陶瓷薄片片材如何使用光譜共聚焦傳感器來非接觸測量翹曲度？

引言

在現(xiàn)代制造業(yè)中，精確測量材料表面的平面度和翹曲度是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。特別是在陶瓷片材的生產(chǎn)過程中，翹曲度不僅影響產(chǎn)品的美觀性，還直接關(guān)系到其使用性能和裝配精度。傳統(tǒng)的高度規(guī)測量方法雖然在一定程度上能夠滿足某些測量需求，但在面對高精度、高效率的測量要求時，其局限性日益凸顯。近年來，隨著光譜共焦傳感器技術(shù)的發(fā)展，非接觸式測量方法因其高精度、高效率和對被測物無損傷的特性，逐漸成為陶瓷片材翹曲度測量的主流選擇。本文將通過具體案例，詳細探討光譜共焦傳感器在測量薄片板材翹曲度中的應(yīng)用，對比傳統(tǒng)接觸式測量方法，分析其優(yōu)勢與局限性，為相關(guān)行業(yè)提供科學參考。

陶瓷片材

一、測量背景與需求

陶瓷片材作為一種重要的工業(yè)材料，廣泛應(yīng)用于電子、通訊、航空航天等領(lǐng)域。其生產(chǎn)過程中，由于材料特性、工藝參數(shù)等多種因素的影響，容易出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，即片材表面不平整，產(chǎn)生局部凸起或凹陷。翹曲不僅影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，還可能影響后續(xù)的加工和裝配精度，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。因此，準確測量陶瓷片材的翹曲度，對于控制生產(chǎn)質(zhì)量、提高產(chǎn)品合格率具有重要意義。

傳統(tǒng)上，陶瓷片材的翹曲度測量多采用高度規(guī)等接觸式測量工具。然而，這種方法存在諸多不足：一是測量效率低下，特別是對于大面積片材，需要逐點測量，耗時費力；二是接觸式測量可能對被測物表面造成損傷，特別是對于質(zhì)地較脆的陶瓷材料；三是測量結(jié)果易受人為因素影響，難以保證測量的準確性和一致性。

為克服上述缺陷，本案例采用光譜共焦傳感器進行非接觸式測量，通過柵格掃描整個片材表面，獲取整體的厚度和位移高度值，進而分析翹曲度。這種方法不僅提高了測量效率，還避免了對被測物的損傷，確保了測量結(jié)果的準確性和可靠性。

二、光譜共焦傳感器測量原理

光譜共焦傳感器是一種基于光學原理的非接觸式測量設(shè)備，其工作原理是利用光的干涉現(xiàn)象來測量被測物表面的高度變化。具體來說，傳感器發(fā)射一束光線照射到被測物表面，光線在被測物表面反射后，與另一束參考光線發(fā)生干涉，形成干涉條紋。通過分析干涉條紋的變化，可以精確計算出被測物表面的高度信息。

光譜共焦傳感器具有以下優(yōu)點：一是測量精度高，可以達到微米甚至納米級別；二是測量速度快，可以實現(xiàn)大面積的快速掃描；三是非接觸式測量，不會對被測物表面造成損傷；四是適用范圍廣，可以測量各種材質(zhì)和形狀的物體。

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三、測量方案與實施

3.1 測量設(shè)備與環(huán)境

本案例采用的光譜共焦傳感器具有高精度和高分辨率，能夠滿足陶瓷片材翹曲度測量的需求。同時，為確保測量結(jié)果的準確性，測量環(huán)境需保持恒溫、恒濕，以減少外界因素對測量結(jié)果的影響。此外，還需配備專業(yè)的測量軟件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以便對測量數(shù)據(jù)進行實時分析和處理。

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3.2 測量步驟

（1）設(shè)備校準：在正式測量前，需對光譜共焦傳感器進行校準，確保測量結(jié)果的準確性。校準過程包括調(diào)整傳感器的光路、設(shè)置測量參數(shù)等。

（2）樣品準備：選取兩塊具有代表性的陶瓷片材作為測量樣品，分別標記為樣品1和樣品2。確保樣品表面清潔、無損傷。

（3）柵格掃描：將樣品放置在測量平臺上，啟動光譜共焦傳感器進行柵格掃描。傳感器按照預(yù)設(shè)的柵格大小逐點測量樣品表面的高度值，并記錄測量數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)處理：將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進行點云圖分析和翹曲度計算。通過對比樣品正反面的測量結(jié)果，可以評估樣品的翹曲情況。

（5）結(jié)果對比：為驗證光譜共焦傳感器的測量準確性，采用三坐標測量儀對同一樣品進行復(fù)測，并對比兩種方法的測量結(jié)果。

3.3 測量結(jié)果與分析

通過光譜共焦傳感器測量，得到以下結(jié)果：

樣品1數(shù)字面翹曲度：0.019346mm

樣品1背面翹曲度：0.020259mm

樣品2數(shù)字面翹曲度：0.019789mm

樣品2背面翹曲度：0.017525mm

采用三坐標測量儀復(fù)測的結(jié)果為：

樣品1數(shù)字面翹曲度：0.009mm

樣品1背面翹曲度：0.025mm

樣品2數(shù)字面翹曲度：0.014mm

樣品2背面翹曲度：0.02mm

對比兩種方法的測量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點：

（1）數(shù)字面測量結(jié)果差異：光譜共焦傳感器測量的數(shù)字面翹曲度大于三坐標測量儀的結(jié)果。這主要是由于兩種測量方法的原理不同導(dǎo)致的。光譜共焦傳感器是非接觸式測量，對被測物表面無壓力，能夠更真實地反映表面的微小變化；而三坐標測量儀是接觸式測量，對于質(zhì)地較輕的薄陶瓷片，其測量力可能導(dǎo)致凹面測量結(jié)果偏小。

（2）背面測量結(jié)果差異：光譜共焦傳感器與三坐標測量儀在背面翹曲度的測量結(jié)果上差異較小，差值在5μm以內(nèi)。這表明光譜共焦傳感器在測量背面翹曲度時具有較高的準確性。同時，也說明測量平臺的平面度對測量結(jié)果有一定影響，但影響較小。

（3）測量效率與精度：光譜共焦傳感器通過柵格掃描整個片材表面，能夠在較短時間內(nèi)獲取大量的測量數(shù)據(jù)，大大提高了測量效率。同時，由于其非接觸式測量的特性，避免了對被測物的損傷，確保了測量結(jié)果的準確性和可靠性。

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四、討論與結(jié)論

4.1 光譜共焦傳感器的優(yōu)勢

（1）非接觸式測量：避免了對被測物的損傷，特別適用于質(zhì)地較脆或易變形的材料。

（2）高精度與高分辨率：能夠滿足陶瓷片材等高精度測量的需求。

（3）快速掃描與大數(shù)據(jù)處理：提高了測量效率，降低了人工干預(yù)和誤差。

（4）適用范圍廣：可測量各種材質(zhì)和形狀的物體，具有較強的通用性。

4.2 局限性與改進建議

盡管光譜共焦傳感器在陶瓷片材翹曲度測量中表現(xiàn)出色，但仍存在一些局限性。例如，對于表面粗糙度較大的材料，其測量精度可能受到影響；同時，測量環(huán)境的溫濕度變化也可能對測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。為進一步提高測量準確性，建議采取以下措施：

（1）優(yōu)化測量環(huán)境：保持恒溫、恒濕環(huán)境，減少外界因素對測量結(jié)果的影響。

（2）提高設(shè)備精度：采用更高精度的光譜共焦傳感器和測量平臺，提高測量系統(tǒng)的整體精度。

（3）數(shù)據(jù)處理算法優(yōu)化：開發(fā)更先進的數(shù)據(jù)處理算法，提高測量數(shù)據(jù)的處理速度和準確性。

（4）結(jié)合其他測量方法：在某些特殊情況下，可以結(jié)合其他測量方法（如激光掃描、X射線檢測等）進行綜合測量，以獲取更全面的信息。

五、總結(jié)

本案例通過對比光譜共焦傳感器和三坐標測量儀在陶瓷片材翹曲度測量中的應(yīng)用，充分展示了光譜共焦傳感器的優(yōu)勢。其非接觸式測量、高精度、高效率以及對被測物無損傷的特性，使其成為陶瓷片材翹曲度測量的理想選擇。然而，在實際應(yīng)用中，仍需注意測量環(huán)境的控制、設(shè)備精度的提高以及數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化等問題。通過不斷改進和完善測量方案，可以進一步提高測量準確性，為陶瓷片材的生產(chǎn)和質(zhì)量控制提供有力支持。

審核編輯 黃宇