高温钢坯生产线上，如何应用非接触式激光测长技术，克服1000℃、高速及复杂表面挑战，实现0.1%定尺切割精度？【钢铁轧线自动化】

1. 基于钢坯的基本结构与技术要求

在高温钢铁生产环境中，我们主要测量的是热钢坯、钢板或型材等半成品。想象一下，这些钢铁产品就像刚从火炉里取出的“巨型面包”，它们在几百甚至上千摄氏度的高温下，以一定的速度在生产线上移动。

这些“热面包”的结构特征与测量要求带来了独特挑战：

• 高温与形变： 钢铁在高温下会发生热膨胀，尺寸会比常温时大。这意味着我们测到的长度是“热态长度”，需要考虑如何换算成“冷态长度”；同时，高温也可能导致钢坯表面发生氧化、变形或弯曲。

• 高速运动： 生产线上的钢坯往往以每分钟几百米甚至上千米的速度移动，这要求测量设备必须具备极高的响应速度，才能捕捉到精确的瞬时数据。

• 恶劣环境： 钢铁生产现场常常伴随着强烈的热辐射、蒸汽、水雾、氧化皮粉尘和剧烈振动。这些环境因素不仅会干扰光学测量，还可能对传统接触式测量工具造成损坏。

• 表面状况复杂： 高温钢坯表面可能覆盖着厚厚的氧化皮，或者由于冷却水喷淋而产生水汽，这些都会影响激光的反射特性，增加测量的难度。

精确的长度测量对于钢铁生产至关重要，它直接影响到切割定尺、产量统计、产品质量控制以及材料的利用率。如果测量不准，轻则造成材料浪费，重则影响后续工序，甚至导致产品不合格。

2. 针对钢坯的相关技术标准简介

对于钢坯的长度测量，尽管没有统一的全球性强制性标准针对所有测量方法，但行业内对于其监测参数的定义和评价方法有着共同的理解。这就像我们对“一米”的定义是统一的，但测量“一米”的方法有很多种。

• 长度测量： 这是最核心的参数，指钢坯从头部到尾部的直线距离。评价方法通常是与设计目标长度或理论计算长度进行比较，通过统计分析来确定测量误差范围和波动性。精确的长度测量是实现定尺切割、减少切损的关键。

• 速度测量： 钢坯在生产线上的运动速度是长度累积计算的基础。评价方法是比较传感器测得的瞬时速度与实际运行速度（例如，通过编码器或已知时间段内的位移计算得出）的偏差。高精度的速度测量是长度准确性的前提。

• 宽度测量： 虽然问题主要聚焦于长度，但宽度也是钢坯的重要尺寸参数。它通常通过对钢坯横截面的边缘进行识别和测量来获取。评价方法类似长度测量，通过与目标宽度或参考值进行比较。

• 头部和尾部检测： 精确识别钢坯的起始点和结束点对于长度测量至关重要。评价方法涉及对检测灵敏度、响应时间以及在各种表面条件下（如存在氧化皮、弯曲等）的稳定性进行评估。

• 几何形状和轮廓： 有些高级测量系统还能获取钢坯的横截面轮廓，例如圆度、平直度等。这些参数可以帮助评估钢坯的轧制质量，并间接影响长度测量的准确性（例如，如果钢坯弯曲严重，单一的长度测量值可能不足以描述其整体尺寸）。

3. 实时监测/检测技术方法

在高温钢铁生产环境中，传统的接触式测量方法，比如用卷尺或机械编码器，会因为高温导致测量工具受热膨胀、磨损甚至损坏，根本无法使用。因此，非接触式测量技术是唯一的选择。下面我们来深入了解几种主流的非接触式长度测量技术。

（1）市面上各种相关技术方案

激光多普勒测量技术

想象一下，你站在铁路边，一列火车鸣着笛呼啸而过。当火车驶近时，笛声的音调会变高；驶离时，音调会变低。这就是“多普勒效应”在声音上的体现。激光多普勒测量技术也是利用这个原理，但它用的是激光而不是声波。

工作原理和物理基础： 传感器会向运动中的钢坯表面发射两束方向略有不同的激光束，这两束激光在钢坯表面会形成一个非常精细的干涉条纹区域。当钢坯穿过这个区域时，表面上的微小颗粒会散射激光。由于钢坯在运动，散射光的频率会发生微小的变化，这就是“多普勒频移”。传感器会接收这些散射光，并精确地测量这个频移量。

多普勒频移（Delta_f）与被测物体的速度（v）之间存在直接关系，可以用以下公式表示：

Delta_f = 2 * v * cos(theta) / lambda

其中：* Delta_f 是测得的多普勒频移。* v 是钢坯的速度，这也是我们最终想要得到的数据。* theta 是激光束与钢坯运动方向之间的夹角。* lambda 是激光的波长，这是一个已知常数。

通过精确测量Delta_f，传感器就能反推出钢坯的实时速度v。一旦我们有了连续的实时速度数据，就可以通过对速度随时间的变化进行积分，累积得到钢坯的精确长度：

长度 L = 积分(速度 v) dt

这意味着，只要传感器持续工作，就能实时知道钢坯在任意时间段内移动了多远。

核心性能参数的典型范围： 这种技术能够实现较高的测量精度，一些工厂校准的系统精度可以优于0.05%，重复性可达0.02%。其速度测量范围也很广，一些先进的系统可以从静止状态一直测到每分钟10,000米（约合每小时600公里）的超高速。内部测量速率高，能够精确地捕捉高速运动中物体的速度变化。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高重复性： 其核心原理决定了其测量结果相对精确和稳定。 * 非接触式： 避免了高温和磨损问题。 * 宽速度范围： 能够应对钢铁生产线上从静止到高速的各种情况。 * 响应速度快： 适合实时监测和控制。 * 不受热膨胀影响： 直接测量物体表面的运动，不受物体整体热膨胀导致的尺寸变化影响，但测得的是热态速度。 * 维护量少： 全固态设计，无活动部件，减少了维护需求。* 缺点： * 对物体表面反射特性有一定要求，如果表面非常光滑或反光极强，可能会影响信号接收。 * 可能会受到表面氧化皮、水汽或蒸汽的轻微影响，需要配合气幕或吹扫系统。 * 通常只提供单点速度测量，如果需要宽度或完整轮廓信息，需要与其他传感器结合。

激光飞行时间 (LiDAR/TOF) 测量技术

这就像你对着山谷大喊一声，然后计算声音回来的时间来估算山谷的宽度。激光飞行时间技术就是用激光代替声音。

工作原理和物理基础： 传感器发射一个短促的激光脉冲，这个脉冲以光速传播，当它碰到钢坯表面后会反射回来。传感器接收到反射光后，精确测量从发射到接收之间经过的时间。因为光速是恒定的，所以距离可以非常准确地计算出来。通过快速扫描，它能绘制出钢坯的二维轮廓。

距离 D = (c * t) / 2其中，c 是光速，t 是激光往返的时间。

核心性能参数的典型范围： 测量范围可以从0.5米到20米，但典型测量精度在长度测量上通常为 ±25毫米至 ±35毫米。扫描频率一般为25赫兹或50赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量距离远，抗环境光干扰能力强，能够在大范围获取物体轮廓信息。* 缺点： 相比高精度的长度测量，其精度通常较低，更适合粗略定位或大范围轮廓扫描；高温热气流可能导致激光路径的折射率不均，影响测量稳定性。

激光轮廓测量技术（三角测量/结构光）

想象一下，你用手电筒照亮一个不平的物体，光线在物体表面会形成弯曲的线。通过观察这条线的弯曲程度，你就能推断出物体的形状。激光轮廓测量就是用激光线和高分辨率相机来做这件事。

工作原理和物理基础： 传感器投射一条激光线到钢坯表面。一个高分辨率的CMOS相机从一个特定的角度观察这条激光线。当激光线投射到有高度变化的表面时，它在相机图像中的位置会发生偏移。通过几何三角关系，传感器可以根据图像中激光线的位置变化来精确计算出钢坯表面的高度信息，从而重建出钢坯的2D横截面轮廓。

其基本原理基于几何三角测量。若传感器和相机之间有固定距离L，相机与激光器有特定夹角α，则激光线在相机图像传感器上的位置变化Δx可以用来推算被测物表面的高度变化H。H = (L * Δx) / (f * sin(α) - Δx * cos(α)) (简化形式，其中 f 为相机焦距)在实际应用中，通过连续获取运动中钢坯的多个横截面轮廓，并结合钢坯的已知或测得的速度，可以将这些轮廓“拼接”起来，从而计算出钢坯的长度。

核心性能参数的典型范围： 在测量高度方面，重复精度可达 ±0.1微米，采样速度非常快，一些系统可达64 kHz。扫描宽度通常在几百毫米范围内（例如，宽达240毫米）。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够获取极高精度的物体表面轮廓数据和几何尺寸信息，对于形状复杂或有微小缺陷的检测非常有效。* 缺点： 测量距离相对较近，对物体表面条件（如反光率、颜色、氧化皮等）和环境光敏感。高温环境下，热辐射和烟雾可能严重干扰相机成像，影响精度和稳定性；需要复杂的图像处理算法和计算能力，通常需要多台传感器协同工作才能完成整个钢坯的长度测量。

多点光学阵列测量技术

这就像在传送带的两侧安装了一排红外对射传感器。当物体经过时，它会依次挡住这些光束。

工作原理和物理基础： 系统通常由一个发射器单元和一个接收器单元组成，它们相对安装，并在钢坯的运动路径上形成一个由多个平行或扇形分布光束组成的“光幕”或“阵列”。当钢坯通过这个阵列时，它会按照顺序阻挡光束。系统通过检测光束被阻挡（钢坯头部进入）和光束恢复（钢坯尾部离开）的时间点，来精确识别钢坯的头部和尾部通过测量区域的时间差（Delta_t）。

结合钢坯的精确运行速度（v），钢坯的长度（L）可以计算得出：

长度 L = v * Delta_t

核心性能参数的典型范围： 官方通常宣称可达高精度，并能快速响应高速生产线。适用于高温钢坯，但具体温度上限和长度精度数值通常未公开。

技术方案的优缺点：* 优点： 设计坚固耐用，对恶劣工业环境有较好的适应性。多点传感器的应用提高了测量的鲁棒性，减少了对钢坯表面状况的依赖，因为即使部分光束受干扰，其他光束也能提供数据。* 缺点： 精度通常不如激光多普勒和激光轮廓测量技术，分辨率受限于光束间距。高度依赖外部速度测量设备（如激光测速仪或编码器）来提供准确的速度数据。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是针对高温钢铁生产环境长度测量领域的几个主流品牌及其解决方案，它们采用了上面讨论的不同技术。

• 美国奥钢联 (采用红外光学传感器+激光多普勒测速仪) 美国奥钢联的MillSense系统集成了红外光学传感器和激光多普勒测速仪。红外传感器通过热辐射变化高精度地检测热钢坯的头部和尾部通过时间，而激光多普勒测速仪则非接触式地精确测量钢坯的实时运行速度。系统将头部和尾部通过时间与速度数据同步处理，计算出钢坯的精确长度。其长度测量精度通常为 ±0.1% 至 ±0.5%，速度测量精度可达 ±0.05%，适用于高温环境。

• 英国真尚有 (采用激光多普勒测量原理) 英国真尚有AJS10X系列激光测速测长传感器，采用激光多普勒测量原理，实现对移动物体的非接触式速度和长度测量。该系列传感器工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，速度测量范围从静止到10,000 m/min。部分型号支持0速度测量与方向识别，标配以太网、RS-232和CANbus通信接口，可选PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等工业总线，内置2.4G WiFi，支持通过移动应用进行配置和诊断，IP67防护等级以及可选的冷却外壳使其能够适应严苛的工业环境。

• 德国西克 (采用激光飞行时间 LiDAR 技术) 德国西克的LMS系列LiDAR扫描仪采用激光飞行时间(TOF)原理，通过发射激光脉冲并测量往返时间来确定距离，形成二维点云数据。在钢坯长度测量中，LiDAR扫描仪能探测钢坯轮廓，识别头部和尾部。其测量范围可达0.5米至20米，典型精度为 ±25毫米至 ±35毫米。

• 日本基恩士 (采用激光轮廓测量/三角测量法) 日本基恩士的LJ-V7000系列激光轮廓测量仪采用激光三角测量法，结合高速CMOS图像传感器，向物体表面投射激光线，通过分析反射激光线的变形来高精度地重建物体2D轮廓数据。其测量高度重复精度可达 ±0.1微米，采样速度高达 64 kHz。

• 意大利玛尔波斯 (采用多点非接触式光学传感器阵列) 意大利玛尔波斯的BLADE系统采用多点非接触式光学传感器阵列，通过检测钢坯阻挡和恢复光束的时间，精确识别钢坯的头部和尾部，再结合精确的速度测量来计算长度。该系统设计坚固耐用，适用于恶劣的钢铁生产环境。

（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

选择高温钢铁生产环境下的长度测量设备，就好比挑选一辆能在崎岖山路上高速行驶的越野车，除了速度，还得看它的抗颠簸能力和可靠性。以下是一些需要重点关注的关键指标：

• 测量精度与重复性

  • 实际意义和影响： 精度是指测量结果与钢坯实际长度的接近程度，重复性则是多次测量同一钢坯长度结果的一致性。在钢铁生产中，高的精度意味着切割更准，材料浪费更少；高的重复性则保证了生产过程的稳定性和产品质量的统一性。如果精度或重复性差，可能导致钢坯切割超长或过短，造成回炉、废品或需要二次加工，直接影响生产成本和效率。

  • 选型建议： 对于追求极致材料利用率和高附加值产品的产线，应选择精度和重复性都优于0.1%的设备。而对于常规生产，可根据实际工艺要求放宽至0.5%以内。

• 速度测量范围与响应速度

  • 实际意义和影响： 钢铁生产线上，钢坯的速度变化非常大，从刚出炉的慢速移动到轧制过程中的高速。传感器必须能覆盖这个广阔的速度范围。响应速度则决定了传感器能否及时捕捉到钢坯加减速时的瞬时速度变化。如果速度测量范围不足，设备可能无法在特定工况下工作；响应速度慢则会导致测量滞后，尤其在钢坯启停或紧急情况时，会造成长度计算误差。

  • 选型建议： 确保传感器的最高测量速度远高于产线的峰值速度。对于速度变化频繁的产线，选择测量速率高（例如，每秒更新数千次数据）且具有高加速度响应能力的传感器。

• 安装距离与景深

  • 实际意义和影响： 安装距离是传感器到钢坯的垂直距离，景深则是传感器在安装距离前后能保持精确测量的有效范围。在高温环境下，传感器通常需要安装在离热源较远的位置以进行冷却保护。长安装距离能为传感器提供更多保护空间。景深则能容忍钢坯在生产线上轻微的跳动或位置偏差，仍能保持测量准确。安装距离过短会增加传感器受损风险；景深不足则要求钢坯定位极其精确，否则容易出现测量中断或误差。

  • 选型建议： 结合产线实际空间和钢坯运动稳定性，选择具有足够长安装距离和宽景深的传感器。对于易晃动或位置不定的钢坯，宽景深尤为重要。

• 环境适应性（耐高温、防尘、防水）

  • 实际意义和影响： 钢铁厂房是出了名的“炼狱”——高温、粉尘、水汽、振动、强电磁干扰无处不在。传感器必须像一个全副武装的士兵，能够抵御这些恶劣环境的侵蚀。如果环境适应性差，传感器会频繁故障，测量数据不稳定，甚至寿命大大缩短，导致高昂的维修和停机成本。

  • 选型建议： 优先选择具有高防护等级（如IP67或更高）、可配备水冷/空冷外壳、气幕系统和抗振设计的传感器。仔细核对传感器的工作温度范围和防护措施。

• 通信与集成能力

  • 实际意义和影响： 传感器不是独立工作的，它的数据需要实时传输给PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（集散控制系统）或其他控制系统，以便进行生产过程的自动化控制。良好的通信接口和兼容性意味着系统集成更加顺畅，数据传输更可靠。如果通信协议不兼容或数据传输速率慢，会增加集成难度，甚至导致控制系统无法及时获取测量数据进行响应。

  • 选型建议： 选择支持主流工业通信协议（如以太网、PROFIBUS、PROFINET、CANbus等）的传感器。同时，了解其数据更新频率和数据包内容，确保能满足控制系统的实时性需求。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最好的设备，在复杂的钢铁生产现场，仍然可能遇到各种“拦路虎”。但别担心，这些问题通常都有成熟的解决方案。

• 问题1：高温热辐射和热气流干扰

  • 原因与影响： 高温钢坯像一个巨大的红外灯泡，会发出强烈的热辐射，可能导致传感器内部过热。同时，高温空气会形成不稳定的热气流，就像透过沸水看东西一样，导致激光束发生偏折、抖动或光路弯曲，严重影响测量精度和稳定性。

  • 解决方案：

    • 冷却系统： 这是高温环境的标配。为传感器安装水冷或空冷外壳，确保传感器内部温度维持在正常工作范围内。水冷效果通常优于空冷。

    • 气幕保护： 在传感器光学窗口前设置一个空气吹扫装置，持续吹出洁净的压缩空气，形成一道“气幕”，有效隔绝热气流、蒸汽、粉尘和飞溅物。

    • 优化安装位置： 尽量将传感器安装在距离钢坯稍远、受热气流影响较小、视野相对开阔的位置。

• 问题2：钢坯表面状况复杂（氧化皮、水汽、反光不均）

  • 原因与影响： 高温钢坯表面常覆盖着黑色、粗糙的氧化皮，冷却水喷淋会产生大量蒸汽，这些都会改变激光的反射和散射特性。有时表面还可能反光不均或有微小缺陷，导致激光信号减弱、不稳定甚至丢失，进而影响测量精度和连续性。

  • 解决方案：

    • 选择鲁棒性强的原理： 激光多普勒原理对表面纹理的微小不均有较好的适应性。而一些基于图像分析的系统，其内部算法通常会针对这种复杂表面进行优化，具备更强的抗干扰能力。

    • 增强信号处理： 传感器内部应具备先进的数字信号处理（DSP）能力和智能算法，能够从微弱、不稳定的反射信号中有效提取有用信息，并滤除噪声。

    • 定期清洁与检查： 虽然有气幕保护，仍需定期检查传感器光学窗口是否清洁，如有氧化皮堆积或污渍，及时进行清理。

• 问题3：钢坯高速运动与振动

  • 原因与影响： 生产线上的钢坯不仅高速移动，还可能伴随着设备振动或钢坯自身的晃动。如果传感器响应速度不够快或抗振能力差，会导致测量数据滞后、抖动，甚至无法准确跟踪钢坯的实时位置和速度，造成长度计算误差。

  • 解决方案：

    • 选择高刷新率传感器： 确保传感器具有足够高的内部测量速率和数据输出更新率，能够实时捕捉钢坯的瞬时速度变化。

    • 安装减振装置： 在传感器安装支架上增加减振垫或减振器，减少生产线振动对传感器的影响。

    • 运动补偿算法： 系统软件可以内置运动补偿算法，通过对传感器自身的微小移动或钢坯姿态变化的监测，对测量结果进行实时校正。

• 问题4：环境粉尘和水溅

  • 原因与影响： 钢铁厂房通常粉尘弥漫，轧制和冷却过程会产生大量水溅或蒸汽。这些颗粒物和液体会附着在传感器光学窗口上，遮挡激光路径，导致信号衰减，测量失败。

  • 解决方案：

    • 高防护等级： 选用IP67或更高防护等级的传感器，确保设备密封良好，能够有效阻止粉尘和水分的侵入。

    • 吹扫和防护罩： 除了气幕，还可以为传感器安装定制的坚固防护罩，进一步阻挡大部分飞溅物。结合吹扫系统，能最大限度地保持光学窗口的清洁。

    • 定期维护： 制定并严格执行定期清洁和维护计划，包括检查防护罩和吹扫系统是否正常工作，以及清洁传感器镜头。

4. 应用案例分享

• 连铸连轧产线钢坯定尺切割： 在高温钢坯经过连铸机后，利用激光测长系统精确测量其长度，指导高速切割机按照预设的长度进行精准切割，显著减少废品率和材料损耗。例如， 英国真尚有的激光测速测长传感器，可以提供精确的速度和长度数据，从而实现定尺切割。

• 热轧板带材速度与长度控制： 在钢带热轧过程中，激光测速测长传感器实时监测板带材的运行速度和累计长度，确保轧制速度的稳定性和板带材的最终尺寸精度，为自动化生产线提供关键数据。

• 型材生产线长度优化： 对于H型钢、工字钢等各种型材的生产，通过精确测量其在冷却和运输过程中的长度，优化切割方案，提高生产效率和产品质量的一致性，减少边角料。

• 管材制造速度与长度监控： 在无缝钢管或焊管的生产线上，激光传感器用于实时测量管材的挤出或轧制速度，并累计计算其长度，以实现精确的定长切割和库存管理。