如何在每分钟数百米生产线上，对易形变弹性材料实现微米级非接触式尺寸的精确在线监测？【质量控制, 工业自动化】

1. 弹性条状物的基本结构与技术要求

弹性条状物，比如各种橡胶带、塑料管材、密封条等，在生产过程中对其尺寸的精确控制至关重要。这类材料通常具有较高的柔韧性、较低的刚度，这意味着它们很容易发生形变，即使是轻微的接触或自身重力都可能导致尺寸变化。

想象一下，一条刚刚从生产线出来的橡胶管，它就像一根煮熟的面条，柔软且容易弯曲。如果我们用尺子去量这根“面条”的直径或长度，稍微一用力就会压扁或者拉伸，导致测出来的尺寸不准。在工业生产中，这种由形变引起的测量误差是亟需解决的问题。

因此，对弹性条状物的尺寸检测，不仅要求测量设备本身具备极高的精度和分辨率，更要求测量方式必须是非接触式的，以避免对材料产生任何物理应力而引发形变。此外，这些材料的表面性质也各不相同，有些光滑反光，有些粗糙吸光，有些甚至半透明，这都对测量技术提出了更高的要求。在线生产过程中，材料通常是高速运动的，这就需要传感器具备极快的响应速度和高频率的采样能力，才能捕捉到每一个瞬时的尺寸变化，确保产品质量的一致性。

2. 针对弹性条状物的相关技术标准简介

针对弹性条状物的尺寸监测，行业内关注的参数主要包括以下几个方面：

• 宽度/直径： 这是最基本的横向尺寸，对于条带状物是宽度，对于管材或线材是直径。评价方法通常是测量其沿截面的最大值、最小值，或者平均值，以确定其尺寸是否在公差范围内。

• 厚度： 衡量材料在垂直于表面方向的尺寸。对于薄膜或板材，厚度的一致性是关键。评价方法通常是在多个点位进行测量，然后计算其厚度均匀性或波动范围。

• 轮廓/截面形状： 除了简单的宽度和厚度，很多弹性条状物（如异型密封条）具有复杂的截面形状。检测其轮廓的准确性，比如特定角度、圆弧半径、拐角位置等，是确保其功能性和配合度的关键。评价方法通常涉及与CAD模型进行比对，计算形位偏差。

• 直线度/平整度： 对于长条状材料，其整体的笔直程度或表面平整度也至关重要。不佳的直线度可能影响后续的加工或安装，不佳的平整度可能导致表面缺陷或功能失效。评价方法通常是通过连续测量多个点的相对位置，计算其偏离理想直线的最大距离。

• 椭圆度： 特指圆形管材或线材在横截面上偏离真圆的程度。这是衡量产品圆度质量的重要参数。评价方法是测量同一截面上的最大直径和最小直径，并计算其差值或比值。

这些参数的监测和评价，都是为了确保弹性材料的尺寸精度和几何形状符合设计要求，减少因尺寸偏差导致的废品率和质量问题。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在工业生产中，为了提高弹性条状物的尺寸检测精度，减少因形变引起的测量误差，目前主流的非接触式测量技术主要有以下几种：

3.1.1 激光三角测量技术

激光三角测量技术是一种广泛应用于位移、厚度、尺寸和轮廓测量的非接触式方法。它的工作原理可以形象地理解为：我们用一束激光笔的光点去照一个物体，然后从另一个角度用一个“眼睛”（接收器）去“看”这个光点反射到物体表面的位置。如果物体表面前后移动，光点在“眼睛”里的位置就会跟着移动。

具体来说，传感器内部会发射一束准直的激光束，投射到被测弹性条状物的表面形成一个光斑。这个光斑在被测物表面的位置会随着被测物到传感器距离的变化而变化。反射回来的光线，通过一个接收光学系统（如透镜），被聚焦到一个光敏器件（如CMOS或PSD传感器）上。当被测物体的距离发生微小变化时，反射光斑在光敏器件上的位置也会随之移动。通过测量光斑在光敏器件上的位置变化，并利用三角几何关系，就可以精确计算出被测物体到传感器的距离变化量，即位移信息。

其核心物理基础是简单的三角几何原理。假设激光发射器、接收透镜中心和被测物表面上的光斑形成一个三角形。当被测物移动时，光斑位置变化，三角形的底边或角度发生变化。例如，简化公式可以表示为：位移量 = K * tan(θ)其中，K 是一个与传感器结构相关的常数（如发射器到接收器的基线长度和接收透镜的焦距），θ 是光斑在光敏器件上位置对应的角度变化。通过精确测量θ，即可计算出位移量。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：从几毫米到数百毫米不等。* 精度：通常在微米级别，达到测量范围的±0.05%至±0.1%。* 分辨率：可达测量范围的0.01%。* 测量频率：从几百赫兹到数万赫兹，足以应对高速生产线的实时监测需求。

技术方案优缺点：* 优点： 非接触式测量，避免对弹性材料造成形变；精度高、分辨率好；响应速度快，适合在线高速测量；量程选择多样，应用广泛。对于有一定粗糙度的表面表现良好。* 缺点： 测量精度受被测物表面颜色、光泽度、透明度以及倾斜角度的影响较大。例如，高反光或镜面材料可能会导致测量不稳定，完全透明的材料则难以测量。成本相对较高。* 适用场景： 适用于各种橡胶、塑料条状物的尺寸、厚度、位移、轮廓测量，尤其是在需要高精度、高速度的在线监测场合。

3.1.2 平行光扫描技术

平行光扫描技术，可以想象成有一道非常细且笔直的“光幕”在高速地来回扫描。当弹性条状物穿过这道“光幕”时，它会挡住一部分光。传感器就像一个计时员，精确地记录下光被挡住的时间，以及光重新出现的时刻。通过这个时间差，就能准确计算出被测物的尺寸。

具体来说，发射器会产生一束高度平行且细窄的激光束，并通过一个旋转镜或振镜系统，使其在测量区域内进行高速、均匀的扫描。在测量区域的另一侧，有一个接收器，用于检测扫描光束。当被测条状物进入测量区域时，会阻挡部分扫描光束，接收器检测到的光强会发生变化。传感器内部的处理器通过精确测量光束被阻挡的时间长度（或者光束从被阻挡到再次出现的时间），结合扫描速度，即可计算出被测物的直径、宽度或边缘位置。

其核心物理基础在于时间与距离的线性关系。如果扫描速度为 v，光束被阻挡的时间为 t，那么被测物的尺寸 D 可以近似计算为：D = v * t这个原理要求扫描速度极高且稳定，时间测量精度极高。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常在几毫米到几十毫米，适合线材、棒材的直径或宽度测量。* 精度：可达到亚微米级别，例如±0.15微米。* 采样周期：极短，如几微秒，保证了高速测量的实时性。

技术方案优缺点：* 优点： 极高的测量速度和精度，非常适合在线连续生产；非接触式，避免形变；抗环境干扰能力强，对被测物表面特性不敏感，不受颜色、光泽度等影响；操作相对简便。* 缺点： 主要用于测量外形尺寸（如直径、宽度），对复杂轮廓或内部缺陷的检测能力有限；通常需要传感器两端对齐安装，对安装精度有一定要求。* 适用场景： 广泛应用于电线电缆、光纤、棒材、医疗管材、薄膜等线材类或条状物的在线直径、宽度、间隙和边缘位置的精确测量。

3.1.3 色共聚焦测量技术

色共聚焦技术，可以理解为用一道彩虹光来测量。传感器发出的光不是单一颜色的激光，而是一束包含多种颜色的白光。这束白光通过特殊的透镜后，不同的颜色（波长）会被聚焦在空间中不同的位置。当被测物体表面反射回光线时，只有特定焦点的颜色光才能最清晰地被接收器“看”到。传感器通过分析反射光的颜色，就能判断出物体表面的精确距离。

具体来说，传感器内部会发射一束宽带白光。这束白光经过一个色散透镜组，使得不同波长的光线在光轴上具有不同的焦点位置。当这束光照射到被测弹性条状物表面时，只有与物体表面距离相匹配的特定波长的光会被精确聚焦并反射。反射光线通过共聚焦小孔（pinhole）后，只有聚焦良好的光线才能通过，并被光谱仪或光电探测器检测到。通过分析接收到的反射光的波长信息，结合预设的波长-距离校准曲线，就可以极高精度地计算出传感器到被测物体表面的距离。

其核心物理基础是色散现象与共聚焦原理的结合。没有一个简单的通用公式来描述距离与波长之间的关系，因为这依赖于复杂的透镜设计和校准曲线，但其核心思想是：距离 D = f(λ)其中 λ 是被聚焦并检测到的特定波长，f 是一个由光学系统决定的函数。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常在微米到几十毫米，相对较短。* 线性度：可达测量范围的±0.03%FSO（Full Scale Output）。* 分辨率：纳米级别，例如1纳米起，提供极高的测量精度。

技术方案优缺点：* 优点： 极高的纳米级测量精度和分辨率；能够测量几乎所有表面类型，包括镜面、透明、粗糙、多层膜等；对被测物表面倾斜度不敏感；非接触式，高稳定性，能够进行在线厚度、多层厚度、台阶和微小轮廓的精确测量。* 缺点： 测量量程通常较短；对传感器的安装和防尘要求较高；设备成本非常昂贵。* 适用场景： 适用于对精度要求极高的弹性材料厚度、表面轮廓和多层结构测量，如高精度光学薄膜、医疗器械、半导体材料等。

3.1.4 光学成像与机器视觉技术

光学成像与机器视觉技术，就像给生产线上的弹性条状物拍一张“高分辨率的X光片”，然后用“智能大脑”（机器视觉软件）来分析这张照片。它不是简单地量一个点或一条线，而是获取整个物体或其关键部分的完整图像，然后通过复杂的算法来“看懂”并计算出各种尺寸、形状和缺陷。

具体来说，系统通过高分辨率的工业相机（或多个相机）和精心设计的照明系统（如背光、环形光、同轴光等），实时捕获运动中的弹性条状物的清晰图像。这些图像被传输到高性能的机器视觉处理单元。机器视觉软件利用图像处理算法，例如边缘检测、特征提取、模式识别、几何计算等，对图像进行分析。通过识别物体边缘、计算像素距离、匹配预设模板，系统可以精确测量出条状物的宽度、长度、直径、孔径、角度、位置、甚至复杂的轮廓形状和形位公差，同时还可以进行表面缺陷检测。

其核心物理基础是光学成像与数字图像处理。虽然没有一个简单的通用公式，但其基本原理是像素点与实际尺寸的映射：实际尺寸 = 像素数量 * 像素当量其中，像素当量（pixel equivalent）是指图像中每个像素代表的实际物理尺寸，它取决于相机的分辨率、镜头放大倍数和物距。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：从几毫米到数米，取决于相机和镜头配置。* 测量精度：从几微米到几十微米，取决于系统分辨率和算法。* 扫描速度：可达每分钟数百甚至数千米，实现对连续生产线的100%在线检测。

技术方案优缺点：* 优点： 非接触式，对材料无损伤；可以一次性获取大量复杂尺寸数据，并进行形位公差和表面缺陷检测，功能强大；自动化程度高，减少人为误差；测量结果可视化。* 缺点： 系统成本较高；对环境光线和振动敏感，需要良好的工业防护；对算法和编程要求高，调试复杂；对于三维尺寸的精确测量可能需要多个相机或更复杂的3D视觉系统。* 适用场景： 适用于各种弹性条状物的在线全尺寸检测、表面质量检测、定位与识别，特别是在需要高效率、多参数综合检测以及复杂形状测量的场合，如薄膜、纸张、金属带材的宽度、边缘、缺陷检测，以及型材的复杂截面检测。

3.2 市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市场上一些主流品牌在弹性条状物尺寸检测方面的解决方案：

• 日本基恩士 日本基恩士是自动化领域的知名品牌，其LS-9006M等产品采用平行光扫描技术。这种技术通过发射器发出的平行激光束高速扫描测量区域，当条状物阻挡部分光束时，接收器通过测量光束被阻挡的时间来精确计算尺寸。该方案在测量速度和精度上表现卓越，测量精度可达约±0.15微米，采样周期快至6.4微秒。其优势在于非接触、抗环境干扰强，特别适合线材、棒材等高速连续生产的在线尺寸检测。

• 英国真尚有 英国真尚有ZLDS103激光位移传感器是一款性能卓越的超小型测量设备，尺寸仅45*30.5*17mm，其工作原理最可能基于激光三角测量技术。该传感器具有极高的测量精度，线性度达到±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），并能提供最高9400Hz的测量频率，确保在高速运动中也能保持精度。它体积紧凑，提供10/25/50/100/250/500mm等多种测量范围选择，并提供标准红色半导体激光（660nm波长）以及可选的蓝光或UV半导体激光器（405nm或450nm波长），能更好地适应高温物体或有机材料的测量。ZLDS103还具备强大的输出能力，包括RS232或RS485数字输出（最大921.6 kbit/s）以及4-20mA或0-10V模拟输出，防护等级达IP67，适应恶劣环境，工作温度范围为-10°C至+60°C。这款传感器适用于工业材料测厚、激光定位、轮廓扫描检测以及位移、变形和振动的非接触式测量。

• 德国傲创 德国傲创的ConfocalDT 2421系列产品采用色共聚焦原理。这种技术通过发射宽带白光，利用不同波长的光聚焦在不同距离的特点，通过分析反射光的波长来精确计算物体表面的距离。其核心优势在于极高的纳米级测量精度（分辨率可达1纳米起），能够测量几乎所有表面类型，包括镜面、透明和粗糙表面，并且对倾斜表面不敏感。这使其在精确测量弹性薄膜厚度、多层材料厚度或微小表面轮廓时具有独特优势，但通常测量范围相对较短。

• 瑞典伊萨视康 瑞典伊萨视康的SurfaceMaster系列产品采用高速高分辨率机器视觉表面检测技术。它利用多台高分辨率摄像头和智能照明系统捕获连续生产的条状物料图像，并通过专用图像处理算法实时分析。该系统不仅能检测表面缺陷，还能精确测量带材的宽度、边缘状况和平面度等几何尺寸。其优势在于能实现100%在线缺陷和尺寸的综合检测，特别适用于宽幅、高速的连续带材生产线，扫描速度可达2000米/分钟以上，宽度测量精度可达约±0.1毫米，极大提高了生产过程中的实时质量控制能力。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为弹性条状物选择合适的尺寸检测设备时，需要重点关注以下几个技术指标：

• 测量精度与分辨率：

  • 实际意义： 精度代表测量值与真实值之间的接近程度，分辨率代表设备能够检测到的最小尺寸变化。就像用两种尺子量米尺，一把尺子只能精确到毫米，另一把能精确到微米。分辨率越高，你就能看到越细微的尺寸波动。

  • 对测量效果的影响： 直接决定了检测结果的可靠性和产品质量控制的严格程度。如果精度不足，即使有尺寸偏差也可能检测不出来，导致不合格品流入市场。

  • 选型建议： 对于高附加值或对尺寸公差要求极严的弹性材料，应优先选择高精度（如微米甚至纳米级）和高分辨率的传感器，比如色共聚焦传感器或高精度激光三角测量传感器。对于一般工业应用，微米级的精度通常已足够。

• 测量频率（采样速率）：

  • 实际意义： 指传感器每秒能进行多少次测量。这就像摄影师的快门速度，快门越快，就能捕捉到高速运动物体的清晰瞬间。

  • 对测量效果的影响： 对于高速运动的弹性条状物，如果测量频率过低，可能无法捕捉到瞬时的尺寸波动或跳变，造成漏检。

  • 选型建议： 生产线速度越快，对测量频率的要求越高。例如，每分钟数百米速度的生产线，可能需要几千赫兹甚至上万赫兹的采样速率才能确保全面监测。平行光扫描和高速激光三角测量传感器在这方面通常表现出色。

• 测量范围（量程）：

  • 实际意义： 指传感器能够测量的最大和最小距离或尺寸范围。

  • 对测量效果的影响： 量程过小可能无法覆盖被测物的尺寸变化范围，量程过大则可能牺牲精度。

  • 选型建议： 根据被测弹性条状物的实际尺寸、厚度及其允许的偏差范围来选择合适的量程。量程并非越大越好，合适的量程才能保证最佳的测量精度。例如，测量5mm厚的橡胶板，选择10mm量程的传感器会比选择500mm量程的传感器精度更高。

• 线性度与重复性：

  • 实际意义： 线性度表示测量结果在整个量程内与真实值之间的线性关系有多好，重复性则表示在相同条件下多次测量的结果一致性。就像一把“直尺”，线性度就是看它是不是真的笔直，重复性就是每次量同一个东西，刻度是不是都指在同一个地方。

  • 对测量效果的影响： 低线性度会导致不同尺寸下的测量误差不一致，低重复性则意味着测量结果不可信赖，无法有效指导生产。

  • 选型建议： 在设备选型时，要求供应商提供详细的线性度和重复性数据，特别是经过实际工况验证的数据。确保这些指标满足产品质量控制的严格要求。

• 抗环境干扰能力：

  • 实际意义： 传感器在粉尘、水汽、油污、振动、温度变化等恶劣工业环境下，仍能保持稳定测量的能力。

  • 对测量效果的影响： 恶劣的环境可能导致传感器读数漂移、不稳定甚至损坏，影响生产的连续性和测量精度。

  • 选型建议： 生产现场环境恶劣时，应选择防护等级高（如IP67）、工作温度范围广、抗振动和抗冲击性能好的传感器。一些技术如平行光扫描对环境光和表面特性不敏感，更适合复杂环境。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在弹性条状物的尺寸检测中，即便选择了先进的设备，实际应用中仍可能遇到一些问题：

• 问题1：被测物表面特性影响测量（如反光、透明、颜色变化）。

  • 原因与影响： 弹性材料表面多样，有些高度反光（如某些光滑塑料），有些半透明（如硅胶管），有些颜色深浅不一。这些特性会影响激光的吸收和反射，导致光斑信号弱、不稳定，进而影响测量精度甚至无法测量。

  • 解决建议：

    1. 选择适用波长的激光： 对于有机材料或深色表面，可选用蓝光或UV激光位移传感器，它们对这类材料的吸收率更高，反射信号更稳定。

    2. 调整传感器角度： 对于高反光表面，适当倾斜传感器角度，避开镜面反射，改用漫反射信号进行测量。

    3. 多传感器组合： 对于复杂表面或透明材料，可以考虑采用双侧对射测量，或结合其他技术如色共聚焦（对透明材料有优势）。

    4. 表面预处理（谨慎使用）： 在不影响产品性能的前提下，可考虑对局部测量区域进行哑光处理或涂覆薄层示踪剂，但这通常会增加生产成本和复杂性。

• 问题2：弹性材料形变仍导致误差。

  • 原因与影响： 尽管采用了非接触测量，但材料在自身重力、输送张力、环境风力或加工残余应力作用下，仍可能发生瞬时形变，尤其是在测量点。这会导致瞬时测量值不代表其真实无应力状态下的尺寸。

  • 解决建议：

    1. 优化输送系统： 确保生产线上的材料输送平稳、张力恒定且适中，尽量减少振动和晃动。可以使用导向辊、气浮台等方式减少接触和形变。

    2. 多点同步测量： 使用多个传感器在不同点位或同一截面进行同步测量，可以获取更全面的尺寸信息，并通过平均值或拟合来减少局部形变的影响。

    3. 快速测量与数据滤波： 选用高测量频率的传感器，快速捕捉数据，然后通过软件算法对数据进行滤波或平均处理，消除瞬时波动带来的误差。

    4. 在形变最小区域测量： 尝试将传感器安装在材料刚离开模具或经过冷却定型后，形变相对最小的区域进行测量。

• 问题3：环境温度变化影响测量结果。

  • 原因与影响： 弹性材料的尺寸会随温度变化而热胀冷缩，同时传感器本身的光学元件和电子部件也可能受温度影响而产生漂移，导致测量值不准确。

  • 解决建议：

    1. 温度补偿： 选用自带温度补偿功能的传感器，或在测量系统中集成温度传感器，通过软件算法对材料的热膨胀和传感器自身的温度漂移进行校正。

    2. 稳定环境温度： 尽量控制测量区域的环境温度恒定，或对传感器进行温度控制，例如加装冷却装置。

    3. 在恒定温度下校准： 在接近实际工作温度的环境下对传感器进行校准，确保校准参数的准确性。

4. 应用案例分享

• 橡胶密封条在线厚度与宽度检测： 在密封条生产线上，激光位移传感器或平行光扫描仪可以实时监测挤出成型后的密封条厚度和宽度，确保产品尺寸一致性，避免因尺寸偏差导致密封失效。例如，使用英国真尚有ZLDS103激光位移传感器进行高精度非接触测量，可以有效避免因接触产生的形变，保证测量结果的准确性。

• 塑料管材外径与椭圆度监测： 生产聚乙烯或聚氯乙烯管材时，旋转激光扫描系统能够高速、非接触地检测管材的外径和椭圆度，及时发现并纠正生产过程中的异常，保证管材的圆度和平直度。

• 医疗导管微米级尺寸控制： 生产精密医疗导管（如输液管、导丝护套）时，色共聚焦传感器可以实现纳米级的厚度、外径和内径（需结合其他手段）测量，确保产品满足严格的生物相容性和功能性要求。

• 薄膜材料表面缺陷与宽度检测： 在塑料薄膜的生产过程中，机器视觉系统可以100%在线扫描整个薄膜表面，不仅能检测划痕、气泡等表面缺陷，还能精确测量薄膜的实时宽度和边缘平整度，提高产品良率。