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准确简单地测量体积的方法

准确简单地测量体积的方法

物体的测量项目除了长度、面积、角度、重量以外,还有表示立体形状所占空间大小的“体积”要素。体积广泛应用于液体、气体、固体等,日常生活中也有很多以体积为衡量基准的物体。不过,与用直尺和游标卡尺直接测量的长度、根据各边长度用计算公式求得的面积不同,要准确测量体积非常困难。此处介绍体积测量的基础知识、体积测量方法及各自的问题点、利用三坐标测量仪的体积测量方法等。

体积的基础知识

体积是指立体形状在空间中占据的大小。根据国际单位制(SI/SI单位),其单位使用“m3(立方米)”。数学上通过对三维空间内的子集(=图形)的定义函数进行积分来计算体积,但实际中并不使用积分,而是利用专业测量设备进行实测得出结果。顺带一提,测量体积的器具和设备统称为“体积测量仪(Volume Meter)”。此外,还有用来表示某个容器的容纳量的“容积”、“容量”等词汇,作为物理量来说等同于体积,因此单位同样使用“m3(立方米)”。

体积计算公式

体积可根据其立体形状,用以下公式求得。但是,公式仅适用于正方体、长方体、柱体、球体、正多面体等,并不适合复杂的形状。因此,实际现场极少使用公式。不过,还是有必要记住体积测量的基础知识。

正方体的体积
  • V=体积
  • a=每边的长度
长方体的体积
  • V=体积
  • a=纵向长度
  • b=横向长度
  • h=高度
柱体的体积
  • V=体积
  • S=底面积
  • h=高度
锥体的体积
  • V=体积
  • S=底面积
  • h=高度
球体的体积
  • V=体积
  • r=半径
正四面体的体积
  • V=体积
  • a=每边的长度
正八面体的体积
  • V=体积
  • a=每边的长度

何谓体积测量仪

体积测量仪是用来测量气体、液体等体积的器具和设备的统称。也称为容积测量仪,较具代表性的有用于化学实验和医疗等的烧瓶、量筒、移液管、滴定管等。

多种测量方法

体积测量一般有以下3种方法。

  • 利用阿基米德原理的测量方法
  • 利用激光体积测量仪的测量方法
  • 利用声学体积测量仪的测量方法

本次将解说“利用阿基米德原理的体积测量方法”及作为其一部分的“菜籽置换法”、“利用激光体积测量仪的体积测量方法”的基本原理,以及各自的优缺点。

利用阿基米德原理的体积测量方法

阿基米德原理是“流体中的物体受到向上的浮力,浮力大小与该物体排开的流体重量相等”的物理法则。这是表示浮力产生原理的法则,但因为沉入液体的物体的体积与排开的流体量一致,所以成为体积测量的基础。

全身泡进装满热水的浴缸里时,会流出和自己身体相同体积的热水,这个现象想必大家都体验过,这就是阿基米德原理的基础。阿基米德原理于距今2200年以上的古希腊,由阿基米德所发现,现在仍然作为精密的体积测量方法被持续使用。以使用带刻度量筒的方法为代表示例,将测量目标沉入液体(通常是纯水),观察液面变化,即可得知体积。

不过,必须要将测量目标物沉入液体中,所以不适用于海绵等吸收水分的材料以及重视卫生的食品。此外,利用阿基米德原理的体积测量方法看起来很简单,但是为了确保精密的测量,需要管理液体温度,并实施去除气泡和水滴等操作,相当麻烦。

浮力=排出流体的重量
  • A=浮力
  • B=排出流体的重量
优点
可使用简易设备准确测量体积
缺点
使用液体,会浸湿测量目标物
管理液体和测量目标物相当麻烦

菜籽置换法

面包和点心等食品常采用的体积测量方法是“菜籽置换法”。当测量面包和点心等食品时,无法将其沉入液体,因此需将液体置换成颗粒状的菜籽实施体积测量。除菜籽置换法以外,也有称为“小珠置换法”的体积测量法,使用珠子作为模拟流体。此外,要测量水库、隧道等大规模结构物内的体积时,有时也会使用以沙土代替液体的“沙土置换法”。

将菜籽倒入容器内
优点
不使用液体,不必担心浸湿
能够与使用液体时同样准确地测量体积
缺点
若测量目标物较柔软,可能会压扁测量目标物,产生误差
无法测量表面上有油或奶油等附着的物体
容易因环境或测量人员而产生误差

利用激光体积测量仪的体积测量方法

利用阿基米德原理的体积测量可实施高精度体积测量,但是存在被液体浸湿的问题,有时不适用于某些测量目标物。此时会使用激光体积测量仪。激光体积测量仪使用激光检测距离,扫描目标物形状,以非接触方式在短时间内完成体积测量。除了能够以非接触方式快速测量体积以外,还具有用2D或3D的方式显示测量结果、可将形状数值化的特点。

优点
可在空气中测量体积,无需担心浸湿
采用非接触方式,可测量柔软的物体
2D/3D数据显示,将形状数值化
缺点
当存在激光无法到达的位置时,结果会有误差
激光无法到达背面和内部,无法准确测量
有时不适合测量复杂的形状

体积测量的问题点

测量体积有多种方法,只有选择适合测量目标物的方法,才能获得准确的结果。利用阿基米德原理时存在被液体浸湿的问题,采用菜籽置换法会因其重量而导致目标物变形,而激光体积测量仪存在激光照射范围的课题等。

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也可测量有高度的样品。

采用888集团电子游戏官方网站的高精度三维扫描测量仪“VL系列”,1台即可完成此前难以测量的各种目标物的体积测量。VL系列无需沉入液体,可在空气中测量体积,无需担心浸湿。而且因为利用大型高精细CMOS相机进行非接触式测量,所以即使材料柔软,也不必担心变形,准确扫描3D形状,实现准确、高速的体积测量。

此外,也不必担心像激光体积测量仪一样受到激光照射范围的影响。VL系列的特点还包括,采用360度多方位扫描,背面的形状也能测量。从2个光源照射光,载物台360度旋转,由此快速取得数百万点的形状数据,连难以应对的自由曲面、壁厚大、壁面垂直的形状也能准确测量。

曲奇饼截面面积/体积测量

不需要初始设定、工件安装的事先调整等,只需将测量目标物放置于载物台并按下测量执行按钮,即可测量体积,轻松获得稳定的结果。数字数据便于管理,还可根据取得的数据测量尺寸、几何公差等,因此十分高效。

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