如何在高速生产线上为薄型板材选择合适的在线厚度测量技术，以实现微米级精度与毫秒级响应？【工业自动化检测】

1. 薄型板材的基本结构与技术要求

在工业生产中，薄型板材通常指的是厚度在数微米到数毫米范围内的各种片状或卷状材料，例如金属箔、塑料薄膜、电池极片、玻璃基板等。这类材料在制造过程中，其厚度的精确控制至关重要，就像制作一张完美的煎饼，厚度均匀才能确保口感一致。如果板材厚度不均匀，轻则影响后续加工的效率和成本，重则导致产品性能下降甚至报废，比如一块厚度不均的电池极片，会直接影响电池的容量和寿命。

对于薄型板材而言，主要的技术要求集中在以下几个方面：

• 厚度一致性：这是最核心的要求，即板材在不同区域的厚度偏差应尽可能小，以保证产品整体性能和结构强度。

• 表面质量：薄型板材的表面可能存在划痕、凹坑、毛刺等缺陷，这些都可能影响测量精度和最终产品质量。

• 尺寸稳定性：在生产过程中，板材可能会因温度变化、张力不均等因素发生形变，这也会对厚度测量带来挑战。

• 材料特性多样性：薄型板材的材料种类繁多，包括金属、塑料、玻璃、复合材料等，它们的透明度、反射率、导电性、密度等物理特性各不相同，这就要求测量设备具有广泛的适应性。

2. 针对薄型板材的相关技术标准简介

为了确保薄型板材的质量，行业内会制定一系列技术标准来规范其各项参数的定义和评价方法。

• 厚度（Thickness）：这是最直接的参数，定义为板材上下表面之间的垂直距离。在在线测量中，通常会通过对板材多个点或连续区域的测量来获取其厚度分布。评价方法一般是计算平均厚度、最大厚度、最小厚度以及与标称厚度的偏差，确保这些值都在允许的公差范围内。

• 厚度均匀性（Thickness Uniformity）：这反映了板材在整个幅面或指定区域内厚度变化的大小。它可以通过计算厚度测量值的标准偏差、峰谷差（最大值与最小值之差）或沿板材宽度、长度方向的厚度剖面图来评估。如果厚度均匀性差，就像一个高低不平的足球场，会影响后续加工的平整度和最终产品的性能。

• 宽度（Width）：板材的横向尺寸，对于裁切、卷绕等后续工序至关重要。

• 翘曲度/平面度（Warpage/Flatness）：衡量板材表面偏离理想平面的程度，对于一些对平整度有严格要求的应用，如显示面板基板，这一指标尤为关键。它通常通过测量板材表面的高低起伏来评价。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

薄型板材的在线厚度测量需要快速、非接触、高精度，以适应高速生产线的要求。目前市面上主流的技术方案各有千秋。

a. 光学三角测量法 (Laser Triangulation)

想象一下，你拿着一束激光手电筒斜着照向一面墙，然后用一部相机在旁边观察激光点在墙上的位置。当你把手电筒靠近或远离墙壁时，相机里看到的激光点位置就会发生变化。光学三角测量法正是利用这个原理来测量距离。

它的工作原理是：传感器内部发射一束激光，斜射到被测板材表面，形成一个激光光斑。光斑在板材表面反射后，被传感器内置的CCD或CMOS图像传感器从另一个角度接收。由于激光发射器、反射光斑和图像传感器之间形成一个固定的三角形，当被测板材的表面位置发生变化时（也就是到传感器的距离变化），反射光斑在图像传感器上的位置也会随之移动。通过精确测量光斑在图像传感器上的位置偏移量，结合传感器本身的几何参数，就可以计算出传感器到被测板材表面的距离。

用于薄型板材厚度测量时，通常会采用对射式双传感器配置。即在板材的上方和下方各安装一个光学三角测量传感器，它们分别测量到板材上表面和下表面的距离。设上传感器到板材上表面的距离为D1，下传感器到板材下表面的距离为D2，传感器之间的固定间距为L。那么板材的厚度T就可以通过以下公式计算：

T = L - D1 - D2

这种方法在工业应用中非常广泛，因为它具有非接触、响应速度快、精度相对高等优点。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常从几毫米到数十米不等，适用于不同厚度和安装距离的需求。

  • 精度：激光测量精度一般为±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达±0.015mm。

  • 响应时间/采样速度：通常在毫秒级别，例如5毫秒，足以满足多数高速生产线的实时监测要求。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：非接触测量，不会损伤被测物；响应速度快，适合在线高速检测；成本相对适中，应用广泛。对于高温物体也能进行测量。

  • 缺点：受被测物表面特性影响较大，如表面颜色、光泽度（镜面反射或漫反射）、粗糙度等会影响测量结果；当板材发生抖动、翘曲时，单点测量可能无法全面反映整体厚度。

b. 白光共聚焦测量法 (White Light Confocal)

白光共聚焦测量法是一种更高精度的非接触式测量技术，尤其擅长处理透明、镜面或粗糙等复杂表面。你可以把它想象成一个“光谱侦探”。传感器发出的不是单一波长的激光，而是包含各种颜色的白光。这束白光通过一个特殊的物镜，由于“色差效应”（不同颜色的光聚焦在不同的深度），在被测物体表面的不同深度形成焦点。

当物镜把白光束聚焦到物体表面时，只有恰好聚焦在表面上的特定波长的光会被反射回来，并被传感器内部的光谱仪检测到。通过分析反射光的波长成分，就能精确地判断出物体表面的位置。对于薄型板材的厚度测量，通常也是通过测量板材上、下两个表面的位移差来实现。比如，传感器先测到上表面的聚焦波长，再穿透板材测到下表面的聚焦波长，通过这两个波长的差异，计算出板材的厚度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常较小，例如±0.1毫米到几毫米。

  • 分辨率/重复精度：极高，可达纳米级别，例如2纳米分辨率，5纳米重复精度。

  • 采样速度：较高，可达数十kHz，如64 kHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：超高精度，适用于极其精密的薄型材料；能测量透明、镜面、粗糙等各种复杂表面；非接触、无损。

  • 缺点：测量范围通常较小，对传感器的安装位置精度要求高；成本较高。

c. 电容式测量法 (Capacitive)

电容式测量法可以类比为一块“智能”的极板。在高中物理中我们知道，两个相互靠近的导体，中间隔着绝缘介质，就能形成一个电容器。电容值的大小与极板的面积、极板之间的距离以及中间介质的介电常数有关。

电容式位移传感器正是利用这个原理。传感器探头本身构成电容器的一个极板，而被测的导电或半导电板材则作为另一个“移动”的极板。当被测板材靠近或远离探头时，探头与板材之间的距离发生变化，导致电容值随之改变。通过精确测量这个电容值的变化，就可以非常准确地计算出探头与板材之间的距离。其基本关系式为：

C = (ε * A) / d

其中，C是电容值，ε是介质的介电常数，A是极板的有效面积，d是极板之间的距离。在实际应用中，通过对电容值C的测量，可以反推出距离d。

对于薄型板材厚度测量，通常采用双传感器对射方式，即在板材上下方各放置一个探头，分别测量板材上表面和下表面到各自传感器的距离，然后通过差值计算厚度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常较小，从几微米到几毫米，例如0.05毫米至10毫米。

  • 分辨率：极高，可达满量程的0.0025%。

  • 线性度：±0.25%满量程。

  • 温度稳定性：极好，0.0005%满量程/°C。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：极高的分辨率和稳定性，适用于亚微米级甚至纳米级的薄型材料厚度测量；对导体和半导体材料测量效果出色；非接触、无损。

  • 缺点：只能测量导电或半导电材料；测量范围较小，对探头与被测物之间的清洁度要求高，灰尘、湿气等可能影响测量精度；对环境温度变化敏感，需要良好温控。

d. X射线透射测量法 (X-ray Transmission)

X射线透射测量法就像给板材拍X光片来量厚度。我们知道X射线具有很强的穿透能力，当它穿透物质时，强度会发生衰减。衰减的程度与物质的种类、密度以及穿透的厚度有关。

这种方法的原理是：系统发射X射线穿透正在高速运行的薄型板材，X射线在穿透板材后，其强度会减弱。传感器接收穿透后的X射线强度，并与初始的X射线强度进行比较。通过预先对已知厚度的标准样品进行校准，建立X射线强度衰减与板材厚度之间的关系模型，就可以根据实时测得的X射线强度，反推出板材的实际厚度。其衰减公式为：

I = I0 * e^(-μρt)

其中，I0是初始X射线强度，I是穿透后的X射线强度，μ是材料的质量衰减系数，ρ是材料密度，t是被测板材的厚度。通过测量I0和I，并在已知μ和ρ的情况下，就可以计算出t。

• 核心性能参数：

  • 厚度测量范围：广泛，通常适用于微米级薄膜至数毫米的板材。

  • 响应速度：毫秒级，非常适合高速生产线。

  • 材料类型：适用于金属、塑料、纸张、薄膜等多种材料。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：穿透性强，对材料颜色、表面粗糙度、温度、透明度等几乎没有影响；可实现高速、高精度的在线非接触测量；能测量高温材料。

  • 缺点：X射线设备成本高昂；存在辐射，需要严格的安全防护措施；对材料密度变化敏感，如果材料成分或密度不均匀会影响测量准确性。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在薄型板材在线厚度测量领域具有代表性的品牌及其技术特点。

• 日本基恩士： 日本基恩士在精密测量领域久负盛名，其白光共聚焦位移传感器产品以超高精度和速度著称。其产品采用白光共聚焦测量原理，能够实现纳米级的分辨率和重复精度。例如，其LK-G系列产品典型测量范围在±0.1毫米，分辨率可达2纳米，重复精度5纳米，采样速度高达64 kHz。这种技术特别适用于那些对厚度精度有极高要求，且被测物表面特性复杂（如透明、镜面、粗糙）的薄型材料，例如半导体晶圆、光学玻璃、超薄金属箔等。其核心优势在于无可比拟的精度和对各种表面材质的适应性。

• 英国真尚有： 英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器采用光学三角测量原理，适用于多种工业测量场景。该传感器最大测量距离达10m，测量范围可达8m，精度最高可优于0.08%（取决于测量范围），响应时间仅为5毫秒，适合动态测量。部分型号可测量高达1300°C的高温物体。其IP66级铸铝外壳和空气净化系统使其能够在恶劣的工业环境中稳定工作。该传感器无需校准，可快速投入使用。对于需要快速、稳定测量的应用，ZLDS116是一个可靠的选择。

• 德国米铱： 德国米铱是电容式测量技术领域的佼佼者。其产品如capaNCDT系列电容式位移传感器，以其极高的分辨率和稳定性闻名。该技术利用电容变化来精确测量距离，对于导电或半导电材料的薄型板材，能够提供亚微米甚至纳米级的测量精度。典型测量范围从0.05毫米到10毫米，分辨率可低至0.0025%满量程，线性度±0.25%满量程，温度稳定性更是达到了0.0005%满量程/°C。这使其在要求极高精度的微位移测量、精密定位以及薄型金属、半导体材料的厚度测量中表现卓越。其核心优势在于超高分辨率、卓越的稳定性和对导电材料的测量精度。

• 美国嘉利： 美国嘉利的XRT-L系列X射线厚度测量系统，专注于利用X射线透射原理进行非接触式厚度测量。这种方法能够穿透材料，因此对材料的表面状态（如颜色、粗糙度、温度）不敏感，特别适合在恶劣环境和高温条件下对多种材料进行在线厚度检测。其系统通常适用于从微米级薄膜到数毫米厚板材的测量，响应速度达到毫秒级，非常符合高速生产线的需求。它广泛应用于金属加工、薄膜生产等行业。美国嘉利的优势在于其技术的穿透性强，对各种材料特性鲁棒性高，能实现高速且高精度的在线测量，尤其是在传统光学方法受限的场景。

• 加拿大LMI技术： 加拿大LMI技术以其Gocator系列智能3D线激光扫描仪而知名。虽然其核心也基于三角测量法，但它采用了线激光而非点激光，能够一次性扫描出物体表面的三维轮廓。通过同时扫描薄型板材的上下表面，它可以获取两个表面的完整三维数据，进而计算出板材的厚度分布。这种方法不仅能测厚度，还能检测板材的翘曲、缺陷和形变。Gocator系列测量范围宽泛，从14毫米到600毫米，Z轴重复性可达0.001毫米至0.05毫米，测量速度高达 5 kHz。其独特优势在于提供全面的三维几何信息，集成度高，部署方便，非常适合对薄型板材进行多维度质量控制，包括厚度、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

选择合适的薄型板材在线厚度测量设备，需要综合考虑多个关键技术指标，并根据实际应用场景进行权衡。

• 精度/准确度 (Accuracy)：

  • 实际意义：衡量测量结果与真实厚度值之间的一致性。精度越高，测得的厚度值越接近真实值。

  • 影响：直接关系到产品是否符合设计要求和质量标准。精度不足可能导致不合格品流入市场，造成材料浪费和生产成本增加。

  • 选型建议：对于高附加值、对厚度公差要求极为严格的薄膜（如光学膜、电池隔膜），应优先选择白光共聚焦或电容式传感器，它们通常能达到亚微米甚至纳米级精度。而对于一般的金属板材或塑料片材，光学三角测量法提供的微米级精度通常已足够。

• 重复性/分辨率 (Repeatability/Resolution)：

  • 实际意义：

    • 重复性：指传感器在相同条件下，对同一位置多次测量所得结果的一致性。重复性好意味着测量结果稳定可靠。

    • 分辨率：指传感器能分辨出的最小厚度变化量。

  • 影响：重复性差会导致测量数据波动大，无法稳定控制生产过程；分辨率低则无法检测到微小的厚度偏差，可能错过重要的质量问题。

  • 选型建议：在高速生产线上，尤其关注重复性，因为任何微小的抖动或材料变化都需要被稳定捕捉。对于需要精细调整工艺参数的场景，高分辨率的传感器能提供更详细的数据支撑。

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

  • 实际意义：

    • 响应时间：传感器从接收信号到输出测量结果所需的时间。

    • 采样速度：传感器每秒能进行多少次测量。

  • 影响：对于高速生产线，如果响应时间过长或采样速度过慢，传感器可能无法及时捕捉到板材的厚度变化，导致控制系统滞后，无法进行有效的实时调整。想象一下在高速公路上开车，如果仪表盘刷新速度太慢，你就无法及时知道当前车速。

  • 选型建议：高速生产线是首要考虑因素，X射线透射、光学三角测量和白光共聚焦等技术通常具有毫秒级甚至微秒级的响应速度和数kHz到数十kHz的采样频率，能满足绝大多数高速生产线的需求。

• 测量范围 (Measuring Range)：

  • 实际意义：传感器能够有效测量的最大和最小距离或厚度范围。

  • 影响：如果测量范围过小，可能无法覆盖板材的标称厚度及其允许的偏差范围；如果过大，则可能牺牲精度。

  • 选型建议：需要根据被测板材的实际厚度范围、公差要求以及传感器安装距离来选择。例如，如果生产的板材厚度变化较大，应选择测量范围较宽的传感器，如某些光学三角测量传感器；而对极薄且厚度变化小的材料，小测量范围但高精度的白光共聚焦或电容式传感器更为合适。

• 环境适应性 (Environmental Adaptability)：

  • 实际意义：传感器在不同工作温度、湿度、粉尘、振动等环境条件下的稳定性和可靠性。

  • 影响：恶劣环境可能导致传感器性能下降、寿命缩短，甚至完全失效。例如，高温可能导致传感器内部元件老化，粉尘可能污染光学镜头。

  • 选型建议：对于高温、多尘、潮湿等恶劣环境，应选择防护等级高（如IP66及以上）、带有水冷或气帘系统的传感器。X射线透射技术对环境因素影响相对较小。

• 被测物特性影响 (Influence of Material Properties)：

  • 实际意义：被测板材的材料种类、颜色、表面粗糙度、透明度、温度、导电性等特性对测量结果的影响。

  • 影响：某些技术对特定材料特性非常敏感。例如，光学三角测量对镜面或透明材料的测量效果不佳，电容式传感器只能测量导电或半导电材料。

  • 选型建议：这是选型时最基础的考量。

    • 透明或镜面材料：首选白光共聚焦或X射线透射。

    • 导电材料：电容式传感器能提供极高精度。

    • 高温材料：X射线透射和具备耐高温能力的光学三角测量传感器是理想选择。

    • 颜色或表面粗糙度变化大：X射线透射或对表面特性不敏感的技术更具优势。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在薄型板材的在线厚度测量中，即使选择了最先进的设备，也可能在实际应用中遇到各种挑战，影响测量精度和系统的稳定性。

• 环境干扰：

  • 原因与影响：生产现场常常伴随灰尘、水汽、油雾，这些污染物可能附着在传感器光学窗口上，导致光路受阻，信号衰减，进而影响测量精度。同时，环境温度的剧烈波动可能引起传感器本身的热漂移，而生产线上的机械振动则会直接导致测量结果抖动。

  • 解决建议：

    • 环境防护：选择防护等级（如IP66）高的传感器，并为传感器加装空气净化系统或气帘装置，防止灰尘和水汽进入。

    • 温度控制：对于对温度敏感的传感器，可加装水冷系统或恒温箱，保持传感器工作温度稳定。

    • 减振措施：传感器安装支架应坚固稳定，必要时采用减振垫或减振结构，隔离生产线振动。

• 被测物表面特性变化：

  • 原因与影响：薄型板材在生产过程中，其表面可能出现光泽度不均、颜色变化、表面粗糙度不一致，甚至是材料成分的微小差异。这些变化会影响某些依赖光学反射或X射线衰减原理的传感器的工作。例如，光学传感器对反射率敏感，表面颜色变化会影响接收信号强度。

  • 解决建议：

    • 选择合适技术：根据被测物的典型特性选择最适合的测量原理。如果表面特性变化大，X射线透射法可能比光学法更具鲁棒性。对于透明或镜面材料，白光共聚焦是更好的选择。

    • 参数优化：对于光学传感器，可以通过调整激光功率、积分时间等参数来适应不同的表面条件。

    • 多传感器融合：在极端复杂的表面，可以考虑多种测量技术结合，互补优势。

• 安装和校准问题：

  • 原因与影响：传感器安装位置不当，例如传感器与板材之间的角度或距离不符合要求，或者传感器本身未安装牢固，都会引入测量误差。长期运行后，传感器的性能可能会发生漂移，如果没有定期校准，测量数据会逐渐偏离真实值。

  • 解决建议：

    • 规范安装：严格按照传感器制造商的指导手册进行安装，确保传感器与被测板材保持正确的几何关系和稳定性。

    • 自主传感器: 有些传感器具备自主校准功能。

    • 定期校准：即使是免校准的传感器，也应建立一套定期的校准和验证流程，使用标准厚度块进行比对，及时发现并纠正漂移。

• 数据处理和系统集成：

  • 原因与影响：测量数据需要实时传输到生产线控制系统进行分析和决策。如果数据传输延迟、通信协议不兼容，或者数据处理软件算法不完善，都可能导致控制系统无法及时响应，影响生产效率和产品质量。

  • 解决建议：

    • 标准化接口：选择支持主流工业通信协议（如RS485、Profibus DP、Ethernet/IP等）的传感器，方便与现有PLC或上位机系统集成。英国真尚有的ZLDS116提供了多种数字和模拟输出方式。

    • 优化数据链路：确保数据传输线路稳定可靠，避免信号干扰和衰减。

    • 定制化软件：根据实际生产工艺和控制逻辑，开发或定制相应的数据处理和分析软件，确保测量数据能有效转化为生产决策。

4. 应用案例分享

• 金属板材轧制：在钢铁、铝材等金属板材的轧制生产线上，在线厚度测量系统实时监测热轧或冷轧板材的厚度，确保产品达到客户要求的公差范围，显著降低废品率并提高材料利用率。

• 电池极片制造：在新能源电池制造中，锂离子电池极片的厚度均匀性直接影响电池的能量密度、内阻和循环寿命。高精度的在线测量系统能精确控制极片厚度，保障电池性能和安全性。

• 薄膜生产：在塑料薄膜、光学薄膜、包装薄膜等生产过程中，实时监测薄膜厚度对于保证产品的光学性能、物理强度和功能性至关重要，确保产品在后续加工和应用中达到预期效果。

• 玻璃制造：在平板玻璃、显示屏基板或太阳能电池板玻璃基板的生产线上，在线厚度测量系统能精确控制玻璃的厚度，满足后续高精度切割、镀膜等工艺要求，确保最终产品的光学和机械性能。