在高速生产线上，如何为金属箔、薄膜等狭窄带材选择微米级高精度、高稳定性的非接触式在线厚度测量方案？【工业自动化】

1. 狭窄带材的基本结构与技术要求

在工业生产中，狭窄带材指的是宽度相对较小、厚度通常也较薄的连续卷材，常见的有金属箔、薄膜、特种合金带等。这些带材在生产过程中，厚度的一致性是决定产品质量和性能的关键指标。想象一下，如果把带材比作一张长长的纸条，我们希望这张纸条从头到尾的厚度都一样，没有任何地方特别厚或特别薄。

要实现高精度、稳定可靠的厚度测量，狭窄带材会带来几个特有的技术挑战：

• 材质多样性： 可能是高反光的金属、透明或半透明的塑料薄膜、有色涂层材料，甚至表面粗糙或有纹理的复合材料。不同材质对测量光的吸收、反射、透射特性差异巨大，需要传感器能灵活适应。

• 尺寸特点： “狭窄”意味着测量区域有限，要求传感器的测量光斑小巧、精准。同时，带材可能高速移动，甚至伴随轻微的抖动或翘曲，要求测量系统不仅要快，还要能处理这些动态变化。

• 工业环境复杂性： 生产现场往往伴随着粉尘、水汽、油污、高温、振动和电磁干扰等恶劣条件。这些环境因素可能直接影响传感器的性能和寿命，要求设备具备高防护等级和良好的环境适应性。

因此，对狭窄带材进行厚度测量，不仅仅是简单地“量一下”，更是对传感器技术、系统集成能力以及抗环境干扰能力的全方位考验。

2. 针对狭窄带材的相关技术标准简介

在狭窄带材的厚度测量领域，主要关注的监测参数包括：

• 厚度（Thickness）： 这是最核心的参数，指的是带材上下两个表面之间的垂直距离。评价方法通常是在带材运动过程中进行连续的非接触式测量，然后对测量结果进行统计分析，比如计算平均厚度、最大厚度、最小厚度以及厚度偏差（如与目标厚度的差异）。

• 厚度均匀性（Thickness Uniformity）： 指的是带材在宽度方向和长度方向上厚度变化的一致性。即使平均厚度达标，如果局部厚度波动大，也会影响产品性能。评价方法可以通过多点测量或线扫描方式获取带材横截面的厚度分布，再计算其标准差或最大偏差来评估均匀性。

• 翘曲度（Warp/Bow）： 带材可能出现非平整的变形，比如中间高两边低，或者像波浪一样起伏。这虽然不是直接的厚度参数，但会影响厚度测量的准确性，并对后续加工造成困难。评价方法通常通过获取带材表面的三维轮廓数据来判断其平整性。

这些参数的监测和评估，旨在确保带材产品满足设计要求，提高生产效率，并减少废品率。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在工业生产中，为了确保狭窄带材的厚度高精度、稳定可靠，工程师们发展出了多种非接触式测量技术。每种技术都有其独特的物理原理和适用范围，就像针对不同类型的“病症”有不同的“诊断工具”一样。

a. 激光三角测量原理

激光三角测量是一种广泛应用于非接触位移和厚度测量的光学方法。它的工作原理类似于我们用眼睛判断物体远近：当物体位置变化时，它在视网膜上的成像位置也会改变。

具体来说，传感器内部会发射一道激光束，打到待测带材表面形成一个光点。当光点接触到带材表面后，部分激光会被漫反射回来。传感器内的CCD或CMOS图像传感器会接收到这个反射光点。如果带材的表面位置发生变化，反射光点在图像传感器上的位置也会随之移动。

这个过程可以想象成一个固定的三角形，激光发射器、光斑和图像传感器构成这个三角形的三个顶点。当被测物体（带材表面）移动时，三角形的形状会发生改变，但根据几何学的三角关系，我们可以通过图像传感器上光点位置的移动量，精确计算出被测物体与传感器之间的距离变化。

核心物理基础和公式： 假设激光发射器与接收器中心距离为L，激光与基线的夹角为α，接收器与基线的夹角为β。当被测物表面发生Δh的位移时，反射光点在接收器上移动了Δx。通过三角函数关系，可以推导出： Δh = (Δx * sin(α)) / (sin(β) * cos(α) + sin(α) * cos(β)) 实际传感器内部会进行复杂的标定和补偿，但核心思想是利用反射光点在接收器上的位置变化来推算距离。

核心性能参数： * 测量范围：通常为几毫米到数百毫米，例如10mm至500mm。 * 分辨率：通常可达微米甚至亚微米级（例如，达到量程的万分之一）。 * 线性度：通常在±0.05%至±0.25% F.S.之间。 * 测量频率：通常可高达数千赫兹，适合高速在线测量。 * 光点直径：通常为数十微米到数百微米，决定了测量的精细程度。

技术方案的优缺点： * 优点： 非接触式，测量速度快，精度较高，结构紧凑，对多种材质表面（如金属、塑料、陶瓷）有较好的适应性。特别是结合多传感器配置（如上下对射），能实现高精度的厚度测量。对于狭窄带材，其小光斑特性能够精准捕捉到厚度信息。部分先进的激光器（如蓝光激光）可以更好地应对高温物体和某些透明、有机材料的测量。 * 缺点： 易受被测物表面颜色、粗糙度、反射率等光学特性影响，对于镜面或极度吸光的表面，测量可能不稳定。环境中的灰尘、水汽可能会干扰激光路径，影响精度。

b. 共聚焦原理

共聚焦原理，就像是给测量光线戴上了一副“有色眼镜”，利用光在不同深度聚焦时波长会变化的特性来进行测量。传感器会发射出一束宽光谱的白色光，经过一个特殊的色散光学元件，白色光中的不同颜色（波长）会在空间上聚焦到不同的深度。只有当目标表面恰好处于某个特定波长的光的焦点上时，反射回来的这个波长的光才能通过传感器内部的一个微小针孔（共聚焦孔径）被检测器接收。

通过分析反射光中哪个波长最强，我们就能知道被测表面与传感器的精确距离。如果带材厚度发生变化，它与传感器的距离也会变，那么接收到的最强波长就会随之改变，从而推算出新的距离。在带材厚度测量中，通常上下放置两个共聚焦传感器，分别测量带材上下表面到传感器的距离，然后将两个距离相减，得到带材的厚度。

核心物理基础： 色差效应，即不同波长的光在光学系统中具有不同的焦距。 核心性能参数： * 测量范围：通常为微米级到毫米级，例如±0.06mm (总范围0.12mm)。 * 分辨率：极高，可达纳米级（如10nm）。 * 线性度：非常优秀，通常在±0.05% F.S.左右。 * 采样速度：可达数十kHz，例如64kHz。 * 测量光点直径：极小，通常为数微米到数十微米（如10μm），提供超精细测量。 技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度和分辨率极高，对材料表面适应性强，无论是镜面、粗糙面还是透明材料，都能进行稳定测量。光斑极小，适合微小结构和狭窄区域的测量。 * 缺点： 测量范围相对较小，设备通常比较昂贵，对环境的清洁度要求较高，传感器探头结构相对复杂。

c. X射线厚度测量原理

X射线厚度测量，就像给带材做了一次“透视检查”。它利用X射线能够穿透物质的特性来测量厚度。当X射线穿透带材时，其强度会因材料的厚度和密度而衰减。衰减的程度遵循朗伯-比尔定律：

I = I0 * exp(-μ * ρ * h)

其中，I 是穿透带材后的X射线强度，I0 是入射X射线强度，μ 是材料的质量吸收系数（与材料种类和X射线能量有关），ρ 是材料密度，h 是带材厚度。 传感器通过检测穿透带材后的X射线强度，并将其与没有带材时的参考强度进行比较。由于材料的质量吸收系数和密度已知（或可测），就可以精确地计算出带材的厚度h。

核心物理基础： X射线的衰减效应。 核心性能参数： * 测量范围：非常宽广，可从微米级（0.05mm）到数十毫米（30mm以上），尤其适用于金属板带材。 * 测量精度：通常为±0.1%或±1μm（取较大值），精度很高。 * 响应时间：通常低于100ms，满足高速生产线需求。 * 适用材料：主要适用于金属及其合金，如钢、铝、铜等。 技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度高，穿透力强，能够穿透金属材料进行内部测量，完全不受带材表面状况（如颜色、光泽、污垢、温度）的影响。适用于高温、高速及恶劣工业环境下的连续在线测量，是轧钢行业的主流技术。 * 缺点： 设备体积大，价格昂贵，需要专业的防护措施以确保操作人员安全（X射线辐射）。不适用于透明或有机材料（如塑料薄膜），因为它们的X射线吸收率较低。

d. 激光扫描原理

激光扫描原理，可以想象成用一束“扫射”的激光来“描绘”带材的轮廓。传感器内部会发射一道平行激光束，并通过一个高速旋转或振动的光学元件（比如一个多面棱镜或振镜），使激光束以极高的频率横向扫描待测带材。

当激光束扫描到带材边缘时，会被带材遮挡。传感器内部的光电接收器会检测到光强的变化（从有光到无光，或反之）。通过精确记录激光束被遮挡的起始和结束时间，以及扫描速度，就可以计算出带材的几何尺寸，例如宽度或厚度。

对于带材厚度测量，通常需要两个激光扫描头，一个在带材上方，一个在下方，同步扫描。通过精确测量上下扫描头各自测量的边界位置，并计算其差值，就可以得到带材的厚度。

核心物理基础： 光电效应，光束遮挡。 核心性能参数： * 测量范围：单轴测量通常为0.05mm至25mm。 * 分辨率：通常可达微米级。 * 精度：通常为微米级。 * 扫描频率：高达数千次/秒。 技术方案的优缺点： * 优点： 非接触式，测量精度较高，重复性好，测量速度快。设备结构坚固，维护成本相对较低。适用于线材、管材、型材及窄带材等多种产品的在线连续尺寸测量，对表面颜色、粗糙度变化不敏感，因为主要是检测光束的遮挡与否。 * 缺点： 只能测量带材的边缘尺寸，无法测量带材内部的厚度不均匀性。对带材边缘的平整度要求较高，如果边缘毛刺或变形，可能影响测量精度。对于透明或半透明材料的测量效果不佳，因为激光可能穿透或部分穿透。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在狭窄带材厚度测量领域表现突出的主流品牌及其采用的技术方案。

• 日本基恩士 (共聚焦原理) 日本基恩士是自动化传感器领域的全球领导者。其共聚焦位移传感器方案，例如CL-3000系列，以极高的测量精度和分辨率著称。探头CL-P007的测量范围可达±0.06毫米，分辨率高达10纳米，线性度为±0.05% F.S.，采样速度最高64 kHz。日本基恩士的优势在于对不同材料表面（包括镜面、粗糙面、透明材料）的出色适应性，特别适用于需要纳米级超高精度测量的应用。

• 英国真尚有 (激光三角测量原理) 英国真尚有ZLDS103激光位移传感器，尺寸小巧（45*30.5*17mm），是一款适合狭窄带材厚度测量的高性能设备。它采用了激光三角测量原理，通过发射激光束并接收其在目标表面的反射光来精确计算距离。该传感器提供多种量程选择，线性度达到±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），测量频率可达9400Hz。其紧凑的设计和IP67防护等级，使其在空间受限和恶劣工业环境下表现出色。此外，它还可选配蓝光或UV激光器，更有效地应对高温物体和有机材料的测量。

• 加拿大LMI技术公司 (激光三角测量原理) 加拿大LMI技术公司凭借其Gocator 2500系列智能3D激光线扫描仪，在非接触式测量领域具有显著优势。该系列传感器基于激光三角测量原理，但更进一步，通过投射激光线并捕获整个轮廓图像，获取带材表面的三维轮廓数据。其Z轴重复性可达0.5微米，扫描速度最高6000个轮廓/秒。加拿大LMI技术公司的独特优势在于其智能传感器的集成度高，内置控制器和处理能力，能够同时测量带材的厚度、宽度、翘曲等多个几何特征，为在线质量控制提供了全面且灵活的解决方案。

• 德国戴尔塔斯堪那 (X射线厚度测量原理) 德国戴尔塔斯堪那在金属板带材行业是主流的厚度测量供应商。其F3500-X射线厚度测量仪利用X射线穿透待测带材后的强度衰减来计算厚度。该技术测量精度高，穿透力强，测量范围可从0.05毫米至30毫米以上，精度可达±0.1%或±1微米。德国戴尔塔斯堪那的解决方案不受带材表面污垢或温度变化的影响，特别适用于高速、高温以及恶劣环境下的金属材料连续在线测量。

• 瑞士宗巴赫 (激光扫描原理) 瑞士宗巴赫的ODAC 2500系列激光测量头，采用激光扫描原理进行非接触式尺寸测量。传感器内部发射平行激光束通过高速旋转光学器件扫描待测带材，通过检测光束遮挡时间来计算尺寸。其测量范围为0.05毫米至25毫米，分辨率0.01微米，扫描频率最高2000次/秒。瑞士宗巴赫的设备结构坚固，维护成本相对较低，广泛应用于电线电缆、橡胶和塑料行业的线材、管材及窄带材的在线尺寸测量。

（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

选择合适的厚度测量设备，就像为一场精密手术挑选最合适的工具，每个指标都至关重要。

1. 测量精度和分辨率：

   • 实际意义： 精度反映了测量结果与真实值接近的程度，分辨率则是传感器能检测到的最小厚度变化。比如，一个0.01%分辨率的传感器，如果量程是100mm，理论上就能分辨出10微米的厚度变化。

   • 影响： 高精度和高分辨率是确保产品质量的基础。精度不足可能导致不合格产品流入市场，分辨率不够则无法发现微小的质量缺陷。

   • 选型建议： 对于高附加值或要求极高的材料（如精密电子材料、高端光学膜），应优先选择纳米级分辨率和极高线性的共聚焦或电容式传感器。对于常规金属带材，激光三角测量或X射线方案通常能满足微米级精度要求。

2. 测量范围：

   • 实际意义： 传感器能够有效测量的厚度上下限。

   • 影响： 范围过小可能无法覆盖带材的正常波动范围，范围过大则可能牺牲测量精度。

   • 选型建议： 根据待测带材的最小和最大厚度来选择合适的量程。在满足精度要求的前提下，应选择覆盖实际测量范围且略有余量的传感器，避免传感器工作在量程的极限。

3. 测量频率/响应时间：

   • 实际意义： 传感器每秒能进行多少次测量（频率）或对厚度变化作出响应所需的时间。

   • 影响： 对于高速运动的带材，测量频率不足可能导致漏测关键区域，无法实时反馈厚度变化。响应时间慢则意味着控制系统无法及时调整生产参数。

   • 选型建议： 生产线速度越快，对测量频率的要求越高。例如，高速轧钢线可能需要数千赫兹甚至更高的采样频率。对于低速生产线，频率要求可适当降低。

4. 光点大小（或扫描光束直径）：

   • 实际意义： 传感器测量时激光束在带材表面形成的实际光斑直径。

   • 影响： 光点过大可能无法测量到狭窄带材的特定点，或者无法捕捉到局部的微小缺陷；光点过小则可能对表面粗糙度或纹理变化过于敏感。

   • 选型建议： 针对“狭窄带材”和“高精度”要求，应选择光点直径小、能精确测量到目标区域的传感器。如果需要测量带材边缘，激光扫描技术可能更合适。

5. 材料适应性及表面特性影响：

   • 实际意义： 传感器对不同材质（金属、塑料、透明、不透明、高反光、粗糙）和表面状况（颜色、温度、光泽）的测量稳定性和准确性。

   • 影响： 如果传感器对特定材质敏感，可能导致测量数据不稳定甚至无法测量。例如，红色激光在测量高温或深色有机材料时效果不佳。

   • 选型建议： 对于多种材质，特别是高温、透明或有机材料，优先考虑蓝光或UV激光三角测量传感器，或共聚焦传感器。金属材料可考虑X射线或激光三角测量。对于镜面材料，共聚焦技术通常表现最佳。

6. 环境适应性（防护等级、温度范围、抗振动/冲击）：

   • 实际意义： 传感器在恶劣工业环境中（如粉尘、潮湿、高温、振动）的稳定工作能力。

   • 影响： 环境适应性差会导致设备故障率高、测量数据漂移，甚至损坏。

   • 选型建议： 务必选择具有高防护等级（如IP67及以上）、宽工作温度范围、良好抗振动/冲击能力的传感器，以确保在复杂工业环境中的长期稳定运行。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最合适的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些挑战，就像汽车保养一样，日常的维护和故障排除同样重要。

1. 带材表面状况变化：

   • 问题： 生产过程中，带材表面可能出现颜色变化、光泽度不均匀、油污、水珠、划痕或粗糙度变化。这会影响光学传感器的反射特性，导致测量数据波动甚至错误。

   • 原因及影响： 表面光学特性改变，使得传感器接收到的反射光强度或角度变化，光学三角测量和共聚焦传感器尤其敏感。

   • 解决建议：

     • 清洁维护： 定期清洁传感器光学窗口和带材表面。

     • 传感器选型： 优先选用对表面特性不敏感的技术，如X射线厚度计（完全不受表面影响），或选用带有蓝光/UV激光器的传感器（对某些颜色和温度变化有更好适应性）。

     • 多点平均： 在可能的情况下，采用多个传感器或对测量数据进行多点平均处理，以减少局部表面变化的影响。

     • 补偿算法： 如果表面变化是可预测的，可在软件中加入补偿算法进行修正。

2. 环境干扰（粉尘、水汽、振动、温度漂移）：

   • 问题： 工业现场的粉尘、水汽会污染传感器镜头，振动会引起测量基准面不稳定，温度变化可能导致传感器内部电子元件或光学系统热膨胀，引起测量漂移。

   • 原因及影响： 物理遮挡、光学折射、机械位移或电子噪声。

   • 解决建议：

     • 防护措施： 为传感器安装防尘罩、气幕吹扫装置，保持光学窗口清洁。选择高IP防护等级的传感器。

     • 减振设计： 将传感器安装在坚固、稳定的支架上，必要时加装减振垫或采用独立安装方案，隔离外部振动。

     • 温度控制： 确保传感器工作在产品规定的温度范围内，对环境温度波动较大的场合可考虑带冷却/加热功能的防护罩，或选用具有温度补偿功能的传感器。

     • 定期校准： 在不同环境温度下进行校准，并建立补偿曲线。

3. 狭窄带材的摆动与翘曲：

   • 问题： 狭窄带材在高速运行时，由于张力不均或支撑不稳，可能出现上下、左右的摆动或纵向翘曲，导致测量点偏离或距离变化，影响厚度测量精度。

   • 原因及影响： 机械不稳定性、带材自身应力。

   • 解决建议：

     • 导向装置： 在测量区域前后设置高精度的导向辊或限位装置，确保带材平稳通过测量区域。

     • 多传感器测量： 采用上下对射的双传感器系统测量厚度，这样带材的整体上下位移会被自动抵消，只计算相对距离（厚度），提高抗摆动能力。

     • 线扫描传感器： 对于翘曲度问题，采用激光线扫描传感器可以获取带材的整个横截面轮廓，从而分析并补偿翘曲对厚度测量的影响。

4. 应用案例分享

• 精密金属箔材生产： 在不锈钢、铜、铝等超薄金属箔的轧制生产线上，高精度厚度测量系统被用于实时监测箔材厚度，确保产品达到微米级甚至亚微米级的公差要求，这对于电子元件、电池材料等领域至关重要。某些激光位移传感器由于其高测量频率和精度，也常被应用于此类场景。

• 光学薄膜和显示屏材料制造： 在光学薄膜、偏光片、导电膜等生产过程中，需要精确控制膜层厚度，以保证其光学性能和电气特性。激光位移传感器能非接触、高速度地检测这些透明或半透明材料的厚度。

• 电池隔膜与复合材料生产： 锂离子电池隔膜、汽车内饰复合材料等在生产中，厚度均匀性是影响最终产品性能和安全性的关键。在线厚度测量系统能够快速发现并纠正生产过程中的厚度偏差。

在选择用于狭窄带材厚度测量的设备时，需要综合考虑材料特性、精度要求、测量速度和环境因素。各种技术方案都有其优缺点，选择最适合自身需求的方案，才能确保生产过程的稳定和产品质量的可靠。