如何在精密制造中实现微米/纳米级非接触式位移测量，同时兼顾镜面、透明材料与高速在线尺寸检测的挑战？【工业自动化】

1. 精密制造中工件或表面的基本结构与技术要求

在精密制造领域，我们经常需要对各种形状、材质的工件或表面进行精确的非接触式位移测量。想象一下，一个高精度的机械零部件，比如手机外壳、发动机阀门，或者一块半导体晶圆，它们都有着极其严格的尺寸公差和表面形貌要求。这些工件或表面的“基本结构”可能千变万化，从平整光滑的镜面、透明玻璃、到粗糙的金属铸件，甚至是具有复杂几何形状的三维结构。

针对这些多样化的被测物，非接触式位移测量的技术要求主要体现在以下几个方面：

• 高精度与高分辨率： 能够分辨出极其微小的位移变化，比如微米甚至纳米级别的移动，确保产品尺寸控制在严格的公差范围内。

• 稳定性与重复性： 无论环境如何变化（例如温度、湿度），或多次重复测量同一位置，传感器都能给出高度一致且稳定的读数，避免因环境因素或传感器自身误差导致的测量漂移。

• 快速响应： 在自动化生产线中，工件可能快速移动，传感器需要能够迅速捕获位移数据，实现实时监测和反馈控制。

• 适应性广： 能够应对不同颜色、材质（金属、塑料、陶瓷、玻璃）、表面光洁度（镜面、粗糙面、透明体）的工件，减少因被测物特性变化带来的测量挑战。

• 坚固耐用： 工业现场环境复杂，可能存在粉尘、油污、振动甚至高温，传感器需要具备良好的防护等级和环境适应能力，保证长期可靠运行。

2. 针对工件或表面的相关技术标准简介

在精密制造中，为了评估非接触式位移测量的性能，通常会关注以下几个核心参数的定义和评价方法：

• 位移量（Displacement）： 指的是物体从一个初始位置移动到另一个位置的距离。其监测主要关注两个维度的位移：

  • 线性位移： 物体沿着一条直线移动的距离，例如厚度变化、高度变化等。

  • 角度位移： 物体绕着某一点或轴旋转的角度变化，这通常需要多个位移传感器协同测量或配合特定算法。

• 分辨率（Resolution）： 指的是传感器能够检测到的最小位移变化量。例如，一个分辨率为1微米的传感器，意味着它能区分0.001毫米的位移差异。评价时通常通过传感器输出信号的最小可辨识变化量来确定。

• 精度（Accuracy）： 指的是测量结果与真实值之间的接近程度。它是一个综合性指标，受多种因素影响，包括：

  • 线性度（Linearity）： 传感器在整个测量范围内，其输出信号与实际位移之间关系的线性程度。理想情况下，两者应呈严格的线性关系。通常通过测量一系列已知位移点，计算测量值与理想线性拟合曲线之间的最大偏差来评价，例如表示为满量程（F.S.）的百分比。

  • 重复性（Repeatability）： 在相同条件下，对同一位移进行多次测量所得结果的一致性。评价时通常用多次测量结果的标准差或最大范围来表示。

  • 迟滞（Hysteresis）： 当被测物从一个方向移动到某一位置，和从相反方向移动到同一位置时，传感器输出读数的差异。

• 测量范围（Measurement Range）： 指的是传感器能够准确测量位移的最小和最大距离。选择时需要根据实际应用中物体可能的最大位移量来确定。

• 响应频率（Response Frequency）/采样速度（Sampling Rate）： 指的是传感器每秒能够完成测量并输出数据的次数。这决定了传感器能否捕捉快速变化的位移，对于动态测量至关重要。

• 温度稳定性（Temperature Stability）： 指的是环境温度变化对传感器测量结果的影响程度。一个好的传感器应在不同温度下保持较低的测量漂移，通常以每摄氏度温度变化导致的满量程百分比偏差来评价。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在非接触式位移测量领域，特别是需要高精度和稳定性的精密制造应用中，涌现出了多种先进的测量技术。它们各有优势，适用于不同的场景和要求。

a. 激光三角测量技术

想象一下，你拿着一个激光笔，在墙上点了一个红点，同时你的手机摄像头从旁边一个固定的角度去拍这个红点。当你手里的激光笔离墙壁远一点或近一点时，手机摄像头上拍到的红点位置就会发生变化。激光三角测量技术就是这个原理。

传感器内部有一个激光发射器，它会向被测物体表面发射一束细小的激光束，形成一个光斑。同时，传感器内部还有一个高分辨率的接收透镜和图像传感器（比如一维CMOS或PSD）。当激光束照射到物体表面时，反射光会被接收透镜收集，并聚焦到图像传感器上。如果被测物体发生位移，反射光在图像传感器上的光斑位置也会随之移动。传感器通过精确计算光斑在图像传感器上的位置变化量，就能根据预设的几何三角关系，反推出被测物体的实际位移距离。

这个过程可以用简单的几何三角关系来表示：

假设L是激光发射器和接收器之间的基线距离，θ是激光发射角度，α是接收器接收角度，d是被测物体的位移量。当被测物体移动时，接收器上光斑位置Δx与物体位移d之间存在一定的数学关系。一个简化的三角测量原理公式可以表示为：

d = L * tan(α)

但实际上，由于激光发射角度、接收角度、基线距离以及接收器焦距等多个因素共同作用，更准确的位移计算会涉及更复杂的三角函数关系，例如：

d = (f * L * sin(θ)) / (X_offset * cos(θ) + f * sin(θ))

其中，f是接收器透镜焦距，X_offset是光斑在接收器上的偏移量。

核心性能参数典型范围：

• 测量范围： 通常在几毫米到数米之间。

• 分辨率： 通常在几十微米到亚微米级别，高端系统可达0.01mm。

• 响应时间： 速度较快，更新频率可达几百Hz到数kHz。

• 线性度： 典型为满量程的±0.02%至±0.1% F.S.。

技术方案的优缺点：

• 优点： 测量范围广，响应速度快，成本相对适中，适用于多种材质表面（包括一些粗糙和有颜色的表面），是工业领域应用最广泛的非接触式位移测量技术之一。对于厚度测量等应用，一些传感器支持双传感器协同工作，直接计算差值。

• 局限性： 对镜面或高透明度表面测量效果不佳，因为激光会直接穿透或反射到传感器视野之外，难以形成稳定的光斑。对物体倾斜角度有一定限制，过大的倾斜角会导致测量误差增大或无法测量。

• 成本考量： 相对其他超高精度测量技术（如激光干涉仪、共焦色散），激光三角测量传感器的成本更具优势，且种类繁多，可根据需求选择不同性能等级的产品。

b. 共焦色散测量技术

想象一下，你有一束包含各种颜色的白光，就像一道彩虹，并且你有一副特殊的眼镜，这副眼镜能让每种颜色的光线都聚焦在不同的距离上。当你把这束彩虹光打到物体表面时，只有恰好聚焦在物体表面上的那种颜色的光，才能被你的眼镜清晰地捕捉到并反射回来。通过分析反射回来的光线的颜色（波长），你就能知道物体离你的眼镜有多远。

共焦色散传感器正是利用了这种原理。它发射一束宽带白光（包含多种波长的光线），这束白光通过一个特殊的光学系统，会由于色散效应而使得不同波长的光线在空间中拥有不同的焦点位置。当这束光照射到被测物体表面时，只有恰好聚焦在该物体表面上的特定波长的光线，才能够被反射回传感器，并被高灵敏度的光谱仪检测到。传感器通过分析反射光的波长峰值，就能极其精确地确定被测物体与传感器之间的距离。

核心性能参数典型范围：

• 测量范围： 通常较小，从几十微米到几十毫米。

• 分辨率： 极高，通常在纳米级别，可达0.001µm（1纳米）甚至更小。

• 响应时间： 较快，可达几十kHz到上百kHz。

• 线性度： 极高，典型为满量程的±0.01%至±0.03% F.S.。

技术方案的优缺点：

• 优点： 极高的分辨率和精度，尤其擅长测量镜面、透明材料（如玻璃、薄膜）、多层介质以及粗糙表面，因为它不依赖于单个激光点反射，而是分析光谱。具有出色的温度稳定性，对倾斜角度有较好的容忍度。

• 局限性： 测量范围相对较小，设备成本较高。对环境光线有一定要求，需要避免强烈的干扰光。

• 成本考量： 由于其复杂的光学系统和高精度检测组件，共焦色散传感器的成本通常较高，适用于对测量精度有极致要求的科研和工业应用。

c. 3D激光线扫描技术

想象你有一把“光尺”，但这把尺不是测一个点，而是能一下子扫描出一条线上的所有高度信息。这个“光尺”由一条激光线组成，当这条激光线投射到物体表面时，会根据物体表面的高低起伏而发生变形。传感器内置一个摄像头，就像一个聪明的眼睛，它会拍下这条变形的激光线。通过复杂的图像处理和三角测量算法，传感器就能实时地把这条激光线上的每一个点的高度都计算出来，从而重建出物体表面的完整三维轮廓。

核心性能参数典型范围：

• 测量范围 (Z轴)： 通常较小，在几毫米到几十毫米。

• 视场 (X轴)： 扫描线的宽度，从几毫米到几百毫米。

• 分辨率 (Z轴)： 精度较高，通常在微米级别。

• 扫描速度： 极快，可达数kHz到数十kHz（轮廓/秒）。

技术方案的优缺点：

• 优点： 能够一次性获取物体表面的三维轮廓数据，实现快速、全面的尺寸测量和缺陷检测。通常集成了扫描、测量、处理和控制功能，简化了系统集成。特别适用于在线批量检测、复杂形状和尺寸的测量。

• 局限性： 对物体表面特性（颜色、光洁度）仍有一定要求。通常测量范围相对较小，且价格较高。

• 成本考量： 相对于点测量传感器，3D激光线扫描传感器由于其一体化和3D数据获取能力，成本通常更高。

d. 激光干涉测量技术

想象你站在湖边，投入两块石头，它们会激起两圈水波。当这两圈水波相遇时，会在某些地方相互叠加变高，在另一些地方相互抵消变平，形成一种固定的波纹图案。如果你让其中一块石头稍微移动一点点，这个波纹图案就会跟着变化。激光干涉测量技术就类似于观察这种“光波纹”的变化。

它利用激光高度稳定的波长作为“尺子”，将一束激光分成两部分：一部分作为参考光，另一部分作为测量光。测量光射向被测物体上的一个特殊反射镜，然后反射回来与参考光会合。当这两束光相遇时，会产生干涉现象，形成明暗相间的干涉条纹。当被测物体发生微小位移时，测量光走过的路径长度发生变化，导致干涉条纹移动。通过高精度地计数干涉条纹移动的数量和方向，并以激光波长为基本单位（非常稳定），就可以极其精确地测量出物体的位移量。

其核心原理是根据干涉条纹的变化来计算位移，位移量ΔL与干涉条纹数N和激光波长λ的关系为：

ΔL = N * λ / 2

其中，λ是激光波长，N是计数的干涉条纹数量。

核心性能参数典型范围：

• 线性测量精度： 极高，通常达到百万分之一（ppm）甚至更高，例如±0.5 ppm。

• 线性分辨率： 极致，可达纳米级别，如0.001µm（1纳米）。

• 最高线性测量速度： 较快，可达数米/秒。

技术方案的优缺点：

• 优点： 极高的测量精度和分辨率，被视为计量领域的“黄金标准”，可溯源至国际标准。测量结果不受环境温度、气压等因素的直接影响（但气体折射率会影响波长，需要修正）。

• 局限性： 成本极高，系统复杂，需要精确的光路对准，对环境振动和空气扰动非常敏感，通常需要在受控环境下使用。需要被测物体表面安装反射镜，无法实现真正意义上的“无标记”非接触测量。测量范围相对受限，不适合粗糙表面。

• 成本考量： 激光干涉仪是所有位移测量技术中成本最高的之一，主要用于实验室计量、机床校准和超精密定位系统。

（2）市场主流品牌/产品对比

结合上述技术方案，我们来对比几款市场主流品牌的非接触式位移传感器产品，以便更好地理解它们在实际应用中的表现。

a. 日本基恩士

日本基恩士在全球工业自动化传感领域拥有领先地位，其LK-G5000系列激光位移传感器采用了激光三角测量原理。该系列产品以其高精度、高速采样和出色的环境适应性而著称。例如，它能提供最高0.005µm的分辨率，线性度可达±0.02% F.S.，采样速度最高可达192kHz。其产品广泛应用于在线尺寸测量、厚度检测和定位等精密制造环节。

b. 英国真尚有

英国真尚有ZLDS115激光位移传感器同样基于激光三角测量原理。它是一款高性能的测量设备，具备较广的测量范围，最大可达2000mm（可选2000-4000mm）。在精度方面，它能达到0.01mm的最高分辨率和±0.03mm的最优线性度。其1kHz的更新频率能满足实时测量需求。ZLDS115在环境适应性方面表现出色，具有±0.03% FS/°C的优秀温度稳定性，并达到IEC IP65高防护等级，同时提供模拟和数字输出，并可选配高温版本（可测量1500°C以上目标）。此外，它还内置了多种滤波器和支持双传感器自动配对进行厚度测量，极大地提高了应用的灵活性和便利性。

c. 德国微米龙

德国微米龙在非接触式位移传感器领域技术领先，其confocalDT IFC2461 共焦色散位移传感器控制器（搭配探头）采用了共焦色散测量原理。这款产品以其高分辨率和精度而闻名，最高分辨率可达0.001µm（1纳米），线性度最优可达±0.03% F.S.，测量频率最高可达 70kHz。德国微米龙的共焦色散传感器尤其适用于测量镜面、透明材料、多层介质以及粗糙表面，并且具有出色的温度稳定性和对倾斜角度的容忍度。

d. 加拿大埃米科技

加拿大埃米科技Gocator 2500系列智能3D激光线扫描传感器，采用了3D激光线扫描结合三角测量原理。该系列传感器以其一体化（集成了扫描、测量、处理和控制功能）、高速、高精度的3D测量能力而著称。例如Gocator 2510型号，其Z轴测量范围为8-10mm，X轴视场12-14mm，Z轴分辨率最高可达4µm，扫描速度最高10kHz（轮廓/秒）。适用于在线批量检测、自动化生产线中的复杂形状和尺寸检测。

e. 英国雷尼绍

英国雷尼绍是全球精密测量和运动控制技术的领导者，其XL-80激光干涉仪系统采用了激光干涉测量原理。该系统被视为计量领域的黄金标准，提供卓越的线性测量精度，达到±0.5 ppm，以及0.001µm（1纳米）的线性分辨率。其最高线性测量速度可达4m/s。

（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

选择合适的激光位移传感器，就像是为特定的任务挑选最趁手的工具。我们需要重点关注以下几个关键指标，并根据实际应用场景做出明智的决策：

• 精度和分辨率： 这是衡量传感器能力的核心指标。

  • 实际意义： 精度代表测量结果与真实值的接近程度，分辨率代表传感器能识别的最小变化。就像一把尺子，分辨率是刻度间距，精度是刻度是否标准。

  • 影响： 精度和分辨率不足会导致测量结果不准确，无法满足产品公差要求，甚至造成次品。

  • 选型建议： 对于需要微米甚至纳米级测量的精密制造（如半导体、高端光学元件），应优先选择共焦色散传感器或激光干涉仪。对于一般工业应用，例如部件装配间隙测量、厚度检测，激光三角测量传感器通常能满足需求。

• 测量范围： 传感器能够测量位移的最大和最小距离。

  • 实际意义： 它决定了传感器可以测量的工件尺寸或移动距离的上下限。

  • 影响： 测量范围过小可能无法覆盖工件的全部尺寸或运动轨迹；范围过大则可能牺牲精度。

  • 选型建议： 如果需要测量大尺寸工件的位移（如几十厘米到几米），激光三角测量传感器是首选。对于微小、精细的表面形貌或薄膜厚度测量，共焦色散传感器更合适。

• 响应频率/采样速度： 传感器每秒输出数据的次数。

  • 实际意义： 它反映了传感器捕捉动态变化的能力。

  • 影响： 响应频率低会导致无法捕捉快速移动的工件数据，或者在高速生产线上漏掉重要信息。

  • 选型建议： 对于高速运动的在线检测或需要实时反馈控制的应用（如自动化生产线），应选择高响应频率的传感器，例如采样速度达到kHz甚至更高。

• 线性度： 传感器输出信号与实际位移之间关系的线性程度。

  • 实际意义： 理想情况下，位移增加一倍，输出信号也增加一倍。线性度差的传感器，其输出与实际位移之间可能存在非线性误差。

  • 影响： 线性度差会导致测量结果在测量范围内的不同位置存在系统性偏差，影响整体准确性。

  • 选型建议： 线性度越好，测量结果越可靠。通常用满量程的百分比表示，选择时应根据应用对整体测量准确性的要求来权衡。

• 温度稳定性： 环境温度变化对测量结果的影响程度。

  • 实际意义： 工业现场温度可能波动，稳定的传感器能减少因温度变化引起的测量漂移。

  • 影响： 温度稳定性差的传感器在不同环境温度下会给出不同的读数，影响测量的一致性。

  • 选型建议： 对于需要在温度波动较大的环境中长期稳定工作的场合，应优先选择温度偏差系数小的传感器。

• 被测物表面特性适应性： 传感器对不同颜色、材质（镜面、透明、粗糙）的适应能力。

  • 实际意义： 不同的传感器技术对表面特性的敏感度不同。

  • 影响： 选错了传感器可能导致无法测量特定材料，或者测量结果不稳定。

  • 选型建议： 测量镜面、透明或多层介质，共焦色散传感器是最佳选择。测量普通粗糙或彩色表面，激光三角测量通常可行。对于复杂三维轮廓，3D激光线扫描更高效。

• 防护等级（IP Rating）： 传感器抵抗灰尘和水侵入的能力。

  • 实际意义： 决定了传感器能在多恶劣的工业环境中工作。

  • 影响： 防护等级不足会导致传感器因环境因素损坏或性能下降。

  • 选型建议： 在多尘、潮湿或有油污的工业现场，务必选择IP65或更高防护等级的传感器。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最合适的传感器，在实际应用中也可能遇到一些挑战，影响测量的稳定性和可靠性。

a. 常见问题及原因

• 测量数据波动大/不稳定：

  • 原因： 可能是被测物表面特性不均（如颜色变化、光泽不一致、粗糙度差异），导致反射光斑不稳定；也可能是环境光干扰，特别是强烈的日光或照明灯光；或者设备安装不稳，存在机械振动。

  • 影响： 导致测量结果不可靠，无法准确判断工件尺寸或位移。

• 无法测量镜面或透明材料：

  • 原因： 大部分基于激光三角测量原理的传感器，激光束在镜面会发生镜面反射，反射光可能无法按预期进入接收器；透明材料则会让激光穿透，无法形成清晰光斑。

  • 影响： 无法对这类特殊材料进行有效测量。

• 测量误差随温度变化：

  • 原因： 传感器自身的光学或电子元件受温度影响产生形变或电气参数漂移，导致测量基线或信号处理发生变化。

  • 影响： 即使工件没有移动，测量读数也会随环境温度变化而漂移，影响长期稳定性。

• 安装和对准困难：

  • 原因： 传感器对安装位置、角度要求严格，尤其是高精度传感器，微小的对准偏差都会引入误差。

  • 影响： 初始设置耗时，且可能因安装不当导致测量精度不达标。

b. 解决方案和预防措施

• 针对数据波动大：

  • 优化安装环境： 尽量避免强环境光直射测量区域，或加装遮光罩。

  • 选择合适的传感器： 对于表面特性复杂或变化大的工件，考虑使用对表面适应性更强的传感器。

  • 数据滤波： 传感器内置的多种滤波器（如中值滤波、平均滤波）可以有效平滑测量数据，减少随机噪声。在外部控制系统中也可以增加二次滤波算法。

  • 防振措施： 确保传感器和被测物安装基座的稳固性，必要时加装减振装置。

• 针对镜面或透明材料测量：

  • 更换技术方案： 对于镜面或透明材料，首选共焦色散传感器，其原理使其能有效克服这类问题。

  • 调整角度或表面处理（特定情况）： 在某些非极致精度要求下，可以尝试微调激光入射角度，使镜面反射光能被接收器捕获。或对表面进行临时处理（如喷涂薄层哑光剂，但通常不可取）。

• 针对温度影响：

  • 选择高温度稳定性传感器： 优先选择产品说明中明确指出温度漂移系数低的传感器。

  • 环境控制： 如果条件允许，将传感器工作环境温度控制在较小范围内。

  • 温度补偿： 如果传感器本身不带温度补偿，可以通过外部温度传感器实时监测环境温度，并根据传感器的温度特性进行软件补偿校正。

• 针对安装和对准困难：

  • 使用专用夹具和校准工具： 确保传感器安装位置和角度的精确性。

  • 遵循厂商安装指南： 严格按照产品手册建议的安装距离和角度进行。

  • 软件辅助对准： 部分传感器提供软件工具，可以实时显示测量光斑位置或信号强度，辅助用户进行精确对准。

  • 选择集成度高的传感器： 像智能3D激光线扫描传感器这类产品，通常具备一体化设计，简化了安装和调试过程。

4. 应用案例分享

• 电子产品制造： 检测手机屏幕与边框的装配间隙，确保组装精度；测量电池盖板的平整度，防止翘曲；检测连接器引脚的高度，确保焊接质量。

• 汽车制造： 测量车门、引擎盖的钣金件尺寸和缝隙，提升整车装配质量；检测发动机活塞、连杆的尺寸，确保发动机性能稳定；在线监测轮胎胎面深度，保证行车安全。

• 半导体及微电子： 精密测量晶圆的厚度、平整度和翘曲度，确保芯片制造工艺的准确性；检测微型电子元件的引脚高度和共面性，提高贴片精度。

• 金属加工与机械制造： 实时监测金属板材的厚度，控制轧制精度；测量工件的形变和位移，对数控机床进行反馈控制；检测轴承、齿轮等关键零部件的尺寸公差。 英国真尚有的激光位移传感器，凭借其IP65防护等级和可选高温版本，在此类环境恶劣的应用中表现出色。

• 医疗器械： 测量医疗导管的直径和壁厚，确保产品符合医疗标准；检测手术器械的尺寸精度和表面光洁度，保证手术安全。