如何在1000°C以上冶金生产线，利用激光传感器实现高速高温金属的亚毫米级尺寸与形貌非接触测量？【自动化检测, 选型指南】

冶金行业的高温金属，比如钢水、热轧钢板、或正在冷却的铸件，其测量需求非常特殊。这些材料在极高温度下，往往处于液态、半固态或固态高温状态，同时可能高速移动。它们的表面性质会随着温度和化学成分的变化而改变，例如从镜面反光到散射，甚至产生蒸汽或烟尘。

准确测量这些高温金属的尺寸、位置、厚度等参数，对于控制产品质量、优化生产流程、提高自动化水平至关重要。传统的接触式测量方法在这种环境下根本无法使用，因为传感器会立即被高温损坏，同时接触也会影响被测物的物理状态。因此，高精度、非接触式的测量成为唯一的选择，并且这类传感器必须能在恶劣的工业环境中可靠工作，比如承受高温辐射、粉尘、水蒸气、振动等。

针对高温金属的相关技术标准简介

在冶金行业，对高温金属进行非接触测量时，通常关注以下几个核心参数：

• 尺寸参数： 包括金属板材的厚度、宽度，棒材的直径，以及钢坯或铸件的长度等。这些参数的测量精度直接关系到最终产品的规格和质量。评价方法通常是比较传感器测量值与已知标准或离线精确测量值的偏差。

• 位置与位移： 指物体在生产线上的精确位置，以及其相对于某一基准点的移动距离。例如，热轧带钢在辊道上的偏移量，或者炉内钢坯的推入深度。评价其好坏主要看测量的重复性和线性度，即在相同条件下多次测量能否得到一致的结果，以及测量结果是否与实际位移成正比。

• 形貌与平整度： 对于板材而言，平整度（例如翘曲、波浪边）是衡量质量的重要指标。传感器的测量能力需要能够捕捉到微小的表面起伏。这通常通过测量多个点的离散位移数据，然后进行数学建模来评价。

• 液位： 在连铸或熔炉等环节，精确控制熔融金属的液位至关重要，以确保生产连续性和产品质量。测量结果的稳定性、抗扰动能力以及在液面波动时的跟踪能力是评价的关键。

这些参数的准确监测，是实现过程控制和质量追溯的基础，对传感器的精度、稳定性、响应速度及环境适应性提出了很高要求。

实时监测/检测技术方法

1. 光学三角测量法

光学三角测量法是一种非常常见的非接触式距离测量技术。它的核心思想是利用简单的几何原理。

• 工作原理和物理基础： 想象一下，传感器内部的激光发射器会发出一束激光，像一束手电筒的光，打到被测物体表面形成一个光斑。这个光斑在物体表面的位置，会随着物体距离传感器的远近而变化。传感器内部还有一个接收镜头和光电探测器（比如PSD或CCD/CMOS阵列），它会“捕捉”并“观察”这个反射回来的光斑。当物体移动时，光斑在探测器上的位置也会发生微小的变化。传感器就像一个“几何学家”，根据激光发射器、接收镜头、探测器之间的固定几何关系（也就是一个预设好的“三角形”）以及光斑在探测器上位置的变化量，就能精确地计算出被测物体与传感器之间的距离。

  • 关键公式（简化版）： 被测物体的位移 D 大致可以通过以下关系来描述：D = B * f / x。其中，B 是激光发射器和接收镜头之间的固定距离（我们称之为基线），f 是接收镜头的焦距，x 是光斑在探测器上产生的位移量。实际应用中，由于光路和透镜的非线性效应，公式会更复杂，需要进行精确的校准和算法补偿。

• 核心性能参数的典型范围： 这种方法的精度通常非常高，在理想条件下可以达到亚微米级别，但实际工业应用中，几十微米的精度更为常见，分辨率也相应很高。测量距离一般在几毫米到几米之间，属于中短距离高精度测量的范畴。响应速度非常快，通常在毫秒级，非常适合动态测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量精度和分辨率高，能够适应一定程度的物体表面特性变化（比如粗糙度），响应速度快，适合对高速移动物体进行实时测量，成本相对飞行时间法等更高精度方案更具优势。在高温环境下，只要传感器本体能通过水冷或气冷保持较低工作温度，其对被测物的高温通常也能较好应对。

  • 缺点： 测量距离相对有限，超过几米后，激光光斑扩散、反射信号衰减以及环境干扰都会显著影响精度。对被测物体表面的倾斜度比较敏感，如果物体表面过于光滑像镜子一样，反射光可能会偏离接收器，导致无法测量；如果表面过于粗糙或颜色变化大，也可能影响测量稳定性。此外，环境中的粉尘、水雾、蒸汽等也会干扰激光路径和反射信号。

• 类比： 想象我们用一个探照灯（激光器）去照一块远处的看板（被测物），然后用一个望远镜（接收镜头）去看看板上被照亮的小点。当我们拿着望远镜稍稍移动一点角度，或者看板向我们靠近一点，我们看到的小点在望远镜视野里的位置就会发生变化。光学三角测量法就是通过精确地测量这个“小点”在传感器内部探测器上的位置变化，来推算出看板实际移动了多少。

2. 脉冲飞行时间法

脉冲飞行时间法是一种常用于长距离测量的技术。

• 工作原理和物理基础： 传感器就像一个“跑步计时员”，它向目标物体发射一个非常短促的激光脉冲，同时开始精确计时。当这个激光脉冲到达目标表面并反射回来，被传感器接收到时，计时器就会停止。激光在空气中传播的速度是恒定的（光速c），所以只要测量出激光从发射到接收的总时间间隔 Δt，就能计算出激光往返的总距离，进而除以2得到传感器到目标物体的单向距离 L。

  • 关键公式： L = (c * Δt) / 2。其中，c 是光速（约 3 x 10^8 米/秒），Δt 是激光脉冲从发射到接收的往返时间。

• 核心性能参数的典型范围： 这种方法的测量范围非常大，可以从几十米到几百米。精度通常在中等水平，大致在毫米到厘米级别。响应速度较快，可以达到几百赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 最大的优势是测量距离远，可以轻松应对大型设备的远距离测量需求。抗环境光干扰能力较强，因为它是通过检测特定频率的激光脉冲来工作的。

  • 缺点： 精度通常不如光学三角测量法或激光干涉测量法高。在高温金属测量中，如果金属表面存在强烈的镜面反射，可能会导致接收信号强度不足或不稳定。高速移动的目标可能需要更复杂的算法来补偿运动引起的误差。

• 类比： 就像我们对着一个遥远的山谷喊话，然后计算从喊出声音到听到回声的时间来估算山谷的距离一样。脉冲飞行时间法就是用速度更快的激光代替声音，用极其精确的计时器来测量光线“跑”了一个来回的时间，从而算出距离。

3. 激光干涉测量法

激光干涉测量法是精度最高的位移测量技术之一。

• 工作原理和物理基础： 这种方法利用了光的波动性质，尤其是光的干涉现象。传感器内部会发出一束极其稳定、波长已知的激光束。这束激光会被一个分束器分成两束：一束作为参考光在传感器内部沿着固定路径传播，另一束作为测量光射向被测物体表面，然后反射回来。这两束光重新会合时，如果它们的传播路径发生了微小的变化（比如被测物体移动了），它们叠加时就会产生“干涉条纹”的变化。通过精确地计数这些干涉条纹的变化数量，并结合激光的已知波长，就可以计算出被测物体极其微小的位移。

  • 关键公式： 位移 ΔL = N * λ / 2。其中，N 是干涉条纹变化的半波数（每半个波长的变化对应一个条纹的移动），λ 是激光的波长。

• 核心性能参数的典型范围： 激光干涉测量法能够提供极高的精度和分辨率，通常可以达到纳米甚至亚纳米级别。它的测量范围可以达到几十米，但通常应用于对精度要求极致的场合。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 具有无可匹敌的测量精度和分辨率，是许多精密机械和测量设备的校准标准。在需要极致精度的实验室或受控环境中表现出色。

  • 缺点： 对环境条件（如温度、湿度、空气扰动、振动）非常敏感，任何微小的干扰都可能影响测量结果。安装和调试复杂，成本极高。通常不适合冶金行业这种恶劣、动态、高温的连续在线测量环境。在高温金属测量中，高温本身带来的空气密度不均匀会严重影响激光传播，进而影响测量精度。

• 类比： 想象平静水面上两块石头激起的波纹。当这两列波纹相遇时，它们会相互叠加或抵消，形成特殊的干涉图案。激光干涉测量就是利用这种光的“波纹”特性，通过观察光波叠加后产生的极细微变化，来测量物体移动的距离，甚至可以精确到比头发丝还细无数倍的程度。

4. 相干FMCW激光雷达 (LiDAR)

相干FMCW激光雷达是一种先进的激光测距和测速技术。

• 工作原理和物理基础： 它与传统的脉冲飞行时间法不同，不是发射单个脉冲，而是发射连续的、频率随时间线性变化的激光信号（就像一个不断变调的哨子声）。当这个“变调”的激光信号打到目标物体并反射回来时，传感器会接收到它。由于激光从发射到接收需要一定时间，接收到的激光信号的频率会与此刻传感器正在发射的激光信号的频率有所不同。传感器通过比较这两个频率的差异，就能非常精确地计算出目标物体的距离。更强大的是，通过分析反射光的多普勒频移（频率微小变化），它还能同时测量出目标物体相对于传感器的移动速度。

  • 关键公式： 距离 R = (c * Δf) / (2 * β)，其中 Δf 是发射和接收信号的频率差，c 是光速，β 是激光频率的调谐斜率。速度 V = (Δf_doppler * λ) / 2，其中 Δf_doppler 是由多普勒效应引起的速度频移，λ 是激光波长。

• 核心性能参数的典型范围： 测量范围广（几十米到几百米），距离精度较高，在亚毫米级别，同时可以获得厘米每秒级别的速度测量精度。能生成高密度的三维点云数据，提供丰富的空间信息。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 能够同时提供高精度的距离和速度信息，抗环境光和交叉干扰能力极强，因为它是通过频率而不是纯粹的强度来检测信号。在复杂动态环境中表现卓越，能生成高分辨率的3D数据。

  • 缺点： 技术复杂，成本非常高昂。需要高性能的激光器和复杂的信号处理系统。在冶金行业应用，高温金属表面的辐射和环境中的烟尘仍是挑战，虽然其抗干扰能力强，但仍需考虑防护。

• 类比： 想象你对着一个移动的物体，用一个频率不断变化的雷达（FMCW激光雷达）进行探测。雷达发出的信号频率在升高，当信号打到物体并反射回来时，它的频率就会和此时雷达发出的频率不一样了。通过测量这个频率的差异，你不仅能知道物体有多远，还能通过频率的“多普勒效应”判断物体是向你靠近还是远离，以及它的速度有多快。

市场主流品牌/产品对比

• 德国西克 (采用技术：脉冲飞行时间法) 德国西克是工业传感器领域的全球领导者，其采用脉冲飞行时间法的激光位移传感器在工业界应用广泛。例如，DL系列产品能提供长达150米的测量范围，重复精度可达±5毫米，测量频率高达200赫兹。其产品以高可靠性、坚固耐用和强大的抗环境光干扰能力著称，常用于自动化产线上的长距离定位和物料检测，如大型料仓的物位测量或起重机防撞。

• 英国真尚有 (采用技术：光学三角测量法) 英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器采用光学三角测量原理，专注于高精度、中距离测量。该系列产品最大测量距离达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。其突出特点是能够测量高达1300°C的高温物体，并提供多种激光功率选项，适应不同环境和目标温度。该产品采用IP66级铸铝外壳，配备空气净化系统，能在冶金行业等恶劣环境中稳定工作。同时，该产品支持水冷系统，在配备水冷系统后，其工作温度可达120°C，非常适合钢材直径、长度、板材厚度等精密测量。

• 美国艾拉瓦 (采用技术：相干FMCW激光雷达) 美国艾拉瓦是FMCW激光雷达技术的先驱，其Aeries II系列产品展示了该技术的先进性。这款传感器能够测量超过200米的距离，并达到亚毫米级的距离精度，同时能测量厘米每秒级别的速度。它能提供高精度的三维点云数据，对环境光和交叉干扰具有高鲁棒性。该技术主要应用于自动驾驶、机器人导航等需要高精度3D感知和运动信息的尖端领域，对于冶金行业中复杂、动态的三维形貌和速度监测提供了潜在的解决方案。

• 英国雷尼绍 (采用技术：激光干涉测量法) 英国雷尼绍是精密测量领域的全球领导者，其XL-80激光校准系统是激光干涉测量法的典型代表。该系统能够实现长达80米的线性测量范围，并达到±0.5 ppm（百万分之零点五）的极高线性测量精度，分辨率可达1纳米。雷尼绍的产品主要用于机床、坐标测量机（CMM）等精密设备的校准和性能检测，确保生产质量和设备运行精度。在冶金行业，它主要适用于离线或实验室环境中对精密部件进行超高精度校准，而非一般的在线高温测量。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为冶金行业的高温金属选择激光位移传感器时，仅仅了解技术原理是不够的，还需要结合实际需求，重点关注以下几个技术指标：

• 测量精度和分辨率：

  • 实际意义： 精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率是指传感器能识别的最小位移变化。高精度和高分辨率意味着你能更精确地知道被测物体的尺寸或位置。

  • 影响： 如果精度不够，产品尺寸偏差可能超出公差范围，导致废品率升高。在冶金行业，即使是几毫米的偏差也可能意味着数吨钢铁的浪费。

  • 选型建议： 对于带钢厚度、直径等要求严格的尺寸测量，需要选择高精度传感器。光学三角测量法能够实现较高的测量精度，适用于此类应用。对于板坯或钢卷的粗略定位，精度要求可以适当放宽，选择范围更广。

• 测量范围和工作距离：

  • 实际意义： 测量范围是指传感器能测量的最小到最大距离区间，工作距离是传感器到被测物体表面的最佳安装距离。

  • 影响： 冶金生产线空间有限，高温、蒸汽等因素要求传感器不能离被测物太近。如果工作距离不够远，传感器可能无法安装在安全区域，或者其光学元件可能过热损坏。

  • 选型建议： 考虑现场实际安装条件和被测物的尺寸。例如，测量连铸机钢水液位可能需要较远的测量距离以避开蒸汽和辐射，脉冲飞行时间法或FMCW激光雷达可能更合适。而测量热轧带钢的厚度，可能需要近距离高精度传感器，但需要配备强大的冷却和防护系统。

• 响应时间：

  • 实际意义： 传感器从接收信号到输出测量结果所需的时间。

  • 影响： 冶金生产线上的金属往往高速移动（例如热轧带钢速度可达每秒几十米），如果响应时间过长，传感器在被测物移动时可能无法捕捉到实时的位置或尺寸变化，导致测量滞后或不准确。

  • 选型建议： 对于高速运动的带钢、棒材等，响应时间必须足够快，以确保实时监控和快速反馈控制。

• 可测高温物体温度范围及传感器自身工作温度：

  • 实际意义： 前者指传感器能可靠测量的被测物体的最高温度，后者指传感器本体能在什么环境温度下稳定工作。

  • 影响： 冶金行业被测物温度动辄上千摄氏度，如果传感器不具备高温物体测量能力，会直接失效。同时，现场环境温度高，传感器自身如果缺乏有效散热，也会过热损坏。

  • 选型建议： 这是冶金行业选型的首要考量。务必选择明确标明能测量目标物体温度的传感器，例如英国真尚有ZLDS116能测量最高1300°C的物体，能够满足大部分高温金属的测量需求。同时，要考虑传感器本体是否能承受现场环境温度，通常需要配备水冷、气冷或隔热罩等附加系统。

• 防护等级和环境适应性：

  • 实际意义： 防护等级（如IP66、IP67）表示传感器防尘、防水的能力。环境适应性还包括抗振动、抗冲击、抗电磁干扰等。

  • 影响： 冶金现场粉尘、水蒸气、油污、高温辐射、振动和强电磁干扰普遍存在。防护不足的传感器很快会失效，影响生产。

  • 选型建议： 至少选择IP66或更高防护等级的传感器，并考虑传感器是否配备空气净化系统（气幕、气吹），以防止光学窗口被污染。传感器的外壳材质、抗振动设计也应纳入考量。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在冶金行业的实际应用中，即使选择了合适的激光位移传感器，也可能遇到一些棘手的问题：

• 问题：被测物体表面特性变化大

  • 原因与影响： 高温金属在不同温度、氧化程度下，其表面反射率会发生剧烈变化，可能从镜面反射变为漫反射，或者颜色深浅不一。这会导致传感器接收到的信号强度不稳定，甚至无法接收到有效信号，从而影响测量精度和稳定性。

  • 解决建议：

    • 选择适应性强的传感器： 优先选择对表面反射率变化不敏感的传感器，例如某些采用PSD探测器的光学三角测量法传感器，或FMCW激光雷达。

    • 多激光功率： 某些传感器提供多种激光功率选项，可以根据物体表面温度和反射特性调整激光强度。例如，英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器就提供了2mW、5mW和10mW三种激光功率选项。

    • 合理安装角度： 尽量避免正对镜面反射方向安装，寻找一个能够接收到稳定漫反射信号的入射角。

    • 增加辅助照明： 在某些情况下，可以考虑辅助光源来均匀化表面照明，但要避免对传感器产生额外干扰。

• 问题：环境中的粉尘、蒸汽、水雾干扰

  • 原因与影响： 冶金现场的空气质量通常较差，粉尘、高温水蒸气和水雾会散射或吸收激光束，导致激光信号衰减，光斑模糊，从而降低测量精度甚至导致测量中断。

  • 解决建议：

    • 空气净化系统： 选用自带空气净化系统（如气幕或气吹装置）的传感器，通过持续的气流吹扫传感器光学窗口，防止污染物附着。

    • 防护等级： 确保传感器具有高防护等级（IP66/IP67），防止外部污染物进入传感器内部。

    • 缩短测量距离： 在条件允许的情况下，尽量缩短传感器与被测物之间的距离，减少激光通过污染介质的路径。

    • 选择波长： 某些激光波长对水蒸气和粉尘的穿透性更好，可以作为选型考虑因素。

• 问题：传感器本体过热

  • 原因与影响： 冶金现场环境温度高，或被测高温物体辐射热量大，可能导致传感器本体温度升高，影响内部电子元件的稳定性，甚至造成永久性损坏。

  • 解决建议：

    • 水冷/气冷系统： 绝大多数用于高温环境的传感器都需要配备额外的水冷或气冷系统，例如英国真尚有的ZLDS116在配备水冷后工作温度可达120°C。

    • 隔热罩： 为传感器安装隔热罩，阻挡大部分热辐射。

    • 远程安装： 在可行的情况下，将传感器安装在尽可能远离高温区域的位置，利用其长测量范围的优势。

• 问题：振动和机械冲击

  • 原因与影响： 生产线上的重型设备运行会产生强烈的振动，可能导致传感器安装支架松动、传感器自身结构受损，或影响光学系统的稳定性，从而降低测量精度。

  • 解决建议：

    • 坚固安装： 采用减震支架和坚固的安装方式，确保传感器在振动环境下仍能保持稳定。

    • 工业级设计： 选用专为工业恶劣环境设计的传感器，其内部结构和光学组件通常具有更好的抗振动能力。

应用案例分享

• 连铸生产线液位控制： 在连铸过程中，精确测量结晶器内钢水的液位至关重要。激光位移传感器通过非接触方式监测液位，实时反馈给控制系统，确保钢水能够稳定注入，避免溢流或断流，保证铸坯质量和生产安全。

• 热轧带钢厚度/宽度测量： 在热轧生产线上，高温带钢以高速通过轧机。激光位移传感器可以在不接触带钢的情况下，高精度地测量其瞬时厚度和宽度，帮助操作员实时调整轧制参数，确保产品尺寸符合标准。

• 钢坯/板坯定位和尺寸测量： 在钢厂的输送线上，激光传感器可以用于检测高温钢坯或板坯的精确位置，以及其长度、宽度等几何尺寸，这对于后续的切割、分拣和堆垛自动化操作至关重要。

• 炉内物体定位： 在加热炉、退火炉等设备中，激光传感器能够监测炉内高温物体的进出位置和停留时间，优化加热或处理过程，提高能源效率和产品均匀性。