光谱共焦传感器测量透明材料厚度的应用

一、引言

目前，主要有共焦位移传感器、激光三角反射式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器等。它们具有适应性强、速度快、精度高的特点，适用于各种回转体和箱体零件的尺寸、形位误差的测量。并且可以与快速反馈跟踪系统相结合使用，准确、快速地测量出表面的形状和轮廓。它们克服了接触检测的诸多缺点，不仅提高了检测速度，又保护了被测工件表面免受划伤，防止了传感器变形。

光谱共焦传感器是一种以复色光为光源的传感器。其测量精度可达微米级，可用于对漫反射或者镜反射被测物体的测量。此外，光谱共焦位移传感器还可单向测量透明物体的厚度，且光源和接收光镜处于同轴结构，从而有效地避免了光路的遮挡，适用于测量直径大于4.5 mm的孔和凹槽的内部结构。

但是，光谱共焦位移传感器在测量透明物体的位移时，被测物体的上下表面会发生反射，传感器接收到的位移信号是通过其上表面计算出来的，会造成一定的误差。本文在测量平行板位移的基础上，对其误差进行了分析。

二、光谱共焦位移传感器工作原理

光谱共焦位移传感器的原理：

1.它由光源、透镜组和分光计组成。光源发射的多色光(白光)通过探头中的一系列光学镜组后，产生光谱色散，经过一系列光学反射后，形成不同波长的单色光；然后将其聚焦在光轴的一定范围内并形成连续的焦点集合，每个焦点的反射信号由传感器接收，以便确定每个单色光波长的对应位置。也可以在高灵敏度的光片上成像，由单色仪读出单色光的波长，转换成相应的距离值，通过控制箱中的光电元件识别并最终获得样品的轴向位置。采用高数值孔径聚焦透镜可获得高分辨率(轴向<10nm,横向<5μm)。

正是基于这一独特的原理，光谱共焦位移传感器在位移测量中具有很高的精度，无论是单层透明物体还是多层透明物体，除了可以测量物体的位移外，还可以测量物体的厚度。如薄玻璃、平行板等。平行板的前表面和后表面都反射特定波长的光，单色器产生具有两个峰的光谱曲线，可用于计算玻璃的厚度。

三、光谱共焦位移传感器的应用

与激光位移传感器技术相比，光谱共焦位移传感器产品只需要安装单个传感器就可以使用。普通的位移传感器需要进行Z轴扫描，而它则不需要。同时它也克服了普通传感器测量结果精度低、工作距离不合适等缺点。

在实践中，光谱共焦位移传感器可以用在许多方面，例如：

(1)基于光谱共聚焦测量的独特原理，利用探头可以精确地测量玻璃等透明材料的厚度。

(2)光谱共焦位移传感器能有效监测药盘和铝塑泡罩包装的灌装量。

（3）可以使传感器完成对被测表面的精确扫描，实现纳米级的分辨率。

除了适于完成常规测量任务外，凭借大安装倾角与大安装距离，该产品技术应用广泛，不仅可完成对镜面及透明物体的常规测量，还可以完成对薄膜、平板、镀层等的单向厚度测量。

四、光谱共焦位移传感器的误差分析

光谱共焦位移传感器能够准确测量物体的位移，但在测量透明物体的厚度时，透明材料的不同折射率会产生不同的误差。误差分析如下:

白光入射到折射率为N、厚度为D1的平面平行板上。光线必须满足以下条件:如果没有平面平行板，光线与光轴相交于A0点；如果有平面平行板，光线会与光轴相交于A1点。波长为λ1和λ2的单色光以一定的入射角入射到平行板上。

在进行一个平行平板结构位移测量时，其初始目标位置为平行平板的上表面，此时传感器接收到的为波长为λ1、λ2的单色光作为信号，移动后平行平板可以到达距其下表面D2的位置时，传感器接收到的是仍包含λ2的信号。

由于已经确定了材料的折射率和色散系数，所以可以计算光谱共焦传感器的测量误差。误差范围约为0.005mm。

以上就是海伯森技术（深圳）有限公司对光谱共焦位移传感器测量透明材料厚度的应用的见解，希望对您有所帮助。