精密陶瓷生产中，如何应对高反光与高粉尘环境，实现亚微米级尺寸精度和缺陷的非接触在线检测？【工业测量】

1. 陶瓷的基本结构与技术要求

陶瓷产品，无论其最终形态是瓷砖、餐具、工业部件还是艺术品，在生产过程中都需要对其尺寸、形状和表面质量进行精确控制。从原料配比、成型、烧结到研磨抛光，每一个环节都可能引入尺寸偏差或表面缺陷。

想象一下，我们正在生产一批高精度的陶瓷结构件。这些零件在烧制前通常是“生坯”，质地相对柔软，尺寸较大；烧结后，它们会经历显著的收缩，变得坚硬，但同时也可能出现翘曲、开裂等形变，表面也可能因釉料或烧结不均而变得不平整或反光。因此，在陶瓷生产中，我们需要关注的核心参数包括：

• 尺寸精度：这包括长度、宽度、厚度等基本几何尺寸，要求控制在极小的公差范围内，确保产品能够与其它部件完美配合。

• 平面度与翘曲度：对于板状或片状陶瓷，如瓷砖或陶瓷基板，平面度至关重要。翘曲，就像一片烤焦的薯片，会影响其安装和使用性能。

• 表面粗糙度：特别是在功能性陶瓷（如密封件、轴承）或高档瓷器中，表面光滑度直接影响产品的性能和外观。过于粗糙的表面可能导致磨损加剧或功能失效。

• 缺陷检测：如裂纹、气孔、凹坑、划痕等表面或内部缺陷，这些都会严重影响陶瓷的强度和寿命。

• 厚度均匀性：特别是对多层陶瓷或涂釉陶瓷，各层厚度的均匀性是保证产品性能和一致性的关键。

在陶瓷生产线，尤其是烧结后，环境往往比较恶劣。高温、高粉尘是常态，同时，许多陶瓷表面（特别是上釉或抛光后的）会呈现高反光特性，这给传统的接触式测量带来了磨损和污染的风险，也使得基于光学原理的非接触式测量面临巨大挑战。

2. 针对陶瓷的相关技术标准简介

在陶瓷的质量控制中，通常会涉及到以下几个关键的监测参数及其评价方法：

• 长度和宽度尺寸：通过测量产品的最长和最宽方向上的距离来确定。评价方法通常是与设计图纸上的标称尺寸进行比较，计算偏差。

• 厚度：测量陶瓷截面或指定点的高度。评价方法包括点对点测量、多点平均测量，以确保在整个产品上的厚度均匀性，并与标准厚度进行比对。

• 平面度和翘曲度：评估陶瓷表面偏离理想平面的程度。通常通过在多个点测量表面高度，然后计算这些点相对于一个参考平面的最大偏差来确定。例如，可以想象一个平整的玻璃板放在陶瓷片上，测量玻璃板与陶瓷片之间最宽的缝隙。

• 表面粗糙度：描述陶瓷表面微观不平整的程度。常用的评价参数有算术平均偏差Ra、最大高度Rz等。这通常通过测量表面微小的起伏来实现，就像用手指触摸表面感知其光滑程度一样，但测量工具能捕捉到更微小的细节。

• 直线度/边缘平直度：评估陶瓷边缘或线条偏离理想直线的程度。这通过测量边缘上各点到一条理论直线的最大距离来评价。

• 角度偏差：测量陶瓷特定几何特征（如边角）的实际角度与设计角度的差异。

这些参数的精确测量是确保陶瓷产品质量、满足客户需求以及符合行业规范的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

在高粉尘、高反光等恶劣环境下，非接触式距离测量是陶瓷生产线上的理想选择。目前市面上有很多成熟的光学测量技术可以应对这些挑战。

（1）市面上各种相关技术方案

激光三角测量法

这种技术的工作原理非常像我们用手电筒照亮物体，然后从侧面观察光点的位置。传感器内部会发射一束高度聚焦的激光束到被测陶瓷表面，形成一个细小的光斑。这个光斑反射回来的散射光会通过一个光学透镜，聚焦到一个光敏接收器（通常是CMOS或PSD，即位置敏感探测器）上。

当陶瓷表面的距离发生变化时，由于几何上的“三角”关系，光斑在接收器上的位置也会相应地移动。传感器通过精确地计算光斑在接收器上的位置偏移量，就能推算出被测物体表面相对于传感器的距离。这个原理可以简化为以下几何关系：

假设激光发射器、接收透镜中心与激光光斑在被测表面的交点构成一个三角形。如果激光器与接收器之间有一个固定的基线长度B，激光的发射角度为Alpha，接收器的视角为Beta，那么被测距离Z（垂直于基线）与接收器上光斑位置偏移量X之间存在确定的数学关系。简化的距离计算公式可以表示为：

Z = (B * sin(Alpha) * f) / (X * cos(Alpha) + f * sin(Alpha))

其中，f是接收透镜的焦距。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 精度：通常在微米（µm）级别到几十微米，具体取决于量程。

  • 分辨率：可达满量程的0.01%至0.1%。

  • 测量频率：从几百赫兹到数十万赫兹，足以应对高速生产线。

  • 测量范围：从几毫米到几百毫米，甚至更远。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 速度快：非常适合在线实时监测，能够快速响应生产过程中的变化。

    • 结构紧凑、成本相对较低：传感器体积小巧，易于集成到现有设备中，并且整体成本比更复杂的计量系统更经济。

    • 适应性强：通过选择不同波长的激光（如蓝光、UV激光），可以有效应对高反光、高温或深色等挑战性表面。例如，蓝光激光对反光物体（如釉面陶瓷）的穿透和散射效果更好，能提供更稳定的测量信号。

    • 非接触：避免了对陶瓷表面的损伤和污染。

  • 缺点：

    • 受表面特性影响：非常光滑（镜面）或非常粗糙（漫反射不均）的表面可能会导致测量信号不稳定或光斑模糊。

    • 受粉尘影响：高粉尘环境会阻挡激光路径，导致信号衰减或误判，需要额外的防护措施（如吹扫气帘）。

    • 阴影效应：对于有陡峭角度变化的表面，可能会出现光斑无法完全反射到接收器的情况，形成测量盲区。

共聚焦色散测量

这种技术利用了光的“色散”现象，就像三棱镜能将白光分解成彩虹一样。传感器会发射一束宽光谱的白光，这束光通过一个特殊设计的物镜后，不同波长的光会被聚焦在不同的距离上。换句话说，红色光可能聚焦在离传感器较远的位置，蓝色光则聚焦在较近的位置。

当这些光束照射到陶瓷表面时，只有恰好聚焦在该表面的特定波长的光才能最有效地反射回来，并通过一个微小的针孔，最终到达光谱分析仪。通过分析反射回来的光线的中心波长，系统就能精确地确定被测表面的距离。其核心原理是，被测距离Z与反射光中心波长lambda之间存在一一对应的关系：

Z = F(lambda) （其中 F 是一个已知的、经过标定的色散函数）

• 核心性能参数的典型范围：

  • 精度：通常能达到亚微米甚至纳米级别。

  • 分辨率：极高，可达0.005µm。

  • 测量频率：可达几十kHz，满足多数在线检测需求。

  • 测量范围：通常较短，从几百微米到几十毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 对表面特性不敏感：对高反光、透明、半透明、粗糙或深色等各种复杂陶瓷表面都能提供稳定可靠的测量，因为它主要依赖于反射光的波长信息，而非强度或光斑形状。

    • 极高精度：适合对表面形貌、粗糙度有极高要求的应用。

    • 无阴影效应：由于是同轴测量，光束垂直入射和反射，几乎不会产生激光三角测量中的阴影问题。

  • 缺点：

    • 测量范围有限：通常量程较短，不适合大范围的距离测量。

    • 成本较高：相对于激光三角测量，共聚焦色散系统的复杂性更高，成本也更高。

    • 受粉尘影响：虽然原理不依赖于光斑形状，但厚重的粉尘仍然会阻挡光路，影响信号强度。

白光干涉测量

白光干涉测量是一种利用光的干涉现象来测量距离或表面形貌的超高精度技术。它通过将一束宽光谱的白光分成两路：一路照射到被测陶瓷表面，另一路照射到一个内部的参考镜。这两束光反射回来后会再次汇合。

当两束光的“光程差”（即它们走过的路程差）非常小，在白光的“相干长度”范围之内时，就会产生清晰的干涉条纹。系统通过精确地扫描探测头或样品，找到干涉条纹对比度最强的位置，这个位置就对应着两束光的光程差为零，从而可以极其精确地确定每个点的表面高度。

其核心物理基础是光的干涉原理，当两束光的波峰与波峰、波谷与波谷相遇时（同相位），光强增强；波峰与波谷相遇时（反相位），光强减弱。对于白光，由于包含多种波长，只有在光程差接近零时才能形成清晰的干涉条纹。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 垂直分辨率：通常能达到亚纳米级（例如 < 0.1nm），是目前非接触测量中最高的。

  • 横向分辨率：与所用物镜有关，可达亚微米级。

  • Z轴测量范围：从几百微米到几十毫米。

  • 测量速度：相对较慢，通常用于离线或小范围高精度检测。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极高的垂直精度：能够捕捉到陶瓷表面极其微小的起伏和纹理，是精密陶瓷研发和质量控制的行业标准。

    • 非接触：不会损伤或污染样品。

    • 适用于各种表面：对光学光滑到粗糙的陶瓷表面都能测量。

  • 缺点：

    • 对环境敏感：对振动、温度变化等环境因素非常敏感，通常需要在稳定的实验室环境中使用。

    • 测量速度慢：不适合高速在线检测，主要用于离线分析或小范围扫描。

    • 设备复杂且成本高昂：通常是大型台式设备，投资成本远高于点式传感器。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们聚焦于一些在陶瓷表面距离测量领域具有代表性的国际品牌及其技术特点。

日本基恩士日本基恩士在全球工业传感器市场处于领先地位。其LK-G5000系列激光传感器采用了激光三角测量法。该系列产品以其卓越的高精度、高速度和强大的抗环境干扰能力而闻名。例如，LK-G500型号能提供±5mm的测量范围，重复精度高达0.005µm，线性度可达±0.03% F.S.，采样频率最高可达392kHz。这些传感器适用于在线批量检测，能够稳定、快速地测量各种陶瓷表面的距离和高度，并且操作简便，易于集成到自动化生产线中。日本基恩士在抗恶劣环境，特别是反射面测量方面有其独特的算法和技术。

英国真尚有英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器也是一款采用激光三角测量法的超小型测量设备，尺寸仅为45*30.5*17mm。ZLDS103的线性度可达±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），测量频率最高可达9400Hz。它提供10/25/50/100/250/500mm等多种量程选择，并且可以选择红光、蓝光或UV半导体激光器，这对于测量高温或高反光陶瓷表面非常有益。此外，其IP67防护等级，以及-10°C至+60°C的工作温度范围，确保了在粉尘和温度变化环境下的可靠运行，非常适合在陶瓷生产线这种严苛的工业环境中使用。

德国米铱德国米铱在精密测量传感器领域享有盛誉，其confocalDT IFS2405系列采用了先进的共聚焦色散测量技术。该系列传感器以其极高的精度和对表面特性的不敏感性而著称，即使是透明、半透明、高反光或粗糙的陶瓷表面，也能提供稳定的测量。例如，IFS2405-0.3型号提供了0.3mm的测量范围，重复精度为0.005µm，线性度±0.03% F.S.，测量频率最高可达70kHz。其原理决定了它几乎不受陶瓷材料电学和光学特性的影响，特别适合在线、高精度距离和厚度测量，尤其在需要测量陶瓷片厚度或表面形貌的场景下表现出色。

美国赛默飞世尔科技美国赛默飞世尔科技旗下的Zygo品牌是精密光学计量领域的全球领导者。其Nexview™ NX2000 3D光学表面轮廓仪采用了白光干涉（WLI）技术。这款设备提供极高的垂直测量精度和重复性，垂直分辨率可达亚纳米级（如<0.1nm RMS），横向分辨率0.68µm（50X物镜下）。Nexview NX2000能够获取陶瓷表面的形貌、粗糙度、台阶高度等详细数据，是精密陶瓷研发和质量控制中进行实验室级分析的理想工具。虽然不适用于高速在线检测，但其提供的超高精度是其他技术难以企及的。

（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，就像挑选一把称手的工具，需要根据具体的需求来匹配其性能。在高粉尘、高反光、高温的陶瓷生产环境中，以下几个技术指标尤为关键：

• 测量精度与分辨率：

  • 实际意义：精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率是传感器能识别的最小距离变化。例如，如果你的陶瓷部件要求公差是±0.1毫米，那么你需要一个精度至少在几十微米级别的传感器。分辨率则决定了你能捕捉到多微小的表面起伏或尺寸变化。

  • 选型建议：对于普通尺寸测量，激光三角测量法可以满足需求，精度通常在±0.05% F.S.（满量程）到±0.1% F.S.，分辨率达到满量程的0.01%到0.05%通常就足够了。但如果涉及到高精度陶瓷部件的表面粗糙度或微小缺陷检测，则需要纳米级分辨率的白光干涉或共聚焦传感器。

• 测量频率（响应速度）：

  • 实际意义：传感器每秒能进行多少次测量。在高速运行的生产线上，如果测量频率不够，就可能漏掉关键的尺寸变化点，导致产品不合格。

  • 选型建议：对于移动速度较快的陶瓷部件，例如输送带上的瓷砖厚度检测，通常需要数千赫兹的测量频率才能实现连续、密集的测量，确保数据不失真。

• 测量范围（量程）：

  • 实际意义：传感器能测量的最小到最大距离。如果量程太小，可能无法覆盖所有被测目标；如果量程太大，则通常会牺牲部分精度。

  • 选型建议：根据你实际需要测量的陶瓷部件的距离变化范围来选择。例如，如果需要测量从几十毫米到几百毫米的物体高度或厚度，选择合适量程的传感器会比较合适。量程越小，通常相对精度会越高。

• 激光波长选择：

  • 实际意义：不同波长的激光对不同材质和表面特性的反射效果不同。红色激光对大多数漫反射表面效果好，但对高反光或深色表面可能信号不佳。蓝光激光或UV激光对高反光（如釉面陶瓷）和高温物体有更好的测量稳定性，能有效抑制表面镜面反射带来的误差。

  • 选型建议：在陶瓷生产中，特别是在釉面或抛光工序后，陶瓷表面会变得非常反光。此时，选择带有蓝光或UV激光选项的传感器能显著提高测量稳定性。

• 防护等级（IP等级）：

  • 实际意义：IP等级表示传感器对外物（如粉尘）和液体的防护能力。陶瓷生产环境通常粉尘弥漫，甚至可能有水汽。

  • 选型建议：至少选择IP65或IP67防护等级的传感器。IP67意味着设备可以完全防止粉尘进入，并在一定水压下短时间浸泡而不受影响，这能极大地提升传感器在恶劣环境下的可靠性和使用寿命。

• 抗环境干扰能力：

  • 实际意义：传感器在振动、冲击和温度变化等复杂工业环境下能否保持稳定测量。

  • 选型建议：查看传感器的抗振动和抗冲击参数，以及工作温度范围。这确保传感器在生产线机械振动、温度波动时，依然能提供准确数据。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高粉尘、高反光等恶劣的陶瓷生产环境中部署非接触式激光位移传感器，确实会遇到一些常见问题：

1. 问题一：高粉尘环境导致测量不稳定甚至失效

   • 原因及影响：陶瓷粉尘颗粒会飘浮在空气中，当激光束穿过这些粉尘时，部分激光会被吸收、散射或反射，导致到达被测表面的光能量减弱，反射回传感器的信号也变得微弱且不确定。这就像在雾天开车，视线会变得模糊。长期下来，粉尘还可能积聚在传感器镜头表面，直接遮挡光路。

   • 解决建议：

     • 气帘或吹扫装置：在传感器镜头前端安装一个持续吹出洁净空气（如压缩空气）的气帘或吹扫装置，形成一道“无尘区”，有效防止粉尘附着在镜头上或干扰激光路径。

     • 定期清洁：即使有防护，也应制定严格的清洁维护计划，定期使用专业的镜头清洁工具和方法清理传感器镜头。

     • 选择高防护等级传感器：选用IP67或更高防护等级的传感器，其内部光学元件能更好地免受粉尘侵蚀。

2. 问题二：高反光陶瓷表面导致测量数据跳动或不准确

   • 原因及影响：抛光或上釉后的陶瓷表面会产生类似镜面的反射。传统的红光激光传感器在遇到这种镜面反射时，反射光往往会集中在一个很小的角度，导致大部分光线偏离传感器的接收器，或只有极少部分光进入，造成信号弱、噪声大，甚至无法接收到有效信号。这就像用手电筒照镜子，光线会直接反射到另一个方向，而不是散射开来。

   • 解决建议：

     • 选择蓝光或UV激光传感器：蓝光和UV激光波长较短，对高反光表面的穿透和散射效果更好，能够产生更强的漫反射信号，从而提高测量稳定性。这是解决高反光表面问题的首选方案。

     • 倾斜安装：将传感器稍微倾斜安装一个小的角度（例如5-15度），可以避免镜面反射光直接射向接收器之外，增加接收器捕捉到漫反射光的概率。

     • 平均滤波：在传感器输出端或上位机软件中设置合适的数字滤波算法（如移动平均、卡尔曼滤波），可以平滑数据，抑制由偶然反光变化引起的瞬时跳动。但这只是治标不治本的方法。

3. 问题三：环境温度变化影响测量稳定性

   • 原因及影响：陶瓷生产线上烧结后的区域温度通常较高。温度变化可能导致传感器内部光学元件的热膨胀或收缩，轻微改变光路，从而影响测量精度和稳定性。

   • 解决建议：

     • 选择宽工作温度范围的传感器：确保传感器的工作温度范围能够覆盖实际环境温度。

     • 安装散热或隔热装置：如果环境温度超出传感器的标称工作范围，应考虑在传感器外部加装散热片、风冷或水冷装置，或使用隔热罩，将传感器保护在适宜的温度范围内。

     • 定期校准：在生产过程中，定期进行零点校准或两点校准，可以补偿因温度变化引起的长期漂移。

4. 应用案例分享

• 陶瓷砖厚度及平整度检测：在陶瓷砖的生产线上，激光位移传感器可以安装在烧结后的输送带上方，实时测量每块瓷砖的厚度是否均匀、是否存在翘曲或变形，确保产品符合平整度标准，避免安装时出现高低差。例如，采用激光三角测量法的位移传感器，以其高速的测量频率，可以实现对移动瓷砖的连续监测。

• 精密陶瓷部件尺寸控制：对于半导体、医疗等领域使用的精密陶瓷部件，激光位移传感器可以用于检测其关键尺寸（如孔径、沟槽深度、整体高度）是否在公差范围内，确保后续装配的精准性。

• 陶瓷釉面缺陷及粗糙度检测：在陶瓷上釉或抛光后，通过高精度激光传感器（如共聚焦色散传感器）可以非接触式地扫描表面，检测微小的划痕、凹坑、气泡等缺陷，并评估表面粗糙度，提升产品外观质量。

• 炉窑内陶瓷烧结形变监测：特殊高温型激光位移传感器可以用于监测陶瓷在高温烧结过程中可能发生的尺寸收缩或形变，为优化烧结曲线提供实时数据支持。