如何在高速生产线的薄膜、板材等材料上，选择实现微米级精度的非接触式厚度检测方案？【工业自动化、质量控制】

1. 被测材料厚度的基本结构与技术要求

在工业自动化生产中，材料的厚度是衡量产品质量和生产工艺稳定性的关键参数之一。这里的“材料”可以涵盖各种形态，比如薄膜、板材、片材、涂层甚至流体层等。它们在结构上通常表现为具有上下两个表面的实体，或者通过层叠形成特定厚度的复合结构。

对材料厚度进行高精度测量，其本质是准确获取材料上下表面与测量基准之间的距离，并计算出两者的差值。这就像我们想知道一块木板有多厚，需要先知道它上表面距离地面多高，下表面距离地面多高，然后相减。在这个过程中，不仅要求测量设备本身足够精密，还要考虑被测材料本身的特性。例如：

• 材料均一性：材料内部结构是否均匀，是否存在气泡、杂质或密度梯度，这些都可能影响某些测量方法的准确性。

• 表面特性：材料表面的颜色、光泽度、粗糙度、透明度等，直接决定了光线、射线或声波在表面上的反射、透射或散射特性。例如，镜面材料可能导致激光反射过强，而透明材料则可能让激光穿透。

• 材料刚性与稳定性：材料是否柔软易变形，或者在高速运动中是否容易产生振动，这些都对非接触式测量的稳定性提出挑战。

• 厚度范围：是测量几微米厚的薄膜，还是几十毫米厚的板材，不同的厚度范围需要不同量程和精度的传感器。

因此，选择合适的测量技术和传感器，需要在充分理解材料特性的基础上，结合生产线对精度、速度、稳定性以及环境适应性的严格要求。

2. 材料厚度测量参数的技术标准简介

在材料厚度测量领域，为了确保测量的准确性和可比性，行业内通常会关注以下几个核心监测参数及其评价方法：

• 名义厚度（Nominal Thickness）：这是设计或生产规格所规定的理想厚度值。测量系统需要不断地将其检测到的实际厚度与名义厚度进行比较，以判断产品是否合格。

• 厚度偏差（Thickness Deviation）：指实际测量厚度与名义厚度之间的差值。评价时通常会设定一个允许的公差范围，例如±0.01mm，如果偏差超出此范围，则认为产品不合格。

• 厚度均匀性（Thickness Uniformity）：这指的是材料在不同位置（例如宽度方向或长度方向）厚度的一致性。对于连续生产的片材或薄膜，厚度均匀性至关重要。评价方法通常是通过在多个采样点进行测量，然后计算最大偏差、标准差或波动范围等统计指标来评估。

• 平面度与平行度（Flatness and Parallelism）：平面度是指材料表面的平整程度，而平行度则关注材料上下表面之间的距离是否保持一致。例如，一块玻璃的上下表面应该互相平行。这些参数的评价通常需要更复杂的扫描或多点测量系统，以获取材料表面的三维形貌数据。

• 测量重复性（Measurement Repeatability）：在相同条件下，对同一位置进行多次测量，所得结果之间的一致性。这是衡量测量系统稳定性和精度的重要指标。通常用标准差或测量范围占总测量范围的百分比来表示。

这些参数的定义和评价方法旨在为工业生产提供一套统一的质量控制依据，确保生产出的产品符合设计要求和客户期望。

3. 实时监测/检测技术方法

选择合适的实时厚度测量技术是提升工业自动化生产效率和精度的关键。市面上有多种成熟的技术方案，各有其独特优势和适用场景。

（1）市面上各种相关技术方案

激光三角测量技术

想象一下，你拿着一个激光笔，对着一个平面斜着照射。如果这个平面向上或向下移动，激光点在墙上的位置也会跟着移动。激光三角测量技术就是利用这个简单的几何原理。它通过一个激光发射器向被测材料表面发射一束光，当激光束照射到表面时，会形成一个光斑。这个光斑的反射光，会被位于另一个角度的接收镜头捕捉到，并聚焦到一个图像传感器（如CCD或CMOS）上。

当被测材料的表面高度发生变化时，反射光斑在图像传感器上的位置也会随之移动。传感器上的光斑位置变化量与被测物体的位移之间存在一个明确的几何关系。通过精确测量光斑在图像传感器上的位移，并结合系统校准时建立的三角几何关系，就可以计算出被测材料与传感器之间的距离。对于材料厚度测量，通常会使用两个激光位移传感器，一个测量材料上表面到传感器的距离（D1），另一个测量材料下表面到传感器的距离（D2）。那么材料的厚度（T）就是两个距离之差：

T = D1 - D2

这种方法是非接触式测量，意味着传感器不会碰到被测材料，因此不会对其造成磨损或污染，特别适合对柔软、易损或高速运动的材料进行测量。

• 核心性能参数：

  • 重复精度：通常在微米级，例如±1μm至±10μm。

  • 测量范围：从几毫米到数百毫米不等，取决于传感器型号和设计。

  • 测量频率：最高可达几十千赫兹（kHz），满足高速生产线要求。

  • 光斑直径：最小可达几十微米。

• 技术优缺点：

  • 优点：测量速度快，能够适应高速运动的生产线；非接触式测量，避免对材料的损伤；相对成本效益好，广泛应用于各类工业场景；可提供不同的激光波长（如红光、蓝光、紫外光），以适应不同表面特性（如高温、有机材料、镜面或吸收性材料）。

  • 缺点：受被测材料表面特性影响较大，如光泽度、颜色、粗糙度、倾斜角度等可能影响测量稳定性；对于透明材料或多层透明材料，可能会出现光线穿透或多重反射，导致测量困难。

  • 成本考量：中等偏高，但相比其他超高精度光学方法通常更具经济性。

色谱共焦测量技术

色谱共焦测量就像用一把可以分析颜色的“光尺”来测量距离。它不是用单一波长的激光，而是发射一束白光（包含各种颜色的光），然后这束白光通过特殊的透镜系统后，由于不同颜色的光折射率不同（称为色散效应），它们会聚焦在不同的空间位置上，形成一系列不同颜色的焦点。

当被测材料的表面处于某个特定颜色光的焦点时，只有这个颜色的光能被材料表面强烈反射，并通过接收针孔。其他波长的光因为不在焦点上，反射后会偏离针孔，无法被接收。传感器内部的光谱仪会分析接收到的反射光的精确波长。由于每个波长都对应一个唯一的焦点位置，通过检测反射光的波长，就可以极其精确地确定被测材料表面与传感器之间的距离。

对于厚度测量，色谱共焦传感器可以精确识别透明材料的上下表面，因为不同界面的反射光会携带不同的波长信息。

• 核心性能参数：

  • 重复精度：极高，可达纳米级，例如0.003μm。

  • 测量范围：通常较小，从0.3mm到几十毫米。

  • 测量频率：高，最高可达70kHz。

  • 线性度：极佳，通常小于满量程的±0.03%。

• 技术优缺点：

  • 优点：极高的分辨率和精度，适用于超精密测量；对透明、半透明、高反射（如镜面）或粗糙表面材料的测量稳定可靠；对倾斜目标和多层材料也能进行精确测量，能够识别不同层次的界面。

  • 缺点：测量范围相对较小；设备成本通常较高；对环境光线要求较高，需要良好的遮光措施。

  • 成本考量：高。

射线透射测量技术（β射线/X射线）

射线透射测量就像医生给病人拍X光片一样，利用射线穿透物体的原理来判断其“密度”或“厚度”。它通过在材料一侧放置一个放射源（如β射线或X射线），发射出具有特定能量的射线。这些射线穿过被测材料后，会被材料吸收一部分，导致射线强度减弱。在材料的另一侧，有一个探测器接收穿透后的射线。

材料的厚度越大，或者密度越大，吸收的射线就越多，穿透后的射线强度就越弱。通过测量穿透前后的射线强度差异，并结合材料已知的衰减系数，就可以根据比尔-朗伯定律（Beer-Lambert Law）计算出材料的厚度或单位面积质量。

射线强度 I = I0 * e^(-μx) 其中： I 是穿透材料后的射线强度； I0 是入射射线强度； μ 是材料的线性衰减系数（与材料种类和射线能量有关）； x 是材料的厚度。

通过对这个公式进行变形，可以计算出厚度x。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：从微米到毫米级，取决于射线类型和材料。

  • 测量精度：±0.1%至±0.5%的典型值，高精度。

  • 响应速度：毫秒级，适合高速连续生产线。

  • 适用材料：纸张、薄膜、塑料、橡胶、无纺布、金属箔等。

• 技术优缺点：

  • 优点：在线、非接触式、高速、高精度测量薄膜和片材类材料；不受材料颜色、表面光洁度、湿度等外部因素影响；测量结果稳定可靠。

  • 缺点：存在辐射源，需要严格的安全防护措施；设备成本高昂；对材料种类有一定限制，主要用于均质薄型材料。

  • 成本考量：非常高。

超声波脉冲回波测量技术

超声波测量就像蝙蝠利用声波定位一样。它通过一个探头向被测材料表面发射高频超声波脉冲。这些声波在材料内部传播，当遇到材料的另一侧表面（或内部缺陷、不同材料的界面）时，会反射回来。探头接收到反射波后，会精确地测量超声波从发射到接收所需的时间，我们称之为“飞行时间”（Time of Flight, TOF）。

由于超声波在特定材料中的传播速度是一个已知常数（就像声音在空气中传播速度恒定一样），通过简单的物理公式就可以计算出材料的厚度。

厚度 T = (超声波在材料中的传播速度 V * 飞行时间 TOF) / 2

这里的除以2是因为超声波走了一个来回。这种方法的一个显著优势是，它通常只需要从材料的单侧进行接触测量，就能得到厚度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：0.15mm至500mm，取决于探头和材料类型。

  • 测量精度：±0.01mm或0.1% (取最大值)。

  • 分辨率：0.01mm / 0.1mm。

  • 测量频率：每秒10次以上 (高速模式)。

• 技术优缺点：

  • 优点：适用于多种材料，特别是金属、塑料、玻璃等均质材料；只需从单侧接触即可测量，尤其适合对腐蚀、磨损后的厚度进行检测；无损测量。

  • 缺点：需要耦合剂（如水、凝胶）与被测材料接触，可能不适用于所有在线生产环境；对材料内部的气泡、孔洞或不均匀性敏感，可能影响测量准确性；不能测量多层或非均质材料的单层厚度；对高温材料测量有局限。

  • 成本考量：中等。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款在材料厚度测量领域表现突出的主流品牌产品，它们各自采用了不同的技术方案，以满足多样化的工业需求。

日本基恩士

日本基恩士的LT-9000系列激光厚度测量仪，采用了先进的激光三角测量原理。其产品以高速著称，测量频率最高可达64kHz，这使得它能够稳定应对高速移动的生产线。测量范围广，适用于多种材料的厚度测量，包括一些透明或镜面材料。日本基恩士的优势在于其高度集成的解决方案，用户界面友好，易于快速部署和操作，在全球工业自动化市场享有极高声誉。

英国真尚有

英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器也采用了激光三角测量原理，以其超紧凑的尺寸（45*30.5*17mm）和卓越的性能脱颖而出。它提供了高达±0.05%的线性度和0.01%的分辨率（数字输出），测量频率可达9400Hz，在保持高精度的同时，也兼顾了高速测量的需求。ZLDS103提供10mm到500mm的多种量程，并支持红色、蓝光或UV激光选项。特别是蓝光和UV激光，非常适合测量高温物体和有机材料，扩展了其应用范围。其IP67防护等级和宽泛的工作温度范围（-10°C至+60°C）使其在恶劣工业环境中也能可靠工作。

德国米克罗恩

德国米克罗恩的confocalDT IFS2405/2406系列传感器，应用的是色谱共焦测量技术。德国米克罗恩以其纳米级的超高分辨率和精度在精密测量领域独树一帜，重复精度最高可达0.003μm，线性度小于±0.03%满量程。其测量频率最高可达70kHz。这种技术特别擅长测量透明、半透明、高反射或粗糙表面材料的厚度，以及多层材料的各层厚度。德国米克罗恩的产品代表了高精度测量的顶尖水平，广泛应用于对精度有极致要求的科研和工业领域。

美国赛默飞世尔科技

美国赛默飞世尔科技的PROLINE O-Frame / C-Frame测量系统，采用的是β射线或X射线透射原理。该系统在在线薄膜和片材厚度测量领域具有领先地位，其测量精度可达±0.1%至±0.5%，响应速度快至毫秒级。它的最大优势在于测量结果不受材料颜色、表面光洁度、湿度等外部因素影响，提供极高的测量稳定性，特别适合纸张、薄膜、塑料和金属箔等连续生产材料。作为科学仪器领域的全球巨头，美国赛默飞世尔科技的射线测量系统在过程控制和质量保证方面表现卓越。

英国埃尔默

英国埃尔默的Elcometer 204系列超声波厚度计，基于超声波脉冲回波原理。该设备测量范围广，从0.15mm到500mm，精度可达±0.01mm。其主要特点是只需从单侧接触即可进行无损测量，特别适用于检测金属、塑料、玻璃等材料的腐蚀、磨损或实际厚度。英国埃尔默在涂层检测和超声波测厚领域经验丰富，产品坚固耐用，易于使用，在石油天然气、船舶和建筑等行业应用广泛。

（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

在为高精度工业自动化生产选择材料厚度测量设备时，以下几个关键技术指标是必须仔细考量的，它们直接影响着测量结果的可靠性和系统的适用性：

• 精度与分辨率

  • 实际意义：精度（Accuracy）指测量结果与真实值接近的程度，它包含重复性、线性度等多个方面。分辨率（Resolution）指传感器能识别的最小位移量。

  • 影响：精度是测量的生命线，直接决定了产品质量控制的严格程度。分辨率则决定了设备能检测到的细微变化。如果生产线要求公差为±5微米，那么你至少需要一个精度在±1微米甚至更高的传感器。

  • 选型建议：对于高精度要求（如半导体、精密涂层），应优先选择分辨率和精度最高的传感器（如纳米级的色谱共焦传感器）。对于一般工业材料，激光三角测量传感器通常能满足微米级要求。

• 测量范围

  • 实际意义：传感器能有效测量的最大和最小距离（或厚度）范围。

  • 影响：如果传感器测量范围过小，可能无法覆盖所有被测材料厚度；过大则可能牺牲部分精度。

  • 选型建议：根据被测材料的实际厚度范围，预留一定的裕量。例如，若材料厚度在1mm-5mm之间波动，选择一个10mm量程的传感器会比50mm量程的传感器更合适，因为通常量程越小，相对精度越高。

• 测量速度/频率

  • 实际意义：传感器每秒能够完成多少次测量。

  • 影响：在高速生产线上，如果测量速度不够快，就无法实时捕捉到材料厚度的快速变化，可能导致产品缺陷漏检或控制滞后。

  • 选型建议：评估生产线速度和对实时反馈的要求。例如，对于每分钟跑几十米甚至上百米的薄膜生产线，需要几千赫兹（kHz）甚至更高测量频率的传感器才能保证连续、密集的数据采集。

• 激光类型（波长）

  • 实际意义：激光的颜色（波长）决定了它与不同材料表面的相互作用方式。

  • 影响：

    • 红光激光（660nm）：最常见，适用于多数漫反射表面。

    • 蓝光激光（405nm/450nm）：对高温金属、有机材料（如橡胶、塑料薄膜）以及部分半透明材料有更好的反射效果和测量稳定性，因为蓝光波长短，在某些材料中散射更少。

    • UV激光（紫外光）：对某些特殊有机材料和荧光材料效果极佳。

  • 选型建议：根据被测材料的颜色、透明度、光泽度以及是否存在高温等特殊条件来选择。例如，测量热轧钢板或深色橡胶时，蓝光激光通常表现更好。

• 环境适应性

  • 实际意义：传感器抵抗恶劣工业环境（如粉尘、水汽、温度变化、振动、冲击）的能力。

  • 影响：恶劣环境可能导致传感器性能下降、寿命缩短甚至损坏，影响测量的稳定性。

  • 选型建议：关注防护等级（如IP67表示防尘防水）、工作温度范围、抗振动和抗冲击能力。在多尘潮湿、有震动源的现场，选择防护等级高、坚固耐用的传感器至关重要。

• 输出接口

  • 实际意义：传感器与上位机或PLC进行数据通信的方式。

  • 影响：不同的接口决定了数据传输速率和与现有控制系统的兼容性。

  • 选型建议：选择与现有自动化系统兼容的输出接口，如RS232、RS485、Ethernet/IP、Profinet、模拟量（4-20mA, 0-10V）等。对于高速数据传输和远程监控，数字接口通常优于模拟接口。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最合适的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些挑战，需要采取相应的策略来克服：

• 问题：材料表面特性对测量的影响

  • 原因与影响：材料表面过亮（镜面反射）、过暗（吸收大量激光）、透明（激光穿透）、粗糙不平（漫反射不均）或有纹理，都可能导致激光光斑不稳定、信号衰减、测量点漂移或产生虚假读数，从而降低测量精度和稳定性。

  • 解决建议：

    • 针对镜面/透明材料：选用蓝光/UV激光器（如英国真尚有的ZLDS103的蓝光选项），其短波长在这些材料上的反射特性可能更好；或采用色谱共焦传感器，其对透明材料有卓越的识别能力。

    • 针对粗糙/漫反射表面：选择具有较大光斑或采用多点平均算法的传感器，以减小局部不均匀性带来的影响。

    • 表面处理：在允许的情况下，对测量区域进行局部亚光处理（如喷涂一层薄薄的示踪剂，但需注意其厚度）。

    • 调整传感器角度：对于镜面反射，适当调整传感器倾斜角度，使反射光能被接收器捕捉，但要避免产生多重反射。

• 问题：环境光干扰

  • 原因与影响：车间内日光灯、窗外阳光等环境光线强度变化，可能混淆传感器的光接收元件，导致测量信号出现噪声或偏差。

  • 解决建议：

    • 遮蔽措施：在传感器和测量区域周围设置物理遮光罩或挡板，阻挡大部分环境光。

    • 滤光片：传感器本身通常会内置窄带滤光片，仅允许特定波长的激光通过，但对于极强的环境光仍可能不足。

    • 高频调制激光：一些先进传感器采用高频调制激光技术，只识别特定频率的激光信号，有效滤除环境光。

• 问题：温度漂移

  • 原因与影响：环境温度或被测材料温度的变化，可能导致传感器内部元件的热膨胀或光路偏移，从而引起测量结果的缓慢漂移。

  • 解决建议：

    • 温度补偿：选择内置温度补偿功能的传感器。

    • 环境控制：在可能的情况下，对测量区域的环境温度进行严格控制。

    • 定期校准：在生产过程中，设置周期性的零点校准或两点校准程序。

• 问题：机械振动与冲击

  • 原因与影响：生产线设备（如电机、输送带）产生的振动，或材料在传输过程中的晃动，都可能导致传感器与被测材料之间的相对位置不稳定，引入测量误差。

  • 解决建议：

    • 减振措施：将传感器安装在独立的减振支架或基座上。

    • 增强刚性：确保传感器安装结构和被测材料夹持装置具有足够的刚性。

    • 高频采样与滤波：选用高测量频率的传感器，并对采集到的数据进行数字滤波（如移动平均、卡尔曼滤波）处理，以平滑瞬时波动。英国真尚有的ZLDS103具有良好的抗振动和抗冲击能力，可有效应对此类问题。

• 问题：校准不当或维护不足

  • 原因与影响：传感器未经正确校准就投入使用，或长期不进行维护（如清洁），都可能导致测量结果不准确、漂移。

  • 解决建议：

    • 初始校准：严格按照厂家说明书进行首次安装和校准，通常包括零点校准和量程校准。

    • 定期校验：建立定期校验机制，使用经过认证的标准量块或标准厚度片对传感器进行校验，并根据校验结果进行调整。

    • 日常清洁：定期清洁传感器镜头，确保光路无遮挡、无污染。

4. 应用案例分享

• 电池生产：在锂离子电池制造中，精确测量电池极片（如涂布后的正负极材料）的厚度至关重要，以确保电池容量和安全性。激光位移传感器可实现高速在线测量，对涂布均匀性进行实时监控。

• 薄膜与片材制造：在塑料薄膜、橡胶片材、无纺布等生产线上，需要持续监测材料的厚度一致性。射线透射测量系统或双激光三角测量系统能够对材料的横向和纵向厚度波动进行高精度控制，确保产品满足公差要求。

• 金属加工：在金属板材轧制、压延或冲压过程中，需要实时检测板材厚度，以控制轧辊间隙和冲压深度。激光位移传感器能够承受恶劣的工业环境，提供准确的厚度数据。

• 汽车零部件检测：汽车零部件（如车身板材、制动盘、密封件）的厚度直接关系到车辆的性能和安全。非接触式厚度测量方案可以对复杂形状的零部件进行快速检测，提升生产效率和质量。

• 玻璃制造：在玻璃生产过程中，特别是显示屏玻璃或特种玻璃，其厚度均匀性对产品性能影响巨大。色谱共焦传感器因其对透明材料的卓越测量能力，可用于在线或离线高精度厚度检测。