如何解决复杂陶瓷（如釉面/深色）亚微米级尺寸与缺陷的在线非接触检测难题？【工业品控解决方案】

1. 基于陶瓷的基本结构与技术要求

陶瓷，作为一类广泛应用于工业和日常生活的材料，其表面特性多样。我们可以把陶瓷想象成一件艺术品，它的表面可以是光洁如镜的釉面瓷砖，也能是粗犷不平的磨砂陶瓷，或者是带着复杂纹理的结构陶瓷。这种多变性来源于其生产工艺和最终用途。

从技术角度看，陶瓷表面通常有以下特点：

• 多变的颜色和反光率： 这是最大的挑战。有的陶瓷是纯白色或黑色，有的带图案，有的上釉后光亮如镜，会产生强烈的镜面反射；有的未经处理，则表现为漫反射。这就像对着不同的表面拍照，有的反光刺眼，有的则颜色暗淡，对测量设备的光信号接收影响很大。

• 复杂的几何形状： 除了平板，还有碗、管、异形件等，表面可能包含弧面、斜面、孔洞或复杂的3D结构，对测量系统的适应性要求高。

• 硬度和脆性： 陶瓷通常较硬但易碎，因此必须采用非接触式测量，任何物理接触都可能对其表面造成损伤，影响产品质量。

• 精度要求高： 无论是尺寸检测、平整度还是缺陷识别，很多陶瓷产品，尤其是在电子、医疗等高科技领域的应用，都对测量精度有微米甚至纳米级的要求。

• 生产环境复杂： 陶瓷生产线往往伴随着高温、粉尘、震动等因素，这些都可能干扰传感器的稳定性和测量结果。

2. 针对陶瓷的相关技术标准简介

在陶瓷的生产和质量控制中，我们需要对产品的多个关键参数进行监测。这些参数的定义和评价方法，就像是给陶瓷产品建立了一套“体检标准”，确保每一件产品都符合设计要求。

常见的监测参数包括：

• 尺寸精度： 这指的是陶瓷部件的长度、宽度、厚度、直径等基本几何尺寸是否在允许的公差范围内。比如一块瓷砖的边长，一个陶瓷管的内径和外径。评价时通常通过测量其绝对尺寸与标准值的偏差来判断。

• 表面平整度与翘曲度： 衡量的是陶瓷表面的平坦程度。平整度好意味着表面没有明显的起伏、凹陷或凸起，就像一张桌面一样平。翘曲度则特指大面积平板陶瓷，如瓷砖或基板，其整体弯曲变形的程度。评价方法通常是测量表面上多个点的相对高度，然后计算最大高低差或拟合出一个基准面后的偏差。

• 表面粗糙度： 反映的是陶瓷表面微观上的不平整程度，即表面微小峰谷的密集程度和高度差异。粗糙度会影响陶瓷的触感、外观光泽、摩擦系数，甚至涂层附着力。评价时常用一系列参数，如平均粗糙度Ra（所有测量点与基准线偏差的绝对值平均）、最大粗糙度Rz等，它们通过计算表面微观轮廓的统计特征来量化。

• 缺陷检测： 指的是识别陶瓷表面上各种有害或不希望出现的瑕疵，如裂纹（像玻璃上的细微裂缝）、划痕（像被尖锐物刮过的痕迹）、气孔（像皮肤上的毛孔，内部有气泡未排出）、凹坑（像表面被撞击后形成的小坑）以及颜色不均等。这些缺陷会影响产品的功能和美观。检测时需要高分辨率的测量系统来识别这些微小的异常特征。

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，为了实现高精度的非接触式测量，市面上有多种成熟的技术方案可供选择，每种方案都有其独特的工作原理、优缺点和适用场景。

1. 激光三角测量法 (Laser Triangulation)

工作原理和物理基础：

想象一下，你用手电筒笔直地照向一个物体，如果这个物体在靠近你，或者远离你，光斑的位置看起来是不会变的。但是，如果你把手电筒放在一个角度，然后从另一个角度观察光斑，当物体移动时，光斑在我们视野中的位置就会发生变化。激光三角测量法就是利用了这个原理。

传感器内部有一个激光发射器，它会向被测陶瓷表面投射一个微小的激光点。同时，传感器内部还有一个接收光学系统（比如一个透镜）和位置敏感探测器（PSD，可以看作是一个能够感知光斑落在哪里，并输出对应电信号的感光元件）。

当激光点照射到陶瓷表面时，部分光线会散射回来。接收透镜会将这些散射回来的光线聚焦到PSD上。如果陶瓷表面的距离发生变化，那么激光点在陶瓷表面上的反射位置也会相应变化，导致接收透镜聚焦到PSD上的光斑位置也跟着移动。

传感器系统通过实时检测PSD上光斑位置的变化，并结合发射器、接收器和PSD之间的几何关系（形成一个稳定的“三角”结构），就能精确计算出陶瓷表面到传感器的距离。

其基本几何关系可以简化为：

距离变化 ΔZ = (B * ΔX) / (f - ΔX * tan(θ))

其中，B是发射器到接收器透镜的基线距离，ΔX是PSD上光斑位置的移动量，f是接收透镜的焦距，θ是发射激光束与基线之间的夹角。

核心性能参数：* 测量范围： 一般从几毫米到数百毫米，甚至更远。* 重复精度： 典型值可达微米级，例如0.005微米到几十微米。* 线性度： 常见于±0.02% F.S.（满量程）到±0.1% F.S.，表示测量结果与实际值之间的偏差。* 采样速度： 高达数十千赫兹到数百千赫兹，甚至更高。

技术方案的优缺点：* 优点： 适用性广，对大多数漫反射表面有较好的适应性；测量速度快，适合高速在线检测；结构相对紧凑，易于集成。现代的激光三角传感器通过采用蓝色激光（对黑色和光泽表面效果更好）、高级信号处理算法以及多点平均等技术，能有效抑制陶瓷表面颜色和反光率变化带来的测量不稳定性。* 局限性： 对于镜面反射极强的釉面陶瓷或倾斜角度过大的表面，接收到的光信号可能不足或发生饱和，导致测量困难或误差增大。环境光干扰也需要考虑，强烈的外部光源可能影响测量精度。* 成本考量： 相对其他高精度技术，激光三角测量传感器具有较好的性价比，是自动化生产线上的主流选择。

2. 共焦色散法 (Confocal Chromatic Sensing)

工作原理和物理基础：

想象你拿着一个特别的光学手电筒，这个手电筒能发出各种颜色的光（白光），但它很神奇，能让不同颜色的光聚焦在不同的距离上。比如红光聚焦在5毫米处，绿光聚焦在6毫米处，蓝光聚焦在7毫米处，以此类推。

共焦色散传感器就是利用这种“色散效应”。它发射出一束宽带白光（包含多种波长），这束光经过一个特殊的光学透镜系统后，不同波长的光会分别聚焦在空间的不同位置上。

当这束光照射到陶瓷表面时，只有恰好聚焦在陶瓷表面的那个特定波长的光，才能最有效地被反射回来。这些反射光会通过一个小的针孔光阑，只有与传感器焦点对准的光才能穿过。然后，一个光谱仪会检测到通过针孔的光的波长。

通过预先建立的“波长-距离”对应关系，传感器就能根据检测到的特定波长，精确地计算出陶瓷表面的距离。

核心性能参数：* 测量范围： 一般较短，从零点几毫米到几十毫米。* 重复精度： 极高，通常在纳米级到零点几微米，例如0.005微米至0.08微米。* 分辨率： 极高，可达纳米级，例如0.001微米至0.01微米。* 测量速率： 可达数千赫兹到几十千赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度和分辨率极高，几乎不受陶瓷表面材质（光泽、漫反射、透明）和倾斜角度的影响，非常适合测量高光泽的釉面陶瓷和透明玻璃陶瓷。无接触测量，对精密部件无损伤。* 局限性： 测量范围相对较小，通常需要靠近被测物。传感器结构复杂，成本较高。* 成本考量： 由于其高精度和对复杂表面的适应性，共焦传感器通常是成本较高的测量解决方案。

3. 白光干涉法 (White Light Interferometry)

工作原理和物理基础：

白光干涉法就像在测量一个微小的起伏时，不是直接用尺子量，而是用光的“波纹”来做对比。传感器发射一束宽带白光（就像普通的白炽灯光），这束光会经过一个分束器，被分成两束。其中一束射向被测陶瓷表面，另一束射向传感器内部的一个非常平整的参考镜。

这两束光各自反射回来后，会再次汇合，发生“干涉”。如果两束光经过的路程差（光程差）恰好是某个特定值，它们就会叠加出明亮的条纹；如果不是，则会相互抵消，形成暗条纹。就像水面上的两列波纹相遇，有的地方波峰叠加更高，有的地方波峰波谷相互抵消。

通过在垂直方向上扫描传感器或参考镜，当两束光的相对光程差接近零时，就会在探测器上出现对比度最高的干涉条纹。系统会精确记录发生高对比度干涉条纹时的垂直位置，并分析条纹图案，从而重建出陶瓷表面的三维形貌，精确到纳米级别，不仅能测距离，还能测表面粗糙度、波纹度等微观特征。

核心性能参数：* 测量范围（Z轴）： 从几十纳米到十毫米（取决于物镜）。* 重复精度（Z轴）： 极高，通常小于0.1纳米（RMS）或0.1% F.S.。* 横向分辨率： 亚微米级别，例如0.35微米。* 测量视场： 单次测量视场有限，但可通过拼接实现大面积测量。

技术方案的优缺点：* 优点： 具有无与伦比的垂直分辨率和精度，能对陶瓷表面的微观形貌、粗糙度进行纳米级的超精细测量。对表面材质的适应性较好。* 局限性： 测量速度相对较慢，对环境震动、清洁度要求极高。设备通常较大，传统上多用于实验室精密检测，虽然自动化程度有所提高，但仍不适合高速在线批量检测。* 成本考量： 这是所有技术中成本最高的方案之一，通常用于研发、高精密制造的质量控制。

4. 激光线扫描法 (Laser Line Scanning)

工作原理和物理基础：

区别于激光三角测量法只投射一个点，激光线扫描法是“一扫一大片”。传感器内部的激光发射器不是投射一个激光点，而是通过特殊的散射光学元件，投射出一条明亮的激光线到陶瓷表面上。

当这条激光线照射到有高度变化的陶瓷表面时，激光线在物体表面的投影就会因为表面形状而发生弯曲变形。传感器内部的高分辨率相机，会从一个特定的角度（与激光发射器构成三角关系）拍摄这条变形的激光线图像。

通过复杂的图像处理和三角测量算法，系统能实时分析相机捕捉到的图像中激光线上每一点的X（横向位置）和Z（高度）坐标。将这些点连接起来，就形成了一个高密度的2D轮廓数据。通过连续扫描（移动传感器或移动被测物），可以获取整个陶瓷表面的三维点云数据，进而测量其尺寸、形貌、平整度以及识别缺陷。

核心性能参数：* 测量范围（Z轴）： 通常从零点几毫米到几十毫米。* 重复精度（Z轴）： 零点几微米到几微米，例如0.05微米至2微米。* 横向分辨率（X轴）： 数十微米到几百微米，例如0.008毫米至0.06毫米。* 轮廓速率： 极高，每秒可获取数千到数万条轮廓。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够快速获取高密度的2D轮廓或3D形貌数据，检测效率高。对表面颜色和反光率差异有一定的鲁棒性（通过调节曝光、采用蓝色激光等）。集成了图像处理和数据分析功能，易于集成到自动化生产线。* 局限性： 测量精度通常略低于共焦或白光干涉，对镜面反射和极端倾斜角表面仍有挑战。* 成本考量： 相对较高，但考虑到其获取3D数据的能力和效率，在批量检测中具有良好效益。

（2）市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市面上几个知名品牌的解决方案，它们各自在技术路线上都有独到之处：

1. 日本基恩士（采用激光三角测量法）* 核心参数： 其LK-G5000系列传感器，例如LK-G5001V，测量范围可达±4毫米（中心距离50毫米），重复精度高达0.005微米，线性度±0.02% F.S.，采样速度达到 392千赫兹。* 应用特点和独特优势： 日本基恩士的激光位移传感器以其卓越的超高精度、极快的响应速度和稳定性闻名。它在抑制陶瓷表面粗糙度和颜色变化方面表现出色，对各种陶瓷材质的适应性强。其产品易于集成，且提供强大的数据处理和分析功能，特别适合需要高速、高精度在线批量检测的场景，如精密陶瓷部件的尺寸和形貌检测。

2. 英国真尚有（ZLDS100RD系列，采用激光三角测量法）* 核心参数： 英国真尚有ZLDS100Rd系列传感器，量程可达1000mm，采样速度最高70kHz，分辨率达0.01%，线性度最高0.03%。该系列提供多种光斑尺寸选择（小于0.06mm至大于1mm），并具备多种量程中点以及多种输出功率选项（小于1mW、小于20mW和小于80mW）。* 应用特点和独特优势： 英国真尚有ZLDS100Rd系列在复杂工况下表现出强大的适应性，即使在高速运动状态下，面对动态变化的路面颜色、强烈的太阳光辐射以及潮湿环境等复杂条件，依然能够保持稳定的测量性能。这得益于其卓越的信号处理能力和抗干扰设计，使其成为工业生产线上陶瓷检测的理想选择，尤其适用于那些表面特征多变且环境光复杂的应用场景。灵活的光斑尺寸和输出功率选项，使其能够根据具体的陶瓷表面特性和测量距离进行优化，在保证测量精度的同时，有效克服颜色和反光率差异所带来的挑战。此外，该系列传感器提供RS422或RS485数字输出接口，方便与各种设备集成。

3. 德国米铱（采用共焦色散法）* 核心参数： 德国米铱confocalDT 2421系列共焦位移传感器，测量范围从1毫米到28毫米不等，重复精度在0.005微米至0.08微米之间，分辨率可达0.001微米至0.01微米，测量速率最高70千赫兹。* 应用特点和独特优势： 德国米铱在超高精度非接触测量领域是专家。其共焦传感器在测量光泽、漫反射、甚至透明或多层陶瓷表面时，表现出极高的精度和分辨率。该技术几乎不受陶瓷表面材质和倾斜角度的影响，测量结果稳定可靠。特别适用于对精密陶瓷部件进行纳米级表面形貌、厚度等高精度在线或近线品控，而且无接触测量避免了对陶瓷表面的任何损伤。

4. 加拿大LMI Technologies（采用激光线扫描法）* 核心参数： 加拿大LMI Technologies Gocator 2500系列激光线扫描传感器，测量范围（Z轴）为0.2毫米至12毫米，重复精度（Z轴）0.05微米至2微米，横向分辨率（X轴）0.008毫米至0.06毫米，轮廓速率最高10千赫兹。* 应用特点和独特优势： 加拿大LMI Technologies Gocator系列以其高集成度和内置处理能力著称，能够直接生成和处理三维数据。它能快速、高效地获取陶瓷部件的完整3D轮廓信息，非常适合在线、高速的陶瓷部件尺寸、形貌和缺陷检测。尤其在自动化生产线中，它能实现对复杂形状陶瓷件的全面三维检测，大大提高了检测效率。

5. 瑞典海克斯康（采用蓝光结构光扫描）* 核心参数： 瑞典海克斯康的QUINDOS WLS G2系统（结合蓝光传感器），点测量精度（P-P）在0.005毫米至0.015毫米之间，可获取数百万个测量点，提供高密度3D形貌数据。* 应用特点和独特优势： 瑞典海克斯康的结构光扫描系统能够快速、非接触地获取陶瓷部件的完整3D形貌数据，实现全尺寸检测。蓝光技术相比红光能有效减少环境光干扰，并提高对深色和光泽表面的测量精度。该系统特别适用于复杂形状陶瓷件的表面偏差分析、缺陷检测和逆向工程，其自动化集成能力强，常与机器人或坐标测量机（CMM）结合使用，进行高效的在线或近线批量检测。

（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，就像为不同的陶瓷产品挑选合适的“诊断工具”，必须根据产品的特性和检测需求来定。以下是几个关键技术指标及其选型建议：

1. 测量精度与重复精度：

   • 实际意义： 测量精度指测量结果与真实值之间的接近程度，代表了传感器测量的准确性。重复精度指在相同条件下，多次测量同一目标点的结果之间的一致性，反映了传感器的稳定性。就像你用尺子量东西，精度是看尺子准不准，重复精度是看你每次量出来是不是都一样。

   • 影响： 精度直接决定了你的产品公差能否被有效监控。如果精度不够，即使产品有微小偏差也无法发现，可能导致不合格品流出。

   • 选型建议： 对于高精密陶瓷，如半导体基板、医疗陶瓷等，需要选择纳米级到微米级的超高精度传感器（如共焦或白光干涉）。对于一般工业陶瓷，如建筑陶瓷、结构陶瓷，微米级到几十微米级精度的激光三角传感器通常足够。

2. 分辨率：

   • 实际意义： 分辨率是传感器能检测到的最小位移变化量。就像你的相机像素越高，能看到的细节越清晰。

   • 影响： 高分辨率能识别陶瓷表面上非常微小的缺陷或形貌变化。

   • 选型建议： 如果需要检测微米级甚至亚微米级的表面缺陷（如细微划痕、小气孔），或对表面粗糙度有严格要求，应优先考虑分辨率更高的传感器（如共焦、白光干涉或高分辨率激光三角）。

3. 测量范围（量程）：

   • 实际意义： 传感器能够有效测量的距离范围。

   • 影响： 如果量程太小，无法覆盖被测陶瓷的尺寸变化或安装距离要求；如果量程太大，则可能牺牲精度。

   • 选型建议： 结合被测陶瓷的最大尺寸变化和传感器安装位置确定所需量程。对于大尺寸陶瓷件或较远测量距离，选择量程较大的激光三角传感器；对于微小部件或需贴近测量的场合，小量程高精度传感器更合适。

4. 测量速度（采样速率/轮廓速率）：

   • 实际意义： 传感器每秒能进行多少次测量或生成多少条轮廓。

   • 影响： 决定了在线检测的效率和对高速生产线的适应性。

   • 选型建议： 高速生产线需要高采样率的传感器（如高速激光三角、激光线扫描），以确保在短时间内捕获足够的数据进行全面检测。对于离线或低速检测，可以适当降低对速度的要求。

5. 光斑大小：

   • 实际意义： 激光束照射到陶瓷表面形成的实际光点或光线宽度。

   • 影响： 小光斑能检测更精细的细节和更小的缺陷，但对光泽表面可能更敏感；大光斑能平均化表面粗糙度，获得更稳定的平均距离，但会损失细节。

   • 选型建议： 检测精细缺陷或尖锐边缘时，选择小光斑；测量粗糙表面或需要平均化局部特征时，选择大光斑。

6. 材料适应性（颜色和反光率）：

   • 实际意义： 传感器克服不同颜色（如黑、白、彩色）和反光特性（如漫反射、镜面反射）影响的能力。这是陶瓷测量的核心挑战。

   • 影响： 差的适应性会导致测量数据不稳定、跳变或根本无法测量。

   • 选型建议：

     • 对于漫反射表面（如未上釉陶瓷）： 多数激光三角传感器表现良好。

     • 对于高光泽或镜面反射表面（如釉面陶瓷）： 优先考虑共焦色散传感器，其对高反光表面有天然优势。一些采用蓝色激光或高级信号处理算法的激光三角传感器也能有较好表现，但需测试验证。

     • 对于颜色深或透明表面： 共焦色散法通常是最佳选择，某些蓝色激光三角或线扫描传感器也能提供解决方案。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际的陶瓷生产线应用中，即使选对了传感器，也可能遇到一些意想不到的“小麻烦”，就像工厂里的机器偶尔会卡壳一样。了解这些问题的原因并提前做好准备，能帮助我们更顺畅地开展工作。

1. 颜色和反光率差异导致测量不稳定：

   • 问题原因： 陶瓷产品颜色多样（从纯黑到纯白），表面处理也千差万别（从粗糙到高度抛光），导致激光发射到表面的光线吸收和反射特性差异巨大。有的地方光信号太强（过饱和），有的地方光信号太弱（信号不足），使得传感器无法稳定接收有效信号，测量结果跳动或无法输出。

   • 影响程度： 这是陶瓷表面测量中最常见且影响最大的问题，直接导致测量数据不可靠，无法进行有效质量控制。

   • 解决建议：

     • 选用高动态范围传感器： 具备自动曝光和增益调节功能的传感器，能根据表面反射率自动调整光信号接收强度。

     • 采用多波长或蓝色激光： 蓝色激光对黑色和光泽表面的穿透和散射特性更好，能有效提升测量稳定性。

     • 优化测量角度： 调整传感器与陶瓷表面的相对角度，避开镜面反射区域，尽可能捕捉漫反射光。

     • 表面预处理（有限情况）： 在允许的情况下，对特定区域进行喷涂漫反射涂层，但这通常不适用于在线检测。

     • 多点或线扫描平均： 利用激光线扫描或多点测量，通过对多个点的数据进行平均处理，来平滑单个点因反光差异导致的跳动。

2. 表面倾斜或曲率引起的测量误差：

   • 问题原因： 当陶瓷表面存在较大倾斜角度或剧烈曲率变化时，激光点可能会变形，反射光线可能偏离接收光学系统的视野，导致信号丢失或测量失准。

   • 影响程度： 对于非平面陶瓷或边缘区域，容易出现“盲区”或精度显著下降。

   • 解决建议：

     • 选用大接收角传感器： 接收器具有较大视场角的传感器，能容忍更大的倾斜角度。

     • 采用共焦色散传感器： 该技术对倾斜角度的适应性通常较强。

     • 多传感器协同： 在不同角度安装多个传感器，对复杂表面进行全覆盖测量，或使用机器人带动传感器进行路径规划扫描。

     • 优化工件夹具： 确保陶瓷工件在测量过程中保持稳定且最佳的测量姿态。

3. 环境光干扰：

   • 问题原因： 生产车间的光线、外部日光、甚至其他设备的指示灯，都可能进入传感器接收器，与激光信号混淆，形成噪声。

   • 影响程度： 轻则增加测量噪声，降低精度；重则导致传感器无法正常工作，测量完全失效。

   • 解决建议：

     • 传感器内置滤光片： 选用自带窄带滤光片的传感器，只允许特定波长的激光通过。

     • 遮光罩或环境控制： 在传感器周围设置物理遮光罩，减少环境光进入。

     • 高功率激光传感器： 增加激光发射功率，提高信噪比，使激光信号在环境光中更突出。

     • 调制解调技术： 传感器通过高速开关激光束并同步解调，区分自身激光信号和环境光。

4. 震动和温度变化：

   • 问题原因： 生产线上的机械震动会导致传感器与被测物之间的相对位置不稳定，测量结果跳动。温度变化则可能影响传感器内部光学元件和电子元件的性能，导致测量漂移。

   • 影响程度： 长期累积会导致精度下降和重复性变差。

   • 解决建议：

     • 传感器固定稳固： 确保传感器安装基座具有足够的刚性和稳定性，减少震动传递。

     • 防震措施： 在安装座与设备之间增加减震垫或采用隔震平台。

     • 温度补偿功能： 选用具有温度补偿功能的传感器，其内部算法能自动校正因温度变化引起的测量漂移。

     • 定期校准： 在生产环境中定期对传感器进行校准，确保其精度。

4. 应用案例分享

• 陶瓷片厚度和翘曲度检测： 在手机盖板玻璃、电子基板等精密陶瓷的生产中，需要高精度测量陶瓷片的厚度均匀性和整体翘曲度，以确保产品装配精度和性能。激光位移传感器可以实现高速在线测量，对每片陶瓷进行全尺寸检测，及时发现不合格品。选择合适的激光位移传感器，如英国真尚有ZLDS100Rd系列，可满足不同量程和精度需求。

• 陶瓷部件三维形貌检测： 对于结构复杂的异形陶瓷件，如陶瓷阀门、喷嘴或牙科陶瓷，激光线扫描或结构光系统能够快速获取其完整的三维点云数据，用于尺寸公差分析、表面缺陷识别和形状偏差检测。

• 陶瓷缺陷检测： 无论是瓷砖表面的裂纹、气泡，还是精密陶瓷内部的微小孔洞和划痕，通过高分辨率的激光位移传感器或共焦传感器，可以对陶瓷表面进行高精度扫描，识别并定位各种微观缺陷，提高产品质量和良品率。英国真尚有ZLDS100Rd系列凭借其高分辨率和抗干扰能力，能够在该场景下稳定工作。