高速带钢生产线如何克服恶劣环境挑战，实现米级卷径的亚毫米级精度实时非接触测量？【激光检测】

1. 基于带钢卷径的基本结构与技术要求

在高速带钢生产线上，带钢卷径测量是一个至关重要的环节。想象一下，一卷巨大的带钢就像是一个超大号的卷尺盘，它被紧紧地卷绕在卷筒上，从空卷筒开始，随着带钢的不断增加而逐渐变大，直到形成一个直径可能达到数米的成品钢卷。

这个“大卷尺盘”的结构看起来简单，但其尺寸测量却面临诸多挑战和严格的技术要求：

• 尺寸动态变化: 卷径在卷取过程中是持续变化的，从最初的几百毫米（空卷筒）到最终的数米（满卷），这就要求传感器具备宽泛的测量范围。

• 高速运动: 带钢在生产线上以极高的速度运行，这意味着卷径的测量必须是实时的、连续的，并且传感器响应速度要足够快，才能跟上生产节奏。

• 恶劣的生产环境: 钢厂的环境非常严苛，存在高温、高粉尘、水蒸气、油污，甚至是剧烈的震动。这要求传感器必须具备极高的防护等级、环境适应性和稳定性。就像一个精密的仪器需要在火炉旁边、烟雾弥漫的条件下依然能准确工作。

• 表面特性复杂: 带钢表面可能不是理想的光滑平面，它可能带有氧化皮、轧制纹理，甚至在高温下呈炽热状态，表面反射率会随之变化，这对测量精度提出了更高要求。

• 高精度要求: 精确的卷径数据对于后续的生产控制至关重要，比如带钢的张力控制、长度计算、切割定尺以及最终的卷形质量评估。如果卷径测量不准，可能导致带钢跑偏、张力失稳，甚至造成废品。

综合来看，在高速带钢产线上实现高精度卷径测量，需要传感器能够：非接触式测量、具有大测量范围、高精度、快速响应、并且能在恶劣工业环境下稳定可靠地工作。

2. 针对带钢卷径的相关技术标准简介

为了确保带钢卷径测量的准确性和一致性，行业内通常会围绕以下几个核心参数进行定义和评估：

• 卷径 (Coil Diameter)：这是指带钢卷在某一切面上的最大外圆直径。就好比我们测量一个圆柱体的直径，只不过这个圆柱体是动态变化的。在实际应用中，常常监测其瞬时卷径以及最大/最小卷径。

• 测量精度 (Measurement Accuracy)：它量化了测量结果与带钢卷的实际真实直径之间的接近程度。精度越高，意味着测量的偏差越小，数据越值得信赖。在产线上，通常要求毫米级甚至亚毫米级的精度，以满足高品质带钢的生产需求。

• 重复精度 (Repeatability)：这个指标反映了在相同测量条件下，对同一带钢卷的同一位置进行多次测量时，结果的一致性。如果重复精度高，说明传感器非常稳定可靠，不会因为随机因素导致测量结果忽大忽小。

• 分辨率 (Resolution)：这是传感器能够识别并显示的最小距离变化量。就好比一把尺子，如果最小刻度是1毫米，那么它能分辨的最小长度就是1毫米。在卷径测量中，高的分辨率能够捕捉到卷径的细微变化，对于控制系统精细调节至关重要。

• 响应时间 (Response Time)：指传感器从接收到目标信号到输出有效测量结果所需的时间。在高速带钢生产线中，卷径变化非常快，传感器必须“眼疾手快”，响应时间越短，数据更新越及时，越能确保控制系统能够实时响应，避免滞后。通常以毫秒为单位衡量。

• 测量范围 (Measurement Range)：这定义了传感器能够有效测量的最小距离到最大距离的区间。对于带钢卷径测量，需要覆盖从空卷筒到满卷直径的整个变化范围，通常是几百毫米到几米。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在高速带钢产线上实现高精度卷径测量，市面上主要有几种主流的激光位移传感器技术方案，它们各有特点，适用于不同的工况和精度要求。

• 激光三角测量法 (Laser Triangulation)

  工作原理与物理基础： 激光三角测量法是一种非常经典的非接触式测量技术。它的基本原理就像我们用眼睛看东西一样，通过“三角定位”来确定距离。传感器内部会发射一束非常细的激光束，打到被测物体（这里就是带钢卷的表面）上，形成一个明亮的光点。紧邻激光发射器的旁边，安装有一个高灵敏度的光学接收器，通常是一个CCD或CMOS线阵相机（也可能是位置敏感探测器PSD），它会以一个固定的角度“观察”这个激光光点在物体表面的反射。

  当带钢卷的表面与传感器之间的距离发生变化时，由于观测角度的存在，激光光点在接收器上的成像位置会发生移动。这就像你站在一个固定位置看远处的一堵墙，如果这堵墙离你越来越近，你眼中墙上某个固定点的位置也会相应地“挪动”。传感器就是通过精确测量光点在接收器上移动的微小距离，并利用内部固定的几何光学参数（例如发射器与接收器之间的基线距离、接收器镜头的焦距以及它们相对于激光束的角度），通过三角函数关系来反推出被测物体的精确距离。

  核心物理基础： 假设激光发射器与接收器透镜中心之间的距离为基线长度 $L$，接收器透镜到光敏检测器 (PSD) 的焦距为 $f$。激光束以角度 $alpha$ 射向目标，反射光通过接收透镜聚焦到PSD上。当目标距离传感器发生变化 $Delta Z$ 时，光斑在PSD上会产生位移 $Delta X$。根据相似三角形原理和几何关系，目标距离 $Z$ 与光斑位移 $Delta X$ 之间存在以下近似关系：

  $Z = (L imes f) / Delta X$ (简化形式，忽略了角度变化，在小范围线性化时常用)

  更精确的公式考虑了角度变化：

  $Z = (L imes f) / (Delta X imes cos(alpha) + f imes sin(alpha))$

  在实际传感器中，通常会通过精密的校准，建立一个距离 $Z$ 与接收器上光斑位置的非线性查找表或多项式模型，从而实现高精度的距离计算。

  核心性能参数典型范围： 激光三角测量法传感器的测量范围通常从中短距离（几毫米到数米），例如从几十毫米到8米左右。其精度表现优秀，激光测量精度一般为±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达±0.015mm。分辨率通常在微米到纳米级别。响应速度非常快，一般可达毫秒级甚至几十微秒。

  优缺点：* 优点： 高精度、高分辨率、高响应速度是其突出特点，非常适合中短距离内对运动目标进行高精度测量。在带钢产线上，当传感器安装位置离钢卷距离不是特别远时，能够提供非常精确的实时卷径数据，对于精细控制生产过程（如张力、定长）极为有利。对大多数非镜面金属表面有良好的适应性。成本适中。* 缺点： 测量范围相对有限，当距离过远时精度会明显下降。对被测物体表面的反射率和颜色变化较为敏感，如果表面过于镜面或过于吸光，可能会影响测量稳定性。在粉尘、水汽等恶劣环境下，光路容易受到干扰，需要额外的防护措施（如空气吹扫）。

• 激光飞行时间法 (Laser Time-of-Flight, ToF)

  工作原理与物理基础： 激光飞行时间法的工作原理，就像我们对着远山喊话，然后计算声音从发出到听到回音所需的时间一样。ToF传感器会发射一个极短的激光脉冲到被测物体表面，然后精确测量这个激光脉冲从发射出去，到被物体表面反射回来并被接收器捕捉到所需的总时间。由于光速是一个已知的常数（约 $f$0 米/秒），传感器通过简单的距离公式就能计算出与物体之间的距离。

  核心物理基础：距离 $f$1其中，$f$2 代表光速，$f$3 代表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。

  核心性能参数典型范围： ToF传感器通常具有非常远的测量范围，可从几十厘米延伸到数十米乃至数百米。精度通常在毫米到厘米级别。分辨率在毫米级别。响应时间可快至数毫秒。

  优缺点：* 优点： 测量距离远，是其最大的优势，非常适合需要远距离测量的应用场景，例如大型带钢卷的远距离卷径测量，或者传感器安装位置受限无法靠近目标时。ToF传感器通常对环境光线不敏感，抗干扰能力强，在恶劣工业环境中（如高烟尘、高温等）表现出良好的稳健性。* 缺点： 相较于激光三角测量法，ToF传感器在近距离通常精度较低，不适合需要微米级高精度的应用。成本通常较高。

• 共聚焦色散测量法 (Chromatic Confocal)

  工作原理与物理基础： 共聚焦色散测量法是一种利用光的色散特性和共聚焦原理实现超高精度测量的技术。想象一束包含了红橙黄绿青蓝紫所有颜色的宽带白光，通过一个特殊设计的镜头后，不同颜色的光会在光轴上的不同距离处达到最清晰的焦点（就像棱镜能把白光分成彩虹一样，这里是把不同颜色的焦点错开）。当这束“彩虹光”照射到物体表面时，只有恰好在物体表面聚焦的那个特定波长的光（特定颜色）会被最强地反射回传感器。传感器内部的光谱仪会分析反射回来的光线，精确检测出哪个波长的光强度最高，从而根据预先建立的校准关系，确定物体与传感器之间的精确距离。

  核心物理基础： 该方法的核心在于利用光学元件的色差现象。宽带光源发出的光经过色散透镜组后，不同波长的光在光轴上形成一系列焦点。当目标表面位于某个波长的焦点处时，该波长的光被反射回传感器，通过共聚焦孔径后，其光强达到最大。传感器通过检测反射光的光谱峰值波长 $f$4，并利用校准曲线 $f$5，即可确定目标距离。

  核心性能参数典型范围： 共聚焦色散测量法通常具有极短的测量范围，仅为几毫米到几十毫米。但其分辨率极高，可达到纳米级别。采样频率最高可达几十KHz。

  优缺点：* 优点： 最大的优势在于其极致的轴向分辨率和纳米级精度，能够测量各种表面（包括透明材料、镜面、粗糙表面），对倾斜表面也有良好适应性。非接触式测量对样品无损伤。特别适合于实验室精密测量、半导体制造、医疗设备或对带钢表面微观缺陷、涂层厚度等进行超高精度检测。* 缺点： 测量范围非常小，无法用于大尺寸带钢卷的整体卷径测量。对传感器与被测物之间的距离要求极为严格，安装和维护难度大。设备成本极高。

• 激光轮廓扫描法 (Laser Profile Scanning)

  工作原理与物理基础： 激光轮廓扫描法可以看作是激光三角测量法的一种延伸，但它提供的是三维信息而非单点距离。传感器不是投射一个点，而是投射一条激光线（通常是红线或蓝线）到被测物体表面。当这条激光线投射到带钢卷表面时，会因为卷材的形状而发生弯曲变形。传感器内部的二维相机（或称图像传感器）会以一个固定角度捕捉这条弯曲的激光线的图像。

  通过分析图像中激光线上每个点的像素位置，传感器可以利用内置的三角测量原理，计算出激光线上每个点在三维空间中的精确坐标（X, Y, Z）。当带钢卷在传感器下方高速通过时，传感器会以极高的频率连续投射激光线并捕获图像，并将这些连续的二维轮廓数据“拼接”起来，从而构建出带钢卷的完整三维形状和表面轮廓。

  核心物理基础： 类似于单点三角测量，但扩展到一条线。激光线在物体表面形成的形变图案被相机捕获。对于图像传感器上的每个像素点 $f$6 对应激光线上的一个点，其在物理空间中的三维坐标 $f$7 可通过投影几何和三角关系计算。这个过程涉及复杂的校准参数和图像处理算法。

  核心性能参数典型范围： 测量速率通常可达数KHz到几十KHz（全分辨率）。X、Z轴分辨率可达微米级别。视野范围通常为几十毫米到数百毫米。

  优缺点：* 优点： 能够提供被测物体表面的完整三维轮廓和尺寸数据，不仅仅是距离，还能检测卷材的形状、边缘状况、塌卷、椭圆度等更复杂的信息。测量速度快，传感器集成度高，便于部署。在带钢产线中，如果除了卷径还需要进行更全面的卷形质量评估，这种方法非常有效。* 缺点： 数据量巨大，需要强大的处理能力和复杂的算法。相对于简单的单点位移测量，通常成本更高。对于仅仅测量卷径的需求来说，可能略显“大材小用”，但提供了更多维度的数据。

（2）市场主流品牌/产品对比

• 日本基恩士 (采用激光三角测量法) 日本基恩士的LK-G507系列是业界知名的产品，以其卓越的测量速度和极高的精度在激光三角测量领域占据领先地位。其典型产品能实现0.005 μm的测量精度和高达392 kHz的采样速度，重复精度也达到0.005 μm。这种极高性能使其在生产线上的高速动态测量中表现出色，即使面对快速移动和表面变化复杂的带钢，也能提供稳定且高度精确的距离数据。日本基恩士的优势在于其对核心光学和信号处理技术的深入掌控，确保产品的高可靠性和易集成性。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量法) 英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器在测量范围和环境适应性方面表现出众。该系列产品提供最大10m的测量距离，测量范围可达8m，精度最高可优于0.08%（具体取决于测量范围），响应时间为5毫秒。其独特之处在于能够测量高达1300°C的高温物体，并采用IP66级铸铝外壳和空气净化系统，使其能够在钢厂这种高温、高粉尘的恶劣环境中稳定工作。该传感器还提供2mW、5mW和10mW三种激光功率选项，适应不同环境和目标温度，配合水冷系统后可达120°C的宽泛工作温度范围也极大地增强了其在带钢卷径测量等高温、多尘且需要一定量程应用中的灵活性和可靠性。

• 德国西克 (采用激光飞行时间法) 德国西克的DT500-A2113传感器利用激光飞行时间原理，提供0.2m至10m的测量范围，具有1.5mm的重复精度和最小2ms的响应时间。德国西克传感器的主要优势在于其卓越的长距离测量能力、在复杂工业环境中的高可靠性和坚固耐用性。对于带钢产线中传感器安装距离较远，或者环境极其恶劣，需要稳定长距离测量的应用场景，德国西克的ToF传感器是一个非常合适的选择。虽然在极致精度上可能不如部分三角测量传感器，但其在复杂工况下的稳健表现是其核心竞争力。

• 法国赛斯维 (采用共聚焦色散测量法) 法国赛斯维的CCS Prima 3350系列传感器以其极其突出的轴向分辨率和纳米级精度而闻名。其分辨率可达到1 nm (RMS)，采样频率最高64 kHz，但测量范围非常有限，仅为3 mm。这款传感器能够测量多种表面，包括透明材料、镜面和粗糙表面，并且是非接触式测量，对样品无损伤。虽然其精度在行业内处于顶尖水平，但由于其测量范围极小，它更适合于带钢生产中对表面微观缺陷、涂层厚度或极高精度局部尺寸的检测，而非应用于大尺寸带钢卷的整体卷径测量。

（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

在选择合适的激光位移传感器进行带钢卷径测量时，我们需要像挑选工具一样，根据实际需求来匹配传感器的“能力”。以下是一些关键指标及其选型建议：

• 测量范围:

  • 实际意义: 指传感器能有效测量的最短到最长距离。就好比你量一个从小鸡蛋到大西瓜的变化，需要一把能覆盖这个尺寸区间的尺子。

  • 影响: 如果测量范围不够大，无法覆盖带钢从空卷筒到满卷的所有直径变化，就可能导致在某些阶段测量失效。

  • 选型建议: 首先明确带钢卷径的最小和最大可能值。对于带钢产线，通常需要米级（例如1-8米）的测量范围。激光三角测量法和飞行时间法传感器都能提供这类量程，但具体数值需根据现场安装距离确定。

• 测量精度与分辨率:

  • 实际意义: 精度是测量值与真实值之间的接近程度，分辨率是传感器能检测到的最小变化量。这两者决定了你测量结果的“精细”和“可信”程度。

  • 影响: 高精度能保证卷径数据准确，直接影响切割长度、张力控制等下游环节的质量。高分辨率能捕捉到哪怕是几百微米的细微卷径变化，为控制系统提供更敏感的反馈。

  • 选型建议: 带钢卷径测量通常要求毫米级甚至亚毫米级的精度。激光三角测量法通常能提供更高的精度，部分高端型号的精度可以优于0.08%，而飞行时间法在长距离下精度可能稍低（毫米级）。在保证量程的前提下，优先选择精度和分辨率更高的传感器。

• 响应时间/采样速度:

  • 实际意义: 传感器从接收信号到输出测量结果所需的时间，或者单位时间内能完成多少次测量。在高速产线，这就像赛车手的“反应速度”。

  • 影响: 带钢高速运动时，卷径也在快速变化。如果传感器响应慢，输出的数据就会滞后于实际情况，导致控制系统无法及时作出调整，影响控制效果。

  • 选型建议: 确保传感器的响应时间足够快，以匹配带钢线的运行速度。通常要求毫秒级的响应时间或数百赫兹到数千赫兹的采样速度。激光三角测量法通常在这方面表现优异。

• 抗环境干扰能力:

  • 实际意义: 传感器在恶劣工业环境下（高温、粉尘、水蒸气、震动、强电磁干扰）保持稳定工作的能力。

  • 影响: 钢厂环境恶劣，传感器若不具备相应的防护能力，轻则测量结果不稳，重则设备损坏，影响生产。

  • 选型建议: 选择具备高防护等级（如IP66/IP67）的传感器。如果环境温度高，考虑带水冷/风冷系统的传感器。对于多尘环境，选择配备空气吹扫系统的型号。例如，英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器采用IP66级铸铝外壳，并配备空气净化系统，适合在恶劣环境中工作。

• 测量对象表面特性适应性:

  • 实际意义: 传感器对被测物体表面不同反射特性（光亮、粗糙、氧化、颜色）的适应能力。

  • 影响: 带钢表面可能因温度、氧化程度、是否有油污而呈现不同的光泽和颜色。如果传感器对这些变化敏感，就可能导致测量跳动或失准。

  • 选型建议: 了解目标带钢表面的实际情况。一些传感器具备自动增益控制(AGC)或更强的信号处理能力，能更好地应对表面变化。激光三角测量法和飞行时间法各有特点，需根据实际表面情况进行测试或咨询。

• 输出方式:

  • 实际意义: 传感器将测量数据传输给上位控制系统（PLC、DCS）的接口类型。

  • 影响: 必须选择与现有或规划的控制系统兼容的输出方式，否则数据无法有效集成和利用。

  • 选型建议: 常见的有模拟量输出（0-10V, 4-20mA）、数字量输出（RS485、Profibus DP、Ethernet/IP）。优先选择与产线控制系统兼容且抗干扰能力强的数字输出接口。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高速带钢产线部署激光位移传感器进行卷径测量，虽然技术先进，但实际操作中仍可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能确保系统稳定运行。

• 问题1: 粉尘、水蒸气和烟雾干扰

  • 原因及影响: 钢厂环境不可避免地存在大量金属粉尘、水蒸气以及因高温产生的烟雾。这些悬浮颗粒或水汽会散射、吸收甚至阻挡激光束，使得传感器接收到的反射信号变弱或产生误判，直接导致测量数据不稳定，精度下降，甚至完全无法测量。

  • 解决建议:

    • 空气吹扫系统: 在传感器的光学窗口处安装专业的空气吹扫装置。通过引入洁净、干燥的压缩空气，在镜头前方形成一道“气帘”，有效阻止粉尘和水汽附着在光学元件上。这就像给传感器的“眼睛”戴上了一个透明的保护罩。

    • 高防护等级传感器: 选择本体防护等级至少达到IP66或IP67的传感器，确保内部电子元件和光学系统免受外部污染和湿气侵蚀。

    • 优化安装位置: 尽量将传感器安装在粉尘和烟雾浓度相对较低的区域，或者避开主要的蒸汽排放口。

• 问题2: 带钢表面反光率变化大

  • 原因及影响: 带钢表面因材料、温度、冷却状态以及氧化程度的不同，其光泽度（反射率）会发生显著变化。例如，新轧制的带钢可能非常光亮，而氧化后则会变得暗淡。这种不稳定的表面反射特性会导致传感器接收到的激光信号强度忽高忽低，增加测量噪声，影响测量稳定性。

  • 解决建议:

    • 选择具备自动增益控制 (AGC) 功能的传感器: 带有AGC功能的传感器能根据接收信号的强弱自动调整激光发射功率或接收灵敏度，从而适应不同反射率的表面，确保信号稳定。

    • 优化安装角度: 调整传感器的安装角度，避免激光束直接以镜面反射角照射到接收器，以减少镜面反射的干扰，增加漫反射信号的接收。

    • 考虑激光波长和功率: 对于某些高吸收率的暗色表面，可能需要选择更高功率或特定波长（如蓝色激光对某些金属有更好反射）的传感器。

• 问题3: 产线震动对测量的影响

  • 原因及影响: 高速带钢生产线上的轧机、卷取机等大型设备在运行时会产生剧烈的机械震动。这些震动会通过安装结构传递到激光位移传感器，导致传感器本体或其支架产生微小的抖动。即使是几十微米的抖动，也可能引入测量误差，降低测量精度。

  • 解决建议:

    • 使用减震安装支架: 采用专业的重型减震支架或减震平台来安装传感器，有效隔离来自设备的震动。减震材料和结构能吸收大部分震动能量。

    • 数据滤波处理: 在控制系统的软件层面，对传感器输出的实时数据进行数字滤波处理（如滑动平均滤波、中值滤波），可以平滑因随机震动引入的瞬时测量噪声，得到更稳定的卷径值。

    • 选择高采样率传感器: 采样率高的传感器能在极短时间内获取大量数据，有助于在后期数据处理中更好地识别和消除震动带来的瞬时误差。

• 问题4: 测量距离过长或目标过大导致精度下降

  • 原因及影响: 激光位移传感器都有其最佳测量距离范围。当传感器与目标距离过远，或者需要测量的卷径变化范围非常大，接近传感器的量程极限时，其测量精度可能会显著下降，甚至超出允许误差。

  • 解决建议:

    • 合理选择传感器量程: 根据现场实际的最小卷径和最大卷径，以及传感器最佳安装位置，选择一个既能覆盖整个变化范围，又能确保在大部分工作距离内维持高精度的传感器型号。

    • 多传感器协同测量: 对于特别大的卷径，或者需要极致测量精度的场景，可以考虑部署两台或多台激光位移传感器，从不同角度或不同位置同时进行测量。通过智能算法融合这些数据，可以互相校正误差，提高整体测量精度和系统鲁棒性。

4. 应用案例分享

• 带钢轧机卷取机卷径控制: 在热轧或冷轧产线末端，激光位移传感器实时精确测量带钢卷取过程中的卷径变化，为卷取机提供连续反馈。这使得控制系统能够动态调整卷取速度和张力，保证带钢卷形圆整、张力恒定，有效避免了塌卷、松卷等质量问题。例如，英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器具有快速响应的特点，适用于这种需要动态测量的应用。

• 仓库卷材盘点与尺寸管理: 激光位移传感器被集成到自动化物流系统中，用于非接触式地快速测量仓库中堆放的带钢卷、线圈的直径。系统自动记录和管理这些尺寸数据，大幅提高了库存盘点效率，并能确保出入库的卷材尺寸符合要求。

• 切割线定长优化: 通过精确测量带钢卷的实时直径，结合带钢厚度，可以准确计算出卷材剩余的总长度。这些数据用于优化带钢的切割计划，确保按需定长切割，最大限度地减少边角料和余料浪费，提升了材料利用率和生产效益。

• 卷径偏心度与椭圆度检测: 在对卷材质量要求极高的生产线上，可以通过在卷材圆周不同位置安装多个激光位移传感器，同步测量多个点的直径。利用这些多点数据，可以实时计算出卷材的偏心度或椭圆度，从而深入评估卷材的几何形状质量，确保其在后续加工或使用中的稳定性。