面对高光泽、多层或透明陶瓷，如何选用合适的激光位移传感器实现亚微米级厚度与平面度在线检测？【陶瓷质检 自动化】

1. 基于陶瓷的基本结构与技术要求

陶瓷，作为一种广泛应用的材料，其种类繁多，从粗糙的建筑陶瓷到表面光洁如镜的精密陶瓷，其表面特性差异巨大。在生产过程中，对陶瓷表面进行高精度距离测量，其目的是确保产品达到预期的形状、厚度、平面度等尺寸精度，并反映出材料的烧结、研磨、抛光等工艺质量。

想象一下，我们生产一片精美的陶瓷地砖。它的边缘必须平直，厚度要均匀，表面不能有明显的凹凸不平。这些都是需要进行距离测量的参数。而不同的陶瓷产品，其“肤质”也大相径庭：有的像未经打磨的石头，表面粗糙、漫反射严重；有的则像玻璃一样光滑，会产生镜面反射；还有的可能是半透明的。这些不同的表面光洁度，会直接影响到我们用于测量的激光束如何反射回来，进而对传感器的选择和测量精度提出挑战。

具体来说，对陶瓷的测量要求包括：* 尺寸精度：如厚度、长度、宽度、直径等，需要达到设计公差。* 形貌特征：如平面度、翘曲度、直线度等，特别是对于大尺寸陶瓷板材，平整性是关键质量指标。* 表面粗糙度：虽然直接测量粗糙度通常需要更精密的轮廓仪，但距离传感器可以用于检测较大尺度的表面不平整。* 缺陷检测：通过高精度距离测量，可以间接发现裂纹、气孔、凹坑、凸起等表面缺陷。

2. 针对陶瓷的相关技术标准简介

在陶瓷生产中，为了保证产品质量，需要对多种参数进行监测和评价。这些参数的定义和评价方法通常由行业标准或企业内部标准规定。

• 平面度：指陶瓷表面相对于一个理想平面的最大偏差。评价时通常是在多个点上测量表面高度，然后通过算法拟合出最佳平面，计算各点与该平面的最大距离。如果陶瓷板就像一张纸，平面度就是衡量这张纸有没有卷边或者拱起。

• 厚度：指陶瓷材料两个相对表面之间的垂直距离。这通常通过测量上、下表面的相对位置来确定，或者通过测量总高度并减去基准高度来计算。想象一下瓷砖的厚度是否均匀，这会影响铺设效果。

• 翘曲度/弯曲度：指陶瓷制品在烧制或冷却过程中，因应力不均导致的整体形变，表现为表面不再是平直的。评价方法与平面度类似，但更侧重于整体的弯曲趋势。

• 表面粗糙度：虽然激光位移传感器通常用于宏观尺寸测量，但某些高精度传感器也能捕捉到微观起伏。粗糙度通常用Ra（算术平均偏差）或Rz（最大峰谷高度）等参数来表征，通过对表面微观轮廓的扫描和数据分析来获得。这就像用手指触摸陶瓷表面，感受它的光滑程度。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在陶瓷生产线上，实现高精度距离测量并非易事，尤其是在线检测时，需要兼顾速度、精度和环境适应性。目前主流的非接触式光学测量技术各有特点，它们就像不同的“医生”，各自擅长诊断不同类型的“病症”。

a. 激光三角测量原理

激光三角测量是一种应用最广泛的非接触式距离测量技术。它的工作原理就像我们人眼看东西一样，通过两个不同角度去看同一个点来判断距离。

工作原理与物理基础： 传感器内部会发射一束激光点（或者激光线），投射到被测的陶瓷表面上形成一个明亮的光斑。当陶瓷表面的距离发生变化时，光斑在空间中的位置也会相应移动。传感器内部有一个高分辨率的接收器（通常是CMOS或CCD图像传感器），它会从另一个角度捕捉这个光斑。由于激光发射器、接收器和激光光斑在表面形成一个三角形（这就是“三角测量”的由来），当光斑在陶瓷表面的位置因距离变化而移动时，它在接收器上的投影位置也会随之移动。通过精确测量接收器上光斑位置的变化，就可以利用简单的几何三角关系计算出被测表面的距离。

其基本几何关系可以简化为：

Delta_Z = (D * Delta_X) / (f_lens * sin(theta) - Delta_X * cos(theta))

其中，Delta_Z是被测物体距离的变化量，Delta_X是光斑在接收器上移动的距离，D是传感器基线（发射器与接收器中心间的距离），f_lens是接收器透镜的焦距，theta是接收器透镜光轴与基线之间的夹角。实际应用中，传感器会进行出厂标定，建立一个光斑位置与距离值的精确映射关系。

核心性能参数：* 测量范围： 从几毫米到上千毫米不等，比如一些通用型产品可以在几十毫米到数百毫米范围内提供高精度测量。* 分辨率： 典型可达微米级甚至亚微米级（0.5 μm - 10 μm）。* 线性度： 常见为±0.05% F.S.（满量程）到±0.2% F.S.。* 采样速度： 从几百赫兹到几百千赫兹不等，非常适合高速在线检测。

技术方案的优缺点：* 优点： 技术成熟，成本相对较低，测量速度快，适用于大多数颜色和纹理的陶瓷表面。对于哑光、漫反射的陶瓷表面，激光三角测量通常能提供非常稳定的测量结果。它的多功能性使其成为在线质量控制的“主力军”。* 缺点： 对高光泽、镜面反射的陶瓷表面，激光束可能直接反射出接收器视野，导致无法测量或测量不稳定。对于透明或半透明材料，激光会穿透表面，产生内部反射，导致测量误差。当环境光线过强或表面颜色变化剧烈时，可能需要更强的激光功率和更复杂的信号处理算法来识别光斑。

b. 光谱共焦测量原理

光谱共焦技术，可以看作是“多色眼镜”技术，它能利用不同颜色的光聚焦在不同深度，从而精准判断被测物体表面在哪里。

工作原理与物理基础： 光谱共焦传感器发射一束宽带白光（包含多种颜色的光，就像彩虹一样），通过一个特殊的物镜，将不同波长的光聚焦在不同的轴向距离上。这意味着红色光可能聚焦在5毫米处，绿色光聚焦在5.5毫米处，蓝色光聚焦在6毫米处。当这束光照射到陶瓷表面时，只有当某个特定波长的光正好聚焦在表面上时，反射回来的光才能最强地通过传感器中的小孔（针孔光阑）并被光谱仪检测到。光谱仪会分析反射光的波长峰值，从而精确计算出陶瓷表面的距离。

核心性能参数：* 测量范围： 通常较小，从几十微米到几毫米。* 分辨率： 极高，可达纳米级。* 线性度： 优秀，例如±0.03% F.S.。* 测量速率： 高达几十千赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度极高，不受表面材质影响，无论是高光泽、粗糙、漫反射、吸光，甚至是透明或半透明的陶瓷材料，都能稳定测量，因为它是利用表面的最佳聚焦波长来确定距离，而非反射光强度。这就像一个全能的“侦探”，任何伪装都逃不过它的眼睛。* 缺点： 测量范围相对较小，设备成本较高，对传感器与被测物之间的垂直度要求较高。

c. 激光线共聚焦测量原理

激光线共聚焦是光谱共焦的升级版，它不再是测量一个点，而是一次性测量一条线上的所有点，大大提升了检测效率。

工作原理与物理基础： 与点共聚焦类似，但它发射的不是一个光点，而是一条激光线。这条激光线上的每一个点都利用共聚焦原理进行测量，即只有当表面处于特定波长或最佳聚焦位置时，反射光才能被接收。通过特殊的光学设计，传感器能够同时对整条激光线上的无数个点进行高精度测量，快速获取被测陶瓷表面的2D轮廓数据。

核心性能参数：* 测量范围 (Z轴)： 通常为几毫米。* 分辨率 (Z轴)： 极高，可达亚微米级。* 重复性 (Z轴)： 优秀，例如±0.25 μm。* 测量速率： 高达几千赫兹（全帧）。

技术方案的优缺点：* 优点： 结合了共聚焦的高精度和激光线的快速扫描能力，能够快速获取高分辨率的2D轮廓数据，特别适用于对高光泽、多层或透明陶瓷材料进行在线厚度、平面度及表面缺陷检测。相当于给“多色眼镜”侦探加装了快速扫描仪。* 缺点： 相较于点共聚焦，通常横向分辨率略低，测量范围依然有限，设备成本较高。

d. 白光干涉测量原理 (相干扫描干涉技术, CSI)

白光干涉技术是一种利用光的波动性进行超精密测量的技术，其精度可以达到原子级别，是测量表面微观形貌的“放大镜”。

工作原理与物理基础： 传感器发射一束宽带白光。这束光被分成两部分：一部分照射到陶瓷样品表面作为测量光，另一部分照射到内部的参考镜作为参考光。当这两束光反射回来并汇合时，如果它们的光程差在一定范围内，就会产生干涉条纹。通过精密地垂直扫描传感器或样品，系统会分析这些干涉条纹的强度变化和相位信息。当样品表面的高度变化时，干涉条纹的形态也会变化，系统通过这种变化来重建出陶瓷表面的3D形貌数据，从而实现超高精度的距离、高度和粗糙度测量。

核心性能参数：* 垂直测量范围： 通常为几毫米到几十毫米。* 垂直分辨率： 极致，可达纳米级甚至原子级。* 横向分辨率： 取决于物镜，可达亚微米级。* 重复性： 极高，例如0.5 nm。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度达到业界顶级，能够实现纳米级的垂直分辨率，非常适合对陶瓷材料的微观形貌和超精密尺寸进行研发和质量控制，特别适用于对表面粗糙度、薄膜厚度等有极高要求的应用。* 缺点： 测量速度相对较慢，对环境振动敏感，设备成本非常高，通常用于实验室或离线高精度检测，不太适合高速在线检测。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款行业内知名的激光位移传感器产品，它们代表了不同的技术方向，可以满足陶瓷生产中多样化的测量需求。

• a. 德国米铱 (采用光谱共焦测量技术)德国米铱的confocalDT系列产品，如搭配IFS2405-2传感器的IFC2422控制器，是光谱共焦领域的佼佼者。它以其卓越的精度和对各种表面材质的适应性著称。其测量范围为0.05 mm - 2 mm，分辨率高达0.005 μm，线性度±0.03% F.S.，测量速率可达 70 kHz。德国米铱的优势在于能够稳定测量高光泽、粗糙、甚至透明或半透明的陶瓷表面，非常适合对这些挑战性材料进行高精度在线检测。

• b. 英国真尚有 (采用激光三角测量技术)英国真尚有ZLDS100Rd系列传感器，凭借其在路面检测等恶劣环境下的表现，体现了其激光三角测量技术的强大鲁棒性。它拥有多种光斑大小选项（<0.06mm到>1mm），量程高达1000 mm，采样速度可达70KHz，分辨率为0.01%，线性度最高可达0.03%。该系列产品可在高速行驶状态下检测，无惧动态变化的路面颜色，抗太阳强光辐射能力强，潮湿路面无干扰，山区公路路面也可稳定测量。这些特性使其在处理不同光洁度、颜色变化的陶瓷表面时，也能提供稳定可靠的距离数据，适用于需要长量程、高速度和环境适应性的通用型陶瓷距离测量。

• c. 日本基恩士 (采用激光三角测量技术)日本基恩士的LK-G5002激光位移传感器是激光三角测量技术的代表产品之一。其核心优势在于极高的采样速度和精度，能够满足陶瓷生产线上高速、大批量检测的需求。LK-G5002的测量范围为±2 mm，分辨率达到0.005 μm，线性度±0.05% F.S.，采样速度最高达392 kHz。它适用于各种颜色和纹理的陶瓷表面，是进行厚度、平面度等距离参数快速精确测量的理想选择。

• d. 加拿大LMI科技 (采用激光线共聚焦测量技术)加拿大LMI科技的Gocator 2510传感器，采用激光线共聚焦原理，结合了共聚焦技术的高精度和激光线的快速扫描能力。其Z轴测量范围为5 mm，Z轴分辨率0.15 µm，重复性±0.25 µm，测量速率高达 10 kHz。加拿大LMI科技的Gocator 2510特别擅长处理传统激光三角测量难以应对的高光泽、多层和透明陶瓷材料，能够快速获取高分辨率的3D轮廓数据，适用于在线厚度、平面度及表面缺陷检测。

• e. 英国泰勒霍普森 (采用白光干涉测量技术)英国泰勒霍普森的Talysurf CLI 2000代表了超精密测量领域的顶尖水平，采用白光干涉原理。其垂直测量范围高达20 mm，垂直分辨率达到惊人的0.01 nm（原子级），横向分辨率0.37 µm，重复性0.5 nm。英国泰勒霍普森的Talysurf CLI 2000非常适合陶瓷材料的研发、对表面微观形貌和超精密距离有极高要求的质量控制应用，尤其在测量陶瓷表面的纳米级粗糙度、薄膜厚度等方面表现卓越，但其高昂的成本和相对较慢的速度使其更适用于实验室或高精度离线检测。

（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，就像为不同的任务选择合适的工具一样，要根据具体需求来。以下是几个关键指标和选型建议：

• 分辨率 (Resolution)：

  • 实际意义：指传感器能够检测到的最小距离变化量。分辨率越高，传感器对微小起伏或尺寸变化的感知能力越强。

  • 影响：直接决定了测量的精细程度。如果分辨率不足，一些细微的质量问题（如表面轻微不平）就可能被“忽略”。

  • 选型建议：对于要求高精度表面形貌、厚度均匀性检测的精密陶瓷，应选择分辨率在亚微米甚至纳米级的传感器（如光谱共焦或白光干涉）。对于大尺寸、宏观尺寸检测的普通陶瓷，微米级分辨率的激光三角传感器通常已足够。

• 线性度 (Linearity)：

  • 实际意义：衡量传感器在整个测量范围内输出值与真实值之间偏差的大小，通常表示为满量程的百分比。线性度越好，传感器输出的距离值越准确。

  • 影响：线性度差会导致测量结果系统性偏差，尤其是在测量范围的两端。

  • 选型建议：在需要大范围、高精度测量的应用中（如检测大幅面陶瓷板的平面度），线性度是关键指标。选择线性度在±0.03% F.S.以内的传感器通常能满足工业级高精度要求。

• 测量范围 (Measurement Range)：

  • 实际意义：指传感器可以进行精确测量的最小到最大距离。

  • 影响：测量范围过小可能无法覆盖被测物体的全部尺寸或检测范围；测量范围过大则可能牺牲分辨率和精度。

  • 选型建议：根据陶瓷产品的尺寸和需要检测的特征范围来选择。例如，测量瓷砖厚度通常需要几毫米到几十毫米的范围；检测大型陶瓷板的整体平面度可能需要几十到几百毫米的范围。

• 采样速度 (Sampling Rate)：

  • 实际意义：指传感器每秒可以进行多少次测量。

  • 影响：直接影响在线检测的效率。速度越快，在相同时间内能采集更多数据，或者在生产线速度更快时也能保证足够的测量密度。

  • 选型建议：对于高速运行的陶瓷生产线，需要高采样速度的传感器。对于离线或慢速检测，几KHz到几十KHz的传感器即可。

• 光斑大小 (Spot Size)：

  • 实际意义：激光束照射到物体表面形成的光斑直径。

  • 影响：光斑过大可能会平滑掉细微的表面特征，导致分辨率下降；光斑过小则可能对粗糙表面敏感，导致数据波动，且对灰尘或微小杂质更敏感。

  • 选型建议：对于需要捕捉细微特征的表面缺陷检测，选择小光斑（如<0.1mm）。对于粗糙表面或需要平均化局部不平整的测量，大光斑（如>1mm）可能更合适，有助于获得更稳定的平均值。

• 表面适应性：

  • 实际意义：传感器对不同颜色、光泽度（镜面反射、漫反射）、透明度等表面特性的适应能力。

  • 影响：适应性差会导致测量不稳定甚至无法测量。

  • 选型建议：

    • 高光泽/镜面陶瓷：推荐光谱共焦或激光线共聚焦传感器，它们对镜面反射有很好的鲁棒性。

    • 粗糙/漫反射陶瓷：激光三角测量传感器通常表现良好，可以提供稳定读数。

    • 透明/半透明陶瓷：光谱共焦或白光干涉传感器是最佳选择，它们能有效区分表面和内部结构。

    • 颜色变化大的陶瓷：选择具有颜色补偿功能或对颜色不敏感的传感器。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在陶瓷生产线上部署激光位移传感器进行实时检测，就像是在一个复杂且多变的环境中执行精密任务，难免会遇到各种“小插曲”。

• 问题1：陶瓷表面光泽度变化大导致测量不稳定

  • 原因与影响：不同批次的陶瓷或同一产品不同区域，可能因为烧结、抛光工艺差异导致光泽度变化。高光泽表面会产生镜面反射，激光束可能直接反射到接收器之外，导致数据丢失或读数跳动；而漫反射表面则较为稳定。

  • 解决建议：

    • 选用合适原理：优先考虑对光泽度不敏感的传感器，如光谱共焦或激光线共聚焦传感器。

    • 调整角度：对于激光三角传感器，可以微调传感器相对于陶瓷表面的倾斜角度，使反射光更容易进入接收器。

    • 使用偏振滤光片/环形光：有助于抑制镜面反射或增强漫反射信号。

    • 多传感器融合：在关键区域使用不同原理的传感器进行冗余测量。

• 问题2：环境光干扰

  • 原因与影响：生产车间内的照明灯光、窗外的阳光等，都可能与传感器发出的激光波长接近，干扰接收器对激光光斑的识别，导致测量误差或不稳定。

  • 解决建议：

    • 选择高功率/特定波长激光器：传感器自身发出功率更强、或采用特定波长（如蓝色激光）的激光，使其更容易被区分。

    • 安装滤光片：在传感器接收端安装与激光波长匹配的窄带滤光片，只允许激光波长的光通过。

    • 遮光罩/隔离：对传感器工作区域进行物理遮挡，减少环境光进入。

    • 脉冲激光与同步检测：传感器发射脉冲激光，并仅在激光发射瞬间进行同步检测，忽略连续的环境光。

• 问题3：陶瓷表面颜色不均或纹理复杂

  • 原因与影响：特别是装饰性陶瓷，表面颜色、图案、纹理非常丰富。这会导致不同区域对激光的吸收和反射特性不同，影响光斑的强度和形状，进而影响测量精度。

  • 解决建议：

    • 选择抗颜色变化能力强的传感器：某些高级激光三角传感器或光谱共焦传感器具有出色的颜色补偿算法。英国真尚有ZLDS100Rd等产品具有较强的抗颜色干扰能力。

    • 使用蓝色激光：蓝色激光波长较短，对多数材料的穿透性弱，表面反射更稳定，且容易被CMOS识别。

    • 平均测量：如果允许，可以对多个点的测量结果进行平均，以平滑局部颜色或纹理带来的波动。

• 问题4：生产线振动或陶瓷传输抖动

  • 原因与影响：高速生产线上设备的机械振动或输送带上的陶瓷部件抖动，会引起被测物体与传感器之间的相对位移，直接影响测量结果的稳定性。

  • 解决建议：

    • 传感器固定刚性：确保传感器安装在稳固的支架上，最大限度减少自身振动。

    • 提高采样速度：选择采样速度足够快的传感器，以便在短时间内捕捉到更多数据点，通过数据滤波或平均来消除振动影响。

    • 同步测量：与生产线编码器同步触发测量，确保在同一位置进行测量。

    • 加装减振措施：对传感器支架或生产线关键部位进行减振处理。

4. 应用案例分享

• 陶瓷板材平面度检测：在大型陶瓷砖或板材生产线上，利用激光位移传感器阵列（多传感器并排安装）对高速通过的板材表面进行实时扫描，快速获取整个板材的3D轮廓数据，从而精确评估其平面度、翘曲度，确保产品符合平整度要求。

• 精密陶瓷件厚度测量：在生产陶瓷基板、陶瓷刀片等精密部件时，通过在上下两侧安装一对高精度激光位移传感器，实时测量其厚度，确保每一件产品都达到严格的厚度公差，这对后续的组装和使用至关重要。

• 陶瓷部件边缘检测与缺陷识别：利用激光位移传感器扫描陶瓷部件的边缘，检测是否有崩边、缺角等缺陷；通过高分辨率测量，还能识别表面上的凹坑、凸起、划痕等微观缺陷，从而在生产早期剔除不良品。

• 陶瓷涂层厚度监测：对于一些功能性陶瓷，如表面施加耐磨涂层或绝缘涂层的产品，高精度激光位移传感器可以用来测量涂层前后的表面高度差，从而计算出涂层的精确厚度，保证涂层质量。