如何在高速轧钢、电池极片等产线，实现微米级金属板材厚度非接触在线检测？【自动化测厚方案】

1. 基于金属板材的基本结构与技术要求

金属板材，顾名思义，是经过轧制、锻造等工艺形成的一种扁平状金属材料。在工业生产中，它们通常以卷材的形式连续生产，并在后续环节被剪切成特定尺寸的片材。这种材料有清晰的上下表面，其内部结构相对均匀。

在生产和应用中，金属板材的核心“健康指标”就是它的厚度。想象一下，如果制造汽车外壳的钢板厚度不均匀，那就像是身体某个部位的骨骼厚薄不一，强度和韧性都会受到影响，最终可能导致车身结构强度不足或者表面不平整。因此，对金属板材厚度的精确控制是产品质量的基石。具体来说，我们对其厚度测量的技术要求主要体现在以下几个方面：

• 高精度： 很多应用场景对厚度公差要求极严，毫米级甚至微米级的偏差都可能导致产品报废。这就像是加工一枚精密齿轮，如果齿厚稍有不准，整个传动系统就可能卡顿甚至失效。

• 自动化： 现代生产线追求高效率和低成本，人工干预不仅慢，还容易出错。所以，测量系统需要能自动完成，减少对操作人员的依赖。

• 实时性： 尤其是在连续轧制过程中，厚度需要实时监控和调整。一旦发现偏差，系统能立即反馈并修正，避免大量不合格产品的产生，这就像驾驶汽车，你需要实时看到车速表和油量表，而不是事后才知晓。

• 非接触： 在线生产的板材往往高速移动，甚至处于高温状态，如果采用接触式测量，不仅会损伤板材表面，还会磨损传感器，根本无法实现连续测量。

• 环境适应性： 工业现场通常环境恶劣，粉尘、油污、振动、高温等都会对传感器性能构成挑战，测量设备必须能够在这种环境下稳定工作。

2. 针对金属板材的相关技术标准简介

为了确保金属板材的质量和性能达到预期，行业内制定了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)： 这是最核心的参数，定义为板材上下表面之间的垂直距离。其评价方法通常涉及在多个点位进行测量，计算平均值、标准差，并与规定的公差范围进行比较。对于连续生产的板材，还会关注沿长度和宽度方向的厚度均匀性。

• 宽度 (Width)： 板材两侧边缘之间的距离。其评价通常涉及在板材多个横截面进行测量，确保其符合设计尺寸。

• 平直度 (Flatness) 和波浪度 (Waviness)： 这两个参数描述板材表面偏离理想平面的程度。平直度关注板材整体的平面性，而波浪度则关注局部、周期性的起伏。评价方法通常通过测量板材表面多个点的相对高度，计算其最大偏差或曲线拟合来评估。

• 表面粗糙度 (Surface Roughness)： 描述板材微观表面不平整的程度，影响板材的摩擦性能、涂覆性能和美观度。评价方法通常通过光学或接触式仪器测量表面轮廓，计算Ra、Rz等参数。

• 表面缺陷 (Surface Defects)： 包括划痕、压痕、氧化皮、气泡、裂纹等，这些都会影响板材的外观和力学性能。检测通常采用机器视觉或涡流探伤等方法。

这些参数的监测和评价，都是为了确保金属板材能够满足下游加工和最终产品的严格要求。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在金属板材厚度的高精度、自动化测量领域，市面上存在多种基于不同物理原理的技术方案，它们各有特点，适用于不同的场景和精度要求。

激光三角测量技术

激光三角测量技术是目前应用非常广泛的一种非接触式位移测量方法，它特别适合进行高速、高精度的物体表面位置检测。它的工作原理可以这样理解：

想象你手上拿着一个激光笔，笔尖射出一点光斑。当你把这个光斑投射到一个物体表面时，光斑会反射回来。在激光位移传感器内部，除了有发出激光的光源，还有一个专门接收反射光的“眼睛”——通常是CCD或CMOS图像传感器（就像数码相机里的感光元件）。这个“眼睛”不是正对着激光发射的方向，而是与激光发射方向有一个固定的夹角，形成了一个三角关系。

当金属板材的表面上下移动时，激光点在板材表面的反射光束也会相应地移动。由于传感器内部的发射器、接收器和它们之间的距离都是固定的，板材表面高度的微小变化，会导致反射光点在CCD/CMOS探测器上的位置发生可量化的偏移。通过精确计算这个光点在探测器上的位置，就可以反推出板材表面与传感器之间的距离。

其基本几何关系可以简化为：当板材表面移动 Δh 时，探测器上的光点移动 Δx。在小角度近似下，我们可以认为 Δh 与 Δx 成正比，并通过三角函数关系建立精确的映射。

当用于厚度测量时，一般采用双传感器差动测量的方式。这意味着在金属板材的上方和下方各安装一个激光三角位移传感器，它们同步测量各自到板材表面的距离。假设两个传感器之间有一个固定的安装基准距离 D，上方传感器测得板材上表面到传感器的距离为 d_upper，下方传感器测得板材下表面到传感器的距离为 d_lower。那么，金属板材的厚度 H 就可以通过简单的数学运算得到：

H = D - (d_upper + d_lower)

这种方法的好处是，即使板材整体有轻微的上下跳动（比如生产线上的振动），只要两个传感器是同步测量的，这种整体位移会被差值计算抵消掉，从而提高了测量结果的抗干扰能力和精度。

核心性能参数： 激光三角测量传感器的典型分辨率可以达到微米级别，线性度通常在±0.03% FSO（满量程）左右，测量速率非常快，可达数千赫兹至数万赫兹，测量范围从几毫米到数百毫米不等。

技术方案优缺点：* 优点： 非接触、测量速度快、精度高、对大多数漫反射表面适应性好、成本相对X射线和Beta射线较低、易于集成。* 缺点： 对镜面或高反光表面性能可能有所下降（需要特殊处理或选择特定型号），对板材的倾斜度敏感、易受环境光干扰（需采取遮光措施）。

X射线透射测厚技术

这种技术就像给金属板材做了一次“透视”。它利用X射线能够穿透物质的特性来测量厚度。一个X射线发射器发出X射线束，穿透正在移动的金属板材，然后在板材的另一侧，一个探测器接收穿透后的X射线强度。

X射线在穿透物质时会发生衰减，衰减的程度与物质的密度、厚度以及X射线的能量有关。密度和X射线能量已知的情况下，通过测量穿透后X射线的强度衰减，就能精确计算出板材的厚度。其基本物理公式为：

I = I0 * exp(-μ * ρ * x)

其中，I0 是入射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，x 是材料厚度。

核心性能参数： 测量精度通常可以达到±0.1% FSO（满量程）或±1 µm，测量范围广，能覆盖0.05 mm到25 mm甚至更厚的金属板材，响应速度快，可达毫秒级。

技术方案优缺点：* 优点： 测量精度高、非接触、穿透性强（尤其适合厚板和高温板材）、对表面状况（如氧化皮、油污）不敏感、长期稳定性好。* 缺点： 设备成本高昂、存在辐射安全问题（需要严格防护和许可）、测量需要已知材料的密度和成分信息。

Beta射线透射测厚技术

Beta射线测厚技术与X射线类似，也是利用射线穿透物质的原理，但它使用的是Beta粒子（电子）。一个放射性同位素源会发射稳定的Beta粒子束，这些粒子穿透金属板材后被探测器接收。

当Beta粒子穿透物质时，会因与物质的原子相互作用而发生散射和吸收，导致到达探测器的粒子数量减少。通过测量粒子计数率的衰减，并结合材料的质量吸收系数，可以精确计算出材料的单位面积质量（克/平方米），进而根据已知密度推算出板材厚度。其衰减公式与X射线类似：

N = N0 * exp(-μ_m * ρ * x)

其中，N0 是入射Beta粒子数，N 是穿透后的Beta粒子数，μ_m 是材料的质量吸收系数，ρ 是材料密度，x 是材料厚度。

核心性能参数： 测量精度通常为测量值的±0.1%或±0.1 g/m²，分辨率可达0.1 µm，扫描速度可达数百毫米/秒。主要测量单位面积质量，通过密度转换成厚度。

技术方案优缺点：* 优点： 尤其适用于薄片材的厚度测量、测量精度高、非接触、高稳定性和可靠性。* 缺点： 存在辐射源（需要防护）、穿透能力相对有限（不适用于太厚的金属）、对材料的原子序数有一定依赖性。

激光共焦测量技术

激光共焦测量技术以其卓越的精度和对复杂表面的适应性而闻名。它的原理有点像你用望远镜看远处的东西，只有当物体恰好在焦点上时，才能看清楚。

传感器发射一束激光，通过物镜将激光聚焦到被测金属板材的表面。其独特之处在于，在接收反射光的路径上，放置了一个非常小的针孔（共焦针孔）。只有当板材表面精确地处于激光的焦点上时，其反射光才能通过这个针孔，被后面的光电探测器接收到。如果表面不在焦点上，反射光就会被针孔阻挡。

传感器通过快速调整物镜的位置或者扫描激光焦点，找到反射光信号最强的那个点，这个点对应的就是板材表面的精确高度。

在进行厚度测量时，通常也采用双头配置，即在板材的上下两侧各安装一个激光共焦传感器，分别测量上下表面的高度，再通过差值计算得到厚度。

核心性能参数： 具有较高的重复精度，采样速度极快，线性度通常在±0.03% F.S.左右。单头的测量范围相对较小，一般在几毫米到几十毫米。

技术方案优缺点：* 优点： 测量精度极高、分辨率极高、对镜面、粗糙、倾斜等复杂表面均能保持稳定测量、非接触、不会损伤板材表面。* 缺点： 测量范围相对较小、设备通常较昂贵、光学系统复杂。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在金属板材厚度测量领域具有代表性的国际品牌及其采用的技术方案。

• 奥地利普拉特科技

  • 采用技术： X射线透射测厚技术

  • 核心参数： 测量精度通常优于±0.1% FSO 或 ±1 µm；测量范围可覆盖0.05 mm至25 mm以上；响应速度为毫秒级。

  • 应用特点与优势： 作为冶金领域的领军企业，奥地利普拉特科技的测厚方案高度集成于其轧制控制系统，专为严苛的高温、高速轧制环境设计，设备坚固耐用，能提供全面的自动化和优化，确保从初级轧制到精加工的产品质量。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光三角测量技术

  • 核心参数： 英国真尚有ZLDS115系列激光位移传感器，最高分辨率可达0.01mm；线性度最优可达±0.03mm；更新频率为1kHz；测量范围最大可达2000mm。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有ZLDS115系列传感器以其高精度和宽测量范围在工业应用中表现出色。它支持两个传感器自动配对进行厚度测量，简化了系统集成，无需额外的控制盒或特殊校准。其良好的温度稳定性，温度偏差仅为±0.03% FS/°C，高防护等级达到IEC IP65标准，以及可选的高温测量能力，使其在常规环境到高温轧制等多种工业场景下都能提供可靠的非接触式厚度测量，尤其适合需要兼顾精度、速度和环境适应性的应用。

• 德国米克罗恩

  • 采用技术： 激光三角测量技术

  • 核心参数： 分辨率可达0.005 µm；线性度±0.03% FSO；测量速率最高达49 kHz；测量范围通常在几十毫米。

  • 应用特点与优势： 德国米克罗恩在精密测量领域技术领先，其激光三角测量传感器以高精度、高速度和强大的表面适应性著称。它能对各种表面颜色和光泽度变化保持稳定测量，模块化设计使得系统集成非常灵活，广泛应用于需要稳定、高精度在线测量的工业产线。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 激光共焦测量技术

  • 核心参数： 重复精度可达0.005 µm；采样速度最高达160 kHz；测量范围通常在几毫米。

  • 应用特点与优势： 日本基恩士的激光共焦传感器以其极高的测量精度和分辨率脱颖而出。它即使面对镜面、粗糙、倾斜等复杂表面也能稳定测量，非接触式测量方式不会损伤板材，特别适用于对精度要求极高、且测量范围相对较小的在线厚度检测。

（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

选择合适的金属板材厚度测量设备，就像选择适合特定任务的工具，需要综合考虑多个关键技术指标及其对实际应用的影响。

• 精度 (Accuracy) 和分辨率 (Resolution)：

  • 实际意义： 精度是测量值与真实值之间的接近程度，分辨率是传感器能识别的最小变化量。高精度意味着测量结果更接近实际，高分辨率则能捕捉到微小的厚度波动。

  • 影响： 直接决定了产品质量控制的严格程度。如果精度不够，即使测量了也无法有效判断产品是否合格。

  • 选型建议： 对于高附加值、对厚度公差要求极严的精密板材（如电池极片、半导体封装材料），应优先选择微米级甚至亚微米级分辨率和高线性的传感器（如激光共焦、高阶激光三角）。对于普通工业板材，毫米级或十微米级分辨率的传感器可能就足够。

• 测量范围 (Measuring Range)：

  • 实际意义： 传感器能够有效测量的高度或厚度区间。

  • 影响： 决定了传感器能够适应的板材厚度范围。如果范围太小，无法覆盖所有产品；如果范围过大，可能会牺牲精度。

  • 选型建议： 根据生产线中可能遇到的板材厚度范围来选择。例如，薄板材选择几十毫米量程的传感器，而超厚板材则可能需要更大测量范围甚至X射线测厚仪。

• 响应速度 (Response Speed) 或更新频率 (Update Frequency)：

  • 实际意义： 传感器每秒能够完成测量的次数。

  • 影响： 决定了系统能否实现实时、连续测量高速移动的板材。速度越快，能捕捉到的板材细节越多，越能及时发现并纠正生产偏差。

  • 选型建议： 对于高速轧制线，必须选择几千赫兹甚至更高的传感器（如激光三角、激光共焦）。低速或静态测量则可以选择响应速度稍慢的。

• 温度稳定性 (Temperature Stability) / 温度漂移：

  • 实际意义： 传感器在环境温度变化时，其测量结果的稳定程度。

  • 影响： 工业现场温度波动大，温漂大的传感器会导致测量结果不准确，需要频繁校准。

  • 选型建议： 在高温或温差大的环境中，务必选择带有温度补偿功能或明确标注低温度漂移系数的传感器，甚至考虑专为高温设计的版本。

• 防护等级 (Protection Class) 和环境适应性：

  • 实际意义： 传感器抵抗灰尘、水、油污等污染的能力，以及在恶劣环境下（如振动、电磁干扰）的稳定工作能力。

  • 影响： 防护等级不足可能导致传感器损坏、寿命缩短或测量失准。

  • 选型建议： 轧钢厂等恶劣环境应选择IP65或更高防护等级的传感器。同时，要考虑设备是否具备抗振动、抗电磁干扰的设计。

• 表面适应性 (Surface Adaptability)：

  • 实际意义： 传感器对不同颜色、光泽度、粗糙度（如镜面、氧化黑表面）的金属板材表面的测量能力。

  • 影响： 如果传感器对某些表面不适应，就会出现漏测、误测或测量值波动大等问题。

  • 选型建议： 对于表面多变的板材，可考虑激光共焦或X射线测厚仪。若选择激光三角，可选择具有高级信号处理能力、多点采样或特殊波长的传感器。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最合适的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些挑战。

• 问题一：金属板材表面特性复杂，影响测量稳定性。

  • 原因与影响： 金属板材表面可能存在高反光、氧化层、油污、颜色不均、局部粗糙度变化等。例如，镜面反光可能导致激光反射光信号过强或过弱，散射不均，使传感器无法准确捕捉光斑位置；氧化层和油污则可能改变板材的实际光学特性，导致测量值偏差。

  • 解决建议：

    • 传感器选型优化： 对于高反光表面，可以考虑选用激光共焦传感器或具备特殊接收光学系统（如宽角接收）的激光三角传感器。

    • 表面预处理： 在不影响产品质量的前提下，可在测量区域进行局部清洁，去除油污和粉尘。

    • 软件滤波与算法： 利用传感器内置或上位机软件的多种滤波器（如中值滤波、滑动平均）来平滑数据，减少表面瞬时变化带来的干扰。

    • 多点测量： 通过在不同位置部署多个传感器或扫描测量，获取更全面的表面信息并取平均值。

• 问题二：生产线振动和板材抖动，导致测量数据波动。

  • 原因与影响： 轧制过程中的机械振动、板材高速运行时的气流扰动以及板材自身的不平整都可能导致其在测量区域发生轻微的上下跳动或侧向位移，这会直接体现在测量数据上，使厚度值波动剧烈，难以判断真实厚度。

  • 解决建议：

    • 机械结构优化： 在传感器安装位置附近加装板材导向装置，利用重力辊或压紧辊稳定板材通过测量区域。将传感器固定在独立的、经过减振处理的支架或基座上。

    • 双传感器差动测量： 这是解决板材整体跳动最有效的方法。两个传感器同步测量，共同的位移成分会被抵消，仅保留板材厚度的变化。

    • 高速采样与数据平均： 选用高采样频率的传感器，并在短时间内采集大量数据进行平均处理，从而消除随机振动的影响。

• 问题三：环境温度变化或板材自身高温，影响测量精度。

  • 原因与影响： 传感器内部元器件的性能会随温度变化而漂移，导致测量基准发生偏移。此外，高温的金属板材可能会产生热辐射，干扰激光传感器对反射光的识别。

  • 解决建议：

    • 选择带温度补偿功能或高温版本传感器： 许多高性能传感器都内置了温度补偿算法，能有效抵消温度漂移。对于高温板材，应选用具备高温测量能力（如1000°C以上）的专用传感器。

    • 环境控制： 在可能的情况下，对传感器所在区域进行局部温控。

    • 定期校准： 建立严格的校准周期，使用标准样块在不同温度下进行校准，并建立补偿曲线。

• 问题四：系统集成与数据处理复杂。

  • 原因与影响： 自动化测量系统需要将传感器数据传输到PLC/DCS/SCADA等控制系统进行处理、显示和控制。不同传感器和控制系统之间的通信协议、数据格式可能不兼容，导致集成困难。

  • 解决建议：

    • 选择多样化输出接口的传感器： 具备模拟量（4-20mA）、数字量（RS232/RS422）等多种输出选项的传感器更易于与现有系统集成。

    • 利用工业协议转换器： 如遇协议不兼容，可使用协议转换器实现不同设备间的数据交互。

    • 模块化软件平台： 采用开放性好、易于二次开发的软件平台，实现数据的采集、存储、分析、可视化和与MES/ERP系统对接。

4. 应用案例分享

激光位移传感器在金属板材厚度自动化测量中具有广泛的应用，有效提升了多个行业的生产效率和产品质量：

• 钢铁行业轧钢生产线： 在热轧或冷轧过程中，实时监测钢板、钢卷的厚度，确保产品满足客户对厚度公差的严格要求，减少废品率，实现精准轧制控制。例如，英国真尚有的激光位移传感器可以应用于此场景，凭借其高精度和快速响应的特点，实现对钢板厚度的精确测量和实时调整。

• 汽车制造冲压件检测： 检查汽车车身或零部件冲压后的板材厚度，确保零件强度和尺寸精度，保障后续装配的顺利进行和车辆的结构安全。

• 电池极片生产： 在锂电池、燃料电池等生产过程中，高精度测量涂布在金属箔材上的浆料厚度或复合材料厚度，对电池的容量、能量密度和循环寿命至关重要。

• 铝箔、铜箔生产： 监测超薄金属箔材（如0.01mm以下）的厚度，确保其均匀性和一致性，应用于电子、包装、印刷等领域。

• 建材行业： 如石膏板、水泥板等板材生产线的厚度控制，确保产品平整度和强度符合标准。