如何在高速金属板材轧制线实现微米级厚度在线测量，并选择最佳激光传感器方案？【智能制造】

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、锻压等工艺制成的、具有一定厚度和面积的金属材料。它们就像是工业生产中的“骨架”或“皮肤”，广泛应用于汽车、建筑、家电、航空航天等多个领域。

对于金属板材而言，其最基本的结构特征就是厚度。然而，这个“厚度”并非一成不变的，在整个板材的长度和宽度方向上，都可能存在微小的偏差。这些偏差，哪怕只有几十微米（相当于一根头发丝的直径），都可能对最终产品的质量和性能产生重大影响。

想象一下，如果汽车的钢板厚度不均匀，可能导致车身强度局部不足，甚至在碰撞时影响安全性。又比如，精密电子设备中的金属外壳，厚度不准会导致装配困难，或者影响产品的整体结构稳定性。更重要的是，厚度的细微波动会直接影响材料的消耗，如果板材普遍偏厚，就会造成显著的材料浪费，直接增加生产成本。

因此，对金属板材厚度的精确测量，尤其是生产过程中的在线实时测量，显得尤为关键。它不仅仅是质量控制的手段，更是提升产品合格率、优化材料使用、降低生产成本、增强市场竞争力的重要环节。

2. 针对金属板材的相关技术标准简介

在金属板材的生产和应用过程中，为了确保产品质量和互换性，行业内通常会针对板材的各项参数制定严格的监测和评价标准。以下是几种常见的监测参数定义和评价方法：

• 厚度 (Thickness)：这是最核心的参数，指的是板材上下表面之间的垂直距离。在实际生产中，会有一个“标称厚度”或“公称厚度”，而实际测量得到的厚度则需要在标称厚度上下浮动一个“厚度公差”范围内才算合格。评价时，通常通过在板材多个点位进行测量，计算其平均值、最大值、最小值，并与预设的公差范围进行比较，以判断整体厚度是否符合要求。

• 宽度 (Width) 和 长度 (Length)：这些是板材的平面尺寸。它们也需要符合一定的标称值和公差范围。通常通过在生产线末端或切割后进行测量，确保板材符合后续加工或装配的需求。

• 平直度 (Flatness) / 波纹度 (Waviness)：平直度描述的是板材表面偏离理想平面的程度。如果板材像波浪一样起伏不平，就可能在后续冲压、焊接等工艺中出现问题，影响产品外观和功能。评价时，通常通过测量板材表面多个点的相对高度差，或者通过特定的测量设备（如激光扫描仪）获取整个表面的三维数据，然后分析其最大高低差或波纹的周期和幅度。

• 表面粗糙度 (Surface Roughness)：指的是板材表面微观不平整的程度。粗糙度过大或过小都可能影响板材的涂覆、焊接性能，或者在特定应用中（如光学反射）产生问题。通常通过接触式（如触针式粗糙度仪）或非接触式（如光学轮廓仪）方法，测量表面微观峰谷的平均高度、最大高度等参数。

• 表面缺陷 (Surface Defects)：这包括划痕、压痕、氧化皮、裂纹、凹坑、鼓包等肉眼可见或需要特定手段检测到的不规则现象。这些缺陷可能影响板材的美观性、耐腐蚀性或力学性能。在线检测通常结合机器视觉、涡流检测等多种技术，通过图像识别或电磁感应来发现并分类这些缺陷。

这些参数的综合评估，是确保金属板材质量，从而保障下游产品性能的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

在线精确测量金属板材厚度，需要我们像工厂的“医生”一样，时刻关注着生产线上“病人”（板材）的“健康状况”。选择合适的“诊断工具”（传感器技术）至关重要。

3.1 市面上各种相关技术方案

在工业生产中，用于在线测量板材厚度的技术多种多样，它们各有特点，就像医生诊断疾病时会选择不同的检查手段一样。下面我们详细介绍几种主流的非接触式测量技术：

3.1.1 激光三角测量法

工作原理和物理基础：激光三角测量法，顾名思义，其核心是构建一个“三角形”。它就好比你用尺子测量高度时，不仅看垂直刻度，还会参考水平距离和角度。

具体来说，传感器内部会发射一束高度准直的激光束，斜射到被测金属板材的表面。当激光束照射到板材表面形成一个光点时，这个光点会向各个方向散射。传感器内部的接收镜头会从一个特定角度“捕捉”这个散射光，并将其聚焦到内部的高分辨率接收元件上，通常是一个线阵CMOS或CCD图像传感器。

当金属板材的厚度发生变化时，或者说板材与传感器之间的距离发生变化时，激光光斑在板材表面的位置虽然看起来没变，但它反射回来的光线在接收元件上的成像位置会发生移动。这就好比你站在同一个地方，观察远处一个物体，当物体离你近了或远了，你在视网膜上看到它的像就会在不同位置。

接收元件上的光斑位置变化量与被测物体位移量之间存在一个精确的几何关系，形成了一个三角测量系统。通过这个几何关系，传感器就可以计算出被测物体到传感器的距离。

其基本几何关系可以简化为：假设激光发射器与接收器中心之间的基线距离为 L，激光束相对于基线的入射角为 alpha，接收镜头相对于基线的接收角为 beta。当物体表面发生位移 delta_D 时，光斑在接收元件上的位移为 delta_X。则距离 D 可以通过如下简化公式表示（实际计算涉及更复杂的透镜成像模型和标定）：D = L * sin(alpha) / sin(alpha + beta)当物体表面移动 delta_D 导致接收元件光斑移动 delta_X 时，传感器通过内部的运算，将 delta_X 转化为 delta_D。

对于板材厚度测量，通常采用“对射式”配置，即在板材的上方和下方各放置一个激光三角位移传感器。这两个传感器测量板材上下表面到各自参考面的距离，然后通过减法运算得出板材的实际厚度：厚度 = (上方传感器到基准面的距离 - 上方传感器测量的距离) + (下方传感器到基准面的距离 - 下方传感器测量的距离)或者更直观地，如果两个传感器都以其各自的安装面作为零点，且它们之间有一个固定的安装距离 H，则厚度 T = H - D_上 - D_下，其中 D_上 和 D_下 分别是两个传感器测量的到板材上、下表面的距离。

核心性能参数：激光三角测量传感器的测量范围可以从几毫米到几米，分辨率可以达到微米级别，高端型号甚至可以达到亚微米级别。线性度通常在±0.03%到±0.1% FS之间。响应速度快，更新频率可达到1kHz甚至更高。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度较高，分辨率出色，响应速度快，非接触式测量不损伤工件，对大多数物体表面（包括金属）都适用。特别适合在线、实时、高精度的位移和厚度测量。对于高反射的金属表面，一些先进的激光三角传感器会采用特殊的激光源或算法进行优化，以减少镜面反射的影响。* 局限性： 测量精度受物体表面颜色、粗糙度、反射率以及环境光照影响较大。对于极度镜面反射或透明物体，测量可能不稳定。传感器安装需要有足够的空间。成本相对较高，尤其是高精度型号。高温环境可能需要特殊版本。

3.1.2 涡流感应原理

工作原理和物理基础：涡流感应测量法，顾名思义，是利用电磁感应现象，专门为金属材料量身定制的一种非接触式测量方法。它就像是一个“电磁探测器”，通过感应金属内部的“电流漩涡”来判断距离。

传感器探头内部有一个线圈，当高频交流电通过这个线圈时，会产生一个交变的磁场。当金属目标物体靠近这个磁场时，根据法拉第电磁感应定律，在金属表面会感应出闭合的电流环路，这些电流就被称为“涡流”。

这些涡流又会产生一个方向与探头线圈磁场相反的磁场。这个反向磁场会反过来影响探头线圈的阻抗和Q值（品质因数）。传感器内部的电子电路通过精确测量这些阻抗和Q值的微小变化，就可以推算出探头与金属目标物体之间的距离。距离越近，涡流效应越强，阻抗和Q值的变化也越大。

其基本物理原理可概括为：当探头线圈通以频率为 f 的交流电时，产生磁场。在金属材料中感应出涡流 I_e。涡流产生反向磁场，改变探头线圈的等效阻抗 Z = R + j * omega * L。通过监测 Z 的变化，结合预先标定的曲线，即可得到距离 D。

核心性能参数：测量范围相对较小，通常在几毫米到几十毫米之间。精度和分辨率可以达到微米级别，线性度一般在0.1%至0.5% FS之间。响应速度快，采样率可达几十kHz。

技术方案的优缺点：* 优点： 专为金属测量设计，不受灰尘、油污、潮湿等恶劣环境影响，即使有一定厚度的非导电层（如油漆、水）覆盖在金属表面，也能进行测量。高精度、高分辨率、高稳定性，特别适合恶劣工业环境中的在线位移、厚度、振动和间隙测量。抗干扰能力强。* 局限性： 只能测量导电材料（主要是金属），对非金属材料无效。测量范围相对较小。精度受金属材料的电导率、磁导率和温度变化影响，需要进行材料和温度补偿。

3.1.3 共聚焦色散原理

工作原理和物理基础：共聚焦色散原理是一种利用光的色散特性实现超高精度测量的技术，它就像一个“光学过滤器”，只让特定颜色的光在特定距离上聚焦。

传感器使用一个宽带白光光源（包含多种波长的光），这些白光通过一个特殊设计的物镜。这个物镜有一个独特之处：它具有色差。这意味着不同波长的光（不同的颜色）会聚焦在空间中的不同深度。例如，红色光可能在A点聚焦，绿色光在B点聚焦，蓝色光在C点聚焦，且A、B、C不在同一平面上。

当这些光照射到目标物体表面时，只有当物体表面恰好处于某个特定波长的焦点上时，该波长的反射光才能通过一个针孔光阑（一个很小的孔径），并被光谱仪检测到。针孔光阑的设置是共聚焦的关键，它能有效滤除非焦平面的杂散光，大大提高测量的轴向分辨率。

光谱仪的作用是分析通过针孔光阑的反射光的波长信息。通过分析检测到的反射光的主波长，传感器就能精确确定目标物体表面的距离。例如，如果检测到的是绿色光最强，那么物体表面就在B点，从而确定距离。

其基本物理原理是光的色散特性与共聚焦原理的结合：白光光源经过色散物镜后，不同波长的光在空间中形成不同的焦点，即 D = f(lambda)。只有当物体表面在特定焦点 D_0 时，对应波长 lambda_0 的反射光才能通过针孔到达光谱仪。光谱仪检测到反射光的中心波长 lambda_measured，通过反函数 D = f_inverse(lambda_measured) 计算出距离。

核心性能参数：共聚焦传感器的精度和分辨率极高，可以达到纳米级别，是目前非接触测量技术中精度最高的之一。测量范围相对较小，通常在几毫米到几十毫米。测量频率可达几十kHz。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的精度和分辨率，尤其适用于高反射、透明或镜面物体表面测量，如半导体晶圆、玻璃、精密机械中的金属表面。非接触测量，不会损伤工件，非常适合在线批量检测对表面质量要求极高的应用。对侧向移动不敏感，可以有效测量倾斜表面。* 局限性： 测量范围非常有限。设备成本非常高。对环境振动和温度变化比较敏感，需要稳定的安装环境。

3.1.4 激光飞行时间原理 (ToF)

工作原理和物理基础：激光飞行时间（ToF）原理，其核心概念是测量光从发射到接收所需的时间。这就像你喊一声，然后测量声音传到山谷再回来的时间，从而计算出你到山谷的距离一样。

传感器发射一个激光脉冲（通常是红外或可见光激光）到目标物体表面。当这个激光脉冲接触到目标物体表面时，会有一部分光反射回来。传感器内部的接收器会“等待”并接收这些反射回来的激光脉冲。

ToF传感器通过一个非常精确的计时器，测量从激光脉冲发射那一刻起，到接收器接收到反射脉冲之间的时间间隔 t。由于光在空气中传播的速度 c 是一个已知常数（大约30万公里/秒），因此，通过简单的物理公式 距离 = 速度 × 时间，就可以计算出传感器与目标物体之间的距离 D。

其基本物理原理可表示为：D = (c * t) / 2其中：* D 是传感器到目标物体的距离。* c 是光速。* t 是激光脉冲从发射到接收的总时间。除以2是因为激光走了去程和回程两段距离。

核心性能参数：测量范围广，从几十厘米到数百米不等。精度通常在毫米到厘米级别，重复性在亚毫米到毫米级别。测量频率相对较低，一般在几十到几百Hz。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量范围广，适用于中长距离的金属物体测量。坚固耐用，可在严苛工业环境下可靠工作，对环境光和目标表面特性（颜色、粗糙度）的敏感性相对较低。易于集成到自动化系统。成本相对适中。* 局限性： 精度相对较低，通常不适合微米甚至亚毫米级的精确厚度测量，更多用于物体的定位、存在检测或粗略尺寸测量。测量频率不如激光三角测量法或共聚焦测量法高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市面上一些知名的品牌，它们在激光位移传感器领域都有着自己的特色。

3.2.1 日本基恩士 (采用激光三角测量法)日本基恩士以其高精度、高速响应的激光位移传感器而闻名。其产品如IL-300系列，采用激光三角测量法，能够实现30 ± 5 mm的测量范围，重复精度高达1 µm，线性度可达±0.1 % F.S.，采样周期最快可达20 µs。日本基恩士的优势在于其创新的产品设计、强大的销售网络和优质的技术支持，产品易于集成，广泛应用于在线检测、尺寸测量和位置控制。

3.2.2 英国真尚有 (采用激光三角测量法)英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器，同样基于激光三角测量原理，在性能上表现出色。它具有最大可达2000mm（甚至可选2000-4000mm）的测量范围，最高分辨率可达0.01mm，线性度最优可达±0.03mm，更新频率为1kHz，响应速度快，适合实时测量。ZLDS115在温度稳定性方面表现良好，温度偏差仅为±0.03% FS/°C，减少了环境温度对测量的影响。其突出的特点是两个ZLDS115传感器可以自动配对进行厚度测量，无需额外控制盒或特殊校准，大大简化了系统集成。此外，它还提供模拟和数字输出方式，以及IP65的高防护等级，并可选高温版本，使其在各种恶劣工业环境中都能稳定可靠地工作。

3.2.3 德国微米 (采用涡流感应原理)德国微米提供eddyNCDT 3001系列等涡流位移传感器，专注于金属测量。其测量范围为1 mm至6 mm，线性度最大0.2 % F.S.，温度稳定性最大0.025 % F.S./K，分辨率0.005 % F.S.，采样率达20 kHz。德国微米的优势在于其传感器不受灰尘、油污、潮湿等恶劣环境影响，特别适合恶劣工业环境中的在线位移、厚度、振动和间隙测量。

3.2.4 美国光波 (采用共聚焦色散原理)美国光波的CL3000系列共聚焦激光位移传感器，以其纳米级的超高精度而著称。根据探头型号，测量范围为0.3 mm至30 mm，分辨率可达纳米级（如CL3001-30为2 nm），测量频率高达66 kHz，线性度为±0.03 % F.S.。其独特的共聚焦色散原理使其尤其适用于高反射、透明或镜面物体表面测量，如半导体、精密机械中的金属表面，且非接触测量不会损伤工件。

3.2.5 瑞士徕卡 (采用激光飞行时间原理)瑞士徕卡的LDM41工业激光测距仪采用激光飞行时间（ToF）原理，提供0.2 m至150 m的宽测量范围。其精度为±1.5 mm，重复性±0.5 mm，测量频率高达100 Hz。瑞士徕卡的传感器坚固耐用，适用于中长距离的金属物体测量和严苛工业环境下的可靠工作，广泛应用于物料搬运、起重机定位等领域。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的激光位移传感器，就像为一场长途旅行挑选交通工具，需要根据你的目的地（应用场景）和路况（环境条件）来决定。

• 分辨率 (Resolution)： 这表示传感器能检测到的最小位移变化。你可以把它想象成一把尺子的最小刻度。如果你的板材厚度公差要求是0.05mm，那么传感器的分辨率至少要达到0.01mm甚至更高才能有效监测。分辨率越高，捕捉微小厚度变化的能力就越强，但成本也通常越高。

  • 选型建议： 对于高精度板材（如精密冲压件、电池箔），选择分辨率在微米级或亚微米级的传感器。对于普通工业板材，分辨率在0.01mm到0.1mm范围的传感器通常已足够。

• 精度 (Accuracy) 与 线性度 (Linearity)： 精度是指测量值与真实值之间的接近程度，而线性度则衡量传感器在整个测量范围内输出信号与实际位移变化的比例关系有多好。不好的线性度就像一把扭曲的尺子，不同位置的刻度间距不均匀。

  • 选型建议： 精度和线性度是衡量测量可靠性的核心指标。确保这些指标满足你产品厚度公差的1/3到1/5，才能有效控制质量。例如，如果你需要测量±0.1mm公差的板材，传感器的精度至少应优于±0.02mm到±0.03mm。

• 测量范围 (Measurement Range)： 指传感器能够有效测量的最大和最小距离。就像一把尺子的长度。

  • 选型建议： 需要覆盖板材的标称厚度变化范围，以及传感器到板材表面的安装距离。例如，如果你的板材厚度在1mm到5mm之间，传感器安装在距离板材100mm处，那么传感器需要有能力测量这个范围内的距离变化。

• 响应速度 (Response Speed) / 更新频率 (Update Frequency)： 指传感器每秒能进行多少次测量。这决定了它能否跟上生产线的速度。如果生产线上的板材以每秒1米的速度移动，你希望每隔1毫米就测量一次厚度，那么传感器每秒就需要进行1000次测量。

  • 选型建议： 生产线速度越快，对响应速度的要求越高。对于高速轧制线，选择1kHz甚至更高更新频率的传感器是必要的。

• 温度稳定性 (Temperature Stability)： 指环境温度变化对测量结果的影响程度。在工厂里，温度变化是很常见的，如果传感器不稳定，温度一变，测量结果就跟着“跑偏”了。

  • 选型建议： 对于高温轧制等环境温度波动大的场景，或者对测量精度要求极高的应用，温度稳定性好的传感器能显著减少外部环境对测量结果的干扰。

• 防护等级 (IP Rating)： 表示传感器防尘、防水的能力。在工厂里，粉尘、水汽、油污是常态。

  • 选型建议： 至少选择IP65等级的传感器，以确保其在恶劣工业环境中的长期可靠运行。

• 输出类型： 传感器将测量到的距离信息转换成电信号输出给控制系统。常见的有模拟信号（如4-20mA, 1-9V）和数字信号（如RS232, RS422）。

  • 选型建议： 需与现场PLC或上位机的接口兼容。数字输出通常能提供更稳定、抗干扰的数据传输。

• 材料适应性： 不同的金属表面（如镜面不锈钢、粗糙热轧板、高温板材）对传感器的激光波长、接收原理都有不同要求。

  • 选型建议： 对于高温金属板材测量，应选择具备高温目标测量能力的传感器型号，以避免测量误差或传感器损坏。对于极度反光的表面，共聚焦传感器可能有优势，而激光三角法则需要优化处理。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在线测量并非一帆风顺，就像高速行驶的汽车可能会遇到路况不佳、天气突变一样，传感器在实际应用中也会遇到各种挑战。

3.4.1 表面条件复杂

• 问题： 金属板材表面可能存在光泽度不均、氧化皮、油污、水汽、划痕等。例如，在热轧过程中，板材表面会覆盖一层不均匀的氧化皮，并且温度极高。这些都会影响激光的反射特性，导致测量信号不稳定或不准确。就像用手电筒照一面粗糙的墙和一面光滑的镜子，反射效果完全不同。

• 原因和影响： 表面反射率不均会造成接收到的光信号强度波动，使传感器难以准确识别光斑中心；油污和水汽会散射或吸收激光，降低信号质量；高温会改变金属表面的物理特性，同时产生的蒸汽也可能干扰测量。

• 解决建议：

  • 传感器选择： 对于高反射或复杂表面，选择有抗环境光和强反射抑制功能的传感器。对于高温板材，选用带有高温测量模式或专用激光波长的传感器。

  • 辅助设备： 可考虑在测量点前增加吹气或水洗装置，去除表面浮尘或水汽。对于高温板材，可能需要加装空气幕或冷却装置来保护传感器。

  • 数据处理： 利用传感器内置的滤波器（如中值滤波、滑动平均）或外部控制系统的算法，对波动数据进行平滑处理，提高测量稳定性。

3.4.2 机械振动与摆动

• 问题： 生产线上的机械设备（如轧机）往往会产生振动，同时高速运行的板材本身也可能存在上下跳动或左右摆动。这会导致传感器与板材之间的相对位置不断变化，就像在晃动的船上试图精确测量一样。

• 原因和影响： 振动和摆动直接引入了额外的位移误差，使测量的厚度值包含大量噪声，无法反映真实的板材厚度。

• 解决建议：

  • 安装优化： 确保传感器支架和安装平台足够坚固、稳定，能有效隔离或吸收机械振动。

  • 差分测量： 采用双传感器对射测量方案，由于两个传感器同时受到相同或相似的整体振动影响，通过相减运算可以在很大程度上消除这种共模误差，就像两个坐在同一艘晃动船上的人，他们之间的相对距离是稳定的。

  • 软件滤波： 结合高响应速度的传感器，利用高级滤波算法（如卡尔曼滤波）来区分真实厚度变化和机械振动引起的噪声。

3.4.3 环境光干扰

• 问题： 工厂车间内可能存在各种光源，如日光灯、窗外阳光、焊接火花等，这些环境光可能会与激光传感器发射的光线混淆，干扰传感器的光斑识别。

• 原因和影响： 额外的光线会使得传感器接收到的信号中包含“噪声”，导致光斑中心定位不准，从而产生测量误差。

• 解决建议：

  • 传感器选择： 优先选择采用窄带滤光片或特定调制激光（如脉冲激光）的传感器，它们能有效滤除非本波长的环境光。

  • 遮光处理： 在测量区域上方和两侧安装遮光罩或挡板，阻挡环境光直射测量点。

3.4.4 传感器校准与维护

• 问题： 传感器在使用一段时间后，由于灰尘堆积、元器件老化、温度漂移等原因，可能会出现测量偏差。就像一把尺子，用久了也可能会磨损，刻度不再那么准。

• 原因和影响： 校准不当或缺乏维护会导致测量结果逐渐偏离真实值，直接影响质量控制的准确性。

• 解决建议：

  • 定期校准： 建立定期的校准计划，使用标准量块或已知的标准厚度板材对传感器进行校准，确保其测量精度。

  • 清洁维护： 定期清洁传感器镜头和外壳，去除灰尘和污垢，尤其是在恶劣环境下。

  • 环境控制： 尽可能保持传感器工作环境的稳定，减少剧烈的温度和湿度变化。

4. 应用案例分享

激光位移传感器在金属板材厚度测量和质量控制中扮演着越来越重要的角色，以下是几个典型应用：

• 钢板热轧与冷轧生产线： 在高温或常温下连续监测钢板在轧制过程中的实时厚度，及时反馈给轧机控制系统，实现闭环控制，确保产品厚度均匀性，显著减少废品率。例如，英国真尚有的ZLDS115系列，凭借其可选的高温版本和±0.03% FS/°C的温度稳定性，能够胜任热轧场景下的高精度测量。

• 汽车车身冲压件制造： 对汽车冲压件（如车门、引擎盖等）的板材厚度进行在线检测，确保材料符合设计要求，提升车身强度和安全性，同时避免因材料厚度不均导致的废料。

• 精密金属箔材生产： 在锂电池铜箔、铝箔或电子产品用超薄合金箔的生产过程中，对微米级厚度的箔材进行高精度在线测量，以保证产品性能和工艺稳定性。

• 建筑钢结构板材： 对用于大型建筑或桥梁的钢板进行厚度检测，确保其结构强度满足承重要求和安全标准，避免潜在风险。