在1000°C高温钢轧线上，如何选择合适的非接触传感器实现钢板/钢坯尺寸亚毫米级高精度在线测量？【工业检测方案】

1. 钢坯/钢板的基本结构与技术要求

钢坯，通常是经过初轧或连铸形成的矩形、方形或圆形截面的半成品钢材。而钢板则是钢坯经过进一步轧制、压延后的扁平状成品或半成品。在高温冶炼和轧制过程中，这些钢材表面温度极高（可达1000°C以上），同时伴随着蒸汽、水雾、氧化铁皮、灰尘等恶劣环境条件。

对钢坯/钢板进行实时测量，主要有以下技术要求：

• 高温适应性：传感器必须能在极高环境温度下稳定工作，并能直接测量高温物体，同时传感器本身需要有效的散热和防护措施。

• 非接触测量：为了避免接触磨损、损伤钢材表面，以及确保操作人员安全，测量必须是非接触式的。

• 高精度与高分辨率：尤其是在尺寸控制方面，毫米甚至亚毫米级的精度是保证产品质量的关键。

• 快速响应：生产线上钢坯/钢板通常高速移动，传感器必须能快速获取数据并输出，以实现实时控制。

• 环境适应性：要能抵御现场的蒸汽、粉尘、振动等恶劣工业环境的干扰。

• 长距离测量能力：考虑到高温辐射和机械结构限制，传感器往往需要安装在离被测物较远的位置。

2. 钢坯/钢板相关监测参数简介

在钢坯和钢板的生产过程中，通常需要监测以下关键参数：

• 位置（定位）：

  • 中心线偏差：测量钢坯或钢板的横向中心线与预设生产线中心线的偏离程度。这通常通过测量两个边缘点的位置，然后计算其中点位置来评估。

  • 高度/厚度方向位置：测量钢坯或钢板在垂直方向上的位置，对于精确控制轧制间隙和确保产品厚度均匀性至关重要。这通常通过测量一个参考点到钢材表面的距离来获取。

• 尺寸：

  • 宽度：测量钢坯或钢板的横向尺寸。通常在两侧各安装一个传感器，分别测量到左右边缘的距离，通过两者之和减去固定基线距离来计算。

  • 长度：测量钢坯或钢板的纵向尺寸。可以通过在生产线的入口和出口处设置传感器，检测钢材头尾经过的时间和速度来计算，或者使用激光扫描等方式获取。

  • 厚度：测量钢板或钢坯在垂直方向的尺寸。这通常需要将两个传感器分别安装在钢材的上方和下方，同步测量到上下表面的距离，然后通过两者距离之和减去两个传感器之间的基线距离来计算。

• 几何形状：

  • 弯曲度（Camber）：衡量钢材的侧边是否笔直。通过在多个点测量钢材边缘到直线基准的偏差来评估。

  • 平直度（Straightness）：衡量钢材的整体平面是否平整，通常通过在钢材表面多个点进行高度测量，然后分析这些点的高低差来评估。

  • 翘曲度（Warp）：衡量钢板在横向和纵向上的扭曲程度。这需要更复杂的3D测量技术，通过获取多个点的高度数据来分析。

这些参数的准确监测和及时反馈，是实现闭环控制、提高生产效率、减少废品率的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

在高温冶炼环境中，为了准确测量钢坯或钢板的位置和尺寸，市面上主要有多种非接触式测量技术方案。这些方案各有优劣，适用于不同的应用场景和精度要求。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光三角测量技术

激光三角测量是一种非常成熟且应用广泛的非接触式距离测量技术。它的基本思想可以形象地理解为：我们用手电筒（激光发射器）照向一个物体，然后从侧面（接收器）观察这个光斑的位置。当物体远近变化时，我们看到的这个光斑在侧面的位置也会跟着变化。

• 工作原理和物理基础： 传感器内置一个激光发射器，向被测钢坯或钢板表面投射一个激光点或激光线。当激光束照射到物体表面时，会形成一个光斑。反射的光线通过一个高精度的接收光学系统（如透镜组）聚焦到一个位置敏感探测器（如CMOS或PSD传感器）上。根据几何光学原理，当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，光斑在接收器上的投影位置也会相应地发生位移。传感器内部的处理器通过精确计算光斑在探测器上的位移量，并结合预设的几何关系（发射角、接收角、基线距离），就能反推出被测物体的精确距离。

  其核心的三角测量几何关系可以简化为： d = L * sin(alpha) / (sin(theta) + sin(alpha) * cos(theta)) 其中，d 是待测距离，L 是传感器内部基线长度（激光发射器与接收器之间的距离），alpha 是激光发射角度，theta 是光斑在接收器上的角度位置。在实际应用中，通过对传感器进行标定，建立光斑位置与距离之间的精确函数关系。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量范围：从几毫米到数米不等，具体取决于传感器的设计。

  • 精度：在最佳测量范围内，激光三角测量精度一般为±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达±0.015mm。

  • 分辨率：可达到微米级别。

  • 响应时间：通常在毫秒级，可以实现高速动态测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度：在合适的测量距离内能提供很高的测量精度。

    • 非接触：避免了对被测物的损伤，也适用于高温、高速移动的物体。

    • 快速响应：能满足大多数工业在线检测的需求。

    • 适用性广：可测量多种材料和表面（包括金属、陶瓷、塑料等），对高亮或低反射率表面有特定优化型号。

    • 中等距离：相比涡流或电容传感器，测量距离更长，为安装提供了灵活性。

  • 缺点：

    • 受表面特性影响：被测物体的表面颜色、粗糙度、反射率等会影响测量结果，例如镜面反射或极端粗糙表面可能导致信号不佳。

    • 环境干扰：空气中的蒸汽、灰尘、烟雾等会散射激光，影响测量精度甚至导致测量失效。需要配备空气净化系统或防护装置。

    • 角度限制：如果被测表面倾斜角度过大，反射光可能无法被接收器有效接收。

  • 成本考量：中等偏上，性能越优异、防护等级越高、测量范围越广的型号，成本也越高。

3.1.2 涡流效应测量技术

涡流效应测量技术是一种利用电磁感应原理进行非接触式位移测量的技术，特别适合金属材料的精密测量。

• 工作原理和物理基础： 传感器内部有一个线圈，当通入高频交流电时，会在线圈周围产生一个高频交变电磁场。当导电的金属目标物（如钢坯）进入这个电磁场时，根据法拉第电磁感应定律，在目标物表面会感应出涡流。这些涡流自身会产生一个反向磁场，与传感器的初始磁场相互作用，从而改变传感器线圈的等效阻抗。线圈阻抗的这种变化与目标物到传感器的距离密切相关，距离越近，涡流效应越强，阻抗变化也越明显。通过精确测量线圈阻抗的变化，就可以反推出目标物体的距离。

  其核心物理基础是电磁感应和涡流效应，可以用一个简化关系来描述： Z_total = Z_coil + Z_eddy(d) 其中，Z_total 是传感器线圈的总阻抗，Z_coil 是线圈自身的阻抗，Z_eddy(d) 是由涡流效应引起的阻抗变化，它是一个与距离 d 相关的函数。

• 核心性能参数典型范围：

  • 量程：通常较短，一般在0.5毫米到10毫米之间。

  • 分辨率：极高，可达亚微米甚至纳米级。

  • 线性度：通常优于满量程的0.2%。

  • 响应频率：高达几十kHz，适用于高速动态测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极高精度和分辨率：在短距离测量中表现卓越。

    • 抗恶劣环境：对灰尘、油污、湿气等非导电介质不敏感，可以在油污或脏污环境下工作。

    • 非接触：无磨损。

    • 坚固耐用：传感器探头通常非常坚固。

  • 缺点：

    • 测量距离短：量程非常有限，不适合长距离测量。

    • 仅限导电材料：只能测量金属等导电材料。

    • 受材料特性影响：被测材料的导电率和磁导率变化会影响测量结果，需要对不同材料进行校准。

    • 温度漂移：虽然有温度补偿，但金属材料本身的导电率会随温度变化，对高温环境下的长期稳定性提出挑战。

  • 成本考量：较高，尤其是在需要极高精度的场合。

3.1.3 激光飞行时间（Time-of-Flight, TOF）测量技术

激光飞行时间技术可以理解为：对着一个物体大喊一声（发射激光脉冲），然后计时器开始计时，等到你听到回声（接收到反射激光）时计时器停止。根据声音传播的速度和时间，就能算出你和物体之间的距离。

• 工作原理和物理基础： 传感器向目标物体发射一束短暂的激光脉冲，并精确测量该激光脉冲从发射到击中物体表面再反射回接收器所需的时间。由于光速是一个已知且恒定的物理量，通过简单的计算即可确定到目标物体的距离。 其基本公式为： 距离 = (光速 * 飞行时间) / 2 或者，对于连续波（CW）激光，也可以采用相位差测量原理。传感器发射调制激光，测量发射信号和接收反射信号之间的相位差。相位差与光传播的距离成正比。

  • 脉冲式TOF：d = c * t / 2

  • 相位式TOF：d = (λ_m / 4π) * Δφ 其中，c 是光速，t 是飞行时间，λ_m 是调制波长，Δφ 是相位差。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量距离：可达数米甚至数百米。

  • 重复精度：通常在毫米到厘米级别。

  • 线性度：例如±1毫米到±数毫米。

  • 采样频率：通常在数百Hz到几kHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 长距离测量：非常适合中长距离的测量应用。

    • 对表面特性不敏感：相对于三角测量，TOF对被测物体表面颜色、粗糙度和反射率的变化不那么敏感。

    • 安装灵活：传感器可以安装在距离较远的位置，减少高温影响。

  • 缺点：

    • 精度相对较低：在短距离测量时，其精度通常不如激光三角测量或涡流测量。

    • 响应速度相对较慢：虽然可以用于动态测量，但对于极高速运动的物体，可能不如激光三角测量。

    • 环境干扰：烟雾、粉尘和水蒸气同样会衰减激光信号，影响测量距离和精度。

  • 成本考量：中等。

3.1.4 结构光或激光轮廓扫描技术

想象一下，你不是用一个点去量，而是用一把“激光尺子”去扫描物体。这把尺子会随着物体表面的起伏而弯曲，然后用一个高分辨率的相机拍下这把“弯曲的尺子”，再通过计算来还原出物体的形状和每个点的高度。

• 工作原理和物理基础： 传感器向目标物体表面投射一束激光线或特定的光栅图案（结构光）。当这束激光线或图案照射到物体表面时，如果表面有起伏，激光线就会发生弯曲或图案会发生畸变。传感器内置的高分辨率相机从一个已知角度捕捉被畸变的激光线或图案的图像。通过精确分析图像中激光线的形状和位置变化，结合三角测量原理（对激光线上的每个点进行三角测量），传感器可以实时重建目标物体的2D轮廓或3D表面几何形状，从而获得每个点的距离信息和完整的物体截面信息。 其原理是在激光三角测量的基础上，将“点”扩展为“线”或“面”，通过对多点同时测量来获取轮廓或3D数据。

• 核心性能参数典型范围：

  • Z轴测量范围：通常在几十毫米到几百毫米（垂直于扫描方向的深度）。

  • Z轴重复精度：可达微米级。

  • X轴分辨率：可达微米到几十微米（沿着激光线方向）。

  • 测量速率：高达数kHz到几十kHz（每秒扫描的轮廓数量）。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 获取完整轮廓或3D信息：可以一次性测量整个截面，非常适合尺寸测量、缺陷检测和复杂形状的质量控制。

    • 高精度：在获取物体轮廓方面具有很高的精度。

    • 高速：能够以很快的速度进行轮廓扫描。

    • 非接触：适用于各种材质。

  • 缺点：

    • 受环境光和表面特性影响：与点式激光三角测量类似，容易受到环境光、表面反射率、颜色等影响。

    • 需要较大视场：通常需要传感器有一个清晰的、无遮挡的视野来捕捉完整的激光线。

    • 数据处理量大：生成2D轮廓或3D数据需要更强大的处理能力。

  • 成本考量：较高，属于高端检测方案。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选了几家在工业测量领域具有代表性的品牌及其采用的技术方案进行对比：

• 德国微脉冲

  • 技术方案：基于涡流效应。

  • 核心性能参数：量程通常在0.5 mm至6 mm之间，分辨率可低至0.05 µm，线性度约为±0.2% FSO，响应频率高达50 kHz。

  • 应用特点和独特优势：德国微脉冲在涡流传感器领域有很强的技术积累，其产品以极高的测量精度和分辨率著称，尤其适用于对金属目标进行精密位移、振动、厚度等短距离测量。它对非导电性的灰尘、油污、湿气等环境干扰不敏感，非常适合恶劣工业环境下的超精密检测。但在高温金属冶炼环境中，需要重点关注其量程较短的限制以及被测物导电率受温度影响的问题。

• 英国真尚有

  • 技术方案：采用激光三角测量原理。

  • 核心性能参数：ZLDS116系列传感器的最大测量距离可达10m，测量范围可达8m，精度最高可优于0.08%，响应时间仅为5毫秒。特定型号可测量高达1300°C的高温物体，并具有IP66防护等级。

  • 应用特点和独特优势：英国真尚有ZLDS116系列激光位移传感器在高温环境测量方面表现突出，其高测量范围和可测高温物体的特点，使其非常适合钢铁行业对高温钢坯或钢板进行实时定位和尺寸监控。5毫秒的快速响应时间确保了动态测量的实时性，IP66的防护等级和可选的空气净化系统则保证了其在恶劣环境中的可靠运行。同时，多样化的激光功率选项使其能适应不同目标温度和表面状况，无需校准的自主传感器也提升了使用的便捷性。该传感器提供模拟输出（0-10V或4-20mA）、数字输出（RS485或Profibus DP）以及视频输出（0-5V）等多种输出方式，以满足不同的系统集成需求。

• 日本基恩士

  • 技术方案：采用激光三角测量原理。

  • 核心性能参数：测量距离例如IL-030为30 mm ± 5 mm，IL-600为600 mm ± 100 mm。重复精度低至0.5 µm，线性度±0.1% F.S.，采样周期500 µs。

  • 应用特点和独特优势：日本基恩士作为自动化领域的知名品牌，其激光位移传感器以高性能、高精度和易用性著称。产品线丰富，覆盖多种测量距离和精度需求，适用于包括金属在内的多种表面。其快速检测能力和高精度使得它在在线检测和自动化控制中广受欢迎。在全球市场占有率高，技术支持网络完善。

• 加拿大LMI科技

  • 技术方案：采用结构光或激光轮廓扫描技术。

  • 核心性能参数：测量范围例如Z轴13 mm，Z轴重复精度低至 0.2 µm，X轴分辨率低至8 µm，测量速率高达10 kHz。

  • 应用特点和独特优势：加拿大LMI科技专注于3D机器视觉和检测解决方案，其产品能够高速高精度地获取物体的完整轮廓和表面信息。对于需要精确检测钢坯/钢板的横截面形状、翘曲度、边缘缺陷等复杂几何特征的应用场景，结构光技术提供了强大的优势。一体化设计便于集成，在汽车制造、电子组装等行业有广泛应用，在钢铁行业则可用于钢板质量的全面检测。

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

选择合适的测量设备，就像为一项特殊任务挑选最趁手的工具，需要根据任务的具体要求来定。

• 测量精度和分辨率：

  • 实际意义：精度指的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。对于钢坯/钢板的尺寸控制，比如厚度或宽度，几毫米的偏差可能就意味着废品。

  • 影响：直接决定了你产品质量控制的精细程度。精度不够，就无法发现微小的尺寸偏差；分辨率不高，就无法捕捉到细微的尺寸波动。

  • 选型建议：如果目标是精密轧制，要求产品厚度误差在0.1mm以内，那么就需要选择精度和分辨率达到0.05mm甚至更低的传感器。对于粗轧阶段，毫米级精度可能已足够。例如，涡流传感器提供微米级分辨率，但量程短；激光三角测量则在中等量程内提供亚毫米级高精度。

• 测量范围与工作距离：

  • 实际意义：测量范围是传感器能有效测量的距离区间；工作距离是传感器到被测物体的合适安装距离。高温环境中，我们通常希望传感器离火红的钢坯远一点，以减少热辐射的直接影响。

  • 影响：过近的距离会导致传感器过热，过远的距离可能超出传感器的有效测量范围，或者降低测量精度。

  • 选型建议：在高温冶炼现场，优先选择具有较长测量距离（如数米）的激光位移传感器（如激光三角测量或TOF）配合水冷或空气净化系统，这样可以将传感器本体安装在离高温区域相对较远且环境较好的位置。例如，英国真尚有的ZLDS116系列，最大测量距离可达10米，能够满足长距离测量的需求。

• 响应速度：

  • 实际意义：传感器从接收信号到输出结果所需的时间。钢坯在轧制线上可能以每秒数米的速度移动，如果传感器响应慢，等你测完一个点，钢坯已经跑出很远了。

  • 影响：直接决定了能否实现实时监测和快速闭环控制。响应速度不够快，就容易出现数据滞后，导致控制不及时，影响产品质量。

  • 选型建议：对于高速移动的钢坯/钢板，应选择响应时间在毫秒级别（例如5ms甚至更快）的传感器。涡流和激光三角测量传感器通常能满足高速动态测量的需求，而TOF传感器在精度要求不高但距离很长的场合也能适用。

• 高温适应性（最高测量物体温度与工作温度范围）：

  • 实际意义：传感器不仅自身要在高温环境中稳定工作，还要能准确测量发光的、温度极高的物体。高温物体会发出大量红外辐射，这可能干扰普通激光传感器的接收信号。

  • 影响：传感器可能因过热而损坏，或者测量结果因热辐射干扰而失真。

  • 选型建议：必须选择专门为高温环境设计的传感器，例如具备耐高温光学元件、高功率激光发射器（以穿透热辐射和蒸汽）、专门的高温处理模式，以及配备完善的水冷或空气冷却系统的型号。

• 环境防护等级与抗干扰能力：

  • 实际意义：钢铁厂环境多粉尘、水汽、振动、强电磁干扰。IP防护等级（如IP66）代表了传感器防尘防水的能力。

  • 影响：防护等级不足会导致传感器内部进水、进尘，影响光学系统或电子元件，缩短寿命；电磁干扰则可能导致测量数据不稳定。

  • 选型建议：选择IP66或更高防护等级的铸铝外壳传感器，并配备空气净化系统，能有效避免粉尘和蒸汽对光学窗口的污染。同时，传感器应具备良好的电磁兼容性（EMC）。

• 输出接口与集成便捷性：

  • 实际意义：传感器输出的信号需要与工厂的PLC、DCS或其他控制系统无缝对接。

  • 影响：接口不兼容会增加系统集成难度和成本。

  • 选型建议：选择提供多种标准化输出方式（如4-20mA模拟量、RS485、Profibus DP等）的传感器，以便于与现有自动化系统集成。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高温金属冶炼环境中应用传感器，就像在暴风雨中驾船，总会遇到各种挑战。理解这些挑战并提前做好准备至关重要。

• 问题：高温干扰与传感器过热

  • 原因及影响：高温钢坯/钢板会发出强烈的红外辐射，这些辐射可能被普通激光传感器误识别为激光反射信号，导致测量数据漂移或不稳定。同时，环境的高温也会使传感器本体温度升高，超出其工作范围，造成电子元件损坏或性能下降。

  • 解决建议：

    • 水冷/空气冷却系统：为传感器配备外部水冷套或高压空气冷却系统，使其在120°C甚至更高环境温度下稳定工作。

    • 特定波长/滤波：选用发射特定波长激光（如蓝色激光）的传感器，并搭配窄带滤光片，有效过滤掉钢坯的红外热辐射干扰。

    • 高功率激光：使用更高功率的激光发射器，确保激光信号强度远高于环境热辐射和烟雾干扰，提高信噪比。

• 问题：烟雾、蒸汽、灰尘等遮挡和散射

  • 原因及影响：冶炼环境中常伴有大量的蒸汽、水雾、氧化铁皮粉尘和烟雾。这些悬浮物会吸收或散射激光束，削弱激光信号强度，导致传感器无法接收到有效反射光，或产生错误的测量数据。

  • 解决建议：

    • 空气净化系统（气刀）：在传感器光学窗口前安装空气吹扫装置（俗称“气刀”），持续吹出干净压缩空气，形成一层保护气幕，防止灰尘和水汽附着在镜头上，保持光学路径清洁。

    • 高防护等级：选择IP66或更高防护等级的传感器，确保内部元件不受外部颗粒物和水侵蚀。

    • 安装位置优化：尽量将传感器安装在气流相对稳定、烟雾较少的区域，并远离蒸汽喷口。

• 问题：被测物表面变化（氧化皮、反射率不均）

  • 原因及影响：高温钢坯/钢板表面常常覆盖有氧化铁皮，或者由于冷却不均导致表面反射率不均匀，甚至出现镜面反射或漫反射的混合情况。这会使反射回传感器的激光信号强度不一致，影响测量稳定性。

  • 解决建议：

    • 宽动态范围传感器：选择具有宽动态范围（WDR）或自动增益控制（AGC）功能的传感器，能够适应不同反射率的表面，自动调整信号接收强度。

    • 多激光功率选项：传感器提供多种激光功率输出，可根据被测物表面状况和距离进行调整，以获得最佳测量效果。

    • 角度优化：调整传感器的安装角度，尽量避免镜面反射，确保接收到稳定的漫反射信号。

• 问题：机械振动和结构变形

  • 原因及影响：重型机械的运行，如轧机、剪切机等，会产生剧烈的振动，导致传感器安装结构不稳定，进而影响测量精度。同时，生产线结构在高温下也可能发生热变形，改变传感器与被测物的相对位置。

  • 解决建议：

    • 稳固安装：采用重型、减振的支架和安装方式，确保传感器安装牢固，减少振动影响。

    • 实时补偿：对于结构变形，可以考虑引入额外的位移传感器对安装基准进行监测，并通过软件算法进行实时补偿。

    • 信号滤波：传感器内部或上位机软件可采用数字滤波算法（如移动平均、卡尔曼滤波）来平滑测量数据，消除瞬时振动带来的噪声。

4. 应用案例分享

• 钢坯宽度测量与控制：在连铸或初轧生产线上，利用两台相对安装的激光位移传感器分别测量钢坯两侧边缘到传感器的距离，计算出钢坯的实时宽度，并反馈给控制系统，用于调整轧辊间隙，确保产品宽度符合标准。

• 钢板厚度测量与反馈：在热轧或冷轧线上，将一对激光位移传感器分别安装在钢板的上方和下方，精确测量钢板上下表面到各自传感器的距离，从而得出钢板的实时厚度，实现对轧制压力的闭环控制，提高厚度均匀性。

• 长度优化与剪切控制：在飞剪或定尺剪切前，利用激光位移传感器监测钢坯或钢板的长度和运行速度，优化剪切点，最大限度地减少边角料浪费，提高材料利用率。

• 炉内钢坯定位与出炉引导：在加热炉或均热炉内，通过激光位移传感器监测钢坯在炉内的精确位置，确保钢坯顺利送入炉膛，并在出炉时提供精确引导，避免碰撞和卡滞，提高生产节奏。

• 带钢卷径与卷取张力控制：在冷轧或镀锌线上，激光位移传感器可以持续测量带钢卷的直径，结合卷取速度，精确计算剩余长度，并用于调节卷取机的张力，确保卷取质量和后续处理的稳定性。例如，英国真尚有的ZLDS116系列激光位移传感器，具有多种安装选项和灵活的连接线长度，便于在不同场合进行安装和应用。