如何为陶瓷生产线选择最佳非接触传感器，实现亚微米级尺寸与缺陷的在线检测？【工业质量控制】

1. 陶瓷的基本结构与技术要求

陶瓷产品，从日常用品到高科技工业部件，其形态和性能各异。但从测量角度看，它们通常共享一些基本特征和质量要求。

想象一下，我们正在生产一块精美的瓷砖，或者一个用于电子设备的小型精密陶瓷部件。* 材料特性：陶瓷在烧结前通常是粉末压制或泥浆成型，质地较软，易变形。烧结后变得坚硬、耐磨，但也脆性大，易开裂或崩边。表面可能从光滑的釉面到粗糙的素烧面，颜色也千变万化，这些都会影响光的反射特性。* 生产过程：陶瓷生产会经历成型、干燥、烧结等多个环节。在这些过程中，材料会发生收缩，可能产生翘曲、变形，甚至出现裂纹、气孔等缺陷。* 几何尺寸要求：无论多大的陶瓷件，都对尺寸精度有严格要求。比如，瓷砖的长度、宽度、厚度必须均匀，才能保证铺设平整；精密陶瓷部件的直径、孔距、圆度、平面度则直接影响其组装和功能。就像制作乐高积木一样，如果每块积木的尺寸稍有偏差，最终搭建出的模型就会歪斜甚至无法拼合。* 表面质量要求：表面粗糙度、平整度、光洁度、有无裂纹、气泡、杂质、色差等，都是陶瓷产品外观和功能的重要衡量指标。对于电子陶瓷等功能性陶瓷，表面缺陷可能导致电气性能失效。

高精度的非接触测量，特别是在线实时测量，是保障这些复杂要求在生产过程中得以满足的关键。

2. 针对陶瓷的相关技术标准简介

在陶瓷生产中，为了确保产品质量，我们需要对各种参数进行监测和评价。这些参数的定义和评价方法通常有行业标准可循，它们就像一本详细的“质检手册”。

• 尺寸精度测量：这包括陶瓷产品的长度、宽度、厚度、直径等基本尺寸。评价方法是测量实际尺寸与设计图纸上规定尺寸的偏差，通常用“公差”来表示允许的偏差范围。比如，一块500x500mm的瓷砖，可能允许±0.5mm的长度偏差。

• 平面度与翘曲度测量：主要针对板材或片状陶瓷，衡量其表面的平整程度。想象一块平放在桌面上的瓷砖，如果它边缘翘起或中间凹陷，就是有翘曲。评价方法是测量表面最高点和最低点之间的距离，或通过三维扫描获取整个表面的高度数据，计算其最大起伏量。

• 直线度与平行度测量：主要用于棒状、管状或有特定边缘线的陶瓷产品。直线度是衡量物体边缘或轴线是否笔直，平行度则评估两个表面或边缘是否相互平行。评价方法是沿着被测对象的长度方向进行多点测量，分析这些点偏离理想直线或平面的最大距离。

• 表面粗糙度测量：衡量陶瓷表面微观不平整的程度。它影响产品的外观光泽、手感，以及作为功能部件时的摩擦、密封等性能。评价方法通常是取样长度内轮廓偏离中线的平均绝对偏差（Ra）或最大轮廓高度（Rz）等。

• 几何形状缺陷检测：包括对裂纹、气孔、崩边、缺角、凹坑等结构性缺陷的识别。评价方法通常通过图像分析或三维轮廓扫描，检测尺寸、深度或面积超出规定阈值的异常区域。

• 厚度均匀性测量：对于板材、薄膜陶瓷等，除了总厚度，更重要的是不同区域的厚度是否一致。评价方法是在产品不同位置测量厚度，计算其最大厚度差或标准偏差。

3. 实时监测/检测技术方法

陶瓷生产中，对产品进行实时、高精度、非接触式测量是保障质量的关键。市面上涌现了多种先进的传感器技术，它们各自有独特的“看家本领”。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 激光三角测量技术

激光三角测量是一种应用最广泛的非接触式位移测量技术。

工作原理和物理基础：传感器内部会发射一束高度集中的激光束，投射到被测陶瓷的表面上，形成一个明亮的光点。当陶瓷表面的距离发生变化时，这个光点在空间中的位置也会相应移动。传感器内部的接收器（通常是一个CCD或CMOS线阵相机，也就是我们常说的位置敏感探测器）会从一个与发射激光器有一定夹角的角度来“观察”这个光点。

假设激光发射器与接收器之间有一个固定的基线距离 B，激光束以角度 theta 射向被测物表面，反射光以角度 phi 返回接收器。当被测物体的距离发生微小变化 delta_Z 时，反射光点在接收器上的位置也会移动 delta_X。通过几何学的三角关系，传感器可以精确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：Z = f * B / (X * tan(alpha) + f)其中：* Z 是传感器到被测物体的垂直距离。* f 是接收光学系统的焦距。* B 是发射器与接收器之间的基线距离。* X 是光点在接收器上的位移量。* alpha 是激光发射角度。

通过精确测量光点在探测器上的位置变化 X，并结合已知的几何参数，就可以高精度地计算出传感器与陶瓷表面之间的距离 Z。这种方法是非接触式的，因为激光点和传感器之间没有任何物理接触，因此不会损伤陶瓷表面，也避免了传统接触式测量可能带来的磨损和污染。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：从几毫米到数十米，具体取决于设计。* 精度：激光测量精度一般为±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达±0.015mm。* 响应时间：通常在毫秒级，适合高速在线检测。* 光点尺寸：最小可达几十微米，能够捕捉较小的细节。

技术方案的优缺点：* 优点： * 速度快：激光扫描频率高，可实现高速在线实时测量。 * 非接触：避免了对陶瓷表面的损伤和污染。 * 应用广泛：适用于多种材料表面，包括一些有颜色的陶瓷。 * 成本相对适中：相较于一些更精密的光学测量技术，激光三角测量具有较好的性价比。* 缺点： * 受表面特性影响：陶瓷表面的颜色、光泽度、粗糙度变化会影响激光反射强度和方向，可能导致测量误差或不稳定。例如，黑色吸光表面反射弱，高光泽表面易产生镜面反射。 * 倾斜角限制：当被测表面与激光束夹角过大时，反射光可能无法被接收器有效接收。 * 散斑噪声：激光的相干性可能导致散斑效应，影响测量精度，需要通过特定算法进行抑制。

b. 共聚焦色散技术

想象一下，你用放大镜观察一个物体，只有当物体刚好在焦点上时，你才能看清它。共聚焦色散技术就是利用这个原理，但它更巧妙，它能让不同颜色的光聚焦在不同的深度上。

工作原理和物理基础：传感器发射一束宽带白光（包含各种颜色的光），通过特殊的光学元件，让这些不同波长的光（不同颜色）聚焦在不同的距离上。当光线从陶瓷表面反射回来时，只有那些被精确聚焦到陶瓷表面的特定波长的光，才能通过一个极小的针孔（共聚焦孔径）被接收器（光谱仪）检测到。

这个针孔只允许来自焦点区域的光线通过，从而实现对焦点的精确选取。因为每个波长都对应着一个特定的焦点距离，所以通过分析被检测到的波长，传感器就能精确地确定陶瓷表面与传感器之间的距离。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常较短，几毫米到几十毫米。* 线性度：可达亚微米级（例如±0.3微米）。* 分辨率：可达纳米甚至亚纳米级（例如0.04微米）。* 采样频率：通常在几千赫兹到几十千赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度：能够实现纳米级别的分辨率，尤其适合微观尺寸测量。 * 适应性强：对高反射、透明、半透明或粗糙的陶瓷表面都表现出色，且受表面倾斜度影响较小。 * 无背散射：由于共聚焦原理，能有效抑制杂散光，提高信噪比。* 缺点： * 测量范围短：通常不适合大范围测量。 * 测量速度相对较低：相较于激光三角测量，其采样频率通常较低。 * 成本较高：技术复杂性导致设备价格较高。

c. 结构光三维扫描技术

设想你在夜间用手电筒照亮物体，手电筒的光束可以让你看清物体轮廓。结构光技术更进一步，它投射出的是有特定图案的光（比如激光线或网格），然后用相机“看”这些图案在物体表面是如何变形的，从而重建物体的三维形状。

工作原理和物理基础：传感器内部的投影器向陶瓷表面投射一个已知的激光图案（例如一条激光线、多个点或一个编码的网格）。同时，一个或多个高分辨率相机从不同的角度同步捕获这些图案在物体表面形成的变形图像。

当投射的光线遇到物体表面的凹凸不平时，其图案会发生可预测的变形。通过内置的处理算法，利用三角测量原理（类似于激光三角测量，但这里是基于整个图案而不是单个光点），结合已知的投影模式和相机的位置，实时计算出表面上每个点的三维坐标。最终，这些点的集合就构成了陶瓷表面的完整三维轮廓数据，即“点云”。

核心性能参数典型范围：* Z轴测量范围（深度）：几毫米到几十毫米。* Z轴重复精度：可达亚微米级（例如0.2微米）。* 测量速度：高达数千赫兹（全帧模式）。* X轴分辨率（横向）：几微米到几十微米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 获取完整三维数据：能够生成陶瓷部件的完整3D点云，不仅能测量尺寸，还能检测复杂的形状和表面缺陷。 * 高精度与高速度结合：在获取三维数据的同时，也能保持较高的测量精度和扫描速度。 * 功能集成度高：通常集传感器、控制器和软件于一体，易于部署和使用。* 缺点： * 受环境光影响：环境光线可能干扰投射图案的识别，需要采取遮光措施。 * 对表面反射敏感：高反射或吸光表面可能影响图像采集质量。 * 数据处理量大：生成的三维点云数据量巨大，对计算能力要求高。

d. 白光干涉技术

白光干涉技术就像拿着一把极度精确的“尺子”去测量表面，但这把尺子是用光的波长来定义的。它能测量出表面上微小的高度变化，甚至精确到纳米级别。

工作原理和物理基础：白光干涉仪会发射宽带白光（包含多种波长），这束光会被分束器分成两束：一束射向待测的陶瓷表面，另一束射向一个内部的参考镜。这两束光在各自反射回来后，会在探测器上重新汇合并发生干涉。

干涉现象的产生，是因为两束光在传播路径上存在光程差。当陶瓷表面与参考镜处于同一光学距离时，光程差接近零，此时会产生最清晰、最明亮的干涉条纹。通过精确扫描参考镜（通常是微米级步进电机控制），并分析不同位置的干涉条纹强度和相位，可以高精度地重建陶瓷表面的三维形貌，并测量每个点到参考面的垂直距离。

核心性能参数典型范围：* 垂直测量范围：从纳米到几十毫米（取决于物镜）。* 垂直分辨率：可达0.01纳米。* 重复性（均方根）：可达亚纳米级（例如< 0.05纳米）。* 大视野尺寸：视物镜而定，可达数毫米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高的垂直分辨率：是目前非接触测量中垂直分辨率最高的方案之一，能够捕捉到表面最微小的起伏和缺陷。 * 全面3D表面形貌分析：提供完整的表面形貌数据，适用于精密陶瓷的微观距离、高度测量及表面缺陷检测。 * 对多种表面适应性好：可应对平滑、粗糙、透明和不透明的陶瓷材料。* 缺点： * 测量速度慢：通常用于离线或实验室高精度检测，不适合高速在线生产线。 * 对环境要求高：极度敏感于振动、温度变化和空气扰动。 * 测量范围较短：通常聚焦于微观区域，不适合大尺寸部件的全尺寸测量。

（2）市场主流品牌/产品对比

• 日本基恩士 日本基恩士在激光位移传感器领域处于全球领先地位，其产品以高速、高精度和高稳定性著称。例如其LK-G系列激光位移传感器采用激光三角测量原理，能有效应对陶瓷等多种材料表面。其重复精度可达0.005微米，采样频率高达 392 kHz，光点尺寸最小可达20微米。这些特性使其在处理粗糙或颜色变化的陶瓷表面时，依然能提供可靠的在线批量检测。

• 英国真尚有 英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器同样采用光学三角测量原理，在陶瓷生产的质量控制中表现出色。它具有广泛的测量范围（最大可达10m），并能实现高达0.08%的精度。其5毫秒的快速响应时间使其适合动态测量，且根据型号不同，能够测量高达1300°C的高温物体，这在陶瓷烧结后的在线检测中尤为重要。ZLDS116还具备IP66级防护和空气净化系统，使其能够在陶瓷工厂多粉尘、多蒸汽的恶劣环境下稳定工作，保障数据的准确性和设备的长期运行。此外，该传感器提供模拟输出、数字输出和视频输出等多种输出方式，方便集成到不同的控制系统中。

• 德国米铱 德国米铱在精密测量领域实力雄厚，其optoNCDT系列共聚焦位移传感器以超高精度闻名。该传感器利用共聚焦色散原理，对各种陶瓷表面（包括透明、高反射、漫反射及粗糙表面）都有出色的适应性，且受表面倾斜度影响小。其测量范围通常较短（例如4毫米），但线性度可达±0.3微米，分辨率高达0.04微米，采样频率70 kHz。这使其非常适合对精密陶瓷进行超高精度非接触式检测。

• 加拿大LMI技术 加拿大LMI技术是三维智能传感器领域的领导者，其Gocator系列智能相机采用结构光原理，提供完整的3D点云数据。例如Gocator 2510型号，通过向陶瓷表面投射已知模式的蓝光激光线，并用双相机捕获变形图像来重建三维轮廓。它在Z轴上的重复精度可达0.2微米，测量速度高达10000 Hz（全帧模式），X轴分辨率8微米。这种高速3D扫描能力使其成为在线检测复杂几何形状陶瓷部件的理想选择，可以用于尺寸、形状、体积和缺陷检测。

• 美国卓高 美国卓高在计量领域享有盛誉，其NexView NX2 3D光学轮廓仪采用白光干涉原理，提供极高的垂直分辨率和精度。该产品能够应对各种陶瓷表面，无论是平滑、粗糙、透明还是不透明材料，都能提供全面的3D表面形貌分析。它的垂直分辨率可达0.01纳米，重复性（均方根）小于0.05纳米，测量范围从0.1纳米到20毫米（取决于物镜）。这使其非常适合精密陶瓷的微观距离、高度测量以及表面缺陷的超高精度检测。

（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挑选最匹配的工具，你需要根据自己的具体“任务”来决定。

• 测量范围（Measuring Range）：

  • 实际意义：指传感器能有效测量到的最小到最大距离。

  • 对测量效果的影响：如果测量范围过小，可能无法覆盖所有被测物体，导致漏测；如果过大，可能牺牲精度。

  • 选型建议：首先要明确被测陶瓷的尺寸大小和传感器到陶瓷表面的最小/最大工作距离。对于大尺寸陶瓷（如瓷砖、大型部件），需要选择测量范围长的传感器（如英国真尚有ZLDS116的8m测量范围）；对于微小部件或细节，则可选择范围较短但精度更高的传感器。

• 精度（Accuracy）与重复精度（Repeatability）：

  • 实际意义：

    • 精度：测量值与真实值之间的接近程度，反映了传感器的系统误差。

    • 重复精度：在相同条件下，多次测量同一位置时结果的一致性，反映了传感器的随机误差，对于在线质量控制至关重要。

  • 对测量效果的影响：精度决定了测量结果的“真”度，重复精度决定了测量的“稳”度。两者都差，则测量结果不可信，无法有效判断产品是否合格。

  • 选型建议：精密陶瓷部件对精度要求极高（微米甚至纳米级），应选择如共聚焦或白光干涉等高精度传感器；而对于普通工业陶瓷的大尺寸测量，激光三角测量通常能满足要求。在批量生产中，重复精度往往比绝对精度更重要，确保每次检测结果的一致性。

• 分辨率（Resolution）：

  • 实际意义：传感器能够识别出的最小位移量。

  • 对测量效果的影响：分辨率越高，传感器能检测到的表面细节和微小变化越精细。

  • 选型建议：如果需要检测陶瓷表面的微小缺陷（如细微裂纹、气孔）或进行纳米级表面粗糙度测量，则必须选择高分辨率的传感器（如美国卓高的白光干涉仪）。

• 响应时间（Response Time）/采样频率（Sampling Rate）：

  • 实际意义：

    • 响应时间：传感器从接收到信号到输出结果所需的时间。

    • 采样频率：传感器每秒能够获取多少个测量数据点。

  • 对测量效果的影响：这决定了传感器进行高速在线检测的能力。如果响应时间过长或采样频率过低，快速移动的陶瓷部件就可能无法被完整或准确测量，导致漏检。

  • 选型建议：对于高速运行的陶瓷生产线，需要快速响应和高采样频率的传感器（如日本基恩士的激光三角传感器或加拿大LMI技术的结构光相机）。

• 光点尺寸（Spot Size）：

  • 实际意义：激光束在被测物体表面形成的光斑大小。

  • 对测量效果的影响：光点尺寸小，意味着传感器可以捕捉更精细的局部特征，例如微小的裂纹或孔洞；光点大，则适用于测量宏观尺寸，但会平滑掉细节。

  • 选型建议：检测微观缺陷或精密边缘时，选择光点小的传感器；测量大面积平整度或厚度时，光点稍大影响不大。

• 抗环境干扰能力：

  • 实际意义：传感器在恶劣工作环境下（如高温、多尘、潮湿、振动、强环境光）保持稳定测量性能的能力。

  • 对测量效果的影响：如果传感器对环境变化敏感，测量结果就会不稳定，影响质量判断。

  • 选型建议：陶瓷工厂环境通常比较恶劣，应选择防护等级高（如IP66）、工作温度范围广（可加水冷系统）的传感器，以确保长期稳定可靠运行。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，实际应用中也可能遇到一些“小插曲”，但都有相应的解决办法。

• 问题一：陶瓷表面特性变化导致测量不稳定

  • 原因与影响：陶瓷的颜色、光泽度（釉面或素烧）、粗糙度各不相同，有些表面甚至会反光或吸收激光。这会导致反射回来的激光信号强弱不均，光斑质量下降，进而影响测量精度和稳定性。比如，测量黑色吸光陶瓷时信号弱，测量镜面釉面陶瓷时可能出现镜面反射，使光线偏离接收器。

  • 解决建议：

    1. 选择适应性强的传感器：例如共聚焦传感器对不同表面类型的适应性较好。

    2. 调整激光功率和波长：对于深色吸光表面，可适当提高激光功率；对于高反射表面，可考虑使用特定波长或偏振光，并调整传感器内部参数。

    3. 多角度测量或表面处理：在允许的情况下，可采用多个传感器从不同角度测量，或在不影响产品功能的前提下，对测量区域进行局部哑光处理，以增加漫反射。

• 问题二：恶劣生产环境对传感器的影响

  • 原因与影响：陶瓷生产线上常有粉尘、水汽、高温、振动等。灰尘和水汽可能附着在传感器镜头上，影响光路；高温可能导致传感器内部电子元件失效；振动则可能让测量结果抖动，无法稳定。

  • 解决建议：

    1. 选择高防护等级传感器：选择IP65或IP66及以上防护等级的传感器，有效防尘防水。

    2. 加装防护罩和冷却系统：在高温区域，为传感器配备水冷或风冷系统；在多尘区域，使用带空气净化或吹扫功能的防护罩，保持镜头清洁。

    3. 安装减震措施：将传感器安装在稳固的支架上，并采取减震措施，如减震垫，以隔离生产线振动。

• 问题三：测量角度与工件遮挡问题

  • 原因与影响：如果传感器安装角度不当，或者陶瓷工件形状复杂，可能导致激光无法有效照射到被测区域，或者反射光被遮挡，造成数据缺失或测量盲区。

  • 解决建议：

    1. 优化传感器安装位置和角度：在设计测量方案时，充分考虑工件的几何形状，选择最佳的安装位置和角度，确保激光能够覆盖所有关键测量点。

    2. 采用多传感器协同测量：对于复杂形状的陶瓷，可以部署多个传感器从不同角度进行同步测量，然后将数据融合，建立完整的3D模型。

    3. 利用机器人辅助测量：结合工业机器人，让传感器沿预设路径移动，实现对复杂曲面的全覆盖扫描。

• 问题四：数据处理与系统集成挑战

  • 原因与影响：在线测量会产生大量实时数据，如何高效处理这些数据、快速识别异常并与生产控制系统（如PLC/DCS）无缝集成，是许多企业面临的挑战。数据处理不及时，会导致缺陷产品来不及剔除；系统集成不好，则无法实现自动化闭环控制。

  • 解决建议：

    1. 选择具备强大处理能力和多种输出接口的传感器：如数字输出（RS485、Profibus DP）和模拟输出（0-10V、4-20mA），方便与PLC、工控机等连接。

    2. 部署边缘计算或工业PC：在生产线附近部署具有较高计算能力的设备，对传感器数据进行预处理和初步分析，减轻主控系统的负担。

    3. 开发定制化软件：根据生产线的具体需求，开发定制化的数据分析和报告软件，实现实时监控、趋势分析和报警功能。

4. 应用案例分享

• 瓷砖平整度与翘曲度检测：在烧制前后，激光位移传感器阵列或结构光三维扫描仪可以快速检测大尺寸瓷砖表面的起伏和平整度，确保每块砖都符合建筑施工的平整度要求，避免铺设后出现缝隙或不平。

• 精密陶瓷部件尺寸与形貌检测：对于如陶瓷轴承滚珠、密封环、电子基板等精密部件，激光三角测量或共聚焦传感器可实时测量其直径、厚度、跳动、同心度，以及表面微观形貌，确保关键尺寸精度达到微米甚至纳米级，从而保障最终产品的性能和可靠性。

• 陶瓷管材/棒材直径和直线度测量：在生产线上，激光位移传感器可以对连续生产的陶瓷管材或棒材进行在线外径测量，并监测其弯曲程度（直线度），及时调整生产工艺，保证产品几何形状的均匀性和一致性。

• 陶瓷板材厚度均匀性控制：在生产薄膜陶瓷或大尺寸陶瓷板材时，多个激光位移传感器可以安装在生产线上，实时监测板材在不同位置的厚度，并将数据反馈给压延或流延设备，实现厚度的闭环控制，确保产品厚度均匀，避免因厚度不均导致的性能差异或次品。例如，使用英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器，其快速响应特性能够有效实现对生产线的实时监控和调整。

• 陶瓷釉面缺陷检测：通过高分辨率的结构光三维扫描或激光三角测量，可以对陶瓷产品的釉面进行扫描，识别并定位微小的气泡、裂纹、杂质、凹坑等表面缺陷，在产品出厂前进行质量筛选。英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器，凭借其高精度和非接触式测量特点，能够在此类应用中发挥重要作用。