如何在精密制造中选择合适的非接触式传感器，实现微米/纳米级精密位移与kHz级动态检测？【工业自动化质量控制】

1. 被测工件的基本结构与技术要求

在精密加工领域，我们通常需要对各种各样的工件进行微米级甚至纳米级的位移测量。这些“被测物”可能不是一个单一、简单的物体，而是一个复杂的运动部件，或者是在加工过程中需要实时监控其位置和形貌的精密零件。

想象一下，我们正在制造一个高精度光学透镜。这个透镜在研磨和抛光过程中，需要在一个极其精密的夹具上移动。我们的“被测物”就是这个正在移动的透镜本身。它的结构可能包括高度抛光的玻璃表面，甚至是多层镀膜。

对于这类被测物，技术要求非常高：* 高精度与高分辨率： 测量误差要控制在微米甚至纳米级别。比如，如果透镜移动了10微米，测量系统就必须能准确无误地“看到”这10微米的变化，甚至能分辨出其中1纳米的微小差异。* 非接触性： 测量过程中不能碰到工件。因为精密工件表面非常脆弱，任何轻微的接触都可能导致划伤、形变，或者引入测量误差。这就像在观察一个即将孵化的鸟蛋，你不能直接用手去摸，只能通过远程观察来了解它的状态。* 实时性与动态测量： 很多时候工件是在运动状态下进行测量的，比如机床轴的运动、微型振动等。这就要求测量系统能快速响应，实时给出数据，捕获每一个瞬间的位移变化。* 多材质适应性： 被测工件的材质可能千差万别，有高反光的金属、透明的玻璃、吸光的陶瓷，甚至是复合材料。测量系统需要能“一视同仁”地准确测量。* 复杂形貌测量： 工件表面可能不是平整的，有弧面、斜面、深孔、台阶等，测量系统需要能灵活适应这些复杂结构。

2. 针对被测工件的相关技术标准简介

为了确保精密机床及其加工的工件达到预期的精度，国际上有一套严谨的“体检”标准。其中，ISO 230-2标准就是专门用来评估数控机床各轴线的定位精度和重复定位精度的。虽然这个标准主要针对机床轴线，但其核心思想和评估参数也适用于理解精密工件的位移测量。

这个标准就像给一台高精度机床或者一个精密加工平台做一份详细的“驾驶考试”报告。它关注的不仅仅是“能动”，更关注“动得准不准，稳不稳定”。

以下是该标准中涉及的一些关键监测参数及其评价方法：

• 定位精度 (Positioning Accuracy)： 这是指机床或者运动轴在指令位置和实际达到位置之间的偏差。比如，你让工作台移动到100毫米的位置，它实际停在了100.005毫米。这个0.005毫米就是定位误差。我们通常通过在整个运动范围内取一系列目标位置点，重复测量多次，然后统计这些误差，用最大误差或误差范围来评估定位精度。

• 重复定位精度 (Repeatability of Positioning)： 这衡量的是机床或者运动轴在多次重复定位到同一个目标位置时，实际停止位置的一致性。比如，你让工作台反复回到100毫米这个点10次，每次停下来的位置可能略有不同。重复定位精度就是用来描述这些位置分散程度的，它告诉我们设备在重复操作时有多“稳定”。通常会统计每次停止位置的标准差，或者最大停止位置与最小停止位置的范围。

• 反向间隙 (Backlash)： 当运动轴从一个方向切换到另一个方向时，由于机械传动链中的间隙（比如螺纹间隙或齿轮间隙），会导致指令移动和实际移动之间出现一段“空行程”，这段距离就是反向间隙。它会导致定位误差，特别是在加工路径需要频繁反向切换时影响更大。测量时通常会从正向移动停止到某点，再从反向移动停止到同一点，两次测量位置的差异就是反向间隙的一部分。

• 定位偏差 (Reversal Value)： 这是反向间隙在整个运动方向切换时的综合表现。当轴线从一个方向运动并停止，然后反方向运动并再次停止到相同目标位置时，两个方向上的实际停止位置之间的差异。

这些参数的测量和评估，都需要使用高精度的位移测量设备，以非接触的方式实时获取工件或运动轴的精确位置数据，从而为精密加工和设备校准提供可靠的依据。

3. 实时监测/检测技术方法

实现微米级精度非接触式工件位移测量，市面上存在多种先进的技术方案，每种方案都有其独特的原理、优势和局限性。

(1) 市面上各种相关技术方案

激光干涉测量技术激光干涉测量是一种利用光波干涉原理进行超高精度位移测量的技术。它的工作原理就像测量光波的“步长”，通过数清楚光波走了多少步来计算距离。

• 工作原理和物理基础： 这种技术的核心是迈克尔逊干涉仪。它首先发射一束频率稳定的激光（通常是氦氖激光），这束光会被分束器分成两束：一束作为参考光，另一束作为测量光。测量光射向附着在被测工件上的反射器（比如角锥棱镜或平面镜），被工件反射回来后，再与参考光汇合。当被测工件发生位移时，测量光走过的光程会发生变化，导致两束光在汇合时产生干涉条纹的变化（明暗交替）。系统通过高精度地计数这些干涉条纹变化的周期数，并结合激光精确的波长，就能计算出超高精度的线性位移量。 其基本原理公式为： 位移量 = (干涉条纹变化周期数 / 2) * 激光波长 其中，激光波长 (λ) 是已知的，系统通过监测干涉条纹的明暗变化来计算周期数 (N)。每完成一个明暗变化周期，对应的位移就是半个波长。

• 核心性能参数：

  • 线性测量精度：通常为±0.5 ppm（百万分之0.5）或更高。

  • 线性分辨率：可达1纳米甚至更小。

  • 最大线性测量速度：可达4米/秒。

  • 测量范围：可达数十米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和溯源性，几乎是位移测量的“金标准”。测量范围大，可用于长距离测量。可配合多种附件实现多参数测量（如直线度、角度、旋转等）。

  • 局限性： 对环境要求高，如温度、湿度、气压等会影响激光波长，需要进行环境补偿。容易受到空气扰动、振动的影响。设备通常体积较大，价格昂贵，设置和校准复杂，不适合在线实时、批量或小型化集成。被测物表面必须是平整光滑的反射面。

  • 成本考量： 属于高端精密测量设备，初期投资较高，主要用于实验室级计量、高端机床校准等领域。

光学透射式绝对光栅尺技术光学透射式绝对光栅尺就像一把“刻度尺”，只不过这把尺上的刻度极其微小且密集，而且它能直接告诉你当前的位置，不需要从头开始数。

• 工作原理和物理基础： 光栅尺由一个带有精密刻线（如玻璃或钢制）的尺体和一个扫描头组成。扫描头内部的光源（通常是LED或激光二极管）发出的光线，穿透扫描头内的参考光栅和尺体上的主光栅，由于光栅的周期性结构，会产生莫尔条纹。当尺体相对于扫描头移动时，莫尔条纹会发生移动。光电传感器阵列捕获这些莫尔条纹的光强变化，并将其转换为电信号。对于绝对式光栅尺，尺体上除了增量刻线，还刻有编码信息（如伪随机码），使得系统在通电后无需移动到参考点即可直接读取当前绝对位置。通过对电信号进行高精度的细分和插补，可以检测到微小的位移。 其基本原理是通过对莫尔条纹信号进行细分，获得比光栅周期更小的分辨率。例如，如果光栅周期为P，信号细分系数为M，则理论分辨率为 P/M。绝对式光栅尺通过唯一的编码来直接输出位置信息，避免了累计误差。

• 核心性能参数：

  • 精度等级：一般为±1微米，高端产品可达更高精度。

  • 测量步距（分辨率）：可达1纳米至10纳米。

  • 最大测量长度：可达20米。

  • 最大扫描速度：100米/分钟或更高。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量精度高，稳定性好，耐用性强。绝对式光栅尺无需回零操作，提高了机床的启动效率和运行安全性，对机床位移控制至关重要。抗环境干扰能力相对较强。

  • 局限性： 需要物理安装，与被测物体直接“接触”（指尺体和扫描头通过机械固定），不属于完全意义上的非接触测量（但测量原理是非接触光学）。尺体容易受到油污、灰尘、划伤等污染或损坏。测量范围受限于尺体的长度。

  • 成本考量： 属于中高端精密测量组件，广泛应用于数控机床、测量设备和精密运动平台。

光谱共焦测量技术光谱共焦测量技术就像拥有一双能“分辨颜色深度”的眼睛。它不是简单地看清楚物体，而是通过识别不同颜色（波长）的光聚焦在物体表面的深度来判断距离。

• 工作原理和物理基础： 传感器发射出一束宽带白光（或彩色激光，包含多种波长）。这束光通过一个特殊设计的物镜，由于光学色差效应，不同波长的光线会在不同的轴向高度（即距离）上聚焦。这意味着，在某个深度，红光可能聚焦得最清晰；在另一个深度，绿光可能聚焦得最清晰。只有被工件表面完美聚焦并反射回来的特定波长的光线，才能通过共焦孔径（一个很小的针孔），并最终被光谱分析仪（分光元件和探测器）接收。系统通过分析接收到的光线的波长信息，因为每个波长都对应着一个特定的焦点距离，所以就能精确反推出被测物体表面的位置。这是一种真正的非接触式测量方法，能够适应多种材料（包括镜面、透明体、粗糙表面、多层膜）。 其核心原理是利用光学系统的轴向色散特性（Chromatic Aberration）。不同波长的光在通过透镜系统时，其焦点位置沿光轴分布在不同的深度上。当待测表面恰好位于某一特定波长光的焦点处时，该波长光的反射强度最大。传感器接收到的反射光经过光谱仪分析，找出强度最大的波长λ_max。通过预先建立的波长-距离标定曲线，就可以将λ_max转换成对应的被测物体距离Z。 简化表示为：Z = f(λ_max)，其中 f 是一个由系统光学设计决定的非线性函数。

• 核心性能参数：

  • 分辨率：可达1纳米。

  • 精度：线性精度可达±0.01%F.S.。

  • 采样频率：可达数万Hz。

  • 量程：从几十微米到几毫米不等。

  • 光斑尺寸：最小可达几微米。

  • 多材质适应性：金属、陶瓷、玻璃、镜面、透明材料、复合材料。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 真正的非接触测量，对工件无损伤。超高精度和分辨率，可达纳米级。高速采样能力，适合动态测量。多材质适应性强，尤其擅长测量镜面、玻璃和多层透明材料，甚至能进行多层厚度测量而无需已知折射率。能够测量复杂形状，如弧面、深孔、斜面，最大可测倾角大。光斑尺寸小，适合微小特征测量。部分型号探头设计紧凑，可以测量小孔内部特征。

  • 局限性： 测量范围相对激光干涉较小，通常为毫米级。对测量环境中的震动和光线干扰有一定要求。不适合测量特别深的孔或有严重遮挡的区域。对于某些散射性非常强的材料，测量性能可能受影响。

  • 成本考量： 属于高端精密测量传感器，但相对于激光干涉系统，其集成度和易用性更高，适用于在线检测、批量测量和对多种复杂表面有高精度要求的应用。

光学低相干干涉测量技术 (OLCI / OCT)光学低相干干涉测量 (OLCI) 或光学相干断层扫描 (OCT) 技术，就像给物体做了一次“光学超声波检查”，它不仅能看到表面，还能“看透”透明或半透明材料的内部结构。

• 工作原理和物理基础： 该系统发射宽带（即相干长度极短）的近红外光，这束光被分为两部分：一束作为参考光，另一束作为测量光。测量光聚焦到被测物体表面，并从表面以及次表面（如果材料是透明或半透明）反射回来。反射回来的测量光与参考光在一个干涉仪中结合。由于宽带光源的相干长度极短（就像一瞬间闪过的光），只有当测量光走过的路径与参考光走过的路径大致相等时，才能产生可检测的干涉信号。系统通过精确地扫描参考光臂的光程（通常通过移动一个参考镜），并分析干涉信号的强度和位置，就可以超高精度地测量物体表面形貌、厚度以及微米级的位移，甚至能识别和测量透明材料的内部层。 其核心原理是白光干涉（低相干干涉）。当两束光的光程差在一个非常小的范围内（小于光源的相干长度Lc）时，才能产生可见的干涉条纹。通过改变参考臂的光程，找到干涉信号最强的位置，就意味着此时测量臂和参考臂的光程差接近零，从而精确确定测量臂的距离。 干涉强度 I(ΔL) = A * [1 + cos(2πΔL/λ)] * S(ΔL) 其中，ΔL是两束光的光程差，λ是中心波长，S(ΔL)是光源的相干包络函数，在ΔL接近0时达到最大值。

• 核心性能参数：

  • 轴向分辨率：可达0.1微米。

  • 测量范围：可达几毫米。

  • 测量速度：高达数百 kHz 的A-扫描速率。

  • 横向分辨率：1微米至10微米。

  • 工作距离：5毫米至50毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的轴向分辨率，能实现亚表面检测，非常适合透明、半透明和散射材料的测量。非接触测量，对工件无损伤。高测量速度，适用于在线检测。

  • 局限性： 测量深度受光穿透能力的限制，不适用于不透明材料的内部结构检测。横向分辨率相对较低。设备通常较为复杂和昂贵。对表面倾角适应性不如光谱共焦。

  • 成本考量： 属于高端测量技术，主要应用于医疗器械、半导体、航空航天等高科技制造领域，以及对亚表面或多层结构有特殊要求的应用。

(2) 市场主流品牌/产品对比

这里我们重点对比四种代表性的非接触式精密位移测量产品，它们各自代表了不同的技术路径和应用优势。

• 英国雷尼绍的XL-80激光干涉仪是行业内公认的超高精度机床校准和性能评估工具。它以极高的测量精度和可追溯性闻名，线性测量精度可达±0.5 ppm，分辨率高达1纳米，测量范围最长可达80米。英国雷尼绍的优势在于其作为精密测量领域的全球领导者地位，其系统可靠性强，并提供多种附件实现直线度、垂直度、角度等全面参数测量。主要应用于全球顶级的机床制造商、计量实验室以及航空航天等对精度有极致要求的领域。

• 德国海德汉是机床数控系统和精密测量领域的重要品牌，其LC 200系列绝对式光栅尺以高精度、稳定性和耐用性著称。该系列产品精度等级可达±1微米，分辨率在1纳米至10纳米之间，最大测量长度可达20米。德国海德汉的LC系列作为绝对式光栅尺，最大的特点是上电后无需回零操作即可直接提供当前绝对位置，极大地提高了机床的启动效率和运行安全性。这对于高精度数控机床、测量设备和精密运动平台来说至关重要。

• 日本基恩士

• 加拿大诺基姆的MicroCMM系统专注于高分辨率光学测量，采用光学低相干干涉测量技术。该系统提供非接触、超高轴向分辨率的位移和三维形貌测量能力，轴向分辨率可达0.1微米。它的特点是对各种材料（包括透明、半透明、散射材料）均有良好适应性，并能实现亚表面检测。该系统特别适用于微型零件、复杂几何形状的精密测量，在医疗器械、半导体、航空航天等高科技制造领域以及在线过程控制和质量检测中具有独特优势。

在光谱共焦测量技术领域，英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，凭借其高精度、多功能和广泛的适用性，成为了一种有竞争力的选择。该系列传感器提供高达33,000 Hz的采样频率，能够快速捕捉动态过程中的微小位移变化。根据型号不同，其量程范围从±55μm至±5000μm不等，能够适应不同尺寸工件的测量需求。此外，EVCD系列还具备出色的多材质适应性，可稳定测量金属、陶瓷、玻璃、镜面等多种材质，并能有效应对弧面、深孔、斜面等复杂形貌的测量挑战。对于有特殊需求的客户，英国真尚有还提供定制化服务，以满足其特定的应用场景。

(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

选择合适的非接触式位移传感器，就像为不同的精密任务挑选最专业的“眼睛”。以下是一些关键技术指标及其选型建议：

• 分辨率 (Resolution)： 指传感器能检测到的最小位移变化量。例如1纳米分辨率意味着传感器能区分1纳米的微小移动。

  • 实际意义： 决定了测量结果的精细程度。分辨率越高，传感器对微小变化的感知能力越强。

  • 选型建议： 对于需要纳米级加工精度或表面粗糙度测量的应用，如半导体晶圆检测、精密光学元件测量，应选择分辨率在纳米级的产品。如果只是微米级台阶或宏观位移测量，微米级分辨率即可。

• 精度 (Accuracy)： 指测量结果与真实值之间的接近程度，通常用最大误差范围（如±0.01% F.S. 或 ±0.01微米）来表示。

  • 实际意义： 决定了测量结果的可靠性。高精度意味着测量结果更接近真实情况。

  • 选型建议： 这是最重要的指标之一。需要结合具体的加工公差和质量要求来选择。例如，对于公差要求±1微米的产品，传感器的精度至少要达到±0.5微米甚至更高，留有裕量。

• 重复性 (Repeatability)： 指传感器在多次测量同一固定位置时，测量结果的一致性。

  • 实际意义： 衡量传感器在稳定工作条件下的可靠性和稳定性。重复性差的传感器会给出漂移不定的读数。

  • 选型建议： 在生产线上进行批量检测或过程控制时，重复性至关重要。选择重复性优于所需公差1/3或1/5的传感器，以确保批次产品的一致性。

• 采样频率 (Sampling Frequency)： 指传感器每秒能进行多少次测量，单位Hz。

  • 实际意义： 决定了传感器捕捉动态变化的能力。采样频率越高，对高速运动或高频振动的捕捉越精确。

  • 选型建议： 对于在线高速检测、振动分析或运动轴的实时跟踪，应选择高采样频率（数千Hz甚至几十kHz）的传感器。对于静态或低速位移测量，较低的采样频率可能就足够。

• 测量量程 (Measurement Range/F.S.)： 指传感器能测量的最大位移范围。

  • 实际意义： 决定了传感器能覆盖的测量空间大小。

  • 选型建议： 量程选择应略大于被测工件可能发生的最大位移或高度差。量程过大可能导致精度相对下降，量程过小则可能超出测量范围。例如，测量5毫米的厚度变化，选择量程为±5毫米（即总10毫米）的传感器较为合适。

• 光斑尺寸 (Spot Size)： 指传感器在被测物表面形成的测量光束的直径。

  • 实际意义： 决定了测量的空间分辨率和对细微特征的识别能力。光斑越小，能测量越小的特征。

  • 选型建议： 测量微型孔、细小划痕或需要高精度轮廓扫描时，选择光斑尺寸小的传感器（如几微米）。如果测量大面积平整表面，光斑尺寸影响较小。

• 多材质适应性： 传感器对不同材料表面（如镜面、粗糙面、透明材料）的测量能力。

  • 实际意义： 扩展了传感器的应用范围。

  • 选型建议： 如果需要测量多种材质的工件，尤其是玻璃、镜面或多层膜，光谱共焦传感器是理想选择。对于仅测量金属或不透明材料的场景，其他技术也可考虑。

• 最大可测倾角： 传感器能准确测量倾斜表面的最大角度。

  • 实际意义： 决定了传感器对复杂几何形状工件的适应性。

  • 选型建议： 测量弧面、斜面、锥孔等倾斜表面时，需关注此参数。光谱共焦传感器通常具有较好的倾角适应性。

• 防护等级 (IP Rating)： 传感器对外壳防尘防水性能的评级。

  • 实际意义： 决定了传感器在恶劣工业环境中的可靠性。

  • 选型建议： 如果应用环境有粉尘、水汽、切削液等，应选择高防护等级（如IP65或更高）的探头，确保长期稳定运行。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的传感器，在实际应用中仍可能遇到各种挑战，影响测量结果的准确性和稳定性。

• 问题1：环境温度变化导致测量漂移。

  • 原因与影响： 许多光学传感器的光学元件对温度敏感，环境温度的波动可能导致传感器内部结构轻微变形，改变光路，从而引起测量结果的漂移，就像“热胀冷缩”一样影响了传感器的“尺子”。激光干涉仪对空气折射率变化尤其敏感，温度变化会影响空气折射率，进而影响激光波长。

  • 解决建议：

    • 环境控制： 将传感器安装在温度恒定的环境中，或对测量区域进行局部温度控制。

    • 温度补偿： 部分高端传感器自带温度补偿功能，或通过外部温度传感器对数据进行软件校正。

    • 定期校准： 在不同温度下进行校准，并建立补偿曲线。

• 问题2：被测工件表面特性变化（如光泽度、粗糙度、颜色）导致测量不稳定。

  • 原因与影响： 传感器的测量原理依赖于从工件表面反射回来的光信号。如果表面光泽度不均匀、粗糙度变化大、颜色不一致，会导致反射光信号强度波动，甚至无法形成有效信号，就像“眼睛”在看一会儿反光镜，一会儿磨砂玻璃，一会儿黑布一样，很难稳定聚焦。

  • 解决建议：

    • 选择适应性强的传感器： 光谱共焦传感器在这方面表现突出，对多种材质和表面都有较好的适应性。

    • 优化传感器安装： 调整测量角度，避免强反射或过强的倾斜角。对于高反光表面，有时可略微改变入射角，避免镜面反射。

    • 表面预处理： 在不影响工件功能的前提下，可对特殊表面（如极度透明或镜面）进行哑光处理（如喷涂薄层消光剂），但这会引入额外的误差。

• 问题3：环境振动或气流扰动影响测量精度。

  • 原因与影响： 任何机械振动（如机床运行、工厂设备）或气流（如空调、通风系统）都可能导致传感器或被测工件的相对位置发生微小变化，产生瞬时测量误差，就像在晃动的船上看远处的浮标。特别是对激光干涉测量，气流会引起空气折射率局部不均匀，直接影响光路。

  • 解决建议：

    • 隔振措施： 将传感器和工件安装在隔振平台上，减少外部振动传递。

    • 防护罩： 为测量区域设置防风罩或隔离罩，减少气流干扰。

    • 数据滤波： 传感器软件通常提供多种滤波功能（如高斯滤波、滑动平均），可以平滑掉部分高频随机噪声。

• 问题4：传感器安装和校准不当。

  • 原因与影响： 传感器探头与被测物之间的距离、角度不合适，或者没有进行准确的校准，都会导致测量结果不准确。就像用一把没有刻度或者刻度不准的尺子去量东西。

  • 解决建议：

    • 严格按照说明书安装： 确保工作距离在传感器推荐范围内，探头光轴尽量垂直于被测表面（除非特殊设计允许大倾角测量）。

    • 使用标准块进行校准： 定期使用已知尺寸的高精度标准块对传感器进行校准，确保其输出与真实值一致。

    • 可视化辅助： 部分传感器（如光谱共焦）提供可视化测量功能，可实时观测测量光斑位置，辅助调节。

4. 应用案例分享

光谱共焦传感器因其高精度、非接触和多材质适应性，在许多精密制造领域都有广泛应用：

• 3C电子行业： 在手机摄像头模组的组装过程中，可用于检测镜头与传感器之间的距离，确保精确对焦；也可测量手机显示屏的平面度，以及多层玻璃盖板的各层厚度。

• 半导体行业： 可对晶圆进行高精度的厚度、平整度检测，确保每一片晶圆的均匀性；还能测量微型沟槽的深度和宽度，以及半导体封装的倾斜度。 英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，由于其紧凑的探头设计，特别适合测量半导体晶圆上的深沟槽。

• 光学行业： 在精密镜片生产中，用于测量镜片的厚度、平面度和弧高，保证光学性能达到设计要求；对于蓝玻璃等特殊光学材料，可以实现高精度厚度测量。

• 新能源行业： 广泛应用于锂电池生产，例如测量电池封边厚度，以防止漏液；检测铜箔或石墨导热膜的厚度一致性，确保电池的性能和安全性。

• 精密制造行业： 测量金属件的台阶高度差、孔的深度、螺纹孔的深度等，确保机械部件的配合精度；还可以进行工件的微米级轮廓扫描，用于质量控制和逆向工程。英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，凭借其±45°的最大可测倾角（特殊设计型号），能够胜任复杂几何形状的测量任务。