如何在自动化产线中，实现镜面、透明及复杂曲面材料的纳米级高精度非接触粗糙度在线检测？【工业测量方案】

1. 被测物体的基本结构与技术要求

在工业生产中，金属、玻璃、陶瓷等多种材质的表面粗糙度检测是一项至关重要的环节。这些材料的表面特性千差万别，给传统测量方法带来了挑战。

• 金属表面：通常具有较高的反射率，可以是镜面般的光亮，也可以是经过喷砂、拉丝处理后的漫反射表面。其表面粗糙度直接影响涂层附着力、摩擦性能、疲劳寿命以及外观质量。例如，发动机气缸内壁的粗糙度过高或过低，都会影响活塞环的密封性和润滑油的保持，进而影响发动机的效率和寿命。

• 玻璃表面：典型特征是透明和高透光率。检测玻璃的表面粗糙度，特别是光学玻璃，对于保证其光学性能（如透射率、散射度）至关重要。同时，玻璃表面有时会存在镀膜，形成多层结构，这也增加了测量的复杂性。

• 陶瓷表面：通常硬度高、耐磨，表面可能呈现哑光或一定的光泽。其粗糙度会影响其耐磨性、密封性、生物相容性（如医用陶瓷）等。一些高精密陶瓷部件，如陶瓷轴承，其表面粗糙度甚至要达到纳米级别。

这些材质对表面粗糙度测量的技术要求主要体现在：

• 高精度和高分辨率：尤其是在微观形貌的检测上，需要达到微米乃至纳米级别的精度，才能有效捕捉到表面细微的起伏。

• 非接触性：对于精密加工或易受损的表面（如抛光后的镜面），接触式测量可能造成划伤或污染，因此非接触测量是更优选择。

• 多材质适应性：理想的测量方法应该能够应对不同反射特性（镜面、漫反射、半透明）和光学特性（折射率）的材料。

• 复杂形状测量能力：除了平面，还需要能测量弧面、深孔、斜面等复杂几何形状。

• 在线/快速测量能力：在自动化生产线中，测量速度是提升效率的关键。

2. 针对被测物的相关技术标准简介

表面粗糙度是衡量物体表面微观几何特征的重要参数。它通常通过对表面轮廓的测量和计算来获得。

• 粗糙度参数定义：

  • 算术平均偏差 Ra (Arithmetic Average Roughness)：这是最常用的粗糙度参数，表示在取样长度内，轮廓偏离中线绝对值的算术平均值。可以形象地理解为所有表面峰谷的平均高度。

  • 最大轮廓高度 Rz (Maximum Height of the Profile)：表示在取样长度内，最大的轮廓峰高与最大的轮廓谷深之和。

  • 轮廓的十点高度 Rz10 (Ten-point Height of Irregularities)：取样长度内五个最大峰高的平均值与五个最大谷深的平均值之和。

  • 轮廓算术平均波度 Wsa (Arithmetic Mean Waviness)：类似于Ra，但它关注的是表面在更大尺度上的起伏，即波度。

• 评价方法：

  • 轮廓法：通过测量表面轮廓线的垂直位移来获取数据，然后根据上述参数定义进行计算。这通常通过触针式仪器或各种光学轮廓仪实现。

  • 面积法 (三维粗糙度)：随着三维测量技术的发展，现在可以测量整个表面的三维形貌，并计算出Sa、Sz等三维粗糙度参数，提供更全面的表面特征描述。Sa是三维表面的算术平均高度，类似于二维的Ra。

• 基本测量原则： 无论采用何种方法，测量过程中都需要确定合适的取样长度和评定长度，以确保测量结果的代表性和可比性。测量所得的原始轮廓数据会经过滤波处理，分离出粗糙度和波度成分，再进行参数计算。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在工业测量领域，针对不同材料和精度要求，发展出了多种表面粗糙度检测技术。

a. 触针式测量技术

触针式测量法是最传统的表面粗糙度测量技术之一。它就像是一位“盲人摸象”的工程师，用一根极细的“手指”——金刚石探针，在工件表面上轻轻划过，通过探针尖端的上下起伏来感知表面的高低不平。

• 工作原理与物理基础： 触针通过机械接触，在被测表面上沿着预设的路径匀速移动。探针的尖端随着表面轮廓的起伏而产生垂直位移，这个位移通过高灵敏度的传感器（通常是电感、压电或电容式传感器）转换为电信号。这些电信号经过放大、滤波和数字化处理后，就形成了表面的轮廓数据。粗糙度参数的计算基于这些轮廓数据，例如Ra的计算公式可以简化为： Ra = (1/L) * ∫|Z(x)| dx (从0到L) 其中，Z(x) 是轮廓线在X点相对于中线的垂直偏差，L是取样长度。

• 核心性能参数：

  • 精度：可达纳米级，例如0.002微米。

  • 分辨率：与探针尖端半径和传感器灵敏度有关，通常在微米到纳米级别。

  • 响应时间：取决于扫描速度和数据处理能力，相对较慢。

• 优缺点：

  • 优点：测量精度高，符合国际标准，被广泛用作其他非接触测量方法的校准基准。对各种材质的适应性较好，不受表面反射率、透明度等光学特性的影响。

  • 缺点：属于接触式测量，探针可能划伤精密或软性表面；探针尖端尺寸限制了测量极细微的纹理；测量速度慢，不适合在线检测；探针磨损会影响测量准确性；无法进行三维形貌测量。

• 成本考量：设备成本适中，但探针属于耗材，长期使用有更换成本。

b. 广域白光干涉测量技术 (Coherence Scanning Interferometry - CSI)

白光干涉测量技术，可以想象成我们用一束“彩虹光”（白光）去照射表面，光线会在表面的不同高度反射回来。如果这个反射回来的光和我们参考的光线路径长度恰好相同，它们就会发生干涉，形成一道道彩色的“指纹”——干涉条纹。通过分析这些条纹的出现位置和强度，就能知道表面有多高。

• 工作原理与物理基础： CSI技术利用宽光谱白光作为光源，通过一个干涉仪（如Michelson干涉仪）将光束分成两部分：一部分照射到被测表面，另一部分照射到参考镜。这两束反射光汇合后产生干涉。由于白光的相干长度很短，只有当被测表面与参考镜的光程差在很小的范围内时，才能观察到明显的干涉条纹。通过在垂直方向（Z轴）扫描物镜或样品，系统会记录每个像素点的干涉条纹强度随Z轴位置的变化。干涉条纹的调制深度最大处对应着该点与参考镜等光程的位置，从而精确确定该点的Z坐标。 干涉强度 I(z) 可以表示为： I(z) = I_0(1 + V * cos(Φ(z))) 其中，I_0是平均强度，V是可见度（调制深度），Φ(z) 是相位差。通过寻找可见度V最大时的Z值来确定表面高度。

• 核心性能参数：

  • 垂直分辨率：可达0.1纳米。

  • 粗糙度重复性：小于0.05纳米（Sa）。

  • 测量速度：可达每秒100万个点，适用于快速三维形貌测量。

  • 测量范围（Z轴）：高达20毫米。

• 优缺点：

  • 优点：非接触、高精度、高分辨率，能够快速获取大面积的三维表面形貌数据。对大多数材料表面（包括镜面、粗糙面）有良好的适应性。

  • 缺点：对振动和环境温度变化敏感，需要稳定的测量环境；对于陡峭的斜面（坡度大于30°通常难以测量）和深孔测量存在局限性；对于半透明或透明材料，可能会出现多重反射导致测量误差。

• 成本考量：设备通常较为昂贵。

c. 高速激光三角测量技术

想象一下，你用手电筒斜着照一个物体，物体的影子的位置会随着物体的高度变化而改变。激光三角测量就是利用这个原理，但它更精确，用的是一道激光线和一个摄像头。

• 工作原理与物理基础： 一个激光发射器向被测表面投射一条激光线。激光线在物体表面形成一个光斑（或一条光线），其在空间中的位置会随着被测物体表面高度的变化而改变。反射回来的激光线（或光斑）被一个CMOS或CCD图像传感器接收。由于激光器、被测表面和图像传感器构成一个三角关系，通过测量图像传感器上激光线位置的变化，利用简单的几何三角原理就可以计算出被测表面上各点的垂直（Z轴）坐标。 Z = L * sin(theta) / (tan(phi) + tan(theta)) 其中，L是激光器到传感器距离，theta是激光发射角，phi是传感器接收角。通过测量传感器上光斑位置的变化，即可反推出Z。

• 核心性能参数：

  • 测量速度：高速，可达10千赫兹以上。

  • Z轴重复性：低至0.2微米。

  • X轴分辨率：低至6微米。

  • 测量范围（Z轴）：根据型号从几毫米到几十毫米。

• 优缺点：

  • 优点：测量速度快，适用于在线批量检测，集成度高。非接触测量，对物体无损伤。

  • 缺点：精度相对白光干涉或共焦技术较低；受材料表面反射特性影响较大，镜面或透明材料可能难以测量；对陡峭的斜面和深孔测量也存在盲区。

• 成本考量：设备成本相对较低，易于集成。

d. 光谱共焦技术 (Spectral Confocal / Chromatic Confocal)

光谱共焦技术，其核心思想是使用色散物镜，将不同波长的光聚焦在不同的轴向位置上。当光线照射到物体表面时，只有特定波长的光会精确聚焦于表面，并反射回传感器。通过分析反射光的波长，就能确定物体表面的高度。

• 工作原理与物理基础： 光谱共焦传感器采用宽光谱光源（例如白光或彩色激光）通过一个色散物镜进行照明。这种特殊的色散物镜（也称为色差物镜）的设计使得不同波长的光线沿光轴具有不同的焦点位置。当宽光谱光束照射到被测表面时，只有特定波长（即与被测表面距离相对应）的光线能够聚焦在表面上并反射回来。这些反射光再次通过色散物镜，然后经过一个共焦小孔（或称为针孔）。只有那些从焦点反射并再次聚焦在共焦小孔上的光线才能穿过，并被光谱仪接收。光谱仪分析接收到的光线的波长分布，找出峰值波长。由于每个波长对应一个独有的焦平面，通过检测峰值波长，即可精确确定被测表面的Z轴位置。 这种技术不需要移动任何机械部件来扫描Z轴，而是通过检测波长来确定距离，所以是真正的非接触、无运动部件测量。 其距离与波长的关系可以用一个校准曲线来表示： Z = f(λ_peak) 其中，Z 是测量距离，λ_peak 是检测到的峰值波长。

• 核心性能参数：

  • 分辨率：高端系统可达1纳米。

  • 精度：优质系统线性精度可达±0.01%F.S.。

  • 采样频率：高端型号可达33,000Hz，实现高速测量。

  • 最大可测倾角：特殊设计型号可达±87°。

  • 光斑尺寸：最小可达2μm，实现微小特征检测。

• 优缺点：

  • 优点：

    • 多材质适应性强：能够稳定测量金属（镜面、漫反射）、陶瓷、玻璃、塑料等各种材质，包括透明和半透明材料。这是因为其工作原理依赖于色散，而非简单的反射强度。

    • 高精度与高分辨率：尤其在微米到纳米级距离测量上表现出色。

    • 非接触式无损测量：对工件表面无任何损伤或污染。

    • 无需已知折射率即可测量厚度：对于透明材料，不同界面的反射光会分别产生峰值波长，从而实现多层结构的厚度测量，且无需预知材料的折射率，极大地简化了操作。

    • 优异的抗干扰能力：共焦原理有效抑制了非焦点处的杂散光，提高了信噪比。

    • 能够测量复杂形状：对弧面、深孔、斜面等都能进行有效测量。

  • 缺点：

    • 测量量程相对有限，通常在毫米级别。

    • 对于极低反射率或光吸收性强的材料，可能面临挑战。

• 成本考量：设备通常较高，但在多材质、高精度应用中的表现，使其具有高性价比。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家行业内知名的品牌及其采用的不同测量技术：

• 美国赛高

  • 采用技术：广域白光干涉测量技术 (CSI)。

  • 核心性能参数：垂直分辨率高达0.1纳米，粗糙度重复性小于0.05纳米（Sa），测量速度快至每秒100万个点，Z轴测量范围高达20毫米。

  • 应用特点与独特优势：作为白光干涉领域的领导者，美国赛高产品以其极高的垂直分辨率和三维形貌测量能力著称。它能够提供详细的表面拓扑结构信息，适用于精密光学元件、半导体晶圆和超精密机械加工件的表面粗糙度、台阶高度和平面度检测。其优势在于可以快速获取大面积的三维数据，是非接触式高精度测量的理想选择。

• 日本基恩士

  • 采用技术：激光共聚焦显微镜。

  • 核心性能参数：测量重复性0.005微米，Z轴分辨率0.5纳米，测量范围可达 30毫米，采用短波长蓝色激光（404纳米）。

  • 应用特点与独特优势：日本基恩士的激光共聚焦显微镜以其高分辨率、高景深和强大的自动化能力在全球市场占有率高。它通过点扫描的方式，结合Z轴扫描，精确获取表面各点的Z坐标，构建三维形貌。尤其擅长测量粗糙及透明样品，并能提供清晰的图像和精确的形貌数据，操作简便，易于集成到在线检测流程中。

• 德国马尔

  • 采用技术：触针式测量法。

  • 核心性能参数：测量范围高达350微米，测量分辨率0.002微米，测量力0.75毫牛顿。符合ISO、JIS、ASME等多种国际标准。

  • 应用特点与独特优势：德国马尔的触针式粗糙度仪以其极高的测量精度和符合国际标准的能力，被广泛用作粗糙度测量的基准。其设备结构坚固耐用，适用于车间和实验室环境，对于需要严格遵循标准并对测量可靠性有极高要求的场合表现出色，尤其在传统机械加工件的粗糙度检测中应用广泛。

• 加拿大LMI科技

  • 采用技术：高速激光三角测量法。

  • 核心性能参数：测量速度高达10千赫兹，Z轴重复性低至0.2微米，X轴分辨率低至6微米，Z轴测量范围从几毫米到几十毫米。

  • 应用特点与独特优势：加拿大LMI科技的Gocator系列以其高速、非接触和高度集成的特点，在在线批量检测领域表现突出。它将控制器、光源和摄像头集成在一个紧凑的单元中，易于集成到自动化生产线，进行快速的三维轮廓扫描和尺寸测量，例如在汽车部件、电子产品组装线的快速检测。

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

选择合适的粗糙度测量设备时，需要根据实际应用需求，综合考虑以下关键技术指标：

• 分辨率与精度：

  • 实际意义：分辨率指的是传感器能识别的最小高度变化，精度是测量值与真实值之间的符合程度。它们共同决定了测量结果的可靠性和对细微特征的捕捉能力。想象一下，分辨率就像你相机能拍到的最小像素点，而精度则是拍出的照片跟实物有多像。

  • 影响：低分辨率无法检测到微小的表面起伏，低精度则可能导致测量数据偏离真实值，从而错误判断工件质量。

  • 选型建议：对于半导体晶圆、光学镜片、精密模具等需要纳米级粗糙度控制的应用，应优先选择分辨率和精度均达到纳米级的光谱共焦或白光干涉传感器。而对于一般机械加工件，微米级分辨率的激光三角或触针式传感器可能就足够。

• 测量量程 (Z轴)：

  • 实际意义：传感器能够测量的最大高度范围。

  • 影响：量程不足会导致无法测量高低落差较大的表面，例如台阶、深孔等。

  • 选型建议：如果需要测量深孔深度、台阶高度差等大范围高度变化，应选择量程较大的设备。光谱共焦传感器的量程选择范围广，根据型号不同从±55μm至±5000μm不等，而白光干涉仪可达20毫米，激光三角可达几十毫米。根据被测工件的Z轴尺寸来匹配。

• 光斑尺寸 (或横向分辨率)：

  • 实际意义：传感器在表面上测量的最小区域直径。它决定了传感器能识别的最小横向特征尺寸。就像用一个大刷子和一个小画笔画画，小画笔能画出更精细的线条。

  • 影响：光斑尺寸过大，会平滑掉微小的横向纹理和细节，导致测量结果失真。

  • 选型建议：对于微观纹理、窄沟槽或微孔的测量，应选择光斑尺寸小的传感器，例如光谱共焦传感器可实现小至2μm的光斑尺寸。

• 测量速度/采样频率：

  • 实际意义：单位时间内传感器能完成的测量点数量。

  • 影响：速度慢会严重影响生产效率，不适合在线检测。

  • 选型建议：对于需要在线100%检测、快速扫描大面积表面的应用，如自动化生产线，应优先选择采样频率高的光谱共焦或高速激光三角传感器。实验室或抽检应用则可适当降低对速度的要求。

• 材质适应性：

  • 实际意义：传感器能够稳定测量不同光学特性（反射率、透明度、颜色）的材料。

  • 影响：如果传感器对某些材质不兼容，将无法进行有效测量，或产生不稳定、不准确的结果。例如，传统激光三角仪难以测量镜面或透明玻璃。

  • 选型建议：若被测件涉及金属、玻璃、陶瓷、塑料等多种材质，特别是透明和半透明材料，光谱共焦传感器因其独特的工作原理，在多材质适应性和透明材料测量方面表现出色。对于单一不透明且漫反射的材料，激光三角或触针式也可考虑。

• 最大可测倾角：

  • 实际意义：传感器能有效测量表面倾斜角度的最大值。

  • 影响：超出此角度范围的斜面、弧面或深孔边缘将无法准确测量，产生数据盲区。

  • 选型建议：对于曲面、斜面、深孔侧壁等复杂形貌的测量，应选择最大可测倾角大的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际的粗糙度测量应用中，即使选择了先进的传感器，也可能遇到一些问题，影响测量结果的准确性和效率。

1. 问题：镜面或高光泽表面测量困难

   • 原因与影响：传统光学传感器（如部分激光三角传感器）在测量镜面或高光泽表面时，由于反射光过于集中且方向性强，可能导致接收器饱和或接收不到有效信号，形成测量盲区或数据丢失。这就像手电筒照镜子，光线会直接反射走，很难被旁边的相机捕捉。

   • 解决方案与预防措施：

     • 采用光谱共焦传感器：光谱共焦技术对表面反射率不敏感，能够稳定测量镜面，因为它利用的是色散聚焦原理而非简单的反射强度。

     • 调整测量角度：对于部分传感器，尝试调整传感器与被测表面的角度，使反射光能够被接收器捕捉。

     • 表面处理：在允许的情况下，可在表面喷涂一层极薄的漫反射剂（但会改变表面特性，通常只用于非最终产品测试）。

2. 问题：透明或半透明材料（如玻璃、薄膜）测量不准确或无法测厚

   • 原因与影响：传统光学方法在测量透明材料时，光线会穿透材料或在不同界面产生多重反射，导致难以准确识别表面位置，或无法区分不同层面的厚度。这就像隔着多层玻璃看东西，容易混淆是哪一层。

   • 解决方案与预防措施：

     • 光谱共焦传感器：光谱共焦技术能同时识别多个光峰，从而精确测量透明材料的上下表面，并直接测量其厚度。

     • 使用专用厚度测量仪：如果仅需测量厚度，且精度要求高，可考虑专门的厚度测量设备。

3. 问题：陡峭斜面、深孔内壁或复杂曲面测量存在盲区

   • 原因与影响：许多光学传感器受限于其光学设计，光束入射角和反射角范围有限，导致在测量大倾角表面时，反射光无法返回到接收器，产生“阴影区”或数据缺失。

   • 解决方案与预防措施：

     • 选择大倾角测量能力强的传感器：

     • 多角度测量或使用90度探头：对于深孔内壁或侧面，可选用90度出光探头，或通过机械臂等辅助设备，进行多角度扫描拼接。

4. 问题：测量数据受环境振动、温度变化影响大

   • 原因与影响：高精度光学测量对环境非常敏感，轻微的振动可能导致测量结果不稳定，温度变化可能引起部件形变或空气折射率变化，影响测量精度。

   • 解决方案与预防措施：

     • 加固防振平台：在安装传感器和被测工件时，使用气浮平台或减震支架，隔离外部振动。

     • 恒温恒湿环境：在条件允许的实验室或车间，保持恒定的温度和湿度。

     • 选择集成度高、抗环境干扰能力强的传感器：有些光谱共焦传感器或激光三角传感器在设计上更注重稳定性和抗干扰能力。

4. 应用案例分享

• 3C电子行业：在手机制造中，可选用光谱共焦位移传感器，用于摄像头模组、显示屏玻璃的厚度、平面度及表面粗糙度检测，确保组件的精密配合与显示效果。

• 半导体行业：对晶圆的厚度、平整度、沟槽深度和倾斜度进行高精度测量，以保证芯片制造过程中的微纳结构一致性。

• 新能源行业：应用于锂电池的封边厚度、铜箔厚度和石墨导热膜的厚度一致性测量，对电池性能和安全性至关重要。

• 精密制造行业：对金属件的台阶高度差、孔深度、螺纹孔深度进行测量，以及进行精密的轮廓扫描，确保零件的几何精度符合设计要求。

• 光学行业：用于镜片厚度、平面度、弧高测量，以及蓝玻璃等精密光学产品的质量控制，保证其光学性能。