铸铝锭生产线在1000℃高温、多粉尘、高反光环境下，如何实现毫米级高度的精准测量与自动化质量控制？【非接触式位移传感器】

1. 基于铸铝锭的基本结构与技术要求

铸铝锭，简单来说，就是熔融状态的铝在特定模具中凝固形成的标准块状或圆柱状金属产品。它通常是铝材生产流程中的一个中间环节，后续会被送到轧制、挤压或重熔等工序。

对于铸铝锭的生产，尤其是在连续或半连续铸造线上，高度测量是一个非常关键的环节。你可以想象一下，铸铝锭就像生产线上的“面包”，如果每个面包的高度都不一致，那么后续的切片、烘烤等加工就会出现很多麻烦，甚至影响最终产品的质量和成品率。因此，精准测量其高度，是为了实现以下几个重要的技术要求：

• 确保体积/重量一致性：高度直接关联到铸铝锭的体积和重量，这是控制生产成本和产品标准化的基础。如果高度偏差大，就可能导致原材料浪费或产品不达标。

• 优化后续加工效率：高度均匀的铸铝锭，在后续的轧制、挤压等工序中能更好地被设备抓取和处理，减少设备调整时间，提高整体生产效率。

• 提升产品表面质量：不均匀的高度可能意味着铸锭内部冷却不均或表面缺陷，精确的高度测量有助于及时发现并调整工艺参数，减少废品率。

• 实现自动化控制：通过实时、精准的高度数据，可以反馈给铸造设备的控制系统，实现对液位、冷却速度等参数的自动调节，从而保持生产过程的稳定。

然而，铸铝生产线环境复杂，对高度测量带来了严峻挑战：

• 高温：刚铸成的铝锭表面温度极高，可能达到数百甚至上千摄氏度，这要求传感器本身能耐受高温，或者有有效的冷却措施。

• 粉尘/烟雾：铸造过程中会产生大量的金属粉尘和烟雾，这些悬浮颗粒会阻碍激光或超声波的传播，影响测量精度和稳定性。

• 高反射率表面：铝锭表面在特定角度下可能具有镜面反射特性，导致激光信号难以被有效接收。

2. 针对铸铝锭的相关技术标准简介

在铸铝锭的生产和质量控制中，通常会关注以下几个核心监测参数：

• 高度/厚度：这是最直接的尺寸参数，通常指铸锭从底部到顶部的垂直距离。在评估时，通常会采用多点测量或线扫描的方式，获取整个顶面的高度分布，然后计算其平均高度、最大高度、最小高度，以及高度差。

• 表面平整度：描述铸锭顶面偏离理想平面的程度。这可以通过测量铸锭顶面上多个点的高度，然后拟合出一个最佳平面，计算各点到该平面的垂直偏差来评价。平整度不良可能导致后续轧制时受力不均，影响板材质量。

• 形状/轮廓：特指铸锭顶部的整体几何形态，例如是否有明显的凹陷、凸起或边缘变形。通过线激光扫描获取截面轮廓数据，或通过3D视觉技术构建完整三维模型，与设计标准进行比对来评价。这对于确保铸锭能顺利进入后续设备的导轨或夹具至关重要。

• 体积/重量估算：结合铸锭的高度、宽度、长度等尺寸信息，可以估算出其体积，再乘以铝的密度，即可估算出重量。通过统计学方法，可以对生产批次的产品进行质量控制，确保每一批次的铸锭都在允许的重量公差范围内。

评价这些参数，通常是在生产线上以非接触式的方式实时进行，通过传感器获取大量数据，然后利用专用的软件进行数据处理、统计分析和异常报警。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在铸铝生产线这种严苛环境下，为了实现铸铝锭高度的精准稳定测量，市面上主要有几种主流的非接触式传感技术方案。每种技术都有其独特的工作原理、适用范围和优缺点。

a. 飞行时间（ToF）激光测距原理

想象一下，你站在一个巨大的山谷里，对着远处的山壁大喊一声，然后等待回声。你通过测量从喊出到听到回声的时间，就能大致估算出山谷的宽度，因为你知道声音的传播速度。飞行时间（ToF）激光测距原理，就像这个“喊话”过程，只不过它不是用声音，而是用速度快得多的激光。

工作原理与物理基础：ToF激光传感器会发射一个短促的激光脉冲，这个脉冲以光速（c）向前传播，撞击到铸铝锭表面后，一部分光会反射回来被传感器接收。传感器内部有一个高精度的计时器，用来精确测量从激光发射到接收到反射光之间的时间（t）。根据这个时间，我们就可以计算出传感器到物体表面的距离。

其基本计算公式为：距离 (D) = (光速 (c) * 飞行时间 (t)) / 2

这里的除以2是因为激光走了去和回两次行程。

核心性能参数：* 测量范围：这种技术可以实现非常大的测量范围，从几厘米到几百米甚至更远。* 精度：精度通常在毫米级别。* 测量速度：通常可以达到几十赫兹到几百赫兹，这意味着每秒可以进行多次测量。* 环境适应性：对目标表面的颜色和反射率有较好的适应性，即使在深色或低反射率表面也能工作。由于激光是单一光束，能更好地穿透一定程度的粉尘和烟雾，但浓度过高仍会受影响。

技术方案的优缺点：* 优点： * 测量距离远：非常适合在距离高温铸铝锭较远的地方安装，保护传感器本身免受热辐射影响。 * 高温适应性强：由于传感器可以安装在距离较远的位置，相对容易通过冷却套等措施进行防护，从而测量高温物体。 * 抗环境干扰能力好：在一定程度的粉尘、烟雾和太阳光干扰下也能保持稳定测量。 * 安装灵活：点式测量，安装位置选择较多。* 缺点： * 单点测量：一次只能测量一个点的距离，如果需要整个铸铝锭的轮廓或平整度信息，需要多个传感器组合或配合扫描机构。 * 成本较高：相比于一些简单的接近开关或超声波传感器，其初始投资成本更高。 * 对镜面反射敏感：虽然对一般反射率适应性好，但如果铸铝锭表面是完美的镜面反射，且反射角度偏离接收器，仍可能导致信号丢失。

b. 激光三角测量原理

想象你的两只眼睛，当你观察一个近距离的物体时，两只眼睛会稍微“对焦”，形成一个三角关系，大脑就能计算出物体的距离。激光三角测量原理就是利用类似的几何关系。

工作原理与物理基础：传感器发射一束激光（通常是激光点或激光线）投射到被测物体表面，形成一个光斑。当物体的高度发生变化时，光斑在物体表面的位置会移动，反射回来的光线通过一个接收透镜，投射到一个线阵CMOS图像传感器上。由于激光发射器、接收透镜和图像传感器形成了一个固定的三角结构，通过测量光斑在图像传感器上的位置变化（Δx），就可以根据几何关系精确计算出物体的距离（Z）。

其基本几何关系近似为：Z = f * L / (Δx + L/tan(θ))其中，f是接收透镜焦距，L是激光发射器和接收器之间的基线距离，θ是激光发射角度。

核心性能参数：* 测量范围：通常较短，在几毫米到几十厘米之间。* 精度：极高，部分系统可达到微米级别。* 测量速度：对于线激光扫描可达非常高的频率。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高的精度和分辨率：非常适合需要对铸铝锭表面进行精细尺寸和缺陷检测的场景。 * 可获取轮廓信息：如果是线激光，一次扫描可以获取一整条截面的轮廓数据，配合运动可构建3D模型。 * 对表面颜色和光泽变化具有较好适应性：先进算法可以处理不同反射率的表面。* 缺点： * 测量距离短：传感器必须安装在非常靠近铸铝锭的位置，这在高热环境下会增加传感器的防护难度和成本。 * 受环境光影响：强烈的环境光可能干扰CMOS传感器对激光光斑的识别。 * 受粉尘影响大：光路中的粉尘颗粒可能形成散射，模糊光斑，降低测量精度。 * 视场有限：单传感器能覆盖的测量宽度有限，对于大型铸铝锭需要多个传感器或扫描机构。

c. 超声波飞行时间（ToF）原理

超声波测距传感器就像是潜艇上的声呐系统，它通过发射人耳听不到的超声波，然后接收回波来探测水下的物体。在空气中，这个原理同样适用。

工作原理与物理基础：超声波传感器发射一个超声波脉冲。这个脉冲以声速（v）在空气中传播，撞击到铸铝锭表面后反射回来，被传感器接收。传感器测量超声波从发射到接收的往返时间（t），从而计算出传感器到物体的距离。

其基本计算公式为：距离 (D) = (声速 (v) * 飞行时间 (t)) / 2

需要注意的是，声速受空气温度、湿度等因素影响较大，因此先进的超声波传感器通常会内置温度补偿功能。

核心性能参数：* 测量范围：通常在几十毫米到几米之间。* 分辨率：一般在毫米级别。* 响应时间：相对较慢，通常在几十毫秒。

技术方案的优缺点：* 优点： * 对表面特性不敏感：不受被测物体的颜色、透明度、光泽、材质（如金属）影响，尤其适用于铸铝锭这种可能表面不均匀或反光的情况。 * 抗粉尘、水蒸气能力强：声波对空气中的粉尘和水蒸气的穿透性比激光更好，非常适合高粉尘、高湿度的恶劣工业环境。 * 结构坚固，维护简单：传感器设计通常比较 robust，且成本相对较低。* 缺点： * 精度相对较低：一般在毫米级，难以达到激光三角测量的微米级精度。 * 测量范围有限：不适合远距离测量。 * 受环境温度影响大：声速随温度变化，需要进行温度补偿，否则会引入测量误差。 * 响应速度慢：不适合高速运动或需要快速响应的测量场景。 * 受气流影响：强烈的气流可能使声波路径偏离或衰减，影响测量。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款在工业测量领域表现出色的品牌及其产品，以帮助理解不同技术在实际应用中的特点。

• 日本基恩士：采用激光三角测量原理。其LJ-X8000系列（如LJ-X8000E）在高速、高精度轮廓测量方面表现卓越。它能够发射激光线并快速扫描，通过对反射光斑的分析，实现Z轴方向±30毫米的测量范围和高达0.5微米的重复精度。扫描速度可达64千赫兹。这种传感器特别擅长对铸铝锭表面进行细致的形状和轮廓检测，对于发现微小的表面缺陷或评估平整度非常有效。但其测量距离较短，需要靠近铸铝锭安装。

• 英国真尚有：其LCJ系列传感器主要采用飞行时间（ToF）激光测距原理。这款产品以其强大的远距离测量能力和对恶劣环境的适应性而闻名。它可测量范围从0.05米至500米，精度为±1毫米，测量速度高达250赫兹。其突出特点是能够测量表面温度高达1550℃的物体，并提供IP65防护等级以及可扩展的冷却外壳，使其在铸铝生产线这种高温、粉尘环境下仍能稳定工作。此外，它还提供多种串行接口（RS232、RS485、RS422、SSI和USB）以及高精度模拟输出（0.1%）和两个可编程数字输出（DO1和DO2），便于集成。这使得它非常适合在安全距离外精确监测铸铝锭的整体高度。

• 瑞士徕卡：其LMD400系列（如LMD401）同样基于脉冲飞行时间（ToF）的工业激光距离传感器。它以超长的测量范围和高精度著称，可以在0.2米至300米的范围内进行测量，精度±1毫米，重复精度±0.3毫米，测量速率最高可达250赫兹。坚固耐用的工业设计（IP65防护等级）使其适用于高温和户外等严苛环境。与英国真尚有类似，徕卡的产品在需要远距离、高精度点距离测量（如铸铝锭整体高度）的场景中，是可靠的选择。

• 加拿大戈壁：其Gocator 2300系列（如Gocator 2330）是基于激光三角测量结合结构光或条纹投影的3D智能传感器。它不仅能测量高度，还能构建完整的3D轮廓数据。传感器能提供约300毫米的高度测量范围和0.027毫米的Z轴分辨率，X方向视场约600毫米，测量速度高达1800赫兹（线扫描频率）。内置智能处理功能，可直接输出高度、体积等测量结果。这对于需要全面了解铸铝锭三维形态、进行复杂体积或平面度分析的场景非常有优势，但安装距离同样受限。

• 美国邦纳：其U-GAGE M30系列（如QT50UGA）采用超声波飞行时间（ToF）原理。这类传感器在100毫米至2.5米的测量范围内，提供1毫米的分辨率。其主要优势在于对颜色、透明度、光泽不敏感，并且结构坚固，维护简单，适用于粉尘、水蒸气等恶劣环境。工作温度范围宽广（-25°C至+70°C），防护等级IP67。虽然精度不如激光传感器，但其极强的环境适应性和成本效益，使其在对精度要求不极致但需要稳定可靠的工业高度检测中，占有一席之地。

（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

在为铸铝生产线选择合适的激光位移传感器时，需要综合考虑多个关键技术指标，就像挑选一把称手的工具，要看它最适合做什么工作。

• 测量范围：

  • 实际意义：决定了传感器可以安装在距离铸铝锭多远的位置。铸铝生产线通常希望传感器远离高温区。

  • 影响：如果测量范围不足，传感器必须安装在高温近距离，需要额外的昂贵冷却系统；如果太远，可能影响精度。

  • 选型建议：首先确定传感器安装点到铸铝锭顶面的大致距离，以及铸铝锭高度变化的最大范围。例如，如果需要在5米外测量高度变化在50厘米内的铸铝锭，那么一个测量范围达几十甚至几百米的ToF激光传感器会是更好的选择，因为它既能满足距离要求，又能提供足够的测量余量。

• 精度与重复精度：

  • 实际意义：精度是指测量值与真实值之间的差异，重复精度是指多次测量同一目标时结果的一致性。它们决定了测量结果的可靠性。

  • 影响：精度不足会导致高度控制不准，影响产品质量；重复精度差会造成测量结果波动，难以进行稳定控制。

  • 选型建议：根据铸铝锭的质量标准和工艺要求来确定所需精度。如果工艺要求误差在毫米级，那么选择精度为毫米级的激光传感器。对于需要对铸铝锭表面微小起伏进行检测的场景，激光三角测量方案可能更适合其微米级精度，但要权衡其安装距离限制。

• 测量速度/响应时间：

  • 实际意义：传感器每秒能完成多少次测量，以及从检测到变化到输出信号的时间。

  • 影响：生产线通常是连续运行的，如果测量速度过慢，可能无法及时捕捉到高度变化，导致控制滞后。

  • 选型建议：匹配生产线节拍。高测量速度在连续生产中至关重要。

• 抗高温能力：

  • 实际意义：传感器自身能承受的环境温度，以及能否测量高温物体表面的能力。

  • 影响：高温是铸铝生产线最常见的挑战，传感器过热会导致内部电子元件损坏，测量漂移甚至完全失效。

  • 选型建议：

    • 直接测量高温物体表面：选择标注可测量高温物体表面温度的传感器。

    • 环境温度适应：查看传感器的工作环境温度范围。如果传感器安装环境温度高于其工作范围，必须配备冷却外壳（水冷或风冷）、隔热罩等辅助设备。远距离ToF激光传感器因其安装灵活，通常更容易进行散热防护。

• 抗粉尘/环境适应性：

  • 实际意义：传感器抵御粉尘、水汽、烟雾等恶劣环境的能力。

  • 影响：粉尘积聚在光学窗口会阻碍激光的发射和接收，导致信号衰减或丢失；烟雾会散射激光束，影响测量稳定性。

  • 选型建议：

    • IP防护等级：选择至少IP65或更高等级的传感器，以防粉尘和喷水。

    • 清洁装置：考虑加装气帘或吹扫装置，用压缩空气持续清洁传感器光学窗口，防止粉尘和油烟附着。

    • 技术选择：超声波传感器在粉尘环境中表现最佳，但精度较低；激光传感器则需要更完善的清洁和防护措施。

• 输出接口：

  • 实际意义：传感器与生产线控制系统（如PLC、DCS、工控机）进行数据交换的方式。

  • 影响：接口不兼容会增加系统集成难度和成本。

  • 选型建议：选择与现有控制系统兼容的接口类型。同时，高精度的模拟输出和可编程数字输出也提供了更多的控制和报警功能。

• 成本：

  • 实际意义：传感器的采购、安装、维护以及辅助设备的投入。

  • 影响：高昂的成本可能超出预算，或导致投资回报率降低。

  • 选型建议：在满足技术要求的前提下，选择性价比最高的产品。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，在铸铝生产线的实际应用中，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至关重要。

• 问题一：高温对传感器的损害或测量漂移

  • 原因及影响：铸铝锭的高温以及生产线环境热辐射，会导致传感器内部电子元件长时间工作在超负荷状态，加速老化，性能下降。轻则引起测量值漂移，重则导致传感器永久性损坏。

  • 解决建议：

    • 选择耐高温传感器：优先选择厂家明确标明具备高环境温度工作能力的工业级传感器。

    • 加装冷却系统：对于大多数激光传感器，即使是工业级的，在近距离高温环境下也需要额外保护。可以安装水冷套、风冷套或采用涡流管冷却器，持续为传感器提供冷却，确保其工作温度在安全范围内。

    • 设置隔热防护：在传感器和高温铸铝锭之间设置隔热板或陶瓷纤维材料，阻挡热辐射。

    • 优化安装距离：尽可能利用远距离测量的ToF激光传感器，将其安装在远离热源的位置。

• 问题二：粉尘、烟雾或水蒸气对测量信号的干扰

  • 原因及影响：铸铝生产线过程中产生的金属粉尘、氧化物烟雾和水蒸气颗粒，会悬浮在空气中。当激光束或超声波穿过这些介质时，会发生散射、衰减，导致返回传感器的信号减弱，甚至丢失。这会引起测量值波动、误差增大，甚至无法测量。

  • 解决建议：

    • 气帘/吹扫装置：在传感器光学窗口前安装气帘或气刀，持续向外吹出清洁的压缩空气，形成一个“空气屏障”，防止粉尘和烟雾附着在镜头上，并驱散光路中的悬浮颗粒。

    • 选择合适波长：某些特定波长的激光在烟雾和粉尘中的穿透性可能稍好，但作用有限。

    • 定期清洁维护：即使有防护，也应制定定期清洁传感器光学窗口的计划，确保光路畅通。

    • 优化安装角度：尝试调整传感器的安装角度，尽量避免激光直接穿过最浓密的粉尘或烟雾区域。

• 问题三：铸铝锭表面特性对测量的挑战

  • 原因及影响：铸铝锭表面可能存在多种特性：刚铸造出来的高温表面可能呈熔融态或半固态，表面光泽度高，可能形成镜面反射；冷却后表面可能粗糙不平、颜色不均。这些因素都可能影响激光的反射效果或超声波的接收。

  • 解决建议：

    • 选择对表面适应性强的传感器：

      • ToF激光：选择具有先进信号处理算法的ToF激光传感器，它们能更好地应对不同反射率的表面。

      • 超声波：对于表面粗糙、颜色不均或反光的情况，超声波传感器因其工作原理对表面特性不敏感，是一个稳健的选择，但需接受其精度限制。

    • 调整传感器安装角度：对于激光传感器，可以微调安装角度，避免激光束以垂直于镜面反射表面的角度入射，以防止反射光偏离接收器。

    • 多点测量或线扫描：如果铸铝锭表面存在局部不平或光泽不均，单点测量可能无法代表整体高度。可以采用多个点激光传感器或一个线激光传感器进行扫描，获取多个点的平均高度或完整轮廓信息，以提高测量的鲁棒性。

• 问题四：生产线振动导致测量不稳定

  • 原因及影响：铸铝生产线通常伴随着设备的运行振动。如果传感器安装不牢固或缺乏减震措施，这些振动会传递给传感器，导致其测量基准不稳定，从而引入测量误差，使测量结果波动。

  • 解决建议：

    • 稳固安装：确保传感器安装在一个坚固、稳定的支架上，并固定牢靠，减少共振。

    • 减震措施：在传感器支架或安装点增加橡胶垫、弹簧减震器等减震材料，吸收和隔离来自设备的振动。

    • 数据滤波：在软件层面，对传感器输出数据进行滤波处理，平滑掉因振动引起的瞬时波动，获取更稳定的平均值。但要注意滤波可能引入少量延迟。

4. 应用案例分享

• 铸铝锭液位与凝固高度监测：在连续铸造过程中，传感器实时监测模具内熔融铝液的液位高度，或刚凝固的铸铝锭表面高度。例如，使用英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，可以非接触式地精确测量高温铝液或铸锭的高度，从而实现对浇铸速度的精确控制。

• 铝锭堆垛高度与位置检测：在成品铝锭的自动化堆垛和搬运环节，激光传感器可以精确测量堆垛的高度，以及单个铝锭的位置和倾斜度。这能有效引导机械手进行精确抓取和放置，防止碰撞或倾倒。

• 轧制前铸锭厚度预检：在铸铝锭进入热轧机之前，通过激光传感器快速检测其初始厚度。这些数据可以反馈给轧机控制系统，预先调整轧辊间隙，优化轧制工艺，提高轧制效率和产品质量。