高温、高速移动材料（如钢板线缆）如何实现0.1%级非接触式测速测长，并克服表面氧化等复杂环境干扰？【工业测量，质量控制】

第1部分：基于高温移动材料的基本结构与技术要求

在高温环境下对移动材料进行测速和测长，我们主要关注的对象通常是如高温钢板、型材、线缆等。这些材料在生产过程中，由于冶炼、轧制、挤压等工艺，往往处于极高的温度状态。

这类被测物有几个特点需要特别注意：

• 高温辐射与热胀冷缩： 材料表面会发出强烈的红外辐射，这可能干扰光学传感器的正常工作。同时，材料在高温下会发生热膨胀，导致其几何尺寸与常温下存在差异。这要求测量系统既要能抵御高温干扰，又要能处理由温度变化引起的尺寸校正。想象一下，一根铁棒在高温下会变长，就像面条煮熟后会膨胀一样，虽然我们量的是它当前的长度，但若要追溯到它在常温下的“真身”尺寸，就需要考虑热膨胀的影响。

• 表面特性变化： 高温下，材料表面可能出现氧化皮、熔融状态、蒸汽或烟尘，这些都会改变表面的光学特性（如反射率、散射性），对激光的入射和反射产生不确定影响，就像在一个雾气弥漫的房间里用手电筒去照物体，光线会被分散，看不太清楚一样。

• 高速与动态变化： 很多高温生产线都要求高速运行，材料的移动速度快，且可能存在加减速甚至抖动，这就要求传感器有极高的响应速度和测量精度，能够实时捕捉这些动态变化。

因此，对这类高温移动材料进行测速测长，不仅要求传感器自身能耐高温或有完善的防护措施，更要能克服高温带来的各种干扰，实现稳定、精确的非接触式测量。

第2部分：针对高温移动材料的相关技术标准简介

在对高温移动材料进行测速测长时，需要关注的核心参数包括：

• 长度（Length）： 指材料沿其运动方向上的总距离。其评价方法通常是测量总长度或分段长度，并与实际长度进行比对，计算偏差。

• 速度（Speed）： 指材料单位时间内移动的距离。评价方法包括测量瞬时速度和平均速度，并考察其稳定性和波动性。在生产线上，我们常常关注材料是否以恒定速度通过某个工位，或者在切割时能否精准地在目标长度达到时停止或启动切割。

• 精度（Accuracy）： 指测量结果与真实值之间的接近程度，通常用误差的百分比或绝对值来表示。高精度的传感器能确保产品尺寸的严格符合性，就像用游标卡尺测量零件尺寸，精度越高，产品合格率就越高。

• 重复性（Repeatability）： 指在相同条件下，多次测量同一参数时，结果之间的一致性。重复性是衡量传感器稳定性的重要指标。如果一个传感器今天量出来是这个值，明天又量出另一个差异很大的值，那它的重复性就很差。

• 分辨率（Resolution）： 指传感器能识别的最小变化量。例如，长度分辨率为1毫米，意味着传感器能识别1毫米的长度变化。

• 响应时间（Response Time）： 指传感器从检测到变化到输出测量结果所需的时间。在高速生产线上，短的响应时间至关重要。

这些参数的定义和评价方法是选择和评估测速测长传感器的基础，它们直接关系到生产线的控制精度和产品质量。

第3部分：实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在市场上，有多种技术方案可以实现对移动材料的实时测速测长，每种方案都有其独特的原理和适用场景。这里我们主要介绍几种非接触式或半接触式的方法：

1. 基于光学相关原理的测速测长技术

这种技术的核心思想是“看图找茬”，或者更准确地说，是“看图找匹配”。传感器会向被测物体表面发射一道光，然后通过高速相机捕捉物体表面反射回来的两幅或多幅图像。这些图像并不是直接用来测量长度或速度，而是用来识别物体表面上那些微小的、不规则的纹理特征。

工作原理和物理基础： 想象一下物体表面有很多随机的“指纹”或者纹理。当物体移动时，这些“指纹”也会跟着移动。传感器会连续拍摄这些“指纹”的图像，然后通过复杂的数学算法（例如相关性分析）来对比不同时刻拍摄到的图像。如果第一张图像中的某个“指纹”在第二张图像中向右移动了一小段距离，那么传感器就能计算出这个“指纹”在两张图像之间移动了多少像素，再结合相机的像素大小和拍摄时间间隔，就可以推算出物体移动的速度。对速度进行累积积分，就可以得到长度。 简单来说，如果将两幅图像的灰度分布分别表示为 I1(x,y) 和 I2(x,y)，那么它们之间的相关性可以通过互相关函数 R(u,v) 来表示： R(u,v) = Σ Σ I1(x,y) * I2(x-u, y-v) 传感器通过寻找使 R(u,v) 达到最大值的 (u,v)，来确定图像的相对位移，进而计算速度。

核心性能参数： * 速度测量范围：通常可达数百公里/小时。 * 距离测量精度：一般优于0.1%。 * 采样率：最高可达1000 Hz。 * 测量距离：在一定范围内（如150-500毫米）有较好的表现。

技术方案的优缺点： * 优点： 能够提供物体真实的地面速度，不受打滑、磨损等因素影响，测量精度高，非接触式，尤其适用于车辆动力学测试等对真实速度要求极高的场景。 * 局限性： 对被测物体的表面纹理有一定要求，过于光滑或纹理重复性高的表面可能影响测量效果。算法计算量相对较大。 * 成本考量： 通常属于高端测量设备，成本相对较高。

2. 基于激光三角测量原理的位移测量技术

这种技术就像我们用尺子量东西一样，只不过它用的是激光和角度。传感器发射一道激光束，打到物体表面，然后反射回来。传感器内部有个接收器，就像一只眼睛，会“看”到反射回来的光点落在哪里。

工作原理和物理基础： 传感器发射一道激光到目标物体表面。当物体与传感器之间的距离发生变化时，反射光斑在接收器（通常是位置敏感探测器PSD或CMOS图像传感器）上的位置也会随之移动。传感器通过预设的几何关系（三角原理）来计算光斑位置与物体距离之间的关系。 如果传感器与目标物体之间的距离为 L，激光发射点与接收器之间的距离为 D，激光入射角为 α，反射光被接收器接收的角度为 β。当距离变化 ΔL 时，光斑在接收器上的位置移动 ΔS。 通过三角关系，可以得到：ΔL = (L^2 * ΔS) / (D * sin(α+β)) 通过连续监测这个距离 L 的变化，并对变化量进行累积，就可以推算出物体在传感器作用方向上的移动距离。虽然这种方法本身直接测量的是距离变化，但如果结合时间，也可以间接计算出速度。

核心性能参数： * 测量范围：通常从几毫米到几百毫米，具体取决于型号。 * 测量精度：可达微米甚至亚微米级别（例如 ±0.5 μm）。 * 响应频率：最高可达100 kHz。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度极高，响应速度快，非接触，适用于精密部件或特定工位上对微小移动距离的精确检测，例如监控生产线上零部件的微小位移或间隙变化。 * 局限性： 测量范围相对较小，容易受到被测物体表面颜色、光泽度、粗糙度变化的影响，需要保持一定的安装角度。 * 成本考量： 精度越高，通常成本也越高。

3. 基于飞行时间（TOF）原理的测距技术

飞行时间原理就像我们对着山谷喊话，然后计算回声传回来的时间来估算距离一样，只不过这里用的是激光脉冲。传感器发射一个激光脉冲，然后等待它从物体表面反射回来，并测量这个“来回”的总时间。

工作原理和物理基础： 传感器发射一束激光脉冲，该脉冲以光速传播。当激光脉冲击中目标物体表面并反射回来时，传感器接收到反射脉冲，并测量从发射到接收之间的时间间隔。由于光速是已知的常量 c，因此可以根据以下公式计算出传感器到物体的距离 D： D = (c * t) / 2 其中 t 是激光脉冲往返的总时间。 通过连续监测这个距离 D 的变化，并结合时间信息，可以推算出物体相对于传感器移动的速度和距离。这种方法常用于环境感知，通过连续测量周围固定参照物与传感器之间的距离变化，推算自身的相对移动距离。

核心性能参数： * 测量距离：通常可达几十米甚至更远（例如25米到60米）。 * 角度分辨率：通常在度量级（例如0.33°）。 * 扫描频率：每秒几十次扫描（例如15 Hz）。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量距离远，受环境光影响相对较小，结构紧凑，功耗低，适用于大范围的物体检测和环境感知，如AGV导航、防撞和区域监控。非接触式测量。 * 局限性： 相对于多普勒或相关原理，其速度和长度测量的瞬时精度和分辨率可能略低，尤其不适合对表面细微运动的高精度检测。对物体的表面反射特性有一定要求。 * 成本考量： 中等偏高。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几个在测速测长领域有代表性的品牌及其采用的技术方案：

• 瑞士奇石乐：

  • 采用技术： 光学相关原理。

  • 核心参数： 速度测量范围可达±300 km/h，距离测量精度优于0.1%，采样率最高1000 Hz。

  • 应用特点与优势： 奇石乐的传感器在车辆动力学测试、制动性能测试等对车辆真实地面速度和距离要求极高的领域是行业标准，它不受车轮打滑或抱死影响，提供高度可靠的非接触式测量。在工业场景中，也可用于一些高精度移动平台的监测。

• 英国真尚有：

  • 采用技术： 激光多普勒测量原理。

  • 核心参数： 速度测量范围极广，最高可测速度达10,000 m/min，工厂校准精度优于 0.05%，重复性达0.02%，内部测量速率高达200kHz，可检测直径小至0.1mm的线缆。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有AJS10X系列专为工业中移动物体和材料的非接触式速度和长度测量设计，得益于准确的激光多普勒测量原理，可以实现高精度、高重复性的测量。其全固态设计无活动部件，维护需求低，IP67高级防护等级使其能适应恶劣工业环境。AJS102系列提供更大测量距离，适用于极端环境中大型物体的测量，如高温钢铁。其可选配冷却外壳，使其能够适应高温环境应用。

• 日本欧姆龙：

  • 采用技术： 激光三角测量原理。

  • 核心参数： 测量范围根据型号不同，例如20 ±3 mm 至 200 ±100 mm；测量精度可达±0.5 μm；响应频率最高100 kHz。

  • 应用特点与优势： 欧姆龙的激光位移传感器以其高精度和高速性能著称，适用于精密部件或特定工位上的微小移动检测。在生产线上，它可以对关键部件的微小移动或间隙变化进行在线监控，确保产品质量，其非接触式测量避免了对被测物体的损伤。

• 德国西克：

  • 采用技术： 飞行时间（TOF）原理。

  • 核心参数： 扫描角度270°，测量距离最高可达60米（对于白色物体），扫描频率15 Hz。

  • 应用特点与优势： 西克的激光扫描仪结构紧凑，功耗低，是高性价比的激光雷达解决方案。广泛应用于自动导引车（AGV）导航、防撞和区域监控，通过连续测量周围物体距离变化推算移动，进行环境感知。其非接触式测量特性也支持在线批量检测。

（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

在为高温环境选择激光测速测长传感器时，除了通用指标外，还需要特别关注以下几点：

1. 工作温度范围与防护：

   • 实际意义： 传感器能否在高温环境中长期稳定工作，是首要考虑因素。高温会导致电子元件失效、光学镜片变形或起雾，甚至传感器结构损坏。

   • 选型建议： 必须选择标称工作温度范围能覆盖实际环境温度的传感器。如果环境温度超出标准范围（如40°C以上），则必须考虑带有冷却外壳或隔热罩的型号。例如，英国真尚有AJS10X系列就提供可选配冷却外壳用于高温应用。同时，考虑IP防护等级，IP67或更高能有效防止高温环境中的灰尘、水汽侵入。

2. 测量精度与重复性：

   • 实际意义： 精度决定了测量结果与真实值的偏差，重复性决定了测量的稳定性。在产品质量控制中，两者都至关重要。激光测速测长系统的精度通常在0.1%以内，高端系统可以达到0.05%甚至更高。

   • 选型建议： 根据生产工艺对产品尺寸和速度的公差要求来选择。如果对精度要求极高，如精密线缆或薄膜生产，应选择精度和重复性指标最优的设备。对于需要精确计长切割的场景，高精度能有效减少材料浪费。

3. 速度测量范围与响应速度：

   • 实际意义： 传感器能测量的最低/最高速度，以及对速度变化的响应时间。在高速生产线或需要快速加减速的工艺中，传感器必须能跟得上物体运动的速度。

   • 选型建议： 确保传感器的最大测量速度高于生产线的峰值运行速度。某些高端型号内部测量速率可达200kHz，外部数据更新率达到500次/秒，能有效捕捉高速运动。

4. 测量距离与景深：

   • 实际意义： 传感器距离被测物的安装位置，以及在这个距离范围内能保持精度的范围（景深）。在高温环境下，为了保护传感器，往往需要将其安装在距离高温区域较远的位置。

   • 选型建议： 根据现场安装条件选择合适的型号。如果必须远距离安装，选择测量距离大且景深深的型号。

5. 被测物表面特性适应性：

   • 实际意义： 高温材料表面可能光亮、粗糙、氧化、有蒸汽或水垢，这些都会影响激光的反射。

   • 选型建议： 某些激光多普勒传感器对表面特性的适应性较好，但对于极度反光或无特征的表面仍需额外评估。可选择具备自适应信号处理能力的传感器，或选择对不同表面特性有专门优化设计的系列。

6. 通信与集成功能：

   • 实际意义： 传感器如何与上位控制系统（PLC、DCS等）进行数据交互，是否支持主流工业总线。

   • 选型建议： 选择具备多种通信接口（如以太网、RS-232、CANbus，并支持PROFIBUS、PROFINET等工业总线）的传感器，以便于系统集成和数据共享。无线连接能力（如WiFi）也能方便调试和远程诊断。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

1. 问题：高温导致传感器过热或损坏

   • 原因： 环境温度超出传感器设计工作范围，或传感器长时间暴露在高温辐射下。

   • 影响： 测量数据漂移、精度下降，甚至传感器永久性损坏。

   • 解决方案：

     • 冷却措施： 优先选用带有冷却外壳（如水冷或空冷）的传感器，确保冷却系统稳定运行。

     • 隔热防护： 在传感器与高温热源之间设置隔热屏障。

     • 优化安装距离： 尽量将传感器安装在离高温区域相对较远的位置，利用自然散热或环境梯度降低传感器所处温度。

2. 问题：被测物表面特性变化影响测量

   • 原因： 高温氧化皮、蒸汽、水垢、熔融物、光泽度变化等，导致激光信号反射不稳定或散射严重。

   • 影响： 测量信号中断、数据跳动、精度下降。

   • 解决方案：

     • 选择适应性强的传感器： 某些激光多普勒传感器对表面特性变化有较好的鲁棒性。

     • 优化安装角度： 调整激光入射角度，避开强镜面反射或过度散射区域。

     • 气刀清理： 在测量区域前方安装气刀，用压缩空气吹走表面的蒸汽、烟尘或水垢。

     • 定期清洁： 定期清洁传感器光学窗口，防止灰尘或油污积累。

3. 问题：振动和机械冲击导致测量不稳定

   • 原因： 生产线设备运行产生的振动，或被测物料自身的抖动。

   • 影响： 传感器内部光学元件位移，导致测量值波动或失效。

   • 解决方案：

     • 加固安装： 确保传感器安装基座足够牢固，减少振动传递。

     • 减振措施： 在传感器和安装结构之间增加减振垫或减振支架。

     • 抗振设计： 选择本身具有良好抗振性能的全固态设计传感器，如无活动部件的激光传感器。

4. 问题：环境光干扰

   • 原因： 车间内强烈的照明、阳光直射或周围高温材料的红外辐射可能干扰激光传感器。

   • 影响： 测量信号噪声增加，甚至无法正常工作。

   • 解决方案：

     • 遮光罩： 为传感器安装遮光罩，阻挡无关光源。

     • 滤光片： 某些传感器内部或外部可以加装窄带滤光片，仅允许特定波长的激光通过。

     • 调制激光： 现代激光传感器通常会采用调制激光技术，通过识别特定频率的信号来区分环境光干扰。

第4部分：应用案例分享

• 钢铁行业热轧线： 在高温钢板轧制过程中，使用如英国真尚有AJS10X系列等激光测速测长传感器精确监测钢板的瞬时速度和总长度，实现对轧制速度的精准控制和最终产品尺寸的定长剪切，提高材料利用率。

• 线缆、管材生产： 在电线电缆或塑料管道的挤出生产线上，传感器实时测量产品的线速度和累计长度，确保每卷产品长度精确无误，避免过长或不足，提升产品质量与市场竞争力。

• 造纸和印刷行业： 监测纸张、薄膜等高速运行的卷材网速，以及进行精准的套准控制。通过精确的速度反馈，确保多层材料同步进给，减少废品率。

• 橡胶和轮胎制造： 在橡胶混炼、压延或轮胎成型过程中，对橡胶片或半成品的速度和长度进行精确控制，确保各部件尺寸的一致性，从而提高最终产品的性能和可靠性。