在1000°C以上的高温钢铁生产线，如何实现对钢坯板带0.1mm级非接触式尺寸在线高精度检测？【激光位移传感器选型】【恶劣环境解决方案】

1. 基于钢铁行业高温物体的基本结构与技术要求

在钢铁生产线上，我们常常需要测量高温的钢坯、钢板、钢卷等。这些“高温物体”并非静止不动，它们通常在生产线上高速移动，形状各异，表面状态复杂。

想象一下，一块刚刚从连铸机出来的炽热钢坯，它就像一块巨大的“红薯”，在输送辊道上缓慢移动。我们需要知道它的长度、宽度、厚度，甚至是它在空间中的位置，以便后续的切割、轧制等工序能精准进行。这些高温物体的基本“结构”特征包括：

• 尺寸与形貌： 比如钢坯的横截面尺寸（长、宽）、长度，钢板的厚度、宽度、翘曲度等。这些参数直接决定了产品的规格和质量。

• 温度： 通常在800°C到1200°C以上。高温会带来强烈的红外辐射，这对于光学传感器而言是一种干扰。

• 表面状态： 高温下钢材表面会形成氧化皮，或者有冷却水产生的蒸汽，甚至还有轧制过程中产生的油污和粉尘。这些都会影响激光的反射和传感器的接收。

• 运动状态： 物体往往是高速移动的，甚至可能伴随着振动。

因此，对这些高温物体进行距离测量，技术上要求传感器必须具备：

• 非接触性： 避免高温对传感器造成损坏，也避免接触测量影响生产流程或被测物体。

• 高温适应性： 传感器本身需能在高温辐射环境下稳定工作，或有专门的高温防护措施。

• 高精度与高分辨率： 能够识别毫米甚至亚毫米级的尺寸变化或位置偏差。

• 快速响应： 能够跟上生产线上高速移动的物体，实现实时测量。

• 环境适应性： 能够承受恶劣的工业环境，如灰尘、水汽、电磁干扰等。

2. 针对钢铁行业高温物体的相关技术标准简介

在钢铁行业，对高温物体的监测参数通常围绕其尺寸精度、位置控制和形貌检测展开。这些参数的定义和评价方法是确保产品质量和生产效率的基础。

• 尺寸精度： 指的是被测物体的实际尺寸（如厚度、宽度、长度）与设计或标准尺寸之间的偏差。评价方法通常是定期对生产线上的产品进行抽样测量，与设定的公差范围进行比较，或者通过在线测量系统持续监测，并计算其平均偏差、标准差等统计指标，以确保产品符合规格要求。例如，热轧板带的厚度控制，目标是确保整卷钢带的厚度波动在极小的范围内。

• 位置控制： 主要是指物体在生产线上的相对或绝对位置。例如，钢坯在切割位置是否准确，钢板在轧制过程中是否保持在中心线，或者两个加热炉之间的间距是否精确。评价方法是通过测量物体边缘或特定点的坐标，与预设的基准位置进行对比，计算其偏移量。这对于确保自动化设备能够准确抓取、传送或加工至关重要。

• 形貌检测： 涉及物体的表面形状特征，如平整度、翘曲度、弧度等。例如，连铸坯的断面形状是否规整，热轧板的板形是否平直。评价方法可能包括对多个点进行距离测量，然后通过数学模型分析这些点构成的表面，判断其形貌缺陷。这有助于发现生产过程中的异常，及时调整工艺参数。

这些监测参数的准确获取，是实现智能制造、提高产品质量和降低废品率的基石。

3. 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，用于距离测量的激光传感器种类繁多，它们基于不同的物理原理，适用于不同的应用场景。

激光三角测量法

这种方法就像是我们用眼睛看东西：一个激光发射器射出一束光，打到目标物上，然后光线反射回来。接收器（通常是一个CCD或CMOS图像传感器）就像我们的眼睛，它在传感器内部的另一个位置“看到”这个反射光点。当目标物的距离发生变化时，反射光点在接收器上的位置也会随之移动，就像你把手靠近或远离眼睛时，它在你的视网膜上成像的位置会变化一样。

• 工作原理与物理基础： 激光三角测量法通过向目标物体发射一束点状激光束。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接收透镜，聚焦到内部的CMOS或PSD（位置敏感探测器）图像传感器上。由于发射激光器、反射光斑和接收器之间形成一个直角三角形（或近似直角三角形），当目标物与传感器的距离D发生变化时，反射光点在图像传感器上的位置X也会随之改变。通过精确分析图像传感器上光点的位移X，结合已知的传感器内部几何参数（如基线b和透镜焦距f），利用三角几何原理就可以计算出目标物的距离或位移。 其基本几何关系可以简化为： D = b * f / (X - X0) 其中，D是目标物到传感器的距离，b是激光发射器和接收器之间的基线距离，f是接收透镜的焦距，X是反射光点在图像传感器上的位置，X0是传感器内部的零位校准点。

• 核心性能参数： 激光三角测量传感器通常能达到微米到毫米级的测量精度，高端型号分辨率可达几微米。测量范围从几毫米到几米不等，更新频率通常在几百赫兹到几十千赫兹，响应速度快。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 具有较高的测量精度和分辨率，响应速度快，可以满足高速生产线上的实时监测需求；对于表面粗糙或漫反射的目标有较好的适应性；通过选择合适的激光波长和高级信号处理算法，可以有效抑制高温物体带来的红外辐射干扰。

  • 缺点： 测量范围相对有限，一般在几米以内，不适合超长距离测量；测量角度和目标表面倾斜度对测量结果有一定影响，当目标表面过于光滑发生镜面反射时，反射光可能无法被接收器有效捕捉；在环境光线强烈、水汽或烟尘弥漫的恶劣环境下，激光信号可能会被削弱或散射，影响测量稳定性。

  • 成本考量： 通常在中等偏高，但由于其广泛的适用性和高精度，在工业应用中具有较高的性价比。

共焦色散法

这是一种用于超高精度测量的技术，可以理解为用不同颜色的光来“探测”深度。传感器发射出一束白光，经过一个特殊的透镜后，白光被分解成不同的颜色，每种颜色的光都聚焦在不同的距离上。只有当某个特定颜色的光（例如红色或蓝色光）恰好聚焦在目标物表面时，反射回来的这束光才能穿过一个极小的针孔，被传感器内部的探测器接收。传感器通过分析接收到的光是哪种颜色最强，就能知道目标物的精确距离。

• 工作原理与物理基础： 共焦色散法利用白光的色散效应。传感器发射一束宽光谱的白光，经过一个特殊设计的色散透镜后，不同波长的光会在空间中不同距离处聚焦。当目标物位于某个特定距离时，只有与该距离相对应的波长的光能够精确聚焦在目标表面并反射回来。反射光经过同一个透镜后，再通过一个共焦小孔（光阑）进入探测器。只有精确聚焦在目标表面的光才能通过小孔，非聚焦的光则被阻挡。通过分析通过小孔的反射光的峰值波长，并根据预先校准的“波长-距离”曲线，即可高精度地计算出目标物的距离。 其物理基础是白光在光学介质中传播时，不同波长的光折射率不同，导致聚焦位置不同（色散）。

• 核心性能参数： 测量范围极短，通常只有几毫米；但分辨率极高，可以达到纳米级别；测量速率也很快，可达几十千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和分辨率，可达纳米级；非接触测量，对目标无损伤；适用于各种表面，包括镜面、透明材料和粗糙表面，应用范围广；点激光测量，光斑非常小。

  • 缺点： 测量范围非常有限，通常只能用于微观或近距离测量；对目标表面倾斜度和环境稳定性要求较高；成本相对较高。

  • 成本考量： 通常是最高端的解决方案之一，价格昂贵。

激光飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）

这种方法更像我们用雷达测距：传感器发射一个激光脉冲，然后计时，直到接收到从目标物反射回来的脉冲。激光从发射到接收的“飞行时间”越长，说明目标物越远。

• 工作原理与物理基础： 激光飞行时间法（ToF）是通过测量激光脉冲从传感器发射出去，碰到目标物体表面反射回来，再被传感器接收到的精确往返时间来计算距离。由于光速是已知常数，因此距离可以通过简单的公式计算。 距离 D = (光速 c * 飞行时间 t) / 2 有些先进的ToF传感器还会结合相位比较法，即发射一个经过调制的连续激光波，然后测量发射波和接收波之间的相位差。相位差越大，距离越远。

• 核心性能参数： 测量范围广，可以从几米到数百米甚至更远；精度通常在毫米到厘米级别；测量频率从几十赫兹到几百赫兹不等，相对较慢。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 适用于长距离测量，是远距离定位和尺寸测量的理想选择；对于目标表面特性（颜色、粗糙度）不敏感；坚固耐用，适用于恶劣的工业环境。

  • 缺点： 测量精度相对较低，不如激光三角测量法和共焦色散法；在高粉尘、强蒸汽环境下，激光信号衰减和散射会影响测量效果；高温度下，目标物体的红外辐射可能会干扰接收器，需要特殊的光学滤波或防护。

  • 成本考量： 中等偏高，取决于测量范围和精度要求。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款在激光位移测量领域知名的产品，它们代表了不同的技术方向和应用特点。

• 德国米铱 德国米铱在精密测量领域享誉盛名，其共焦色散传感器以极高的精度著称。它采用白光作为光源，通过精确分析反射光的波长变化来测量距离。这种技术使得它能实现纳米级的分辨率，测量范围虽然只有几毫米，但能应对镜面、透明、粗糙等各种复杂表面。它在对微小结构、表面缺陷或超薄材料厚度进行高精度检测时，表现出无与伦比的优势，尤其适用于对精度有极致要求的实验室或洁净环境。

• 英国真尚有 英国真尚有的ZLDS115传感器以其均衡的性能和对高温环境的适应性而受到关注。该传感器采用激光三角测量原理，能够提供高达0.01mm的分辨率，测量范围可达2000mm（2000-4000mm）。其快速响应（1kHz）和良好的温度稳定性（温度偏差仅为±0.03% FS/°C），使其能够胜任钢铁行业高速移动和温度变化的测量场景。特别是其可选配的高温（HT，1000°C）、超高温（VHT，1300°C）和极高温（VVHT，1500°C以上）版本，通过采用特定的激光波长、滤光片和热管理设计，有效解决了高温物体测量中的辐射干扰问题，使其成为钢铁行业高温物体测距的有力竞争者。此外，该传感器提供模拟输出（4-20mA或1-9V）和数字输出（RS232或RS422），方便集成到不同控制系统中。其IP65防护等级和紧凑的结构设计（255 x 205 x 70 mm，4.5kg）也使其更易于在工业现场部署。

• 日本基恩士 日本基恩士的激光位移传感器在精度和速度上达到了业界领先水平。同样采用激光三角测量法，其产品能实现0.005微米（5纳米）的重复精度和最快39微秒的采样周期。这意味着它能够捕捉极其微小的位移和形状变化，并且能应对高速生产线上的快速检测。日本基恩士的传感器通常在抗环境光和目标表面颜色/材质变化方面表现出色，稳定性高，但其测量范围相对较短，如其测头典型测量范围在±0.5毫米左右，主要用于超高精度、近距离的在线检测。

• 瑞士徕卡工业测量系统 瑞士徕卡工业测量系统在长距离高精度测量方面具有优势。其传感器结合了激光脉冲飞行时间法和相位比较法，能够实现0.05米到500米的超长距离测量，并保持±1毫米的精度。这种传感器特别适用于钢铁厂中的大型结构物定位、起重机防撞、料位监测等需要远距离精确测量的场景。其坚固耐用的工业设计和高可靠性，使其能在严苛的工业环境中长期稳定运行，但其测量频率相对较低（最高250赫兹），不适合需要超高速响应的应用。

• 奥地利艾迈斯欧司朗 奥地利艾迈斯欧司朗的传感器采用直接飞行时间法（dToF），以其微型化、低功耗和多区域测距能力而闻名。其测量范围可达10毫米至5000毫米（5米），精度通常在厘米级别。这种传感器体积小巧，集成度高，抗环境光能力强，即使在阳光直射下也能稳定工作。其多区域测距功能可提供深度信息，适用于一些需要紧凑安装空间和多点距离感知的应用，但在需要毫米级甚至更高精度的钢铁行业应用中，可能无法完全满足要求。

（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，就像是挑选一把趁手的工具，需要根据具体任务（应用场景）来衡量工具（传感器）的各项性能指标。

• 测量范围： 指传感器能够有效测量距离的最小值和最大值。

  • 实际意义： 决定了传感器能否覆盖你的测量空间。比如，测量炉内物料的高度，可能需要几十米的量程；测量钢板厚度，可能只需要几毫米到几十毫米的量程。

  • 影响： 范围过小会无法测量，范围过大可能会牺牲精度。

  • 选型建议： 明确被测物体与传感器之间可能的最小和最大距离。对于钢铁行业，连铸和热轧线上的物体往往距离传感器几百毫米到几米，需要选择中等偏长量程的传感器。

• 精度与分辨率：

  • 精度指测量结果与真实值之间的接近程度，通常用最大误差或线性度表示。激光位移传感器的精度通常在±0.02mm~±0.1mm之间，优质的系统可以达到±0.015mm。

  • 分辨率指传感器能检测到的最小距离变化量。

  • 实际意义： 决定了你测量结果的可靠性和能分辨的最小细节。

  • 影响： 精度不够可能导致产品尺寸不合格，分辨率不够则无法检测出细微的缺陷或变化。

  • 选型建议： 钢铁行业对尺寸精度要求很高（如厚度通常要求±0.1mm甚至更高），因此需要选择高精度和高分辨率的传感器。

• 响应速度/更新频率： 指传感器每秒能够完成测量的次数。

  • 实际意义： 决定了传感器能否跟上高速移动的被测物体。

  • 影响： 响应速度慢会导致数据滞后，无法捕捉瞬时变化，或在高速生产线上获得不准确的测量结果。

  • 选型建议： 钢铁生产线上物体移动速度快，应选择高更新频率的传感器，以确保实时性和数据的完整性。

• 工作温度范围与高温目标测量能力： 指传感器本身能承受的环境温度，以及能否有效测量高温物体的能力。

  • 实际意义： 钢铁行业环境温度高，被测物体温度更高，这是最重要的考虑因素之一。

  • 影响： 传感器不耐高温会快速损坏，未能针对高温目标优化的传感器会因红外辐射干扰而失效。

  • 选型建议： 必须选择带有高温版本或具备主动冷却（如水冷、风冷）解决方案的传感器。同时，传感器本身的工作温度范围要符合安装环境要求。关注是否有针对1000°C、1300°C甚至更高温度目标的测量版本。例如，英国真尚有的ZLDS115系列提供标准版本（最高IEC 2级激光安全标准）和可选的高温版本（最高IEC 3B级激光安全标准），并有针对不同温度范围的高温、超高温和极高温型号。

• 防护等级（IP等级）： 指传感器对外壳防尘和防水的能力。

  • 实际意义： 钢铁厂环境恶劣，粉尘、水汽、油污等无处不在。

  • 影响： 防护等级不够会导致传感器内部进灰、进水，影响寿命和测量稳定性。

  • 选型建议： 至少选择IP65或更高防护等级的传感器，以应对多尘、潮湿的环境。

• 输出接口： 指传感器提供数据的方式（模拟量、数字量）。

  • 实际意义： 决定了传感器能否方便地与现有PLC、DCS或其他控制系统集成。

  • 影响： 接口不匹配会增加系统集成难度和成本。

  • 选型建议： 根据现有控制系统的接口类型选择，如4-20mA模拟输出、RS232/RS422数字输出或工业以太网接口等。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁行业的高温物体测量中，即使选择了高性能的传感器，也可能面临诸多挑战。

• 高温物体辐射干扰：

  • 原因与影响： 炽热的钢材会发出强烈的红外辐射，这就像一个巨大的“背景噪声”，可能会淹没传感器发出的微弱激光反射信号，导致传感器误判甚至完全无法测量。尤其对于可见光或近红外波段工作的传感器影响更甚。

  • 解决建议：

    • 选择专用高温版本传感器： 这些传感器通常采用特定波长的激光（如红光、绿光）或具有窄带光学滤光片，可以有效滤除目标物体的宽谱红外辐射。

    • 采用更短的测量距离： 缩短测量距离可以提高接收到的有效激光信号强度，相对削弱辐射干扰。

    • 外部冷却系统： 为传感器加装水冷或风冷护罩，确保传感器内部电子元件在适宜温度下工作。

    • 调整激光功率和接收灵敏度： 在允许范围内适当提高激光发射功率，或通过软件算法增强信号识别能力。

• 蒸汽、烟尘、氧化皮遮挡与散射：

  • 原因与影响： 生产过程中产生的蒸汽、烟尘、冷却水雾以及钢材表面形成的氧化皮，会阻碍激光束的传播，导致激光能量衰减、散射，或形成假目标，进而使测量结果不稳定或产生较大误差。

  • 解决建议：

    • 空气吹扫装置： 在传感器镜头前安装空气吹扫喷嘴，用干净的压缩空气持续吹扫镜头，保持其清洁。

    • 防护窗与定期清洁： 为传感器安装耐高温、防尘的保护窗，并进行定期擦拭和维护。

    • 选择合适安装位置： 尽量避开蒸汽和烟尘最浓密的区域，或选择下方的测量角度，减少光路被干扰的概率。

    • 采用更长波长的激光： 某些波长的激光（如红外激光）穿透烟尘和水汽的能力比可见光更强。

    • 高级滤波算法： 传感器内置的中值滤波、平均滤波等功能，可以有效平滑因环境干扰造成的瞬时测量波动。英国真尚有的ZLDS115传感器内置多种滤波器（中值滤波、简单平均和滑动平均），支持用户自定义设置，以适应不同的测量环境。

• 目标表面特性变化（反射率、粗糙度）：

  • 原因与影响： 高温钢材在不同生产阶段，表面状态差异很大。例如，刚出炉的钢坯表面可能是亮白的，冷却后会形成黑色的氧化皮，粗糙度也会变化。这些都会影响激光的反射效果，导致接收信号强度不一，进而影响测量精度。

  • 解决建议：

    • 自适应算法： 选用具有自动增益控制（AGC）或自适应曝光功能的传感器，能够根据反射信号的强弱自动调整接收灵敏度。

    • 多点测量与平均： 对目标表面多个点进行测量并取平均值，减少单一测点因局部表面问题带来的误差。

    • 倾斜安装： 对于可能出现镜面反射的表面，稍微倾斜安装传感器，使其接收漫反射信号，避免反射光直射回发射端导致饱和。

• 振动与结构形变：

  • 原因与影响： 钢铁生产线上的重型设备运行会产生剧烈振动，可能导致传感器安装支架晃动，影响测量稳定性。同时，高温物体本身可能存在热变形或振动。

  • 解决建议：

    • 稳固安装： 确保传感器安装支架足够坚固，能够抵抗振动。必要时增加减震措施。

    • 数据滤波： 利用传感器内置的滤波功能，如滑动平均滤波，消除测量结果中的高频振动噪声。

    • 评估振动对精度的影响： 对于超高精度的应用，需额外考虑振动补偿系统。

4. 应用案例分享

• 连铸坯尺寸检测： 在连铸过程中，激光位移传感器可安装在铸坯旁，实时监测铸坯的宽度、厚度，确保铸坯尺寸符合标准，为后续轧制提供合格的原材料。

• 热轧板带厚度与板形控制： 在热轧生产线上，多组激光位移传感器可以组成阵列，对高速移动的钢板进行扫描，精确测量其厚度分布和板形缺陷，从而指导轧机调整，提高产品质量。 英国真尚有的ZLDS115传感器支持两个传感器自动配对进行厚度测量，无需额外的控制盒或特殊校准。

• 加热炉内料位检测： 将耐高温的激光位移传感器安装在加热炉顶部或侧面，可实时监测炉内钢坯或耐火材料的填充水平，优化炉内热平衡和物料调度。

• 钢包液面高度测量： 在钢水浇铸或转运过程中，激光位移传感器可用于非接触测量钢包内 molten steel 的液面高度，避免溢流或空浇，保障生产安全和效率。