校准的转换函数将探测器的响应值转换为温度值。

热成像测量无需与部件发生机械接触，即可检测热梯度、表面下缺陷及热损失模式。

参照标准比对是一种测量原理，通过与具有已知且可溯源值的物理参照物进行直接比较，来确定被测量的数值。 量块、环规和校准标准件均可作为参考实物。几何光学方法——包括共聚焦显微镜和干涉测量法——通过分析测量光束与参考光束之间的光程差来测量表面形貌。这些方法在镜面表面上可实现亚纳米级深度分辨率。

电气测量原理——包括电阻式、电容式、电感式和压电式转换——可将机械或热量转化为电信号。电容式传感器通过检测两个导电表面之间的电容变化，来测量位移和膜厚。 电感式传感器通过检测磁通量的变化来探测铁磁性物体的接近。磁性、声学、机械分析及化学分析测量原理构成了适用于专业工业检测任务的其他主要原理类别。

被测对象是指进行测量操作的物理实体。被测对象的特性——包括表面反射率、热发射率、材料均匀性以及几何复杂度——决定了应采用何种测量原理和仪器。被测对象的污染、振动和热膨胀是导致测量结果产生系统误差的三大主要环境因素。

被测量是测量对象的具体物理量。要正确定义被测量，必须明确量值类型（例如以微米为单位的表面粗糙度Ra）、物体上的测量位置以及适用的测量标准（例如表面纹理参数的ISO 4287标准）。被测量的定义若存在歧义，将成为系统误差的来源，导致不同测量系统之间的结果无法进行比较。

测量仪器是指能够检测被测量并将其转换为可读信号或数据输出的设备。3D传感器、红外摄像机、坐标测量机（CMM）和激光位移传感器是工业尺寸和热测量中常用的四种仪器类型。仪器选型标准包括测量范围、空间分辨率、采集速度以及环境耐受等级（IP防护等级）。

测量程序规定了操作顺序、仪器设置、参考位置以及用于从原始传感器信号中获取测量结果的评估算法。标准化测量程序（在 ISO、VDA 或制造商特定指南中定义）可确保不同操作人员和不同测量周期之间的结果可重复性。激光三角测量轮廓测量程序规定了扫描速度、激光功率、环境光抑制以及峰值检测算法。

测量条件是指那些独立于被测对象和仪器、但会影响测量结果的环境和操作参数。 有5类测量条件会影响光学和热测量系统：环境温度（仪器和被测物的热膨胀）、环境光（图像传感器中的杂散光干扰）、振动（图像模糊和位移误差）、湿度（光学表面的凝结和热发射率变化）以及电磁干扰（探测器电子元件中的信号噪声）。

测量结果是指对原始传感器数据应用测量程序后获得的输出值。完整的测量结果包括测量值、相关的测量不确定度、所使用的参考标准以及采集时的测量条件。测量结果是以下四类评估输出结果的数据依据：分类判定（合格/不合格）、过程报警、统计过程控制（SPC）值以及质量文件记录。

综合标准测量不确定度 \( u_c \) 是根据所有输入量 \( x_i \) 的各自标准不确定度 \( u_i \) 计算得出的：

\[ u_c(y) = \sqrt{\sum_{i=1}^{N} \left(\frac{\partial f}{\partial x_i}\right)^2 u^2(x_i)} \]

其中 \( \frac{\partial f}{\partial x_i} \) 是输出量 \( y \) 对输入量 \( x_i \) 的敏感度系数，其定义见《测量不确定度表述指南》（GUM）。

光学传感器系统通过分析结构化电磁辐射与被测物体的相互作用，来采集几何和表面信息。 基于激光三角测量的3D传感器可实现每秒超过10,000条轮廓的采集速率——这一性能参数使得在生产线速度下进行在线3D检测成为可能。3D成像系统将轮廓测量扩展至全表面点云采集，能够生成高密度3D数据集，在工业部件上实现横向分辨率低于50微米、深度分辨率低于10微米。

3D传感器通过计算结构光变形、立体三角测量或飞行时间测量所得的深度，来获取表面点的三维空间坐标。3D成像系统将3D传感器硬件与嵌入式处理及软件评估相结合，从而直接从传感器输出测量结果——包括尺寸值、表面图或合格/不合格判定。 与基于PC的评估架构相比，传感器端处理可减少数据传输量并降低延迟。

红外传感器系统通过测量1 µm至14 µm波长范围内的热辐射，来确定表面温度分布并检测热异常。 工业热成像测量领域主要采用两种红外探测器技术：非制冷微热辐射计阵列（在环境温度下工作，光谱范围为8–14 µm）以及制冷光子探测器——如InSb或MCT（汞镉碲）——它们在中波红外范围（3–5 µm）内工作，具有更高的灵敏度和帧率。

具备片上处理功能的图像处理传感器将图像采集、特征提取和测量评估整合到单一传感器单元中。 传感器内处理技术在将结构化测量数据传输至主系统之前，会直接在传感器的嵌入式处理器上应用预处理算法——包括亮度归一化、峰值检测和亚像素插值。与传输未经处理的原始图像相比，这种架构可将原始数据量减少10至100倍，并能满足高速检测应用中低于1毫秒的循环时间要求。

电磁传感器系统——包括霍尔效应传感器、电感式接近传感器和电容式传感器——用于在无法通过光学方式接触被测对象的应用场景中测量位置、位移和场强。机械传感器系统，包括应变片阵列（DMS）和基于MEMS的加速度计，用于测量力、压力和振动。 声学、化学和生物传感器系统适用于过程分析、环境监测及生命科学仪器领域的测量任务；本测量knowledge base已针对这些传感器系统类别分别撰写了专题文章。