半透明塑料在线厚度/尺寸测量难题多，如何通过蓝光激光或共焦技术，实现±5微米高精度与数千次/秒高速检测？【工业自动化检测】

1. 基于半透明塑料的基本结构与技术要求

半透明塑料，顾名思义，是那种光线可以部分穿透，但又会在材料内部发生散射的塑料。想象一下，光线就像是穿过一层薄雾，虽然能看到对面的大概轮廓，但细节会模糊不清。这种材料的特殊光学性质，给在线测量带来了独特的挑战。

在实际生产中，我们常常需要测量半透明塑料的厚度、位置、表面平整度等关键参数。由于其半透明的特性，普通的测量方法可能会遇到一些麻烦：

• 光线穿透与散射： 激光束射到半透明塑料上，不像射到不透明表面那样直接反射回来，部分光会穿透材料，在材料内部反射或散射，导致传感器接收到的信号变得复杂，难以精确识别到底是材料的哪个表面。

• 多层反射： 如果材料内部有气泡、杂质或分层，光线可能在这些界面形成多个反射，这就像在测量时看到了好几个“虚影”，传感器容易被迷惑。

• 材料颜色和纹理变化： 即使是半透明塑料，其颜色深浅、表面粗糙度或压花纹理也会影响光的吸收和反射，进一步增加测量难度。

因此，对半透明塑料进行在线测量，我们通常有以下几个技术要求：

• 高精度： 确保测量结果与真实值之间的偏差极小，尤其是在厚度或位置公差要求严格的场景。

• 高速： 适应生产线快速运行的节奏，实现实时或准实时检测，避免因测量速度不足而造成生产停滞或漏检。

• 非接触： 塑料材料通常比较柔软或易损，非接触式测量能避免对产品造成任何损伤。

• 稳定性与抗干扰： 在工业现场复杂的环境（如振动、灰尘、环境光变化）下，传感器仍能稳定工作，提供可靠数据。

• 适应性： 能够应对不同颜色、透明度或表面状态的半透明塑料。

2. 针对半透明塑料的相关技术标准简介

在半透明塑料的在线检测中，通常需要监测多个关键参数来评价产品的质量和性能。这些参数的定义和评价方法是行业内进行质量控制的重要依据。

• 厚度测量： 指的是塑料材料垂直于表面的尺寸。它的评价方法通常是取多点测量值进行平均，并计算其均匀性，比如最大厚度与最小厚度之间的差异，或者某个区域内的厚度偏差。

• 位置与位移测量： 监测塑料部件在生产线上的精确位置，或者其相对于某一参考点的移动量。评价方法是通过多次测量，计算其重复性和稳定性，确保部件在正确的位置。

• 平面度/翘曲度： 衡量塑料片材或部件表面偏离理想平面的程度。评价方法通常是采集表面多个点的三维坐标，然后拟合出一个参考平面，计算各点到参考平面的最大偏差。

• 轮廓与尺寸测量： 确定塑料部件的外部几何形状是否符合设计要求，包括长度、宽度、直径、角度等。评价方法是对比实际测量数据与CAD模型或标准尺寸的偏差。

• 表面缺陷检测： 识别塑料表面是否存在划痕、气泡、凹坑、毛刺等可见缺陷。这通常通过分析表面纹理和局部异常点的变化来完成。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

对于半透明塑料的高速高精度在线测量，市面上有多种技术方案可供选择，每种都有其独特的优势和适用场景。

激光三角测量

激光三角测量是一种非常经典的非接触式位移测量方法，它就像我们用眼睛看东西一样，通过角度的变化来判断距离。传感器内部会发射一束激光，光束打到被测物体表面后形成一个光点。这个光点反射回来的光线，会被传感器内部的透镜收集，并聚焦到一个位置敏感探测器（比如CMOS线阵或PSD）上。当被测物体与传感器的距离发生变化时，反射光点在探测器上的位置也会相应移动。传感器就是通过计算这个光点位置的移动量，结合预先标定好的几何关系，来精确计算出物体与传感器的距离。

想象一下，你用手电筒照一面墙，如果手电筒稍微往前挪一点，墙上的光点在你的视野里看起来就会有一个轻微的位移。激光三角测量就是利用这种几何关系。

工作原理与物理基础：

激光三角测量利用了光学三角原理。传感器内有一个激光发射器（如激光二极管）、一个接收透镜和一个位置敏感探测器。激光束以特定角度投射到被测物体表面，形成一个光点。反射光线通过接收透镜后，聚焦到探测器的不同位置。

当被测物体表面在传感器的测量范围内发生位移时，反射光点在探测器上的位置也会发生变化。假设激光发射器与接收透镜之间有一段固定的基线距离 L，激光束以角度 θ 入射，反射光以角度 φ 被接收透镜收集。当被测物体表面距离传感器发生 ΔZ 的变化时，探测器上的光点位置将移动 ΔX。虽然精确的数学关系较为复杂且通常是非线性的，但其核心思想是，被测距离 Z 是探测器上光点位置 X 的函数，即 Z = f(X)。传感器通过内部的查找表或多项式算法对这个非线性关系进行校正，从而输出准确的距离值。

对于半透明塑料，激光三角测量需要特别优化。由于光线会穿透材料并在内部发生散射，传统的红光激光可能会在塑料内部形成多个反射点，使得探测器难以准确识别“真正的”表面。因此，一些先进的激光三角传感器会采用更短波长的蓝光或紫外（UV）激光。蓝光和UV光在许多半透明塑料中穿透深度相对较浅，散射也较少，这样可以更清晰地捕捉到塑料的第一表面反射，从而提高测量精度和稳定性。同时，通过调整激光的功率、光斑大小以及接收器的灵敏度和处理算法，可以进一步优化对半透明材料的测量性能。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 从几毫米到几米不等。

• 分辨率： 约0.01毫米到0.001毫米（10微米到1微米）。

• 测量频率： 通常在100Hz到几十kHz之间。

• 线性度： 约±0.05% F.S.至±0.1% F.S.。

技术方案的优缺点：

• 优点： 成本相对较低，速度快，测量范围宽，结构紧凑，应用广泛，对多种表面类型（包括部分半透明、高光泽或深色表面）有较好的适应性。特别是结合蓝光或UV激光后，对半透明塑料的测量效果显著提升。

• 缺点： 容易受到被测物表面特性（如颜色、透明度、光泽度、粗糙度）和倾斜角度的影响。对于高度透明的材料或某些特定半透明塑料，仍然可能出现测量不稳定的情况。

共焦位移测量

共焦位移测量是一种非常高级的精密测量技术，它像是给传感器戴上了一副“焦点眼镜”。传感器会发射一束光，但这束光不是简单地照亮物体，而是通过特殊的透镜让光线精确地聚焦在被测物体表面的某一点上。同时，传感器接收反射光的路径上还有一个很小的“针孔”，只有从焦点反射回来的光才能穿过这个针孔并被探测器接收到。如果物体不在焦点上，反射光就会被针孔挡住，无法到达探测器。传感器通过快速改变焦点的深度（通常是色散原理，不同颜色的光聚焦在不同深度），并寻找反射光最强的那个点，就能确定物体表面的精确位置。对于半透明材料，光线可以穿透并聚焦在不同层界面，因此能测量多层厚度。

工作原理与物理基础：

共焦位移测量系统通常采用色散共焦原理。传感器发射宽光谱的白光，这束光经过一个色散透镜组后，不同波长的光线（即不同的颜色）会在空间上聚焦到不同的深度。当光束照射到被测物体表面时，只有恰好聚焦在物体表面的那个波长的光线能通过接收端的针孔（或狭缝）并被光谱仪检测到，形成最强的光信号。通过分析被接收光线的光谱信息（即哪个波长最强），就能精确计算出物体表面的距离。

对于半透明材料，色散共焦的优势在于光线可以穿透材料并在其内部的多个界面（如顶面、底面或内部缺陷）形成焦点。传感器能够识别这些不同的焦点，从而实现多层界面的距离和厚度测量，且测量结果受材料颜色和角度变化的影响较小。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 通常较小，从几百微米到几十毫米。

• 分辨率： 极高，可达纳米级（例如0.002微米到0.05微米）。

• 采样速度： 高，可达几十kHz。

• 线性度： 极佳，约±0.03% F.S.至±0.1% F.S.。

技术方案的优缺点：

• 优点： 测量精度极高，能对透明、半透明材料进行多层距离和厚度测量，不受材料颜色和角度变化的影响，稳定性好。

• 缺点： 测量范围相对有限，设备成本较高，对环境振动和温度变化较敏感。

白光干涉测量

白光干涉测量是一种更极致的超高精度测量技术，它利用了光的“干涉”现象。想象一下水面的涟漪，两组涟漪叠加时会形成复杂的波纹。白光干涉仪会发射一束宽带白光，这束光会被分成两部分：一部分射向被测物体表面，另一部分射向一个内部的参考镜。这两束光反射回来后会再次叠加。如果这两束光的传播路径有差异，就会产生干涉条纹。通过分析这些条纹的图案和强度，传感器可以以纳米级的精度计算出物体表面的距离。

工作原理与物理基础：

白光干涉测量利用了宽带白光的低相干特性。它通常包含一个光源、一个分束器、一个参考臂和一个测量臂。宽带白光经分束器后，一部分光通过测量臂照射到被测物体表面并反射回来，另一部分光通过参考臂照射到内部参考镜并反射回来。这两束反射光线在分束器处重新汇合，并在探测器上产生干涉条纹。

当两束光的总光程差接近零时，会产生清晰的干涉条纹（中央亮纹）。通过扫描其中一个臂的长度（例如，移动参考镜或传感器整体），找到最清晰的干涉条纹位置，就可以精确计算出被测物体的表面距离。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 通常非常小，可达几毫米。

• 分辨率： 纳米级，通常低于1纳米。

• 测量速度： 相对较慢，通常在几十Hz到几kHz。

• 线性度： 极佳，约±0.005% F.S.。

技术方案的优缺点：

• 优点： 具有目前最高的测量精度和分辨率，可实现纳米级的距离和表面形貌测量，特别适用于超精密测量和多层材料的微观厚度测量。

• 缺点： 测量范围非常有限，设备成本极高，对环境（如振动、温度变化）非常敏感，集成到在线生产线中挑战较大。

超声波测量

超声波测量的工作原理与蝙蝠利用声波定位非常相似。传感器会发射一个高频的超声波脉冲，这个脉冲在空气中传播，当遇到被测物体表面时会反射回来。传感器接收到反射回来的超声波后，会精确计算超声波从发出到接收所花费的时间（Time-of-Flight, TOF）。由于声波在空气中的传播速度是已知且相对稳定的（尽管受温度影响），所以通过简单的公式就能计算出物体与传感器之间的距离。

工作原理与物理基础：

超声波传感器内置压电晶体，通过高频振荡产生超声波脉冲。这些脉冲以声速 v 在空气中传播，当遇到被测物体表面时发生反射。传感器接收反射波，并测量从发射到接收的总时间 t。

计算距离的公式为：距离 = (v * t) / 2

其中 v 是声波在介质中的传播速度（在空气中约343米/秒，受温度、湿度等影响），t 是飞行时间。除以2是因为声波来回传播了一次。

超声波的特性使其不受物体颜色、透明度、光泽和材质（如半透明塑料）的影响，因此在测量半透明或透明材料时具有独特的优势。

核心性能参数的典型范围：

• 检测范围： 从几十毫米到几米。

• 分辨率： 约0.1毫米到几毫米。

• 重复精度： 约< 0.25% (满量程)。

• 开关频率： 较低，通常在几十Hz到几百Hz。

技术方案的优缺点：

• 优点： 测量不受物体颜色、透明度、光泽和材质的影响，抗环境干扰能力强（如灰尘、水汽），成本较低，适用于恶劣的工业环境。

• 缺点： 测量精度相对较低，响应速度较慢，受空气温度和湿度变化影响，存在最小检测距离（盲区），且对细小特征的测量能力有限。

（2）市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市场上有哪些主流品牌提供了针对半透明塑料测量的解决方案，以及它们各自的特点。

• 日本基恩士 (采用共焦位移测量技术) 日本基恩士在工业自动化领域享有盛誉，其CL-3000系列共焦位移测量系统是针对透明和半透明材料的理想选择。该系列测量范围通常在0.7mm至100mm之间（取决于传感器头型号），分辨率可达0.002 μm至0.05 μm，采样速度高达64 kHz，线性度可达到±0.03% F.S.至±0.1% F.S.。这使得它在需要高精度和多层检测的复杂在线应用中表现卓越。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量技术) 英国真尚有ZLDS103激光位移传感器是一款紧凑型高性能设备，基于激光三角测量原理。该传感器尺寸小巧，仅45*30.5*17mm，线性度达到±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），测量频率最高可达9400Hz，确保在高速运动中也能保持测量精度。它提供标准红色激光，并可选配蓝光或UV半导体激光器（405nm或450nm波长），这对于半透明塑料的测量具有优势，因为蓝光或UV光在许多塑料中穿透深度较浅，有助于更准确地捕获表面反射。

• 德国米铱 (采用白光干涉测量技术) 德国米铱是精密测量领域的专家，其IMS5x00-DS系列集成式白光干涉测量系统代表了高精度测量的水平。该系统测量范围可达3.5mm，分辨率通常低于1nm，测量速度可达2kHz，线性度高达±0.005% F.S.。德国米铱的白光干涉仪在对透明和半透明材料进行高精度表面和多层测量方面具有显著优势。

• 美国邦纳 (采用激光三角测量技术) 美国邦纳的Q4X系列激光位移传感器以其坚固耐用和对各种复杂表面（包括部分半透明、高光泽或深色表面）的良好适应性而受到广泛认可。它同样基于激光三角测量原理，通过光学设计和算法优化了在复杂环境下的测量性能。Q4X系列的检测范围从25mm至300mm，分辨率可达0.03mm（在100mm处），重复精度为0.03mm（在100mm处），最大开关频率为1000Hz。这使得它成为许多工业在线距离检测应用中一个高性价比且可靠的选择。

• 瑞士堡盟 (采用超声波测量技术) 瑞士堡盟的UNDK 30系列超声波传感器，其采用超声波而非光学原理进行测量。这意味着它对被测物的颜色、透明度、光泽和材质（如半透明塑料）不敏感，且具有一定的抗干扰能力。它的检测范围通常在30mm至250mm之间，分辨率为0.1mm，重复精度小于0.25%（满量程），开关频率为125Hz。对于那些对精度要求不高，但需要在多尘、潮湿等工业环境中稳定工作的半透明塑料测量应用，堡盟的超声波传感器是一个经济实惠的选择。

（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

在选择激光位移传感器进行半透明塑料在线测量时，需要像挑选定制服装一样，仔细考虑每个指标是否符合您的具体需求。

1. 精度 (Accuracy / Linearity)：

   • 实际意义： 精度代表测量值与真实值之间的接近程度。线性度则衡量在整个测量范围内，传感器输出是否与实际位移成正比。

   • 影响： 直接关系到产品质量控制的严格程度和生产合格率。高精度意味着更小的误差，能满足更严格的公差要求。

   • 选型建议： 如果对半透明塑料的厚度或位置公差要求很高（例如微米级），应优先考虑共焦或白光干涉传感器。如果要求较高但不是很高（例如几十微米），则高性能的激光三角传感器（特别是带有蓝光/UV选项）也是不错的选择。

2. 分辨率 (Resolution)：

   • 实际意义： 传感器能够检测到的最小距离变化量。

   • 影响： 决定了传感器能够捕捉到多小的细节变化。分辨率越高，越能发现微小的厚度波动或表面缺陷。

   • 选型建议： 通常与精度要求相关。对于细微变化敏感的应用，选择分辨率更高的设备。

3. 测量频率 / 采样速度 (Measurement Frequency / Sampling Rate)：

   • 实际意义： 传感器每秒钟可以进行多少次测量。

   • 影响： 直接决定了传感器能否跟上生产线的速度。如果生产线速度快而测量频率低，就会出现漏测，无法实现100%在线检测。

   • 选型建议： 对于高速生产线，必须选择测量频率至少达到生产节拍数倍的传感器。例如，某些激光位移传感器可以达到数千赫兹的测量频率，能够应对大部分高速在线检测。

4. 测量范围 (Measurement Range)：

   • 实际意义： 传感器能够有效测量距离的上下限。

   • 影响： 决定了传感器与被测物体之间的安装距离，以及能测量的工件尺寸范围。

   • 选型建议： 根据实际安装空间和被测塑料的尺寸变化范围来选择合适的量程。量程过大会牺牲部分精度，过小则可能无法覆盖所有测量需求。

5. 光斑大小 (Spot Size)：

   • 实际意义： 激光束投射到被测物体表面的光点直径。

   • 影响： 光斑越小，对细节的捕捉能力越强，越适合测量微小特征或精确的边缘。对于半透明塑料，光斑大小也会影响光线的穿透和散射效果。

   • 选型建议： 测量微小缺陷或精确轮廓时选小光斑。如果表面不平整，稍大一点的光斑可以起到平均作用，减少局部粗糙度带来的干扰。

6. 激光波长 (Laser Wavelength)：

   • 实际意义： 激光的颜色，如红色（660nm）、蓝色（405nm或450nm）、紫外（UV）。

   • 影响： 对于半透明塑料尤其关键。不同波长的光在材料中的穿透深度、散射和吸收特性不同。红光通常穿透能力强，容易在半透明材料内部产生多个反射，而蓝光或UV光在许多半透明塑料中穿透深度相对较浅，散射较少，更容易捕捉到清晰的表面反射。

   • 选型建议： 测量半透明塑料时，优先考虑提供蓝光或UV激光选项的传感器，某些型号的激光位移传感器具备此选项，可以提升测量稳定性。

7. 防护等级 (IP Rating) 和环境适应性：

   • 实际意义： 传感器的防尘防水等级（IPXX）以及其在温度、振动等工业环境下的工作能力。

   • 影响： 决定了传感器在实际生产环境中的可靠性和寿命。

   • 选型建议： 根据生产现场的实际情况选择，如灰尘多、有水汽的环境需选择IP67甚至更高等级的传感器。

（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，在实际的半透明塑料在线测量中，仍然可能遇到一些挑战。

1. 问题：半透明材料的光线穿透与散射导致测量不稳定。

   • 原因： 激光光线部分穿透塑料内部，在材料内部发生散射或在不同介质界面（如材料表面、内部气泡、底部）形成多个反射，使得传感器难以准确识别哪个是真正的“表面”，从而导致测量数据抖动大，甚至出现多个读数。

   • 影响： 测量精度和重复性大幅下降，无法获得可靠的厚度或位置数据，导致产品质量失控。

   • 解决方案：

     • 选择短波长激光： 优先选用蓝光（如405nm、450nm）或紫外（UV）激光的传感器。短波长激光在许多半透明塑料中穿透深度较浅，散射较少，能更清晰地识别第一表面。

     • 调整传感器角度： 微调传感器的入射角和接收角，有时能找到一个最佳角度，使得来自表面反射的光信号强度最大，而内部散射光信号最小。

     • 利用共焦原理： 如果预算允许，共焦传感器是解决此问题的方案，因为其原理本身就能有效识别和区分不同深度的反射界面。

     • 优化算法： 某些传感器内部有专门针对半透明材料的信号处理算法，可以帮助识别和过滤掉多余的反射信号，提取出稳定的表面数据。

2. 问题：生产线速度过快，传感器数据采样跟不上。

   • 原因： 生产线上的产品移动速度非常快，而传感器自身的测量频率不够高，导致在单位时间内无法采集到足够多的数据点，或者无法做到每个产品都进行测量。

   • 影响： 无法实现100%在线检测，导致漏检、数据不连续，或者测量结果滞后，无法及时发现生产问题。

   • 解决方案：

     • 选择高测量频率传感器： 优先选择测量频率（采样速度）高的传感器，例如达到数千赫兹甚至更高的设备。

     • 优化数据传输： 确保传感器到控制器的数据传输速率足够快（如使用高速RS485或以太网接口），避免数据传输成为瓶颈。

     • 合理设置触发方式： 使用外部触发（如光电开关）来精确控制传感器在工件到达测量区域时才进行测量，确保在关键时刻捕获数据。

3. 问题：环境光干扰导致测量不稳定。

   • 原因： 生产现场的强环境光（如阳光直射、高亮度的LED照明灯、焊花等）可能会进入传感器接收器，与激光信号混淆，干扰传感器的正常工作。

   • 影响： 测量数据出现随机跳动，精度和重复性显著下降，甚至完全失效。

   • 解决方案：

     • 选择抗环境光能力强的传感器： 许多传感器会内置光学滤光片、采用激光调制与解调技术，以增强对环境光的抑制能力。

     • 物理遮光： 在传感器周围加装遮光罩或防护箱，减少环境光进入传感器视场。

     • 调整传感器安装位置： 尽量避免将传感器安装在强环境光源的直射路径上。

4. 问题：被测半透明塑料工件在生产线上存在晃动或振动。

   • 原因： 传送带抖动、设备机械振动、气流扰动等因素可能导致被测塑料工件在测量瞬间位置不稳。

   • 影响： 测量结果出现大幅波动，重复性差，无法准确反映工件的真实尺寸或位置。

   • 解决方案：

     • 机械稳定： 改进生产线夹具设计，提高传送带的稳定性，减少机械振动。

     • 传感器抗振动性能： 选择抗振动性能好的传感器。

     • 数据滤波与平均： 在传感器输出数据或控制器端进行软件滤波（如中值滤波、卡尔曼滤波）或多次测量取平均值，以平滑数据，降低振动带来的影响。但这会牺牲一定的实时性，需根据实际情况权衡。英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器具备20g/10-1000Hz的抗振动能力，有助于减少振动带来的测量误差。

4. 应用案例分享

• 塑料薄膜/片材厚度在线检测： 在薄膜或片材的生产线上，实时监测其厚度均匀性，确保产品满足工艺要求，避免材料浪费或产品不合格。

• 注塑件/吹塑件变形与翘曲度检测： 生产完成后，对半透明塑料制品的关键尺寸和表面平整度进行快速检测，及时发现因冷却不均或应力导致的变形。

• 半透明容器液位或填充高度检测： 在灌装线上，非接触式地测量半透明瓶子或容器中液体的精确高度，确保填充量符合标准，减少溢出或不足。

• 复合材料层间距离测量： 对于多层半透明塑料复合材料，检测各层之间的距离或粘合情况，评估产品结构完整性，特别是在包装、光学膜等领域。