狭窄带材在高速生产线上，如何实现±5微米级厚度实时在线检测与质量控制？【非接触测量】

1. 狭窄带材的基本结构与技术要求

想象一下，我们正在处理的是一条非常细长的材料，比如一张薄薄的金属箔、塑料薄膜，或者是锂电池生产中的电极片。这些材料的宽度可能只有几毫米到几十毫米，但长度却能达到几百甚至上千米。我们称之为“狭窄带材”。

这种狭窄带材在生产过程中，最关键的参数之一就是它的厚度。厚度不均匀就像在一条细线上某些地方粗、某些地方细一样，会导致很多问题。比如，金属带材如果厚度不均，可能会影响后续的冲压、成型性能，甚至在使用中出现强度不足或应力集中。塑料薄膜厚度不均会影响产品的密封性、强度和外观。而对于电池电极片，厚度偏差则直接影响电池的容量、内阻和循环寿命，是产品质量的核心。

因此，对狭窄带材进行高精度、稳定可靠的厚度测量，尤其是在生产线高速运行时进行实时测量，是确保产品质量、提高生产效率和降低废品率的关键。这些测量系统需要能够捕捉到微小的厚度变化，并能快速响应，以便生产线能及时调整。

2. 针对狭窄带材的相关技术标准简介

在狭窄带材的生产和质量控制中，我们需要关注一些核心的测量参数，这些参数的定义和评价方法通常都有行业标准进行规范，虽然我们不列举具体的标准编号，但理解这些参数的意义至关重要。

首先是名义厚度（Nominal Thickness），这是产品设计或工艺要求的理论厚度值，所有测量都是以它为基准。

接着是厚度偏差（Thickness Deviation），指的是实际测量到的厚度与名义厚度之间的差异。这个偏差越小，说明产品的一致性越好。

厚度均匀性（Thickness Uniformity）则评估带材在整个长度和宽度方向上的厚度分布情况。它可以通过在不同位置取样测量，或者通过在线连续扫描得到数据后进行统计分析来评价。

厚度波动率（Thickness Fluctuation）反映了厚度在短时间或短距离内的变化幅度，对于高速生产线来说，控制好波动率才能保证产品性能的稳定性。

此外，还会涉及到带材边缘厚度（Edge Thickness）和中心厚度（Center Thickness）的差异，以及整个横向厚度剖面（Cross-sectional Thickness Profile）的平整度。这些参数的评价方法通常是：通过在特定测量点或扫描线获取数据，然后计算平均值、标准差、最大最小值，或者绘制厚度分布曲线图来进行直观分析。目标是让带材的厚度在允许的公差范围内，并且分布尽可能均匀平稳。

3. 实时监测/检测技术方法

对狭窄带材进行高精度在线厚度测量，市面上有多种非接触式技术方案，它们各有特点，适用于不同的材料和工艺要求。

(1) 市面上各种相关技术方案

激光三角测量技术

这种技术就像用两把直尺，一把从上方量到带材表面，一把从下方量到带材表面，然后用这两把尺子量出的总高度减去它们的固定间距，就能得到带材的厚度。

工作原理和物理基础： 激光三角测量的工作原理是：一个激光器发射一束光斑（或线激光）到被测带材表面，反射回来的激光会被一个高精度的CMOS或PSD（位置敏感探测器）接收。由于激光发射器、被测点和接收器之间形成一个固定的三角关系，当被测带材表面高度发生变化时，反射光斑在接收器上的位置也会相应移动。通过精确计算这个光斑位置的变化，就可以根据三角函数关系，推导出被测点到传感器的距离。

其基本公式可以简化为：

h = L * sin(θ) / sin(α)其中，h 是被测点的高度变化，L 是激光器到探测器的基线距离，θ 是激光入射角，α 是探测器接收角。更精确的计算会涉及到光学系统的几何参数和非线性校正。

在厚度测量中，通常会使用两个独立的激光位移传感器，分别安装在带材的上下两侧，精准对齐。每个传感器独立测量到带材表面的距离。假设上传感器测得的距离是D_top，下传感器测得的距离是D_bottom，两个传感器之间的固定安装距离（空载时）是H_total。那么，带材的实际厚度T就可以通过以下公式计算：

T = H_total - D_top - D_bottom

这种方法的核心在于精确测量两个独立的位移值，然后通过差值计算得到厚度。

核心性能参数的典型范围：

• 精度： 激光位移传感器测量精度通常在±0.02mm~±0.1mm，优质的系统可以达到±0.015mm甚至更高。

• 分辨率： 能够分辨的最小厚度变化，通常在1微米至10微米。

• 响应时间/采样频率： 较快，通常在1kHz到几十kHz，能够满足高速生产线的实时测量需求。

• 测量范围： 根据传感器型号和应用需求，单个传感器的位移测量范围从几毫米到几百毫米甚至更广。

技术方案的优缺点：

• 优点： 测量精度高，响应速度快，适用于多种材料表面（但对镜面和透明材料挑战较大），成本相对适中，系统集成度较高，易于安装和维护。

• 缺点： 对被测材料的表面状况（如颜色、粗糙度、反射率）比较敏感，尤其是在光泽度变化大的情况下可能影响测量稳定性；灰尘、水汽等环境因素可能干扰激光束；传感器需要精确对准，且需要一定的安装空间。对于极薄（几微米）或极厚（几百毫米）的带材可能不适用，或者需要专门的传感器。

X射线透射测量技术

X射线透射测量就像医院的X光检查，X射线穿过材料，根据穿透的程度来判断材料的“厚度”。材料越厚或密度越大，X射线被吸收的就越多，透射出来的就越少。

工作原理和物理基础： X射线源发射出具有特定能量范围的低能X射线，穿透正在运动的带材。在带材下方，X射线探测器接收穿透带材后的X射线强度。由于X射线在物质中传播时会发生衰减，衰减程度与物质的密度、厚度以及X射线能量有关。根据比尔-朗伯定律（Beer-Lambert Law），X射线强度衰减公式为：

I = I0 * e^(-μ * ρ * T)

其中，I0 是入射X射线强度，I 是透射X射线强度，μ 是质量衰减系数（与材料成分和X射线能量有关），ρ 是材料密度，T 是带材厚度。通过测量I和I0，并已知μ和ρ，就可以反向计算出带材的实时厚度T。

核心性能参数的典型范围：

• 测量精度： 典型值可达±0.05%至±0.25%（相对于量程），能达到微米甚至亚微米级别。

• 测量范围： 0.005毫米至2.5毫米，特别适合薄至中等厚度的金属带材。

• 响应时间/采样频率： 实时连续测量，速度快，可满足生产线要求。

技术方案的优缺点：

• 优点： 测量精度极高，尤其适合金属材料；测量结果不受带材表面状况（如颜色、光泽度、温度、表面污染物）影响；非接触式，对带材无损伤。

• 缺点： 系统复杂，设备成本高昂；存在电离辐射，需要严格的安全防护措施；对于复合材料或多层带材，如果各层材料的密度和衰减系数相近，可能难以区分各层厚度；对材料成分变化敏感，需要校准。

共焦色谱测量技术

共焦色谱测量技术听起来很玄乎，其实可以理解为：它使用特殊的光学系统，能把一束白光分解成彩虹一样的颜色，每种颜色的光都聚焦在不同的深度。当某个特定颜色的光刚好聚焦在带材表面并反射回来时，我们就能知道带材表面到传感器的精确距离。

工作原理和物理基础： 共焦色谱技术是基于白光干涉和色散原理。传感器发射一束白光，通过一个特殊的色散透镜（例如衍射光学元件）。这个透镜的特点是，它会将白光中的不同波长（颜色）的光聚焦到空间中不同的深度位置上。也就是说，红色光可能聚焦在距离传感器5毫米处，蓝色光聚焦在6毫米处，依此类推。当带材表面处于某个特定颜色的焦点位置时，只有那个特定波长的光线能高效地从表面反射回传感器。传感器内部的光谱仪会分析反射光的波长成分，从而精确判断被测表面的距离。

在厚度测量中，通常也是将两台共焦位移传感器分别放置在带材的上下两侧进行差分测量，计算公式与激光三角测量类似。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 根据传感器型号，从100微米到30毫米不等。

• 线性度： 极高，通常优于0.05%满量程，可达0.015%满量程。

• 分辨率： 极高，可达到纳米甚至亚纳米级别，如0.001微米起。

• 采样频率： 高达70kHz，适合高速测量。

技术方案的优缺点：

• 优点： 极高的测量分辨率和精度，甚至能达到纳米级；对各种表面（包括镜面、透明、粗糙或有倾斜的表面）都有出色的适用性，不易受材料颜色和光泽度影响；非接触，无磨损。

• 缺点： 测量范围相对有限，通常不适合长距离测量；传感器价格昂贵；需要干净的环境，光学镜片容易受污染影响性能；对安装对齐要求非常高。

(2) 市场主流品牌/产品对比

接下来，我们看看市面上一些知名品牌在狭窄带材厚度测量领域的具体产品和优势。

• 美国赛默飞世尔科技 美国赛默飞世尔科技是厚度测量领域的领导者，其PROGAUGE 2000 X射线厚度测量系统，采用先进的X射线透射原理，提供稳定、高精度的非接触式在线厚度测量。该系统在金属和塑料带材生产线上应用广泛，尤其擅长处理高强度和高精度要求的狭窄带材厚度控制，系统集成度高且易于维护。其测量精度典型值在±0.05%至±0.25%之间，测量范围为0.005毫米至2.5毫米，特别适用于金属带材的精确控制。

• 英国真尚有 英国真尚有提供的ZLDS115激光位移传感器是实现狭窄带材厚度测量的优秀选择。该传感器基于激光三角测量原理，可以通过两个传感器配对实现差分测量。ZLDS115具有最大可达2000mm的宽测量范围，最高分辨率0.01mm和最优线性度±0.03mm，保证了测量的高精度。1kHz的更新频率可实现实时测量，并且具有良好的温度稳定性（±0.03% FS/°C）。其内置的多种滤波器和IP65防护等级使其在恶劣工业环境下也能稳定工作。尤其值得一提的是，它支持高达1500°C以上的高温目标的测量，并能通过两个传感器自动配对进行厚度测量，无需额外控制盒，大大简化了系统集成。

• 德国米铱 德国米铱以其共焦色谱技术在超高精度测量领域享有盛誉。其confocalDT 2471共焦位移传感器，通常通过两台配合组成厚度测量系统，提供极致的测量分辨率和精度。该技术对各种表面，包括镜面、粗糙面、透明材料，都表现出色的适用性。其测量范围从100微米至30毫米，线性度可达0.015%满量程，分辨率更是惊人地从0.001微米起，采样频率高达70千赫。这使得它非常适合对精度和材料兼容性有极高要求的狭窄带材在线厚度测量。

• 日本基恩士 日本基恩士的LJ-V7000系列超高速激光轮廓测量仪，采用激光三角测量原理，能够高速、高精度地获取带材的横截面轮廓数据，进而实现厚度测量。该系列产品以其超高速扫描和高分辨率著称，测量X轴宽度可达240毫米，Z轴高度可达40毫米，重复精度从0.1微米起，采样速度高达64千赫。这使得它在需要快速获取带材完整轮廓并进行精确在线厚度测量，特别是在对测量速度和数据量有高要求的批量检测场景中表现出色。

(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

选择合适的传感器，就像选择一把趁手的工具，需要根据具体的需求来挑选。以下是一些关键的技术指标和选型建议：

• 测量精度与分辨率：

  • 实际意义： 精度代表测量值与真实值接近的程度，分辨率是传感器能识别的最小变化。在狭窄带材生产中，几微米的厚度偏差都可能导致产品报废，所以需要高精度和高分辨率。

  • 选型建议： 如果带材厚度公差要求在±10微米以内，那么传感器的测量精度至少要达到±1-2微米。对于电池极片等高精密材料，分辨率甚至需要达到亚微米级别。

• 测量范围与工作距离：

  • 实际意义： 测量范围是传感器能测量的最大和最小距离，工作距离（或称探头距）是传感器最佳测量位置到被测物的距离。

  • 选型建议： 考虑到生产线上的振动或带材摆动，选择测量范围略大于实际需求波动的传感器，以应对可能出现的位移。同时，确认传感器的工作距离符合现场安装条件，避免传感器过近或过远导致测量不稳定。

• 响应速度（采样频率）：

  • 实际意义： 指传感器每秒能进行多少次测量。生产线通常高速运转，传感器必须足够快才能捕捉到实时变化。

  • 选型建议： 如果带材线速很快，或者需要对快速的厚度波动进行监测，则需要选择采样频率高的传感器（例如1kHz以上）。否则，采样不足可能导致错过重要的厚度变化。

• 环境适应性：

  • 实际意义： 指传感器在粉尘、水汽、油雾、高温等恶劣工业环境下的稳定工作能力。

  • 选型建议： 对于高温带材（如热轧钢带），需要选择具备高温测量能力的传感器。对于有大量粉尘或水汽的环境，防护等级（IP等级）高的传感器（如IP65以上）是必须的。

• 材料特性兼容性：

  • 实际意义： 不同的测量原理对被测材料的表面特性（颜色、光泽度、透明度、导电性）有不同的要求。

  • 选型建议：

    • 金属带材： X射线技术精度极高，激光三角测量也适用，但对反光表面需要注意；共焦色谱也能胜任。

    • 塑料薄膜/非导电材料： 电容式、太赫兹和共焦色谱技术表现优异，激光三角也可用于不透明塑料。

    • 高反光或镜面材料： 共焦色谱技术通常表现最好，特定激光传感器也可能通过调整参数或特殊处理来应对。

    • 透明或多层材料： 太赫兹技术具有穿透性优势，共焦色谱也能测量透明材料表面。

• 线性度与重复性：

  • 实际意义： 线性度是传感器输出与实际位移变化的对应程度，越好表示测量曲线越接近直线。重复性是指多次测量同一目标时，结果的一致性。

  • 选型建议： 这两个指标直接影响测量的可靠性。在选择时应关注厂商提供的具体参数，确保它们满足或超过生产线的质量控制要求。

(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，在实际应用中也可能遇到一些挑战。

• 带材振动与摆动：

  • 原因及影响： 狭窄带材在高速运动中容易发生垂直振动或横向摆动，这会导致传感器测量到的不是带材的真实厚度，而是传感器与带材表面的距离加上或减去振动量，从而引入测量误差。

  • 解决建议：

    • 机械阻尼与导向： 在测量区域前后设置高精度的导向辊或张力控制系统，以稳定带材位置。

    • 软件滤波： 传感器通常内置或上位机软件可实现多种滤波功能（如滑动平均、中值滤波），可以平滑测量数据，滤除部分高频振动影响。

    • 双传感器同步测量： 使用两个传感器分别测量带材上下表面，并进行实时差值计算，这种方式能有效抵消带材的整体垂直振动。

• 环境因素干扰（粉尘、水汽、油污、温度变化）：

  • 原因及影响： 激光束可能被粉尘、水汽或油雾遮挡或散射，影响光斑质量和信号强度。温度剧烈变化可能导致传感器本身或被测带材发生热膨胀/收缩，影响测量精度。

  • 解决建议：

    • 防护与清洁： 选择高防护等级（IP65及以上）的传感器。对于光学窗口，应定期进行清洁，或加装空气吹扫装置，保持光学通路清洁。

    • 温度控制： 对于环境温度波动较大的场合，考虑对传感器进行恒温控制。

    • 校准： 定期进行现场校准，以修正由环境变化引起的系统漂移。

• 被测带材表面特性不均：

  • 原因及影响： 带材表面颜色、光泽度、粗糙度不一致，或者表面有划痕、污渍，可能导致激光反射特性不均匀，影响测量稳定性。

  • 解决建议：

    • 选择适应性强的传感器： 如共焦色谱传感器对表面特性不敏感。

    • 激光参数调整： 对于激光三角测量传感器，有些型号允许调整激光功率或接收增益，以适应不同表面。

    • 多点测量与平均： 在带材的宽度方向上部署多个测量点，或者使用线激光传感器获取横截面轮廓，然后对数据进行平均处理，以减小局部表面不均带来的误差。

• 测量盲区与边缘效应：

  • 原因及影响： 激光光斑需要一定的面积，在带材边缘处，部分光斑可能会打到带材之外，导致测量不准确。

  • 解决建议：

    • 合理设置测量位置： 将测量点设置在距离带材边缘一定距离处，避开边缘不稳区域。

    • 选择线激光传感器： 对于需要测量边缘厚度或横截面轮廓的场景，线激光传感器可以提供更全面的数据。

    • 软件算法优化： 开发或使用具有边缘识别和修正功能的软件算法，排除边缘畸变数据。

4. 应用案例分享

非接触式激光厚度测量技术在许多工业领域都有着广泛的应用：

• 金属板带材加工： 在钢板、铝板等金属材料的轧制线上，实时监测带材厚度，确保产品符合公差要求，提高轧制精度和均匀性。 例如，英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器凭借其高精度和快速响应，能够满足金属带材加工中对厚度控制的严格要求。

• 电池制造： 特别是锂离子电池生产中，对电极涂布后的极片厚度进行高精度测量，直接影响电池的能量密度、内阻和循环寿命。

• 塑料薄膜/片材生产： 在挤出或流延生产线上，精确控制塑料薄膜或片材的厚度，以保证产品的力学性能、光学性能和密封性能。

• 半导体晶圆/玻璃基板制造： 对超薄的硅晶圆、玻璃基板等进行厚度测量，确保其平整度和一致性，满足后续精密加工的要求。