如何在千度高温下，实现陶瓷部件微米级尺寸与形貌的非接触式在线检测？【生产质量控制】

1. 陶瓷的基本结构与技术要求

陶瓷，作为一种广泛应用的材料，其种类繁多，从日常生活的瓷器到工业生产中的高性能结构陶瓷和电子陶瓷，性能各异。但通常来说，陶瓷材料具有以下共性特征，对非接触式测量提出了特定的要求：

• 耐高温性： 许多陶瓷在高温环境下烧结或工作，测量时物体表面温度可能高达数百甚至上千摄氏度。这意味着传感器不能接触物体表面，且需能应对高温辐射和热对传感器的影响。

• 表面多样性： 陶瓷表面可以是光滑的（如釉面瓷砖），也可以是粗糙的（如未烧结的生坯或磨砂陶瓷），甚至可能是半透明或具有复杂纹理。这些不同的表面特性会影响光的反射和散射，进而影响测量精度和稳定性。

• 硬度和脆性： 陶瓷材料通常硬度高但脆性大，任何接触都可能造成损伤，因此非接触式测量是唯一可行的方案。

• 尺寸稳定性： 在高温下，陶瓷可能会发生热膨胀、收缩甚至翘曲变形。对距离和尺寸的精确测量，需要考虑这些温度变化带来的影响，有时甚至需要实时监测这些变化。

在工业生产中，对陶瓷产品进行非接触式距离测量，通常是为了监控其尺寸精度、厚度均匀性、表面平整度、翘曲度等关键指标，以确保产品质量和生产效率。

2. 针对陶瓷的相关技术标准简介

在陶瓷的制造和质量控制过程中，需要监测多种参数以确保产品符合设计要求。以下是一些常见的监测参数及其评价方法：

• 尺寸精度： 指陶瓷制品实际尺寸与设计标称尺寸之间的偏差。通常通过测量其长度、宽度、厚度、直径等参数，并与公差范围进行比较来评价。例如，对于陶瓷板，会测量其对角线长度和边长，确保在允许的尺寸公差内。

• 表面平整度（或称平面度）： 衡量陶瓷表面偏离理想平面的程度。其评价方法通常是选择几个或多个测量点，计算这些点与一个参考平面之间的最大偏差。在行业中，可以想象一块理想的玻璃板盖在陶瓷表面，观察玻璃板和陶瓷之间的缝隙大小。

• 翘曲度： 特指板状或块状陶瓷制品在烧结过程中因应力不均而产生的弯曲变形。评价方法一般是测量其中心点或边缘点相对于参考平面的最大高低差，或是通过激光扫描得到整个表面的三维数据，分析其曲面形状。

• 厚度均匀性： 衡量陶瓷制品不同位置厚度的一致性。评价方法是在产品表面随机选择多个点进行厚度测量，计算其最大值、最小值和平均值，并评估其波动范围。就像在生产手机屏幕时，屏幕的每个点的厚度都必须非常接近，否则会影响显示效果。

• 表面粗糙度： 描述陶瓷表面微观不平整的程度，对产品的外观、摩擦系数和使用寿命有重要影响。评价方法通常是获取微观形貌数据，通过计算平均粗糙度Ra、最大轮廓高度Rz等参数来量化。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

对于高温陶瓷表面的非接触式距离测量，市场上有多种先进的技术方案。激光位移传感器因其高精度、高速度和非接触性，成为主流选择。相较而言，普通的红外测距仪虽然也能实现非接触，但其精度通常较低，且易受高温物体自身辐射（背景红外干扰）的影响，难以满足陶瓷生产线对高精度和稳定性的要求。因此，以下主要介绍几种高性能的激光及光学测量技术：

激光三角测量法 (Laser Triangulation)

工作原理和物理基础：激光三角测量法是工业中最常用的非接触式距离测量技术之一。它的基本原理是利用简单的几何三角关系来计算目标物体的距离。传感器内部有一个激光发射器和一个位置敏感探测器（PSD）或CMOS/CCD相机。激光束以特定角度发射，在被测陶瓷表面形成一个光斑。当被测物体的距离发生变化时，反射光斑在探测器上的位置也会相应移动。

具体来说，传感器发射器与探测器之间有一个固定的基线距离 L。激光束以一个已知的角度 theta1 照射到物体表面。反射光从物体表面某点 P 射出，并被接收透镜收集，聚焦到探测器上。当物体表面距离传感器发生变化（例如，从距离 D 变为 D'）时，光斑在探测器上的投影位置 x 也会随之移动。

通过几何关系，可以推导出距离 D 与光斑在探测器上的位置 x 之间的函数关系。一个简化的几何模型如下：假设激光发射点、光斑点和接收透镜的焦点构成一个三角形。当物体距离变化时，这个三角形的形状会改变。

如果 L 是发射器与接收透镜主点之间的水平距离，theta_e 是激光发射角，f 是接收透镜的焦距，x 是光斑在探测器上的位置变化量，那么被测距离 Z 可以表示为：Z = (L * f) / (x * cos(theta_e) + f * sin(theta_e))

通过测量 x 的变化，传感器即可高精度地计算出目标物体的实时距离。这个过程就像我们用眼睛看物体，通过双眼视角的微小差异来判断物体的远近一样，只不过这里是激光和高精度探测器在完成这个“立体视觉”任务。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常从几毫米到几米不等，例如50毫米至10米。* 精度： 一般为测量范围的0.01%至0.1% F.S.（满量程）。* 分辨率： 微米级到亚微米级。* 响应时间： 几毫秒到几十毫秒，适合高速在线检测。* 光斑直径： 几十微米到几百微米，影响测量细节。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量速度快，精度较高，结构相对简单，成本适中。对大部分漫反射表面适应性好，测量范围广，且可以测量高温物体。* 局限性： 测量精度可能受物体表面颜色、粗糙度、反射率的影响（特别是高反射或吸光表面）。对于非常光滑的陶瓷表面，可能产生镜面反射，导致光斑无法有效聚焦到探测器上，需要调整入射角度或使用特殊算法。当测量距离很远时，分辨率会相对下降。* 成本考量： 相对其他高精度光学测量技术，激光三角测量传感器的初期投入成本通常较为合理。

共聚焦色散测量法 (Confocal Chromatic Measurement)

工作原理和物理基础：共聚焦色散测量利用白光的色散效应。想象一下，一道白光通过一个特殊的棱镜（或者更精确地说，是色散透镜），不同颜色的光会被分散开来，聚焦在空间中不同的位置上。这意味着，红色光可能在离透镜10毫米的地方聚焦，蓝色光在离透镜20毫米的地方聚焦，等等。

当传感器发射宽带白光（包含多种波长的光）到被测陶瓷表面时，如果被测表面恰好位于某一特定波长光的焦点上，那么该波长的光就会被最有效地反射回传感器。反射回来的光经过一个狭缝和光谱仪，光谱仪会精确地识别出哪种颜色的光反射强度最大，即峰值波长。

由于每个波长对应着一个独一无二的焦点距离，通过分析反射光波长的峰值，就能高精度地确定被测表面的距离。其核心在于“共聚焦”，即只有在焦点上的光才能最有效地穿过狭缝并被探测到，从而实现了轴向的高分辨率测量。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常较短，从几百微米到几十毫米。* 线性度： 极高。* 分辨率： 纳米级到亚纳米级。* 测量频率： 较高。* 光斑直径： 极小。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的测量精度和分辨率，可达纳米级别。对各种陶瓷表面（包括高反射、透明或粗糙表面）具有出色的适应性，不易受表面材质、颜色和反射率影响。* 局限性： 测量范围通常较短，不适合远距离测量。设备成本相对较高。* 成本考量： 由于其高精度和复杂的光学设计，共聚焦传感器的成本通常高于激光三角测量传感器。

激光线扫描技术 (Laser Line Scanning)

工作原理和物理基础：激光线扫描技术，有时也称为激光轮廓测量，它不像点式激光位移传感器那样只投射一个点，而是投射一条激光线到被测陶瓷表面上。想象你用一支激光笔在墙上画出一条直线，如果墙面有凹凸，这条直线就会随之弯曲变形。

传感器内置的高分辨率相机以特定角度捕捉这条激光线在物体表面形成的变形轮廓图像。与激光三角测量类似，通过三角测量原理和先进的图像处理算法，系统能够实时计算出这条激光线上每一点的垂直高度信息，从而生成被测物体的一个二维截面轮廓数据。

当陶瓷产品沿着生产线移动通过传感器时，传感器连续地进行激光线扫描，并结合编码器（记录物体移动距离）或时间同步信息，就可以将这些连续的二维轮廓数据“拼接”起来，构建出被测物体的完整三维点云数据，实现对整个表面的高精度距离、高度、体积和缺陷测量。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围（Z轴）： 通常从几毫米到几十毫米。* X轴测量范围： 与激光线长度相关，通常为几毫米到几十毫米。* Z轴重复性： 微米级到亚微米级。* X轴分辨率： 微米级。* 扫描速度： 极快。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够快速获取物体表面的完整三维轮廓信息。测量速度快，适用于高速在线检测。对复杂形状的陶瓷部件有很好的适应性，可以同时测量多个点的距离。* 局限性： 系统相对复杂，需要较高的计算能力。对于镜面反射表面可能存在挑战。对于移动物体，需要精确的速度同步。* 成本考量： 通常比单点激光位移传感器成本高，但低于一些复杂的结构光或干涉测量系统。

白光干涉测量技术 (White Light Interferometry)

工作原理和物理基础：白光干涉测量是一种利用光波干涉现象进行超精密测量的技术。它将一束宽带（白光）光束分成两路：一路作为测量光，照射到被测陶瓷表面；另一路作为参考光，照射到一个高精度的参考镜上。这两路光反射回来后，会在传感器内部汇合。

由于白光的“相干长度”非常短（可以理解为白光波列的“长度”很短，只有当两束光的行程几乎完全相等时才能产生稳定的干涉图案），只有当被测表面与参考镜的光程差在极小的范围内时，才能产生清晰可见的干涉条纹（明暗相间的图案）。

通过精确地扫描传感器或参考镜（相移技术），系统可以找出每个被测点与参考镜光程差最小（即干涉条纹最清晰）的位置，从而以极高的精度确定被测表面上每个点的垂直位置，最终构建出陶瓷表面的三维形貌、粗糙度、台阶高度和距离信息。这就像在水中制造两列波，只有当它们在某个特定点完美叠加时，才能观察到最强的波峰。

核心性能参数的典型范围：* 垂直分辨率： 极高。* 垂直测量范围： 从几微米到毫米级（取决于配置）。* 横向分辨率： 亚微米级，取决于物镜。* 视野范围： 通常较小，从几百微米到几毫米。* 重复精度： 亚纳米级。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够提供卓越的垂直分辨率和精度，是测量陶瓷表面微观形貌、平整度、粗糙度和微小台阶距离的理想选择。非接触，无损伤。* 局限性： 测量范围通常非常有限，扫描速度相对较慢。对环境振动和温度变化非常敏感，通常用于实验室或半在线检测，不适合高速、大范围的在线实时测量。设备成本极高。* 成本考量： 白光干涉测量系统是所有非接触式光学测量技术中成本最高的之一，主要用于科研、精密计量和高端质量检测。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是对高温陶瓷表面非接触式距离测量领域中几个主流品牌及其产品特点的介绍：

• 日本基恩士 (采用激光三角测量法) 日本基恩士是工业自动化和检测领域的全球领导者，其LK-G系列激光位移传感器以其卓越的高精度和高速度著称。例如，LK-G5000系列提供一定的测量范围，重复精度可达微米级别，采样速度高，线性度表现优秀。这些特性使其在陶瓷生产线上能够实现稳定、可靠的非接触式距离和厚度测量，尤其适合高速在线检测。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量原理) 英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器是一款高性能、多功能的测量设备，同样采用光学三角测量原理。其突出特点是测量范围广，最大测量距离可达10m，测量范围可达8m，精度最高可优于0.08%，具体取决于测量范围。响应时间仅为5毫秒，适合动态测量。特别值得一提的是，根据型号不同，它能够测量最高达1300°C的高温物体，并提供2mW、5mW和10mW三种激光功率选项以适应不同环境和目标温度。其IP66级铸铝外壳和空气净化系统使其能在恶劣工业环境中使用。

• 德国米铱 (采用共聚焦色散原理) 德国米铱是全球领先的传感器制造商之一，在共聚焦测量领域拥有深厚的技术积累。其confocalDT IFS2405-20系列传感器提供极高的测量精度和分辨率，测量范围为毫米级别，线性度表现优秀，分辨率高达纳米级别，测量频率高，光斑直径小。IFS2405-20系列对各类陶瓷表面均能实现稳定测量，且支持高速测量，非常适合对精度要求极高的在线质量控制和精密检测应用。

• 加拿大倍福 (采用激光线扫描技术) 加拿大倍福专注于3D智能传感器领域，其Gocator 2500系列以其“一体化”设计和强大的板载测量工具而闻名。Gocator 2512提供一定的Z轴测量范围和X轴测量范围，Z轴重复性和X轴分辨率均可达微米级别，扫描速度非常快。该系列传感器尤其适合在线、高精度、高吞吐量的陶瓷表面轮廓和距离检测，能够稳定处理各种表面特性，并实时生成三维数据。

• 美国康耐视 (采用结构光三维视觉技术) 美国康耐视是机器视觉领域的全球领导者，其In-Sight 3D-L4000系列集成了强大的2D和3D视觉处理能力。它通过向陶瓷表面投射已知图案的结构化光，并捕捉这些图案因高度变化而产生的形变，从而计算出物体表面的三维点云数据。该系统测量范围较大，Z轴重复精度较高，帧速率高。其编程灵活性和易用性使其能够适应陶瓷制造中复杂的质量控制需求，尤其适用于在线批量检测，提供全面的表面分析，如翘曲、平整度和缺陷检测。

（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

选择适合高温陶瓷表面距离测量的设备时，需要综合考虑多种技术指标及其对实际应用的影响：

1. 测量范围 (Measurement Range)：

   • 实际意义： 指传感器能够有效测量的最短和最长距离之间的范围。

   • 影响： 范围过小可能无法覆盖整个测量区域或保持安全距离；范围过大可能会牺牲精度。

   • 选型建议： 根据现场安装空间和被测物体到传感器的实际距离来确定。如果被测物体运动范围大，需要选择宽测量范围的传感器。

2. 精度 (Accuracy) 和重复性 (Repeatability)：

   • 实际意义： 精度指测量结果与真实值之间的接近程度；重复性指在相同条件下多次测量同一目标时，结果的一致性。

   • 影响： 直接决定了测量结果的可靠性和产品质量控制的严格程度。高精度是高质量生产的基石。

   • 选型建议： 对于精密陶瓷部件，如电子陶瓷或医疗陶瓷，需要选择高精度、高重复性的传感器（如德国米铱的共聚焦传感器，或日本基恩士的激光三角传感器）。对于尺寸公差相对宽松的工业陶瓷，可选择精度适中但测量范围和速度更优的设备。

3. 分辨率 (Resolution)：

   • 实际意义： 传感器能识别的最小距离变化量。

   • 影响： 决定了能够检测到的最小细节和表面缺陷。

   • 选型建议： 若需检测微米级甚至纳米级的表面粗糙度、微小台阶或精密形貌，则需选择分辨率极高的传感器（如白光干涉或共聚焦传感器）。对于宏观尺寸测量，微米级分辨率的激光三角传感器通常已足够。

4. 响应时间/采样速度 (Response Time/Sampling Rate)：

   • 实际意义： 传感器从接收信号到输出测量结果所需的时间，或单位时间内能完成的测量次数。

   • 影响： 决定了传感器对快速移动物体的跟踪能力和在线检测的效率。

   • 选型建议： 对于高速运动的陶瓷生产线，需要选择响应时间快、采样速度高的传感器（如日本基恩士或加拿大倍福的激光传感器），以确保能实时捕捉每个产品的状态。

5. 高温适应性：

   • 实际意义： 传感器自身能否在高温环境中稳定工作，以及能否有效测量高温物体。

   • 影响： 高温会影响传感器的电子元件寿命，并可能产生测量误差。高温物体自身辐射会干扰测量光路。

   • 选型建议： 务必选择标明可测高温物体的传感器。同时，关注传感器自身的工作温度范围，并考虑是否需要配备水冷、空气净化等辅助系统来保护传感器，确保其在恶劣高温环境中长期稳定工作。

6. 表面特性适应性：

   • 实际意义： 传感器对不同颜色、反射率（镜面、漫反射）、粗糙度等陶瓷表面特性的测量能力。

   • 影响： 某些原理的传感器对特定表面类型表现不佳，可能导致测量不稳定或无法测量。

   • 选型建议： 对于表面复杂的陶瓷，共聚焦传感器通常表现最佳。对于常见漫反射或有一定光泽的陶瓷，激光三角传感器通过调整激光功率或接收增益也能很好地适应。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高温陶瓷表面非接触式距离测量的实际应用中，可能会遇到以下挑战，并可以采取相应的措施来解决：

1. 问题：高温环境对传感器本体的影响

   • 原因与影响： 陶瓷烧结过程中的高温会使得周围环境温度升高，传感器长时间暴露在高温下会导致内部电子元件过热，性能漂移甚至损坏，从而影响测量的稳定性和使用寿命。

   • 解决建议：

     • 水冷/风冷系统： 为传感器配备独立的水冷或强力风冷防护罩，通过循环冷却水或压缩空气，将传感器本体的工作温度控制在安全范围内。

     • 隔热防护： 在传感器与高温区域之间设置物理隔热屏障，减少热辐射对传感器的直接影响。

     • 选择耐高温型号： 优先选择设计上就具有宽工作温度范围和良好散热能力的传感器。

2. 问题：高温物体表面辐射干扰

   • 原因与影响： 高温陶瓷会以红外波段的形式发出强烈热辐射。这部分辐射进入传感器的接收光路，可能会被探测器误认为是激光反射信号，导致测量信号信噪比降低，甚至产生错误读数。

   • 解决建议：

     • 选择合适波长激光： 使用可见光波段激光器，其波长与高温物体主要辐射的红外波段差异大，可以通过光学滤光片有效滤除背景热辐射。

     • 窄带滤光片： 在传感器的接收端安装与激光波长精确匹配的窄带滤光片，只允许激光波长的光通过，最大限度地抑制其他波段的背景辐射干扰。

     • 高功率激光和高灵敏度接收： 提高激光发射功率，确保反射信号足够强；同时，采用高灵敏度的探测器和优化信号处理算法，提高信噪比。

3. 问题：陶瓷表面特性复杂（如高反射、粗糙、半透明）

   • 原因与影响： 不同陶瓷表面对激光的反射方式不同，例如釉面陶瓷可能产生镜面反射，粗糙表面可能产生散射，这可能导致接收到的光斑不清晰、能量不足或位置漂移，影响测量精度。

   • 解决建议：

     • 调整入射角度： 对于高反射表面，可以微调传感器相对于被测物体的安装角度，将镜面反射的光引导回探测器，或者利用部分漫反射。

     • 多功率激光器： 选择具有可调激光功率的传感器，根据表面反射率调整功率，确保接收到最佳信号强度。

     • 高级算法： 采用具备高级信号处理和滤波算法的传感器，能够更好地从复杂反射信号中提取有效数据。

     • 蓝光激光： 某些情况下，蓝光激光对高温物体或某些特定颜色/材质的陶瓷表面，比红光激光具有更好的穿透性和反射特性。

4. 问题：环境灰尘、烟雾或水汽干扰

   • 原因与影响： 陶瓷生产环境常伴有粉尘、烟雾或水汽。这些颗粒物会遮挡激光路径，导致激光能量衰减，接收信号变弱，甚至形成“光幕”效应，产生测量误差。

   • 解决建议：

     • 空气净化系统： 为传感器镜头配备空气吹扫（air purge）系统，持续用洁净的压缩空气吹扫镜头表面，防止灰尘附着。

     • 防护等级： 选择高防护等级的传感器，确保内部电子元件不受外部颗粒物和湿气影响。

     • 定期清洁： 即使有防护系统，也应定期检查和清洁传感器镜头，确保光路畅通。

5. 问题：被测物体热膨胀和变形

   • 原因与影响： 高温下陶瓷材料会发生热膨胀或热收缩，并可能出现翘曲变形，这会导致实际距离和形状随温度变化而改变。如果测量目的是控制最终尺寸，则需要考虑这种瞬时变化。

   • 解决建议：

     • 实时补偿： 如果可能，结合温度传感器获取物体表面温度，根据材料的热膨胀系数对测量结果进行实时补偿。

     • 动态监测： 使用高速传感器实时捕捉物体在变形过程中的数据，用于分析和调整生产工艺。

     • 多点测量： 对于大尺寸或易变形的陶瓷，可以部署多个传感器在不同位置进行同步测量，以获取更全面的变形信息。

4. 应用案例分享

• 陶瓷砖平整度与翘曲度检测： 在陶瓷砖烧制后的生产线上，激光位移传感器可以高速扫描砖面，精确测量其表面的微小高低起伏，评估平整度是否符合标准，并识别是否存在翘曲缺陷。

• 高温窑炉内陶瓷件尺寸监测： 在烧结炉出口或高温区域，耐高温的激光位移传感器可以非接触地测量刚出炉的陶瓷件（如耐火材料、特种陶瓷部件）的实时尺寸，确保其在高温下的尺寸稳定性和一致性。英国真尚有的ZLDS116传感器，根据型号不同，最高可测量1300°C的被测物，适合此类应用。

• 精密陶瓷元件厚度与轮廓测量： 对于电子陶瓷基板、结构陶瓷零件等，高精度的激光位移传感器可以用于测量其厚度均匀性、表面轮廓以及微小台阶的高度，以满足严格的质量要求。

• 陶瓷辊道炉内产品定位与间距控制： 在陶瓷生产线上，通过激光传感器实时监测陶瓷产品在辊道上的位置和相互间距，辅助控制传输速度，防止碰撞或堆积，优化烧成效率。