如何在1200℃以上加热炉恶劣环境中，实现钢坯毫米级精确定位与实时防撞？【工业激光传感器】

1. 基于钢坯的基本结构与技术要求

在加热炉内，我们关注的“被测物”是处于高温状态下的钢坯。想象一下，这些钢坯就像是巨大的砖块，通常呈矩形截面，有着不同的长度、宽度和厚度。它们在炉内沿着特定的路径被连续或间歇地输送。

为了确保这些高温钢坯在炉内顺利移动而不发生碰撞，我们需要对它们的实时位置进行精确监测，这就像是在一个狭窄的通道里，确保每一辆行驶的卡车都严格按照车道行驶，并且与前后左右的车辆保持安全距离。

针对加热炉内钢坯防撞，主要的技术要求包括：

• 高精度定位能力： 钢坯与炉壁或相邻钢坯之间需要保持一个微小的安全间隙。如果定位精度不足，哪怕只有几毫米的偏差，都可能导致钢坯擦碰炉壁或卡在炉内，轻则造成表面损伤，重则导致设备损坏甚至产线停顿。因此，我们需要毫米级甚至亚毫米级的测量精度。

• 快速响应与高测量速度： 钢坯在炉内是移动的，速度可能不慢。传感器必须能实时、快速地捕捉其位置变化，就像交警需要即时知道车辆的速度和位置。如果测量速度慢，传感器获取的数据就会滞后，无法及时发现并预警潜在的碰撞风险。

• 恶劣环境适应性： 加热炉内环境极为严酷。首先是高温，钢坯本身温度可高达1200℃甚至1500℃以上，炉内环境温度也极高。其次是炉内烟尘、水汽和蒸汽，这些都会对光学测量造成干扰。此外，振动也是常见问题。传感器必须能在这种环境下稳定可靠地工作，就像赛车手必须在极端天气下驾驭赛车一样。

• 足够的测量范围： 根据炉膛尺寸和钢坯大小，传感器需要能够测量从几厘米到几米，甚至更远的距离。

• 高可靠性与稳定性： 产线通常需要24小时不间断运行，传感器一旦出现故障，可能导致整个生产流程中断，损失巨大。因此，设备必须具备长期稳定运行的能力。

2. 针对钢坯的相关技术标准简介

针对加热炉内钢坯的监测，行业通常关注以下几个核心参数及其评价方法，这些是确保生产安全和效率的重要指标：

• 位置偏差监测： 指的是钢坯在输送过程中，其中心线或边缘相对于理想输送路径的横向或纵向偏移量。这个参数通常通过在炉内不同位置安装传感器进行实时测量，将测量值与预设的安全基准线进行比较。评价方法通常是设定一个允许偏差范围，超出范围则触发警报。

• 姿态倾斜监测： 指钢坯在输送过程中是否保持水平或垂直的正确姿态，是否存在倾斜、扭曲等情况。这通常需要通过多个测量点来获取钢坯不同部位的高度或位置信息，然后计算其相对高度差或角度。评价方法是设定一个最大允许倾斜角度，超出则视为异常。

• 钢坯间距监测： 用于确保前后钢坯之间保持足够的安全距离，防止追尾。这通过测量相邻两块钢坯的前端与后端之间的距离来实现。评价方法是设定一个最小安全距离，低于该距离则发出警报。

• 炉壁距离监测： 监控钢坯边缘与炉内壁之间的最小距离，防止钢坯与炉壁发生刮擦或卡堵。通常是在钢坯可能与炉壁发生接触的区域安装传感器进行侧向测量。评价方法是设定一个最小安全间隙，低于该间隙则报警。

• 表面完整性（间接）监测： 虽然不是直接的防撞参数，但在某些高精度场景下，一些测量技术可以同时获取钢坯的表面轮廓信息。例如，如果钢坯出现严重的鼓包或变形，这也会改变其有效宽度，增加碰撞风险。这类参数通过对测量到的表面轮廓数据进行分析，判断是否存在异常突起或凹陷。评价方法则基于预设的几何公差。

这些参数的监测都是为了建立一个实时的“安全区”，一旦钢坯的任何一部分“侵入”了这个安全区，系统就能立即发现并采取措施，就像给每辆车都安装了碰撞预警系统一样。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在解决加热炉内钢坯防撞这个难题上，市面上有多种非接触式测量技术可供选择。这些技术各有侧重，就像不同的工具适合不同的任务一样。

3.1.1 激光飞行时间（Time-of-Flight, TOF）原理

这种技术的工作原理非常直观，就像我们对着远方喊话，根据声音的回波时间来判断距离一样。激光TOF传感器会发射一个激光脉冲，这个脉冲以光速（c，大约是3 x 10^8 米/秒）飞向目标物体（钢坯）。当激光脉冲碰到钢坯表面时，它会反射回来，传感器再接收到这个反射回来的激光。通过精确测量从激光发射到接收所经过的时间（t），我们就可以计算出传感器到钢坯的距离。

其物理基础可以用一个简单的公式表示：距离 D = (c * t) / 2这里除以2是因为激光走了往返两趟的距离。

想象一下，加热炉内环境复杂，有高温、烟尘。TOF技术就像一个戴着专业护目镜的探险家，它发出的激光束能量集中，穿透力强，不容易被炉内的烟尘、蒸汽这些“迷雾”完全阻挡。而且，它测量的是光脉冲的往返时间，而不是光斑的位置，所以对钢坯表面颜色深浅、反射率高低、甚至有氧化皮的情况都不太敏感，能够稳定测量。这对于炉内经常发红甚至发白的炽热钢坯来说，非常重要。它的测量范围可以很广，从几厘米到几百米都能覆盖，并且能实现毫米级的精度，测量速度也能达到每秒数百次。

核心性能参数典型范围： 测量范围可从几十毫米到数百米，精度通常在 ±1毫米到±5毫米之间，测量速度可达数百赫兹（Hz），响应时间低至几毫秒。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量距离远，对目标表面颜色、反射率适应性强，抗环境光干扰能力较好，可以在高温环境下通过外置冷却防护罩配合使用。* 缺点： 相比激光三角测量，在极短距离内的精度可能略低；主要提供单点距离信息，若需获取钢坯完整轮廓，则需要多个传感器或结合扫描机构。* 成本考量： 中等偏高，但考虑到其长距离和恶劣环境适应性，在许多工业应用中具有很高的性价比。

3.1.2 激光三角测量原理

激光三角测量可以理解为“看图识距离”。传感器发射一束窄小的激光束，在钢坯表面形成一个光点。这个光点被传感器内部的接收透镜捕获，然后聚焦到一个图像传感器（比如CMOS或CCD）上。

当钢坯与传感器的距离发生变化时，由于几何上的“三角关系”，光点在图像传感器上的位置也会随之移动。传感器通过预先标定好的几何关系，计算出光点在图像传感器上的位移量，从而精确推算出钢坯到传感器的距离。

想象一下，你站在一个地方，用手电筒照亮远处的墙壁。如果你往后退，手电筒的光斑在墙壁上看起来会移动。激光三角测量就是利用这种几何关系，只不过更精确。

核心性能参数典型范围： 测量范围较短，通常在几十毫米到几百毫米，但精度较高，部分系统可达微米级别。采样速度非常快，可达几十千赫兹（kHz）。

技术方案的优缺点：* 优点： 较高的测量精度和重复性，特别适用于近距离的微小位移和精细轮廓检测。* 缺点： 测量范围相对较短，容易受到钢坯表面颜色、反射率和环境光照变化的影响。在高温、烟尘大的环境中，激光束容易衰减或被干扰，需要更完善的防护和吹扫措施。* 成本考量： 普遍较高，特别是高精度型号。

3.1.3 机器视觉系统

机器视觉系统就像给产线安装了一双“智慧的眼睛”。它使用工业相机捕获加热炉内钢坯的高分辨率图像，然后通过图像处理单元和专门的软件算法对这些图像进行实时分析。系统会识别图像中的钢坯边缘、形状、位置，并计算钢坯与炉壁或相邻钢坯之间的距离。一旦发现距离异常或有碰撞风险，就会立即发出警报。

为了应对炉内的高温环境，机器视觉相机通常需要配备专门的水冷或空气冷却防护罩，就像宇航员在太空行走时需要穿戴专业的防护服一样。

核心性能参数典型范围： 分辨率可达几百万像素，帧率可从几十到几百帧/秒不等。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够提供丰富的二维甚至三维视觉信息，不仅能获取位置，还能检测钢坯的形状、表面缺陷。灵活性高，可以通过编程适应不同的检测需求。* 缺点： 对炉内高温、烟尘、蒸汽和光照变化非常敏感，需要复杂的防护和辅助照明系统。图像处理算法开发复杂，对计算能力要求高。数据量大，对传输和存储有要求。* 成本考量： 通常较高，包括相机、图像采集卡、高性能计算机和专业软件开发等。

3.1.4 2D 激光雷达扫描原理

2D激光雷达扫描仪可以看作是一个“旋转的激光测距仪”。它通过内部的旋转镜面，将发射出的激光束在一个扇形区域内进行快速扫描。在扫描过程中，它会连续不断地测量激光束触及到的每个点的距离（通常也是基于TOF原理）。通过将这些离散的距离点连接起来，传感器就能实时构建出其周围环境的2D轮廓或“地图”。

想象一下，你在一个黑暗的房间里，用一束手电筒光快速扫过墙壁和物体。每一次光线照到物体并反射回来，你就能知道那个点有多远。2D激光雷达就是以电子方式更精确地完成这个过程，并把所有测到的点绘制成一个横截面的轮廓图。在加热炉内，这可以用来监测钢坯的横截面位置，或者是否有部分侵入了预设的保护区。

核心性能参数典型范围： 扫描角度可达270°以上，扫描频率通常为25Hz或50Hz，量程可达几十米，精度通常在毫米到厘米级别。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够进行大范围区域监测，提供目标物体的2D轮廓信息，适用于同时监测多个钢坯或炉壁的大片区域。在有一定烟雾、灰尘的环境中表现良好。* 缺点： 精度通常不如单点高精度激光测距传感器，数据量较大，需要复杂的算法进行后处理。在极高温环境下仍需配合防护。* 成本考量： 较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在加热炉内钢坯防撞的高精度定位领域，全球有多家知名厂商提供解决方案。我们来比较几家具有代表性的品牌及其技术特点：

• 日本基恩士 (采用激光三角测量技术) 日本基恩士在工业自动化领域享有盛誉，其激光三角测量传感器以高精度著称。例如，LJ-V7000系列能够提供Z轴（距离）0.2微米的重复精度，X轴测量范围达到80毫米，采样速度高达64kHz。这使得它在短距离、需要识别微小形变或轮廓的应用中表现卓越，能精确识别钢坯与炉壁之间的微小距离变化，甚至获取完整的物体轮廓信息。然而，其测量范围相对较短，通常在几十毫米到几百毫米，且对高温和炉内烟尘的防护要求较高。

• 英国真尚有 (采用激光飞行时间TOF技术) 英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，采用激光飞行时间（TOF）原理。该系列产品测量范围从0.05米至500米，精度可达±1毫米，测量速度高达250Hz。LCJ系列适用于重工业和户外应用，其突出的高温适应性，可测量表面温度高达1550℃的物体，这在高温重工业环境中尤为重要。同时，该系列产品具备IP65防护等级，工作温度范围为-40℃至+60℃，并可通过配备冷却外壳进一步拓展应用范围。此外，LCJ系列还提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB），以及高精度模拟输出和可编程数字输出，使其能够灵活应用于多种工业场景。

• 美国邦纳 (采用激光飞行时间TOF技术) 美国邦纳的激光距离传感器，如Q4X系列，同样基于激光飞行时间（TOF）原理。它以其坚固耐用和对不同目标表面的高度适应性而闻名。Q4X系列检测范围从25毫米到600毫米，在400毫米处精度可达±1.5毫米，重复性为760微米，响应时间低至1.5毫秒。其IP69K的最高防护等级使其尤其适合在恶劣工业环境中长时间稳定运行，无需频繁调整。虽然其测量范围相对中等，但其出色的环境适应性和快速响应能力，使其在工业防撞应用中具有很强的竞争力。

• 德国西克 (采用2D激光雷达扫描技术) 德国西克的LMS1xx系列激光扫描仪，基于2D激光雷达（LiDAR）扫描原理，本质上也是通过测量激光飞行时间。它能够以270°的大扫描角度和25Hz/50Hz的扫描频率，创建周围环境的2D轮廓。LMS1xx系列在户外可达18米，室内可达30米的量程，重复精度±12毫米。其优势在于可以进行大范围区域监测，提供详细的2D轮廓数据，实现更精细的防撞和定位，尤其适合监测钢坯在炉内的横截面位置和是否有侵入保护区。在有烟雾、灰尘的环境中表现良好，但极高温仍需配合专门防护。

• 瑞士布赫 (采用PMD飞行时间技术) 瑞士布赫的O300系列智能距离传感器，采用光子混合器件（PMD）的飞行时间（TOF）原理。PMD技术通过调制光信号并分析相位差来计算距离，能在一个像素点上同时进行距离和强度测量，从而实现高精度。其检测范围为50毫米至1500毫米，在200毫米至1000毫米范围内精度可达±3毫米，重复性为1毫米，响应时间小于3毫秒。布赫的PMD技术在背景抑制和环境光抗扰性方面表现出色，即使面对光泽、粗糙或黑暗的目标也能稳定工作。其结构紧凑、坚固耐用（IP67/IP69K防护等级）也是其显著优势。

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

在选择加热炉内钢坯防撞的传感器时，不能只看某个单一指标，而需要综合评估，就像挑选合适的工具箱，里面的每把工具都要能派上用场。

• 测量范围： 这决定了传感器能监测多远的距离。对于加热炉内的钢坯定位，通常需要覆盖从几米到几十米的炉膛长度，同时也要能监测钢坯与炉壁之间较近的距离。如果测量范围不足，可能需要在炉内安装多个传感器，增加系统复杂度和成本。

• 测量精度与重复性： 这是防撞系统的核心指标。精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，重复性则指多次测量同一位置时结果的一致性。在钢坯防撞中，通常需要毫米级甚至更高的精度，以确保能识别出细微的位移，防止擦碰。高精度能有效缩小安全裕度，提升炉内空间利用率。

• 测量速度/响应时间： 钢坯在炉内是移动的，如果传感器测量速度慢，输出的数据就滞后，无法及时发出预警。理想的传感器应该具备足够快的测量速度，以确保控制系统能实时调整。

• 环境适应性（耐高温、抗烟尘、抗环境光）： 这是加热炉应用中最具挑战性的部分。

  • 耐高温： 传感器本身或其防护罩必须能承受炉内高达数百甚至上千摄氏度的环境温度。

  • 抗烟尘、水汽干扰： 炉内产生的氧化铁粉尘、水汽和蒸汽会散射或吸收激光，影响测量。选择具有较强穿透力（例如特定波长）和良好光学防护（如气幕吹扫）的传感器至关重要。

  • 抗环境光： 炉门开启时的强光或炽热钢坯自身的红外辐射都可能干扰光学传感器。具备优秀背景光抑制能力的传感器能减少误判。

• 接口与集成性： 传感器的数据需要传输给上位控制系统（如PLC、DCS）。选择具备RS232、RS485、RS422、以太网、模拟量输出、数字量开关量输出等主流接口的传感器，能方便与现有自动化系统集成，降低开发难度。

• 防护等级： 工业环境恶劣，IP65、IP67甚至IP69K等高防护等级能有效保护传感器免受灰尘、水、腐蚀性气体等侵害，延长使用寿命。

选型建议：

• 对于炉内长距离、高温下的钢坯主体定位与间距监测，且对精度要求较高时： 推荐选择激光飞行时间（TOF）原理的传感器。这类传感器量程大，对高温、低反射率表面适应性强，配合水冷/空冷防护罩可长期稳定工作。

• 对于炉内短距离、对钢坯边缘或轮廓变化有极高精度要求的区域： 可考虑激光三角测量传感器，但需更周密的防高温、防烟尘措施。

• 对于需要获取炉内多钢坯区域的整体二维布局或进行复杂路径规划： 2D激光雷达扫描仪能提供区域性的轮廓数据，但需注意其精度和对高温的适应性。

• 如果除了位置还需要检测钢坯表面是否有大的变形或缺陷，并且愿意投入更多的算法开发： 机器视觉系统能提供最丰富的信息，但其对环境要求和防护措施也最为复杂和严格。

总的来说，应根据具体的炉膛结构、钢坯尺寸、输送速度、精度要求以及预算等因素，进行综合权衡和选择。通常建议进行现场测试，验证传感器在实际工况下的性能。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的传感器，在加热炉这种极端环境下，实际应用中仍然可能遇到各种挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能大大提高系统的稳定性和可靠性。

1. 高温影响导致传感器性能下降或损坏：

   • 问题描述： 炉内温度极高，即使钢坯表面温度达到1550℃，炉内环境温度也可能达到数百摄氏度。传感器如果直接暴露在高温下，内部电子元件会过热，导致测量漂移、精度下降，甚至直接烧毁。

   • 解决建议：

     • 选择高温型传感器： 选用本身就设计用于高环境温度的传感器。

     • 配备专业冷却防护罩： 这是最常见的解决方案。通过水冷或空冷（压缩空气）方式，将传感器包裹在一个隔热、冷却的腔体中，确保其工作温度在允许范围内。

     • 设置炉壁隔热： 在炉壁上为传感器预留安装孔时，做好局部隔热处理，减少热量传导。

     • 优化安装位置： 尽量将传感器安装在温度相对较低的区域，或者避开炉膛火焰直射。

2. 炉内烟尘、水汽、蒸汽干扰测量：

   • 问题描述： 加热炉内会产生大量氧化铁粉尘、燃气燃烧产物以及可能由水封或冷却系统泄漏产生的蒸汽和水汽。这些物质会附着在传感器的光学窗口上，或悬浮在空气中，散射、衰减激光束，导致测量值不稳定甚至完全丢失。

   • 解决建议：

     • 气幕吹扫装置： 在传感器光学窗口前设置一个连续吹扫的“气刀”或“气帘”，用洁净的压缩空气形成一层保护屏障，阻止烟尘和水汽附着或进入。

     • 选择穿透力强的激光波长： 某些特定波长的激光在烟尘和水汽中的穿透性更好。

     • 定期清洁维护： 制定严格的清洁计划，定期检查并擦拭光学窗口。

     • 高防护等级： 确保传感器本身具备IP65及以上防护等级，防止灰尘进入内部。

3. 钢坯表面特性变化（如氧化皮、反光不均、颜色深浅）影响反射：

   • 问题描述： 高温钢坯表面会形成一层氧化皮，颜色和反射率会随温度变化而变化。钢坯表面可能不均匀，甚至有局部光泽或粗糙区域，这些都会影响激光的反射效果，导致传感器接收到的信号不稳定。

   • 解决建议：

     • 选用对表面特性不敏感的TOF原理传感器： 这类传感器通常通过处理反射信号的强度和时间信息，对表面反射率变化有较强的鲁棒性。

     • 选用具有自适应增益或信号处理算法的传感器： 能够自动调整接收灵敏度或通过算法补偿信号衰减。

     • 多个传感器组合： 在关键位置安装多个传感器，交叉验证测量结果，提高可靠性。

4. 振动与安装稳定性不足：

   • 问题描述： 炉体和输送辊道在运行过程中会产生振动。如果传感器安装不牢固，或者支架缺乏减振措施，传感器的测量基准点会随之移动，导致测量数据不准确。

   • 解决建议：

     • 坚固的安装支架： 选用厚重、稳定的工业级支架，确保传感器位置稳固。

     • 减振措施： 在安装支架与炉体之间增加减振垫或减振器，隔离部分振动。

     • 定期校准： 定期检查传感器的物理位置和测量精度，进行必要的校准。

5. 系统集成与数据处理复杂性：

   • 问题描述： 大量传感器实时数据需要快速传输、处理和分析，与PLC/DCS等控制系统集成可能存在通信协议、数据格式等兼容性问题。

   • 解决建议：

     • 选择标准工业接口： 选用支持RS485、以太网（Modbus TCP/IP）、Profinet、EtherCAT等主流工业协议的传感器。

     • 边缘计算： 在传感器附近部署边缘计算单元，对原始数据进行预处理和初步分析，减轻中央控制系统的负担，并提高响应速度。

     • 清晰的系统架构设计： 在项目初期就规划好传感器网络、数据流和与控制系统的集成方案。

4. 应用案例分享

• 连铸坯在辊道上的精确对中： 在炼钢厂的连铸生产线，利用激光测距传感器测量连铸坯在辊道上的横向位置，确保钢坯准确进入加热炉，避免偏斜造成炉内卡堵。例如，采用英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，能够实现对钢坯的精准定位。

• 加热炉内钢坯推送与间隔控制： 在步进式或推钢式加热炉中，通过多个激光测距传感器实时监控炉内钢坯的纵向位置和相邻钢坯间的距离，确保钢坯按计划推送到位，并维持最佳的加热间距，防止碰撞。

• 轧钢线材轧制过程的防偏与定尺： 在热轧生产线上，激光测距传感器可以高精度监测钢坯在轧制过程中的横向位置，防止钢坯跑偏损坏轧机，同时辅助实现精确的定尺切割。

• 炉内机械手抓取定位： 对于带有机械手或机器人进行钢坯操作的加热炉，激光测距传感器为机械手提供精确的钢坯三维位置数据，确保机械手准确抓取或放置钢坯，避免与炉壁或其他设备发生碰撞。