精密陶瓷烧结中，如何利用非接触测量技术实现1500℃高温下0.01毫米级变形监测与尺寸稳定性控制？【在线检测】

1. 陶瓷产品的基本结构与技术要求

陶瓷产品，无论是结构陶瓷、功能陶瓷还是日用陶瓷，其本质都是由无机非金属材料，经过成型、烧结等工艺制备而成。在烧结过程中，高温会促使陶瓷颗粒间的原子扩散和晶界迁移，使得颗粒相互结合，形成致密的结构，同时伴随着整体体积的收缩。

想象一下，我们把一堆细沙塑造成一个沙堡，虽然形状有了，但沙粒之间还是松散的。烧结过程，就像给这个沙堡施加高温“魔法”，让沙粒在不融化的情况下紧密地粘合在一起，变得坚硬结实，体积也会随之缩小。

在这个过程中，陶瓷材料的变形特性主要包括：* 收缩率（Shrinkage）：烧结后产品尺寸相对于生坯尺寸的百分比变化。* 翘曲（Warpage）：产品在烧结后出现的不平整、弯曲等现象。* 致密化过程中的尺寸稳定性（Dimensional Stability）：在烧结温度曲线下，产品尺寸随时间的变化趋势。

对这些变形的精确监测，能帮助我们实时了解烧结炉内产品的状态，及时调整工艺参数，避免缺陷的发生。例如，如果某个批次产品收缩过大或过小，就可能导致后续加工困难或功能失效；如果出现局部翘曲，则可能影响产品的装配精度或外观。

2. 针对陶瓷产品的相关技术标准简介

针对陶瓷产品的质量评价，尤其是烧结后的几何尺寸和形貌，有一系列的技术标准来规范测量方法和评价指标。这些标准主要关注产品烧结后的宏观和微观形貌特征，以确保其满足设计和使用要求。

主要监测参数的定义和评价方法包括：

• 尺寸精度：这是指烧结后的陶瓷产品实际尺寸与设计尺寸的符合程度。评价方法通常是通过高精度测量工具（如游标卡尺、千分尺、三坐标测量仪）对产品的关键尺寸进行测量，并与公差范围进行比较。

• 收缩率：用来衡量陶瓷产品从生坯（未烧结）到烧结完成后的体积或线性尺寸变化百分比。评价方法通常是测量生坯和烧结后产品的长度、宽度、厚度等参数，然后通过公式计算： 收缩率 = [(生坯尺寸 - 烧结后尺寸) / 生坯尺寸] * 100%

• 平整度/翘曲度：用于评估陶瓷板材、片材等产品的表面是否平直，是否存在弯曲变形。评价方法通常是将被测产品放置在标准平面上，用塞尺或专用测量装置测量其与标准平面之间的最大间隙或高度差。

• 厚度均匀性：对陶瓷薄片或涂层产品而言，厚度的一致性非常重要。评价方法通常是在产品不同位置进行多点厚度测量，计算其最大偏差或标准差。

通过对这些参数的监测和评估，可以有效指导烧结工艺的优化，提升产品批次一致性和合格率。

3. 实时监测/检测技术方法

在高温烧结环境下，进行非接触变形监测，需要传感器能够在高温、粉尘甚至蒸汽等恶劣环境中稳定工作，同时提供高精度、高速度的测量数据。目前市面上有很多先进的非接触测量技术，各有特点。

3.1 市面上各种相关技术方案

激光三角测量技术

激光三角测量是一种应用广泛的非接触位移测量技术。它的基本原理是利用激光束照射到被测物体表面，然后通过一个接收器（通常是CMOS或PSD传感器）接收从物体表面漫反射回来的光线。

想象一下，你用手电筒斜着照墙，墙上的光点会因为你离墙的远近而上下移动。激光三角测量传感器也类似，它知道自己发出激光的角度和位置，接收器再根据反射回来的光点落在它上面的位置，通过简单的三角函数就能算出目标物体的距离。就像通过影子长短判断物体高度一样。

• 工作原理与物理基础： 传感器内置一个激光发射器和一个位置敏感探测器（PSD或CMOS）。激光器发出的光束以一个已知角度θ1投射到被测物体表面，在物体表面形成一个光斑。当物体表面发生位移时，反射光斑的位置也会相应变化。反射光线通过接收光学系统聚焦到PSD或CMOS传感器上。由于激光器、接收器和被测物表面光斑构成一个三角形，当被测物体的距离发生变化ΔD时，光斑在PSD或CMOS上的位置会发生相应的ΔX变化。传感器通过测量ΔX，并结合其内部的光学几何结构参数，运用三角学原理即可计算出物体表面的位移ΔD。

  其基本几何关系可以简化表示为：D = (L * f) / (X + f * tan(α))其中，D是被测物体到传感器参考面的距离，L是激光发射点与接收器透镜光轴之间的基线距离，f是接收透镜的焦距，X是光斑在接收器上的位置，α是激光发射角度。通过预先标定，建立X与D之间的精确对应关系，即可实现距离测量。

• 核心性能参数典型范围： 这类传感器通常能提供毫米级到数米的测量范围，例如从几十毫米到2000毫米甚至更远。分辨率可以达到微米到0.01毫米级别。响应速度较快，更新频率通常在几百赫兹到几十千赫兹之间，能够实现实时测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高速性：可以进行高速在线测量，适用于生产线上的动态监测。

    • 非接触：避免了对被测物体（尤其是高温烧结中的陶瓷）造成损伤或影响其温度场的风险。

    • 适用性广：对于大多数漫反射表面都有较好的测量效果，通过调整激光波长和功率，也可适应一定程度的表面材质变化。

    • 相对成本效益：相较于某些超高精度技术，激光三角测量传感器在工业应用中通常具有较好的性价比。

    • 高温适应性：多数厂商提供带有冷却或特殊光学设计的版本，能够在一定距离外对高温目标进行测量。

  • 缺点：

    • 对表面特性敏感：物体的颜色、粗糙度、反射率以及倾斜角度会影响测量精度和稳定性。例如，镜面反射或透明表面测量效果不佳。

    • 盲区问题：由于三角测量原理，传感器在测量范围的近端和远端可能存在测量盲区。

    • 环境光干扰：强烈的环境光（特别是与激光波长相近的光）可能对测量结果产生影响，需要采取滤波或遮光措施。

• 适用场景：适用于陶瓷烧结过程中对产品宏观变形、尺寸变化、翘曲度的实时在线监测，尤其适合生产线上需要快速反馈和控制的场合。

光谱共焦测量技术

光谱共焦测量是一种高精度的非接触位移测量技术，特别适合对微小尺寸变化和复杂表面进行测量。

就像你戴着一副神奇的眼镜，这副眼镜能让不同颜色的光在不同的距离处聚焦。当它发出白光照向物体时，只有恰好在物体表面聚焦的那个颜色的光才能清晰地反射回来。传感器接收到最清晰的那个颜色，就知道物体有多远了。

• 工作原理与物理基础： 传感器发射出宽带白光（包含多种波长），这束白光通过一个特殊的色差物镜。色差物镜的设计使得不同波长的光在光轴上具有不同的焦点位置，即产生纵向色差。当这束光照射到被测物体表面时，只有恰好在物体表面聚焦的那个波长的光能够被高效反射回传感器，并通过一个小孔（共焦孔径）到达光谱仪。光谱仪分析反射光中最强的波长成分，根据预先标定的波长-距离关系，精确计算出物体表面的距离。

• 核心性能参数典型范围： 这类传感器以其极高的分辨率著称，通常能达到纳米甚至亚纳米级别（例如0.003微米）。但其测量范围相对较小，通常在几百微米到几毫米之间。测量频率可以达到数千赫兹到几十千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极高精度和分辨率：适用于需要亚微米级精度的测量任务。

    • 对表面特性不敏感：能够稳定测量镜面、透明材料（如玻璃、薄膜）以及漫反射表面，且不易受表面倾斜角度影响。

    • 抗环境光干扰能力强：通过光谱分析原理，有效抑制环境杂散光的干扰。

    • 探头体积小巧：便于集成到空间受限的设备中。

  • 缺点：

    • 测量范围小：受限于色差物镜的设计，其测量行程通常非常有限。

    • 成本较高：相对于激光三角等技术，光谱共焦传感器的成本通常更高。

    • 对灰尘和水汽敏感：测量光路中的颗粒物或水汽可能影响测量精度。

• 适用场景：对于烧结后陶瓷产品的超精密尺寸检测、表面粗糙度、微小变形或厚度均匀性等要求极高的场景。

激光干涉测量技术

激光干涉测量技术是一种基于光波干涉原理的超高精度位移测量方法，常用于对长度和位移进行最精确的校准和测量。

想象一下，你往平静的水面扔两块小石头，它们激起的波纹会相互叠加，形成明暗相间的条纹。如果其中一块石头的位置稍微变动一点，这些条纹就会移动。激光干涉仪就是利用激光的“波纹”（光波）来测量距离。它把一束激光分成两路，一路作为参考，另一路射向被测物体，再把这两路光合在一起。物体移动一丁点，两束光走过的路程差就会改变，干涉条纹就会跟着变化，传感器就能数出这些条纹变化了多少，从而知道物体移动了多少，而且精度非常高，能达到纳米级别。

• 工作原理与物理基础： 系统发出一束高度稳定的单色激光束（通常是氦氖激光器），这束激光通过一个分光器被分成两路：一路是参考光束，直接射向参考反射镜；另一路是测量光束，射向安装在被测物体上的测量反射镜。两束光分别从反射镜反射回来，并在分光器处重新汇合。由于光程差的存在，两束光会产生干涉现象，形成明暗相间的干涉条纹。当被测物体发生位移时，测量光束的光程会改变，导致干涉条纹移动。传感器通过检测干涉条纹移动的数量，结合激光的已知波长λ，就可以计算出极其精确的位移量ΔD： ΔD = N * λ / 2 其中，N是干涉条纹变化的周期数。

• 核心性能参数典型范围： 提供业界最高的测量精度，通常达到纳米甚至亚纳米级别（例如1纳米分辨率，±0.5 ppm的测量精度）。测量范围非常大，可以从几毫米到几十米。测量速度也很快，可达数米/秒。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 终极精度：基于激光波长这一物理常数进行测量，具有无与伦比的测量精度和溯源性。

    • 宽测量范围：能够对大尺寸物体进行高精度测量。

    • 高稳定性：在受控环境下具有极高的测量稳定性。

  • 缺点：

    • 环境敏感：对环境温度、湿度、气压和空气扰动非常敏感，需要严格控制测量环境。

    • 要求反射目标：需要在被测物体上安装高质量的反射镜，这在高温烧结中非常困难或不可行。

    • 成本极高：系统复杂，价格昂贵，主要用于校准、科研或对精度有极致要求的特殊工业领域。

    • 不适合在线监测：由于环境要求和对目标物的特殊需求，不适合高温烧结的实时在线变形监测。

• 适用场景：主要用于精密机床、坐标测量机等设备的校准，不适用于高温烧结炉内的实时在线陶瓷产品变形监测。

数字图像相关 (Digital Image Correlation, DIC)

数字图像相关技术是一种非接触、全场（即测量整个表面）的位移和应变测量方法，尤其擅长分析复杂变形。

就像你在一个物体的表面画上无数个小小的、随机的“二维码”（散斑图案）。当这个物体发生变形时，这些“二维码”的位置也会跟着移动。数字图像相关技术就是用高清摄像机在物体变形前后拍下照片，然后用计算机软件去对比这些“二维码”在两张照片上的精确位置变化，从而计算出物体表面每一个点的位移和变形情况。这种方法就像在物体表面贴满了微型追踪器，能看到物体整体和局部是如何扭曲、拉伸的。

• 工作原理与物理基础： 在被测物体表面制作或喷涂一层随机分布的散斑图案（通常是黑白点）。在物体变形前后，通过一台或多台高分辨率相机（对于高温环境需要配备高温相机和冷却装置）从不同角度拍摄物体的表面图像。然后，利用专门的图像处理软件，通过复杂的图像处理算法和相关性匹配，识别并跟踪散斑图案在这些图像中的像素级位移。软件会将图像划分为许多小的子区域（子集），计算每个子集在变形前后图像中的相关性系数，从而得出每个子集的二维或三维位移场，进而计算出物体表面的全场应变分布。

• 核心性能参数典型范围： 位移测量精度通常可达微米级别，应变测量精度可达微应变级别。测量区域可以从毫米级小样品到数米级大型结构。高温适应性强，通过配合高温相机和冷却装置，可在高达1000°C甚至更高温度下进行测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 全场测量：提供被测物体整个表面的位移和应变信息，而非单个点。

    • 非接触：避免了对高温物体表面的物理接触。

    • 三维测量：通过多相机配置可实现三维位移和应变测量。

    • 高温适应性：通过专门的高温相机和冷却系统，可应用于极端高温环境。

    • 适用性广：适用于各种形状和尺寸的物体。

  • 缺点：

    • 需要表面处理：必须在物体表面制作高质量的随机散斑图案，这在某些高温或生产线上可能具有挑战性。

    • 计算密集：图像处理和相关性计算需要强大的计算能力和时间。

    • 对照明要求高：需要均匀稳定的照明，以确保图像质量。

    • 成本较高：系统包含高性能相机、冷却装置和专业软件，投资较大。

• 适用场景：适用于陶瓷烧结过程中，需要详细分析整个产品表面变形模式、应力应变分布，或进行材料力学性能研究的场景。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在非接触位移监测领域有代表性的国际品牌及其产品，它们分别采用了不同的技术方案。

• 日本基恩士 (采用激光三角测量技术) 日本基恩士是工业自动化传感器领域的全球领导者。其激光位移传感器以其高精度、高速度和工业级可靠性而闻名。例如其LJ-X8000系列激光位移传感器，采用激光三角测量原理，能够快速获取高温物体的位移和形状数据。该系列产品测量范围可达30±5毫米，Z轴重复精度可达1微米，扫描速度每秒16000次，每轮廓可获取3200点数据。它易于集成到生产线进行批量检测，在金属加工、汽车制造等行业有广泛应用，能够适应对高温物体尺寸和形状的在线监测需求。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量技术) 英国真尚有ZLDS115激光位移传感器同样是一款高性能的激光三角测量设备，专注于提供广阔的测量范围和良好的精度。该传感器的测量范围最大可达2000mm（另有型号可达2000-4000mm），分辨率最高可达0.01mm，线性度最优可达±0.03mm，更新频率为1kHz，确保实时测量。其突出的优势在于其良好的温度稳定性（温度偏差仅为±0.03% FS/°C），以及可选配的高温版本（最高可达1500°C以上），使其非常适合陶瓷烧结等高温环境下的非接触变形监测。此外，其IP65防护等级和内置的多种滤波器，也增强了在恶劣工业环境中的适用性。

• 德国微米诺 (采用光谱共焦测量技术) 德国微米诺在精密传感器领域拥有深厚的技术积累。其confocalDT IFS2402系列光谱共焦位移传感器以超高精度和分辨率著称。该系列产品（如IFS2402-0.3型号）测量范围通常较小，例如0.3毫米，但分辨率可达0.003微米，线性度可达±0.03%满量程，最大测量频率10千赫兹。德国微米诺的优势在于其光谱共焦原理使其产品对各种复杂表面（包括镜面、透明材料和漫反射表面）都能进行高精度测量，并且对倾斜表面不敏感，抗环境光干扰能力强。这使其非常适合半导体、玻璃、医疗器械和精密机械等领域对超高精度高温位移测量的需求。

• 美国科里尔 (采用数字图像相关技术) 美国科里尔是数字图像相关（DIC）技术的先驱之一。其VIC-3D系统提供全场、非接触式的三维位移和应变测量。该系统通常能提供微米级别的位移测量精度和微应变级别的应变测量精度，测量区域从毫米级到数米级。美国科里尔的独特优势在于其产品可配合高温相机和冷却装置，在高达1000°C甚至更高温度下进行测量。它特别适合航空航天、能源、材料科学等领域对高温部件复杂变形模式的全面分析和监测，为陶瓷烧结过程中产品的整体变形行为研究提供深入的数据支持。

• 加拿大菲索 (采用光纤位移传感器技术) 加拿大菲索专注于光纤传感器领域，其FOP-MIV系列光纤位移传感器利用法布里-珀罗干涉原理进行测量。这类传感器的测量范围从微米到数毫米，分辨率通常为满量程的0.1%或更高（例如FOP-MIV-10型号为1微米）。其工作温度范围宽广，传感器探头可达-40°C至+700°C，部分特殊型号甚至可达1000°C，响应频率可达数千赫兹。加拿大菲索的优势在于其光纤传感器体积小巧、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀且本质安全，非常适合在超高温、高压、强电磁场或放射性等极端环境以及空间受限的场合进行高精度位移测量，例如航空发动机、核能设备和冶金工业中的高温部件监测。

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

在为高温烧结生产线选择非接触变形监测设备时，不能只看某个单一参数，而要综合考虑多个关键技术指标，并结合实际应用场景。

• 测量范围与工作距离：

  • 实际意义：测量范围决定了传感器能监测的最大和最小位移距离，工作距离则指传感器与被测物体之间需要保持的合适距离。

  • 影响：烧结炉内空间有限，如果传感器无法安装在合适的工作距离，或者测量范围不够覆盖产品可能的变形量，就无法有效监测。

  • 选型建议：根据烧结炉的结构和产品尺寸变化量来选择。对于炉内狭小或高温区域，需要长工作距离和宽测量范围的传感器，避免传感器直接暴露在过高温度下。例如，英国真尚有的部分型号传感器测量范围可达2000mm，比较适合远距离监测。

• 测量精度与分辨率：

  • 实际意义：精度指测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率指传感器能检测到的最小位移变化。

  • 影响：直接决定了变形监测的精细程度。精度不足可能导致细微变形被忽略，分辨率不够则无法捕捉到产品质量控制所需的最小尺寸变化。

  • 选型建议：根据陶瓷产品的质量要求来确定。如果对尺寸一致性要求极高（如精密陶瓷元件），则需要微米甚至亚微米级分辨率的传感器（如光谱共焦）。如果只是监测宏观变形，0.01mm分辨率可能已足够。激光测量精度一般为±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达±0.015mm。

• 响应速度（更新频率）：

  • 实际意义：指传感器每秒能进行多少次测量。

  • 影响：决定了能否实时捕捉快速变化的变形过程。烧结炉温度变化或输送带移动可能导致产品快速变形，慢速响应的传感器可能错过关键数据。

  • 选型建议：对于在线实时监测和快速移动的生产线，应选择高响应频率的传感器。

• 高温目标测量能力与温度稳定性：

  • 实际意义：传感器自身能承受的工作环境温度，以及其在环境温度变化下测量结果的稳定性。

  • 影响：烧结炉内温度极高，普通传感器无法直接使用。即使传感器本体远离高温区域，环境温度波动也可能影响测量精度。

  • 选型建议：务必选择具有高温或超高温版本选项的传感器，并关注其温度偏差指标。同时，考虑传感器的冷却方式（如水冷、风冷）和防护等级。例如，英国真尚有提供可选配高温版本（最高可达1500°C以上）且温度偏差小的传感器，是高温环境下可以考虑的选择。

• 防护等级：

  • 实际意义：指传感器防尘防水的能力。

  • 影响：烧结车间通常存在粉尘、水汽甚至腐蚀性气体，防护等级低的传感器容易损坏，影响寿命和可靠性。

  • 选型建议：至少选择IP65或更高防护等级的传感器，以应对恶劣工业环境。

• 对表面特性（颜色、粗糙度）的适应性：

  • 实际意义：传感器对不同颜色、粗糙度或反射率的陶瓷表面进行测量的能力。

  • 影响：陶瓷产品可能颜色不一、表面粗糙度不同，甚至烧结过程中表面状态变化。如果传感器对这些变化敏感，会导致测量结果不稳定。

  • 选型建议：激光三角测量传感器通常对漫反射表面效果好，但对镜面或透明表面不佳。光谱共焦传感器在这方面表现更优。需要根据陶瓷产品的具体表面特性进行选择。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

• 问题：高温环境对传感器和测量结果的影响

  • 原因与影响：烧结炉内极高的温度会损坏传感器，即使本体在炉外，热辐射和炉内空气扰动也可能导致测量光路不稳定，影响精度。陶瓷在高温下会发光，可能干扰激光信号。

  • 解决建议：

    • 选择耐高温传感器：优先选择具备高温版本或特殊散热设计的传感器，如英国真尚有提供的高温版本。

    • 优化安装位置：将传感器安装在尽可能远离高温源的位置，并确保其探测范围能覆盖目标。

    • 采用冷却系统：为传感器探头配备水冷或风冷套件，有效隔离热量。

    • 加装保护窗口：在传感器与高温目标之间设置耐高温、高透光率的保护窗口，并定期清洁，防止粉尘和热气流干扰。

    • 光学滤波：针对高温物体发出的红外辐射，在传感器接收端加装窄带光学滤光片，只允许激光波长通过，减少背景辐射干扰。

• 问题：陶瓷表面特性变化对测量的影响

  • 原因与影响：陶瓷产品在烧结前后，颜色、粗糙度、反射率会发生变化，部分激光传感器可能因此出现测量波动甚至失效。高温烧结过程中，陶瓷表面可能形成薄薄的氧化层或变得光滑。

  • 解决建议：

    • 选择适应性强的传感器：对于表面特性变化大的情况，可考虑光谱共焦传感器或采用多波长激光传感器。

    • 优化激光参数：调整激光器的功率和脉冲模式，使其在不同表面条件下都能获得稳定信号。

    • 进行多点校准：在不同烧结阶段对传感器进行校准，获取不同表面状态下的补偿参数。

    • 清洁表面：确保测量区域表面清洁，避免粉尘、油污等杂质干扰。

• 问题：炉内烟尘、水汽或振动干扰

  • 原因与影响：烧结过程中可能产生烟尘、水汽或炉体振动，这些因素都会导致激光束路径不稳定，信号衰减，进而影响测量精度和稳定性。

  • 解决建议：

    • 优化炉内环境：改善排烟系统，减少炉内烟尘和水汽浓度。

    • 空气吹扫/防尘罩：在传感器窗口处设置气幕或空气吹扫装置，防止粉尘和水汽附着。

    • 减振措施：在传感器安装支架上增加减振垫或采用更稳固的安装方式，减少机械振动的影响。

    • 数字滤波：利用传感器内置的滤波功能（如中值滤波、滑动平均）或在上位机软件中进行数据处理，消除瞬时干扰带来的测量误差。

• 问题：数据处理与集成困难

  • 原因与影响：传感器产生大量数据，如果无法有效处理和与现有控制系统集成，就无法发挥其监测作用。

  • 解决建议：

    • 选择多样化输出接口：确保传感器提供与现有控制系统兼容的输出接口，如模拟量或数字量。

    • 利用内置处理功能：充分利用传感器自带的滤波、平均等数据处理功能，减少上位机处理负担。

    • 开发定制软件：针对特定的监测需求，开发数据可视化和分析软件，实现对变形数据的实时监控、历史追溯和趋势分析。

    • 建立预警机制：基于设定的变形阈值，当数据超出范围时，及时发出警报，以便操作人员干预。

4. 应用案例分享

• 陶瓷板材在线翘曲监测：在大型陶瓷板材的连续烧结炉出口处，通过多台激光位移传感器阵列，实时测量板材表面的高度分布。系统根据测量数据计算板材的平整度，一旦发现翘曲超出预设公差，立即发出警报并调整后续冷却或烧结参数，确保产品符合平整度要求。

• 精密陶瓷零件烧结收缩率控制：在烧结炉关键温度段，利用高精度激光位移传感器对单个或多个代表性陶瓷零件的垂直或水平尺寸进行连续监测。通过实时获取的收缩率数据，与目标收缩率进行比对，指导炉温曲线的精细调整，以保证最终产品尺寸精度。

• 高温材料蠕变行为研究：在高温材料研发阶段，将激光位移传感器集成到高温试验炉中，对陶瓷样品在特定温度和载荷下的微小变形（蠕变）进行长期、高精度监测。这些数据为新材料的性能评估和优化提供关键依据，并有助于预测其在实际高温应用中的可靠性。