如何在1000℃以上高温结构化表面，实现微米级精度实时在线测量与尺寸控制？【工业传感器选型，非接触检测】

1. 高温结构化表面测量面临的挑战

想象一下，在一个高速运转的钢板生产线上，火红的钢板（这就是我们说的“高温结构化表面”）正在被轧制。为了确保最终产品的厚度、平整度符合要求，我们需要在它高温状态下实时测量它的距离或形貌。这个“高温结构化表面”有几个特点，给测量带来了不小的挑战：

首先是高温。当物体温度高达几百甚至上千摄氏度时，它会发出强烈的光和热辐射，就像一个巨大的探照灯。这束光和热辐射会干扰传感器的光学探测器，让它“看不清”目标，甚至可能损坏传感器内部的精密元件。同时，高温还会导致被测物体本身发生热膨胀，影响测量精度。

其次是结构化表面。这通常意味着表面可能不平整、有纹理、有氧化层、甚至有轻微的晃动或变形。传统的测量方法，比如接触式测量，显然行不通，因为它会损坏高温物体并影响生产效率。非接触式测量是唯一的选择，但它需要传感器能准确捕捉到复杂表表面反射回来的光线，不能因为表面不均匀而产生大的误差。

最后，既然是在线测量和过程控制，就要求传感器具备快速响应和高稳定性。测量结果需要秒级甚至毫秒级地反馈给控制系统，以便及时调整生产参数。而且，传感器必须能在恶劣的工业环境下长期稳定工作，不受灰尘、蒸汽、震动等因素的影响。至于在线温度检测，这通常需要一个独立的红外测温装置来完成，与距离传感器配合使用，以提供全面的过程监控信息。

2. 高温结构化表面监测参数与评估方法

在高温结构化表面距离测量中，我们需要关注一系列参数来评估测量系统的性能和被测物的状态，这些参数的定义和评价方法通常是行业内共识：

• 测量距离（Range）：指的是传感器能够有效测量物体的最小距离到最大距离之间的范围。评价时，会考察传感器在整个测量范围内的准确性和线性度。

• 测量精度（Accuracy）：表示测量结果与真实值之间的接近程度。它是一个综合性指标，通常以最大误差或误差百分比来表示。例如，如果一个传感器精度是0.1%，意味着在整个测量范围内，最大误差不会超过测量范围的0.1%。在高温环境下，还需要考虑温度对精度的影响。

• 重复精度（Repeatability/Resolution）：指在相同条件下，多次测量同一位置时，测量结果之间的一致性。这个指标反映了传感器的稳定性。例如，一个重复精度为1微米的传感器，意味着多次测量同一位置，结果的波动通常在1微米以内。对于动态测量，重复精度尤其重要。

• 响应时间（Response Time）：传感器从接收到信号到输出测量结果所需的时间。对于高速生产线上的在线监测，响应时间必须足够快，才能及时捕捉物体状态的变化。

• 点光斑尺寸（Spot Size）：激光束照射到物体表面的光斑大小。光斑越小，通常意味着越高的空间分辨率，能够更精细地捕捉物体表面的细节，尤其对于结构化表面测量非常关键。

• 可测高温物体能力（High Temperature Object Capability）：传感器在不受被测物高温辐射干扰的情况下，能够测量到的最高物体温度。这通常需要传感器具备专门的抗高温设计或算法补偿。

• 环境适应性（Environmental Robustness）：传感器在恶劣工业环境（如灰尘、水汽、震动、环境温度变化）下保持稳定工作的能力。这通过防护等级（如IP66）、工作温度范围和附加的冷却/净化系统来评估。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在高温结构化表面进行精密距离测量，主要依靠非接触式的光学技术。这些技术各有特点，就像不同的“眼睛”，能以不同方式“看清”物体。

3.1.1 激光三角测量法

这种技术就像我们用尺子测量物体一样，但它是非接触的，利用的是几何学中的三角原理。

工作原理和物理基础：想象一下，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点。这束激光打到物体表面后会形成一个光斑，然后从光斑处反射回来。传感器内部的另一个部件——一个高灵敏度的位置敏感探测器（PSD，可以看作是一个特殊的相机）——会“捕捉”到这个反射光斑。

当被测物体移动时，反射光斑在PSD上的位置也会相应地移动。由于激光发射器、反射光斑和PSD形成了一个固定的三角形，我们可以通过测量PSD上光斑位置的变化，结合传感器内部光学元件的几何参数，利用简单的三角函数关系计算出被测物体与传感器之间的距离。

其基本几何关系可以简化为：d = L * sin(α) / sin(β)其中，d是被测物到传感器的距离，L是激光发射器到探测器的基线距离，α是激光发射角度，β是反射光斑被探测器接收的角度。通过精确测量β的变化，就可以推算出d。更通用的公式可能是：d = (f * B) / (x - x0)其中 f 是接收镜头焦距，B 是基线距离，x 是探测器上光斑位置，x0 是预设基准位置。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常从几毫米到数十米不等，适用于中长距离测量。* 测量精度： 一般可达到满量程的0.05%到0.5%左右，例如在几十毫米的范围内，精度可达几微米到几十微米。* 重复精度： 通常在亚微米到几十微米级别。* 响应时间： 普遍较快，可达毫秒级别，适合高速动态测量。* 点光斑尺寸： 通常在几十微米到几百微米，根据测量距离和镜头设计有所不同。

技术方案的优缺点：* 优点： 结构相对简单，成本适中，测量速度快，测量范围广。对于大多数非镜面、漫反射物体表面都能提供稳定的测量。特别适合需要高速在线测量和过程控制的场景，例如轧钢、板材厚度测量、位置控制等。* 缺点： 测量精度受物体表面颜色、粗糙度、倾斜角度以及环境光影响较大。对于镜面或透明物体，测量效果不佳。在高亮或高温辐射环境下，需要通过滤波或高功率激光来抑制干扰。存在一定的阴影效应，即当物体表面有陡峭的台阶时，某些区域可能无法被探测到。* 成本考量： 相对其他高精度光学测量技术，激光三角测量法具有较好的成本效益，是工业自动化领域应用最广泛的非接触式距离测量技术之一。

3.1.2 色散共焦测量法

这是一种利用光的波长特性来测量距离的技术，就像把不同颜色的光聚焦在不同的距离上。

工作原理和物理基础：色散共焦传感器会发射一束宽带白光（包含多种颜色的光，就像彩虹一样）。这束光通过一个特殊的色散光学透镜系统，这个透镜系统有个神奇之处：它能让不同波长的光（也就是不同颜色的光）在空间中聚焦到不同的点上。比如，蓝光可能在1mm处聚焦，绿光在2mm处聚焦，红光在3mm处聚焦。

当这束光照射到物体表面并反射回来时，只有那些刚好聚焦在物体表面的特定波长的光，才能通过一个非常小的“共焦针孔”，然后被传感器内部的探测器接收到。通过精确分析探测器接收到的反射光的波长，我们就能知道哪个波长的光被聚焦到了物体表面，从而高精度地确定物体与传感器之间的距离。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常从几十微米到几十毫米，属于短距离高精度测量。* 轴向分辨率： 极高，可达纳米级别（例如3 nm）。* 重复精度： 极高，通常在纳米级别（例如2 nm）。* 采样频率： 通常在几赫兹到几千赫兹。* 点光斑尺寸： 非常小，可达微米级别（例如1.5 µm），能捕捉微观细节。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度和分辨率极高，对各种复杂表面（包括粗糙、透明、镜面、斜面等）都表现出色，几乎没有阴影效应。对物体材料和颜色变化不敏感，尤其适合测量高反光或透明材料的厚度、形貌。* 缺点： 测量范围相对较小，设备成本较高。对环境震动、温度变化相对敏感，需要较好的工作环境。* 成本考量： 由于其复杂的光学设计和极高的测量性能，色散共焦传感器的成本通常较高，主要应用于对精度要求极致的精密制造、半导体、光学元件检测等领域。

3.1.3 白光干涉测量法

这种技术利用了光的波动性，通过分析光的干涉现象来测量微小的距离变化，就像在光波上“数波纹”。

工作原理和物理基础：白光干涉测量系统会发射一束宽带白光。这束光会被分成两部分：一部分照射到被测物体表面，另一部分照射到传感器内部的一个参考镜上。当这两束光（一束来自物体表面，一束来自参考镜）反射回来并重新汇合时，如果它们的光程差（即光走过的距离差异）在一定范围内，就会产生干涉条纹，就像水面上的波纹相互叠加一样。

通过精确地沿Z轴（垂直于表面方向）扫描参考镜或传感器，并记录在哪个位置干涉条纹的对比度最强，就可以精确地计算出被测物体表面与参考镜之间的距离差。这种方法能够以极高的精度重构出物体的三维形貌。

核心性能参数的典型范围：* 垂直分辨率： 极高，可达亚纳米级别（例如0.01 nm）。* 垂直测量范围： 从纳米到毫米级别。* 横向分辨率： 取决于物镜放大倍数，可达亚微米级别（例如0.37 µm）。* 重复性： 纳米级。

技术方案的优缺点：* 优点： 提供业界最高的测量精度和分辨率，尤其适合测量表面粗糙度、波纹度、台阶高度和薄膜厚度等微观形貌。非接触式，无损测量。* 缺点： 测量速度相对较慢，测量范围有限，设备成本极高。对环境振动、温度变化非常敏感，通常需要在实验室或非常稳定的生产环境中使用。对大尺度、动态测量不适用。* 成本考量： 白光干涉仪是光学精密测量领域的高端设备，成本非常高昂，主要用于科研、计量以及对表面质量有极致要求的行业。

3.1.4 结构光/条纹投影法

这是一种“主动照明”的测量方式，就像用一个特殊的投影仪，把图案投到物体上，然后通过图案的变形来“看”清物体的形状。

工作原理和物理基础：结构光系统会向被测物体表面投射一系列已知的特殊光图案，比如条纹光、点阵或编码图案。当这些图案投射到具有三维形状的物体表面时，会因为物体表面的起伏而发生变形。传感器内置的高分辨率相机则会从不同的角度捕获这些变形后的图案图像。

通过分析这些变形的图案，结合三角测量原理（类似于激光三角测量，但这里是整个图案的变形），系统可以快速计算出物体表面上每一个点的三维坐标，从而重建出物体表面的高密度三维点云数据。基于这些点云数据，就可以实现精确的距离、高度和形貌测量。

核心性能参数的典型范围：* Z轴重复精度： 例如5 µm (在特定测量范围内)。* X/Y分辨率： 毫米到微米级别，例如1.5 µm/像素。* 测量视野： 从几十毫米到几百毫米见方，可一次性测量较大区域。* 帧速率： 最高可达几千赫兹（扫描速率）。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够快速获取整个物体表面的三维形貌数据，特别适合复杂结构件的检测。对物体颜色和对比度变化不敏感，鲁棒性高。相对于单点激光位移传感器，能提供更全面的表面信息。* 缺点： 对物体表面反光特性要求较高，过于镜面的表面可能导致光斑反射不均匀。测量精度通常低于色散共焦或白光干涉法。对环境光线也有一定要求，需要抑制外部干扰。* 成本考量： 结构光系统集成度高，通常包含投影仪、相机和复杂的图像处理算法，成本相对较高，但对于需要全面三维检测的自动化产线来说，其效率和功能性带来的价值是显著的。

3.2 市场主流品牌/产品对比

结合高温结构化表面距离测量、在线温度检测和测量稳定性这些要求，我们来看看市场上几家主流品牌的产品特点。由于目前主流的在线温度检测通常需要独立的红外测温仪来完成，这里主要对比距离测量技术。

• 日本基恩士(采用激光三角测量法) 日本基恩士在工业自动化领域享有盛誉，其CL-3000系列激光位移传感器是激光三角测量法的代表。它们以高速和稳定性著称。例如，CL-H015型号在±3mm的测量范围内，精度可达±0.05% F.S.，重复精度更是高达0.012 µm，采样频率最高可达64 kHz。日本基恩士的传感器通常采用双向远心光学系统，这能有效抑制物体倾斜或表面粗糙度引起的环境光和漫反射影响，使测量更加稳定。这使得它们非常适合集成到自动化生产线进行在线批量检测，尤其是在对速度和稳定性有较高要求的场景。

• 英国真尚有(采用光学三角测量原理) 英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器同样采用了光学三角测量原理，其设计旨在提供高性能和多功能性。它最大的特点之一就是可测量高温物体，最高可达1300°C，这对于高温结构化表面的测量尤为关键。它拥有最大10m的测量范围，精度最高可优于0.08%，响应时间仅为5毫秒，这在需要快速反馈的在线过程控制中非常重要。ZLDS116还提供多样化的激光功率选项（2mW、5mW和10mW），可以根据被测物的温度和表面特性进行调整，以优化测量效果。此外，IP66级的防护等级和空气净化系统，使其能够在恶劣的工业环境（如高温、多尘）中稳定运行。若配合水冷系统，其自身工作温度可达 120°C，进一步保障了传感器在高温环境下的可靠性。

• 法国赛斯德(采用色散共焦测量法) 法国赛斯德是色散共焦技术的领导者之一，其CHRocodile 2 IT系列传感器展现了极高的轴向分辨率和重复精度。例如，探头型号CL1 HR-100的轴向分辨率可低至3 nm，重复精度低至2 nm。这种技术能够有效处理粗糙、透明、镜面、斜面等各种复杂表面，且没有阴影效应，这意味着即使物体表面有非常细微的凹凸或透明层，传感器也能“看”得清清楚楚。其点光斑尺寸可以低至1.5 µm，能够捕捉到非常精细的表面细节。法国赛斯德的产品非常适合在各种工业环境进行在线检测，尤其适用于对微观形貌和超高精度有严格要求的场合，如玻璃、晶圆、薄膜等。

• 美国康耐视(采用结构光/条纹投影法) 美国康耐视是机器视觉领域的全球领导者，其In-Sight 3D-L4000 3D视觉系统采用结构光/条纹投影法，能够快速获取整个表面的三维形貌数据。它的Z轴重复精度可达5 µm，X/Y分辨率例如1.5 µm/像素，测量视野广阔，例如可达200 mm x 200 mm。该系统对颜色和对比度变化不敏感，鲁棒性高，可以一次性扫描大面积的复杂结构件，并进行快速的重建和分析。因此，它特别适用于电子元器件、汽车部件等需要全面三维检测、并集成到生产线进行高速在线批量检测的场景。

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

在为高温结构化表面距离测量选择合适的传感器时，以下几个关键指标是您必须重点考量的：

1. 可测高温物体能力：这是高温测量场景的首要考量。

   • 实际意义和影响：传感器能够承受并准确测量到的被测物最高温度。如果传感器无法承受高温辐射，它的探测器会饱和甚至损坏，测量结果就会失真或完全失效。高温还会导致光路中的空气扰动，进一步影响测量稳定性。

   • 选型建议：对于高温结构化表面，必须选择明确标注具备高可测高温物体能力的传感器，例如英国真尚有的ZLDS116可以测量高达1300°C的物体。同时，要考虑传感器自身的耐温性能（如工作温度范围，是否支持水冷或空气净化系统）以确保其在高热环境下的长期稳定性。

2. 测量精度与重复精度：这决定了测量结果的可靠性。

   • 实际意义和影响：精度是测得值与真实值之间的差距，影响测量的“准不准”；重复精度是多次测量结果的一致性，影响测量的“稳不稳”。在过程控制中，如果精度不够，产品可能不合格；如果重复精度差，系统就无法做出稳定的调整。

   • 选型建议：根据生产工艺对尺寸公差的要求来选择。如果您的产品公差要求在几十微米，那么传感器的精度和重复精度至少应该达到几微米甚至亚微米级别，最好留有余量。对于高精度场合，色散共焦或某些高性能激光三角传感器可能更适合。一般来说，激光位移传感器的测量精度可以达到±0.02mm~±0.1mm，优质的系统可以达到±0.015mm。

3. 响应时间：影响过程控制的实时性。

   • 实际意义和影响：传感器从接收信号到输出结果的时间。在高速运行的生产线上，如果响应时间太长，物体已经移动到下一个位置，传感器才给出当前位置的测量结果，这会导致控制滞后，无法进行有效的实时调整。

   • 选型建议：对于动态测量和高速过程控制，响应时间通常要求在毫秒级甚至亚毫秒级。激光三角传感器通常具备较快的响应速度，可以满足大多数高速应用。例如，英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器响应时间仅为5毫秒，适合动态测量。

4. 点光斑尺寸（或空间分辨率）：影响对结构化表面细节的捕捉能力。

   • 实际意义和影响：光斑尺寸决定了传感器能识别的最小细节。如果光斑太大，它可能会“平均”掉表面上的小凹凸、划痕或纹理，导致无法准确反映结构化表面的真实形貌。对于粗糙或有复杂纹理的表面，大光斑可能导致测量误差。

   • 选型建议：对于表面结构复杂或需要捕捉微观细节的场景，应选择点光斑尺寸小的传感器（如色散共焦）。对于表面相对平整但尺度较大的物体，适当的光斑尺寸即可。

5. 测量范围：决定了传感器能够适应的测量距离。

   • 实际意义和影响：测量范围过小可能导致传感器无法覆盖整个被测对象的运动范围；范围过大，在同等精度指标下，可能意味着绝对精度有所下降。

   • 选型建议：根据现场安装距离和被测物体的运动范围来确定。例如，如果需要在离物体几米远的地方测量，激光三角传感器的大测量范围优势就非常明显。英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器，其最大测量距离可达10m，可以满足大部分的应用需求。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高温结构化表面的实际测量中，即便是最先进的传感器也可能遇到一些棘手的问题，但大部分都有成熟的解决方案。

1. 问题：高温辐射干扰

   • 原因和影响：高温物体会发出强烈的红外辐射，这束光会直接照射到传感器的探测器上，使其“过曝”，就像相机在强光下拍出的照片一片白。这会导致传感器无法识别激光光斑，从而失去测量能力，甚至可能长期损坏探测器。

   • 解决建议：

     • 选择抗高温能力强的传感器：选用专门设计用于高温环境的传感器，例如英国真尚有的ZLDS116，它通过优化光学滤光片、使用更高功率激光源和改进的探测器设计来抑制高温辐射。

     • 加装冷却系统：为传感器配备水冷或空气冷却系统，保持传感器自身处于适宜的工作温度，防止内部元件过热。

     • 增加激光功率：在允许的范围内适当增加激光功率，使激光光斑的亮度远高于环境辐射亮度，从而提高信噪比。

     • 采用短波长激光：某些激光位移传感器采用较短波长的激光（如蓝色激光），因为高温辐射在短波长区域能量相对较低，受到的干扰会小一些。

2. 问题：被测表面特性变化（如氧化、粗糙度变化、颜色不均）

   • 原因和影响：高温下金属表面容易氧化，形成一层粗糙、不均匀的氧化皮。这会改变表面的漫反射特性，导致反射光斑的强度和形状不规则，影响测量稳定性。

   • 解决建议：

     • 选择对表面不敏感的技术：对于极端变化的表面，色散共焦或结构光技术通常表现更佳，因为它们对表面颜色和反射率的依赖性较低。

     • 动态调整参数：对于激光三角传感器，部分高端型号具备自动增益控制（AGC）功能或可调激光功率，可以根据反射信号的强度自动调整接收电路的灵敏度或激光功率，以适应表面变化。

     • 优化安装角度：尝试调整传感器的安装角度，避免镜面反射和过强的散射，找到最佳的测量窗口。

3. 问题：环境因素干扰（蒸汽、灰尘、震动）

   • 原因和影响：在冶金、玻璃等高温生产环境中，常伴有大量蒸汽、粉尘或金属颗粒。这些颗粒会遮挡激光路径，减弱光信号；震动则会导致传感器与被测物之间的相对位置频繁晃动，影响测量稳定性和重复性。

   • 解决建议：

     • 高防护等级传感器：选择IP65/IP66甚至更高防护等级的传感器，确保内部元件不受灰尘和水汽侵蚀。

     • 空气吹扫/净化系统：在传感器镜头前加装空气吹扫系统，用洁净压缩空气形成气帘，阻挡灰尘和蒸汽附着在镜头表面，保持光路清洁。

     • 稳固安装：将传感器安装在坚固的支架上，并采取减震措施，尽量减少外部震动的影响。英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器采用IP66级铸铝外壳，配备空气净化系统，使其可以在恶劣的环境中使用。

4. 问题：温度检测与距离测量难以兼顾

   • 原因和影响：激光位移传感器主要测量距离，不具备直接测量物体温度的功能。而红外测距仪虽然能测温，但其距离测量精度通常远低于激光位移传感器，且受物体表面发射率影响大，难以满足结构化表面的精密距离需求。

   • 解决建议：

     • 组合测量方案：最可靠的方法是采用“距离传感器+红外测温仪”的组合方案。选择一台高性能的激光位移传感器进行距离或形貌测量，同时在其旁边安装一台高精度的红外测温仪，两者独立工作但数据可集成到同一个控制系统。这样既保证了距离测量的精度和稳定性，又能实时监控被测物的表面温度。

     • 选择具有温度补偿功能的距离传感器：部分高端距离传感器可能内置温度传感器，用于补偿自身温度变化对测量精度的影响，但这并非是对被测物温度的直接测量。

4. 应用案例分享

• 钢铁行业热轧板厚度控制：在钢铁热轧生产线上，通过在轧制过程中实时测量高温钢板的厚度和宽度，激光位移传感器能够提供毫秒级的精确数据，帮助控制系统及时调整轧辊间隙，确保产品厚度均匀，提高产品质量和生产效率。

• 玻璃制造熔炉液位检测：在玻璃熔炉中，高温熔融玻璃液的液位稳定是生产质量的关键。激光位移传感器可以非接触式地测量玻璃液面的高度，避免接触式探头被高温熔体腐蚀，实现精确的液位控制，保证玻璃制品的均匀性和生产连续性。

• 高温锻件尺寸监测：在金属锻造过程中，对刚出炉的高温锻件进行尺寸测量，激光位移传感器可以快速获取其关键尺寸数据，用于判断锻造是否符合要求，减少废品率，并为后续加工提供准确的参考数据。

• 航空航天材料热处理形变监测：在航空航天材料的高温热处理过程中，对材料在高温下的微小形变进行实时监测至关重要。高精度的激光位移传感器能够捕捉到纳米级或微米级的形变，为材料的性能研究和工艺优化提供关键数据。

在选择高温结构化表面的实时监测/检测技术时，务必综合考虑应用场景、测量需求和预算限制。没有一种技术方案是万能的，只有最适合您的才是最好的。