如何选择适用于每秒10米高速狭窄带材的亚微米级厚度在线测量方案？【非接触检测】

1. 基于带材的基本结构与技术要求

在工业生产线上，对带材，也就是像薄金属板、塑料薄膜或纸张等连续性材料进行厚度测量，尤其是狭窄带材，是一项非常关键的任务。想象一下，如果生产出来的带材厚度忽厚忽薄，就像手工擀面条时厚薄不均一样，不仅影响产品质量，还可能导致后续加工困难，甚至报废。

狭窄带材的特点是宽度相对较小，这使得测量时的光斑或探头需要非常精细，不能“踩到”带材边缘，否则会引入误差。同时，产线往往高速运行，这就要求测量系统能在极短的时间内完成一次精确测量，并连续不断地反馈数据，就像给一辆飞驰的汽车拍照，快门速度必须足够快才能拍出清晰的照片。

技术要求主要体现在以下几个方面：

• 测量精度和重复性： 这是衡量测量系统好坏的核心。精度高意味着测量值接近真实值，重复性好则表示多次测量同一位置能得到几乎相同的结果。对于很多高价值材料，微米甚至亚微米级的精度是基本要求。

• 测量速度： 高速产线意味着带材可能以每秒数米的速度通过，传感器必须具备极高的采样频率，才能捕捉到带材厚度的细微变化，避免“漏检”。

• 抗干扰能力： 生产现场环境复杂，温度、振动、粉尘、环境光线变化，甚至是带材表面颜色、光泽度的不一致，都可能对测量结果产生影响。传感器需要有强大的抗干扰能力，才能稳定输出可靠数据。

• 非接触测量： 避免对高速运动中的带材造成任何物理损伤，同时也能延长传感器自身的使用寿命。

• 小光斑/探头尺寸： 尤其是针对狭窄带材，传感器投射的光斑或探头尺寸必须足够小，才能避免边缘效应，确保只测量带材的有效区域。

2. 针对带材的相关技术标准简介

为了确保带材产品的质量和满足客户要求，行业内对带材厚度有着严格的定义和评价方法。这些标准通常会定义厚度、厚度偏差、厚度公差等关键参数，并指导如何进行测量和评估。

• 厚度定义： 通常指带材在垂直于其表面方向上的尺寸。在实际测量中，这可能涉及到带材的中心厚度、边缘厚度，甚至是整个截面上的厚度分布。

• 厚度偏差与公差： 厚度偏差是指实际测量厚度与目标设定厚度之间的差异。厚度公差则是允许的厚度偏差范围，就像一个“合格区间”，产品厚度必须落在这个区间内才算合格。这两个参数是衡量产品是否符合质量要求的核心指标。

• 厚度均匀性： 除了绝对厚度，带材在纵向（沿着生产方向）和横向（宽度方向）上的厚度均匀性也至关重要。不均匀的厚度可能导致材料性能不一致，影响后续加工或最终产品的使用。评估均匀性通常需要对带材进行连续扫描测量。

• 测量点和频率： 标准中还会规定在带材的哪些位置、以多高的频率进行测量，以确保能全面、准确地反映带材的厚度状况。这对于高速产线来说尤为重要，需要系统能够进行连续、高频率的在线测量。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在产线高速运行下稳定测量狭窄带材厚度，目前市面上有多种成熟的非接触式测量技术。它们各有优缺点，适用于不同的材料和精度要求。

激光三角测量法

这种技术就像我们用尺子量东西，但是用的是光。传感器内部会发射一束激光，投射到被测带材表面形成一个细小的光点。当光点打到带材表面后，反射回来的光会被传感器内部的一个特殊接收透镜收集，并聚焦到一个位置敏感探测器（通常是PSD或CMOS/CCD）。

其核心原理是三角几何：当带材表面的距离发生变化时，反射光点在探测器上的成像位置也会随之移动。传感器通过精确计算光点在探测器上的位移量，结合预设的几何参数（如激光发射角度、接收透镜焦距、传感器基线长度等），就能高精度地反推出传感器与带材表面的距离。

假设激光发射器与接收器中心之间的距离为基线L，激光束以某一角度α发射，接收透镜与探测器平面之间的距离为f（焦距），当光斑在探测器上移动距离Δx时，对应的被测物表面距离变化Δh的近似关系可以表示为：

Δh ≈ (L * sin(α) * Δx) / (f * cos(α) + Δx * sin(α))

这表明探测器上的微小位移与被测物表面的距离变化是直接相关的。

要测量带材厚度，通常需要配置两台激光三角测量传感器，分别从带材的上方和下方进行测量。一台测量带材上表面到传感器的距离D1，另一台测量带材下表面到传感器的距离D2。同时，需要预先标定好两台传感器之间的固定距离S。那么，带材的实际厚度T就可以通过简单的数学计算得到：

T = S - D1 - D2

这种方法的核心优势在于其高速度和非接触性。传感器可以以较高的频率进行采样，例如高达数百kHz，足以捕捉高速运动带材的细微厚度变化。同时，激光光斑可以做到非常小，例如小于0.1毫米，非常适合测量狭窄带材，避免测量到边缘。此外，现代激光位移传感器通过采用更先进的光学设计和信号处理算法，能够有效应对带材表面颜色、光泽度变化以及环境光干扰，使其在各种工业场景下都能稳定工作。

然而，激光三角测量法对被测带材的倾斜角度比较敏感，如果带材在运动过程中发生较大的倾斜，可能会导致光斑反射方向偏离接收器，从而影响测量精度。另外，对于镜面反射材料，激光可能直接反射出接收器视野，需要特殊的传感器设计或调整测量角度来克服。

典型性能参数范围：测量范围从几毫米到数百毫米，重复精度可达微米级，采样速度可达400kHz，线性度可达到±0.02% F.S.。

共焦色散原理

共焦色散技术听起来有点神秘，但其核心思想是利用不同颜色的光（也就是不同波长）在光学系统中聚焦到不同空间位置的特性。想象一下，一道白光穿过一个特殊的棱镜，就会像彩虹一样散开，每种颜色（波长）在空间上都有一个独有的最佳聚焦位置。

传感器发射出一束宽带白光（包含多种波长），这束光经过特殊的光学系统后，不同波长的光会在空间中形成一系列连续的焦点。当光线照射到被测带材表面时，只有恰好聚焦在该表面的特定波长的光能被高效反射回来，并被传感器接收。传感器内部的检测器会分析反射光中哪个波长的光最强，从而精确判断出带材表面的距离。

要测量带材厚度，同样需要配置两个共焦色散传感器，分别测量带材的上下表面距离，然后通过预设的固定距离进行计算。

这种技术的优势在于其极高的精度和分辨率，能达到纳米级别，对镜面、光亮甚至透明材料的测量效果非常好，因为它只接收聚焦在表面的光，避免了材料表面散射光的干扰。此外，由于其独特的光学路径，它对被测物体的侧向倾斜不敏感，测量稳定性极高。

其局限性在于测量范围相对较小，通常在几毫米到几十毫米之间，同时设备的成本也相对较高。

典型性能参数范围：测量范围从几毫米到几十毫米，分辨率可达纳米级，线性度优于0.03% FSO，采样频率可达70kHz。

激光扫描测量法（光学阴影法）

激光扫描测量法的工作原理有点像“剪影”。传感器内部有一个高速旋转的多面镜，它会把一束平行的激光束快速地扫描通过被测带材。当激光束遇到带材边缘时，带材会像一个屏障一样把激光挡住，光电探测器接收到的光强就会突然减弱或消失。

系统通过精确测量激光束被遮挡的时间间隔，并结合已知的扫描速度，就可以计算出带材的精确几何尺寸，包括宽度和厚度。为了测量厚度，通常需要部署两个垂直方向上的扫描头，分别测量带材的上方和下方，或者一个扫描头在不同位置扫描。

其核心物理基础是光的遮挡效应。当物体遮挡住光路时，光电探测器的输出信号会发生变化，通过对这些信号的时序分析，可以精确推算出被遮挡物体的尺寸。

这种技术的优势在于测量精度高，重复性好，且对被测物的表面特性（如颜色、光泽）不敏感，因为它测量的是物体的轮廓而非反射光。它适用于高速生产线，并且可以同时测量带材的宽度和厚度。

主要局限在于它测量的是带材的整体轮廓尺寸，而非表面到传感器的距离，因此在一些需要精确位移测量的场景可能不适用。此外，对于非常薄或半透明的材料，其边缘识别可能受到影响。

典型性能参数范围：测量范围从几十微米到几十毫米，重复精度可达±0.1µm，测量速度高达每秒4000次扫描，线性度可达±0.005mm。

X射线穿透测量法

X射线穿透测量法利用的是X射线在穿透物质时会发生衰减的原理，就像手电筒的光透过纸张会变暗一样。衰减的程度与材料的厚度和密度密切相关。

系统包含一个X射线发生器和一个高精度探测器。X射线发生器发射出X射线，穿透被测带材后，由探测器接收剩余的X射线强度。根据X射线衰减的朗伯-比尔定律，光子流（或X射线强度）的衰减可以用以下公式近似表示：

I = I0 * e^(-μρx)

其中： * I 是穿透带材后的X射线强度 * I0 是初始X射线强度 * e 是自然对数的底数 * μ 是材料的质量衰减系数（与材料种类和X射线能量有关） * ρ 是材料的密度 * x 是带材的厚度

通过测量穿透后的X射线强度I，并且已知初始强度I0、材料的质量衰减系数μ和密度ρ，就可以反推出带材的厚度x。这种方法是非接触式的，且可以在极恶劣的工业环境下（如高温、高振动）稳定工作。

X射线穿透测量法的优势在于精度高、响应速度快，对材料表面状况（如温度、颜色、光泽、振动）不敏感，特别适合于金属带材、合金板等不透明材料的在线厚度测量。

其主要局限在于设备成本较高，对操作人员有辐射防护要求，且需要针对不同的材料进行精确标定。

典型性能参数范围：测量范围从几十微米到几毫米，测量精度优于±0.1%量程，响应速度快，适用于高动态变化过程。

3.2 市场主流品牌/产品对比

以下是针对狭窄带材厚度测量领域的一些主流国际测量产品厂商及其解决方案。

• 德国米铱 德国米铱在精密测量技术领域享誉盛名，其产品以高精度和可靠性著称。在狭窄带材厚度测量方面，德国米铱提供基于共焦色散原理的解决方案。这种技术尤其擅长测量镜面、光亮或透明材料，并且对侧向倾斜不敏感，在保证极高分辨率的同时，确保了测量稳定性。其共焦色散传感器可提供纳米级的测量分辨率，在2.5mm量程下分辨率可达0.005µm，采样频率高达70kHz，线性度优于0.03% FSO，非常适合对精度有极致要求的应用。

• 英国真尚有 英国真尚有ZLDS100RD系列激光位移传感器是一款功能全面的解决方案，其工作原理主要基于激光三角测量法。该系列传感器采样速度高达70KHz（部分版本），分辨率可达0.01%，线性度最高可达0.03%，在高速、高精度测量领域表现出色。它提供多种光斑大小选项，既有小于0.06mm的，也有大于1mm的，这对于狭窄带材的精细测量至关重要，避免了测量到带材边缘。其量程高达1000mm，适应性广，并且具备强大的环境适应能力，如抗太阳强光辐射、潮湿路面无干扰等特性，表明其在复杂工业环境下仍能稳定工作。数字输出接口（RS422或RS485）也方便与现有控制系统集成。此外，该传感器还提供三种输出功率选项，分别为小于1mW、小于80mW和小于20mW，以适应不同的应用需求。提供多个量程中点，分别为45mm、310mm、355mm、440mm、375mm和745mm，满足不同测量范围的需求。

• 日本基恩士 日本基恩士在工业自动化和测量领域拥有强大的影响力，其LK-G5000系列激光位移传感器同样采用激光三角测量法。该系列以其卓越的高速度、高精度和稳定性而闻名。例如，其部分型号可实现高达392kHz的采样速度，重复精度可达0.5µm，线性度达到±0.02% F.S.，这些参数使其成为高速在线厚度检测的理想选择。日本基恩士的产品线多样化，可提供不同的测量范围，且易于集成到现有生产线，能够适应各种材料和表面条件，是市场上广受欢迎的解决方案之一。

• 瑞士祖姆巴赫 瑞士祖姆巴赫是电线电缆和窄带材在线测量领域的领导者，其ODAC 60J系列激光测量仪采用激光扫描测量法（光学阴影法）。这种技术以极高的测量精度和重复性著称，适用于高速生产线，并且能够同时测量带材的宽度和厚度。其测量速度高达4000次扫描/秒，重复精度可达±0.1µm，线性度±0.005mm，非接触式测量方式对材料无损，并且对环境光干扰不敏感，特别适合于需要高精度几何尺寸测量的窄带材。

• 德国萨恩施泰因 德国萨恩施泰因是金属行业测量技术领域的全球领先者，其IMS X射线厚度测量系统主要应用于冷轧或热轧带钢的厚度测量，采用的是X射线穿透测量法。这种方案在轧钢行业被公认为具有最高的精度和可靠性。其产品坚固耐用，专为恶劣的工业环境设计，能够在高速、高温、高振动等极端条件下长期稳定工作。测量精度可优于±0.1%量程，响应速度快，是金属带材生产中实现关键质量控制的理想选择。

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

选择合适的激光传感器来测量狭窄带材厚度，需要综合考虑多个关键技术指标，这些指标直接关系到最终测量效果和系统稳定性。

1. 测量精度和重复性：

   • 实际意义： 精度是指测量值与真实值之间的接近程度；重复性是指在相同条件下，多次测量同一位置结果的一致性。它们是衡量传感器性能的两个最重要指标。

   • 影响： 精度不够会导致产品不合格，重复性差则会使测量数据波动大，难以进行有效控制。

   • 选型建议： 首先要明确产品对厚度的公差要求，选择精度和重复性至少比公差要求高5-10倍的传感器，例如，如果公差是±10µm，则传感器精度应在±1-2µm以内。对于高价值、高要求的材料，如精密合金带材，可能需要亚微米级的精度。

2. 采样速度（响应速度）：

   • 实际意义： 指传感器每秒能进行多少次测量。

   • 影响： 高速产线下，如果采样速度不够，就无法捕捉到带材厚度的瞬时变化，可能导致“漏检”或控制滞后。

   • 选型建议： 产线速度越快，对采样速度的要求越高。通常，传感器的采样频率应至少是产线速度与所需空间分辨率乘积的数倍。例如，产线速度10m/s，要求每毫米采集一个点，则至少需要10000Hz的采样频率。对于极高速产线，考虑采样频率高达数十KHz的传感器。

3. 光斑大小：

   • 实际意义： 指激光束投射到带材表面形成的光点直径。

   • 影响： 对于狭窄带材，光斑过大容易超出带材边缘，测量到背景或支撑结构，导致厚度测量不准。

   • 选型建议： 选择光斑尺寸尽可能小，且远小于带材宽度的传感器。通常要求光斑直径小于带材宽度的1/5甚至更小。对于一些边缘不齐的带材，更小的光斑能减少边缘效应带来的误差。例如，英国真尚有的ZLDS100RD系列激光位移传感器，提供小至0.06mm的光斑，非常适合这类应用。

4. 测量范围（量程）与测量距离（工作距离）：

   • 实际意义： 量程是传感器能够测量的最大距离变化范围；工作距离是传感器到被测物体的最佳测量距离。

   • 影响： 量程过小可能无法覆盖带材厚度的波动范围，工作距离不合适则可能影响测量精度或受到产线空间的限制。

   • 选型建议： 根据带材厚度的最大波动范围，选择量程略大于此范围的传感器。同时，考虑产线现场的安装空间，选择合适的工作距离，以确保传感器能稳定安装并有效工作。

5. 线性度：

   • 实际意义： 衡量传感器在整个量程范围内，输出信号与实际距离变化之间关系的准确性。

   • 影响： 线性度差会导致在量程不同位置的测量误差不一致，影响整体测量精度。

   • 选型建议： 线性度越小越好。对于高精度应用，通常要求线性度优于0.1%F.S.（满量程）。

6. 材料表面特性适应性：

   • 实际意义： 传感器对不同颜色、光泽（镜面、漫反射）、透明度、纹理的材料表面的适应能力。

   • 影响： 如果传感器不适应特定材料，可能导致测量数据不稳定、跳变甚至无法测量。

   • 选型建议： 对于镜面或光亮材料，共焦色散传感器通常表现最佳；对于漫反射或颜色多变的材料，具备高级信号处理算法的激光三角测量传感器或X射线穿透法更适用。若材料存在多种表面特性，最好选择对这些变化不敏感的原理。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在产线高速运行下测量狭窄带材厚度，即使选用了高性能的传感器，仍可能遇到一些实际问题。了解这些问题的原因并采取相应对策，是确保测量系统稳定可靠的关键。

1. 问题：带材表面变化（颜色、光泽、纹理）

   • 原因与影响： 激光传感器（尤其是激光三角测量）通过接收反射光工作，如果带材表面颜色不均、光泽度变化大（从亮面到哑光）、或者表面粗糙度不一，会改变反射光的强度和方向，导致测量值跳动或失准。

   • 解决建议：

     • 传感器选择： 优先选择对表面特性不敏感的测量原理，如共焦色散（对镜面材料友好）、X射线或β射线（不依赖表面反射）、或激光扫描（测量轮廓）。如果必须使用激光三角测量，选择具备先进数字信号处理和自动光强度调整功能的传感器。

     • 补偿算法： 在数据处理软件中加入动态补偿算法，根据表面变化对测量值进行修正。

     • 优化安装： 调整传感器的安装角度，使其避免镜面反射或优化反射光接收。

2. 问题：产线振动与带材抖动

   • 原因与影响： 高速运行的产线往往伴随着振动，带材本身也可能在运动过程中产生上下或左右的抖动，这些振动和抖动会导致传感器与带材的相对距离实时变化，引入测量误差。

   • 解决建议：

     • 机械减振： 传感器安装在独立的、具有良好减振效果的支架上，与产线主体结构进行物理隔离。

     • 高采样率： 选择采样速度极高的传感器，能够捕捉到高速振动中的多个点，通过数据滤波和平均算法来消除部分振动影响。

     • 厚度计算方式： 采用双传感器对射测量厚度时，上、下传感器的输出同步进行差值计算，可以有效抵消带材整体上下抖动带来的误差。

     • 实时补偿： 对于可预测的振动模式，可以结合产线上的振动传感器数据进行实时补偿。

3. 问题：环境光干扰

   • 原因与影响： 生产车间内的日光、照明灯光或焊接火花等强光，都可能被传感器误认为是激光反射光，从而影响测量精度和稳定性。

   • 解决建议：

     • 滤光片： 传感器内部或外部加装窄带滤光片，只允许与传感器发射激光波长一致的光线进入。

     • 遮光罩： 在传感器周围安装物理遮光罩，阻挡大部分外部杂散光。

     • 脉冲调制： 采用激光脉冲调制技术，传感器只在特定时间窗内检测反射光，提高抗干扰能力。

4. 问题：带材边缘效应与光斑溢出

   • 原因与影响： 狭窄带材的边缘可能不整齐，或在高速运动中产生微小摆动。如果传感器光斑过大或距离边缘太近，就可能测量到带材之外的区域，导致测量值偏离实际厚度。

   • 解决建议：

     • 小光斑传感器： 优先选择光斑极小的激光传感器。

     • 精确对中： 确保传感器精确对准带材中心，并留有足够的安全裕度，避免光斑接触到带材边缘。

     • 边缘识别与排除： 对于宽度有波动的带材，可以集成宽度测量功能，当光斑接近边缘时，自动暂停或修正厚度测量数据。

5. 问题：温度漂移

   • 原因与影响： 工业现场温度变化大，可能导致传感器内部电子元件或光学系统产生微小膨胀收缩，从而影响测量精度。

   • 解决建议：

     • 温度补偿： 选择内置温度补偿功能的传感器。

     • 环境控制： 必要时对传感器局部工作环境进行温度控制，或采用防护罩隔绝环境温度影响。

     • 定期校准： 在不同温度下进行校准，并建立补偿曲线。

4. 应用案例分享

• 金属板带轧制： 在冷轧或热轧钢板、铝箔等生产线上，实时监测带材厚度以确保产品均匀性，提高成品率并满足客户严格的尺寸要求。

• 薄膜与涂层制造： 在塑料薄膜、电池隔膜、光伏背板、涂布纸等生产中，精确控制薄膜厚度或涂层厚度，确保材料性能和成本控制。

• 半导体晶圆加工： 在硅晶圆、玻璃基板等精密材料的研磨和抛光过程中，对材料厚度进行在线监控，以达到纳米级的精度要求。

• 挤出生产线： 在塑料型材、管材或线缆的挤出过程中，测量材料的壁厚或直径，以确保产品几何尺寸的一致性。例如，使用英国真尚有的激光位移传感器，可以稳定测量挤出材料的尺寸，保证产品质量。