準確簡單地測量體積的方法

物體的測量項目除了長度、面積、角度、重量以外，還有表示立體形狀所占空間大小的“體積”要素。體積廣泛應用于液體、氣體、固體等，日常生活中也有很多以體積為衡量基準的物體。不過，與用直尺和游標卡尺直接測量的長度、根據(jù)各邊長度用計算公式求得的面積不同，要準確測量體積非常困難。此處介紹體積測量的基礎知識、體積測量方法及各自的問題點、利用三坐標測量儀的體積測量方法等。

■體積的基礎知識

體積是指立體形狀在空間中占據(jù)的大小。根據(jù)國際單位制（SI/SI單位），其單位使用“m3（立方米）”。數(shù)學上通過對三維空間內(nèi)的子集（＝圖形）的定義函數(shù)進行積分來計算體積，但實際中并不使用積分，而是利用專業(yè)測量設備進行實測得出結(jié)果。順帶一提，測量體積的器具和設備統(tǒng)稱為“體積測量儀（Volume Meter）”。此外，還有用來表示某個容器的容納量的“容積”、“容量”等詞匯，作為物理量來說等同于體積，因此單位同樣使用“m3（立方米）”。

?體積計算公式

體積可根據(jù)其立體形狀，用以下公式求得。但是，公式僅適用于正方體、長方體、柱體、球體、正多面體等，并不適合復雜的形狀。因此，實際現(xiàn)場極少使用公式。不過，還是有必要記住體積測量的基礎知識。

?何謂體積測量儀

體積測量儀是用來測量氣體、液體等體積的器具和設備的統(tǒng)稱。也稱為容積測量儀，較具代表性的有用于化學實驗和醫(yī)療等的燒瓶、量筒、移液管、滴定管等。

■多種測量方法

體積測量一般有以下3種方法。

·       利用阿基米德原理的測量方法

·       利用激光體積測量儀的測量方法

·       利用聲學體積測量儀的測量方法

本次將解說“利用阿基米德原理的體積測量方法”及作為其一部分的“菜籽置換法”、“利用激光體積測量儀的體積測量方法”的基本原理，以及各自的優(yōu)缺點。

?利用阿基米德原理的體積測量方法

阿基米德原理是“流體中的物體受到向上的浮力，浮力大小與該物體排開的流體重量相等”的物理法則。這是表示浮力產(chǎn)生原理的法則，但因為沉入液體的物體的體積與排開的流體量一致，所以成為體積測量的基礎。

全身泡進裝滿熱水的浴缸里時，會流出和自己身體相同體積的熱水，這個現(xiàn)象想必大家都體驗過，這就是阿基米德原理的基礎。阿基米德原理于距今2200年以上的古希臘，由阿基米德所發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在仍然作為精密的體積測量方法被持續(xù)使用。以使用帶刻度量筒的方法為代表示例，將測量目標沉入液體（通常是純水），觀察液面變化，即可得知體積。

不過，必須要將測量目標物沉入液體中，所以不適用于海綿等吸收水分的材料以及重視衛(wèi)生的食品。此外，利用阿基米德原理的體積測量方法看起來很簡單，但是為了確保精密的測量，需要管理液體溫度，并實施去除氣泡和水滴等操作，相當麻煩。

優(yōu)點

可使用簡易設備準確測量體積

缺點

使用液體，會浸濕測量目標物

管理液體和測量目標物相當麻煩

?菜籽置換法

面包和點心等食品常采用的體積測量方法是“菜籽置換法”。當測量面包和點心等食品時，無法將其沉入液體，因此需將液體置換成顆粒狀的菜籽實施體積測量。除菜籽置換法以外，也有稱為“小珠置換法”的體積測量法，使用珠子作為模擬流體。此外，要測量水庫、隧道等大規(guī)模結(jié)構(gòu)物內(nèi)的體積時，有時也會使用以沙土代替液體的“沙土置換法”。

優(yōu)點

不使用液體，不必擔心浸濕

能夠與使用液體時同樣準確地測量體積

缺點

若測量目標物較柔軟，可能會壓扁測量目標物，產(chǎn)生誤差

無法測量表面上有油或奶油等附著的物體

容易因環(huán)境或測量人員而產(chǎn)生誤差

?利用激光體積測量儀的體積測量方法

利用阿基米德原理的體積測量可實施高精度體積測量，但是存在被液體浸濕的問題，有時不適用于某些測量目標物。此時會使用激光體積測量儀。激光體積測量儀使用激光檢測距離，掃描目標物形狀，以非接觸方式在短時間內(nèi)完成體積測量。除了能夠以非接觸方式快速測量體積以外，還具有用2D或3D的方式顯示測量結(jié)果、可將形狀數(shù)值化的特點。

優(yōu)點

可在空氣中測量體積，無需擔心浸濕

采用非接觸方式，可測量柔軟的物體

2D/3D數(shù)據(jù)顯示，將形狀數(shù)值化

缺點

當存在激光無法到達的位置時，結(jié)果會有誤差

激光無法到達背面和內(nèi)部，無法準確測量

有時不適合測量復雜的形狀

■體積測量的問題點

測量體積有多種方法，只有選擇適合測量目標物的方法，才能獲得準確的結(jié)果。利用阿基米德原理時存在被液體浸濕的問題，采用菜籽置換法會因其重量而導致目標物變形，而激光體積測量儀存在激光照射范圍的課題等。

■非接觸高精度三維掃描測量儀“VL系列”即可解決！

采用基恩士的高精度三維掃描測量儀“VL系列”，1臺即可完成此前難以測量的各種目標物的體積測量。VL系列無需沉入液體，可在空氣中測量體積，無需擔心浸濕。而且因為利用大型高精細CMOS相機進行非接觸式測量，所以即使材料柔軟，也不必擔心變形，準確掃描3D形狀，實現(xiàn)準確、高速的體積測量。

此外，也不必擔心像激光體積測量儀一樣受到激光照射范圍的影響。VL系列的特點還包括，采用360度多方位掃描，背面的形狀也能測量。從2個光源照射光，載物臺360度旋轉(zhuǎn)，由此快速取得數(shù)百萬點的形狀數(shù)據(jù)，連難以應對的自由曲面、壁厚大、壁面垂直的形狀也能準確測量。

不需要初始設定、工件安裝的事先調(diào)整等，只需將測量目標物放置于載物臺并按下測量執(zhí)行按鈕，即可測量體積，輕松獲得穩(wěn)定的結(jié)果。數(shù)字數(shù)據(jù)便于管理，還可根據(jù)取得的數(shù)據(jù)測量尺寸、幾何公差等，因此十分高效。

若您在體積測量上有困擾，請隨時咨詢基恩士。我們將為您提供利用高精度三維掃描測量儀“VL系列”等基恩士產(chǎn)品的解決方案。