如何在高速轧制生产线中，克服高反光、抖动等挑战，实现±5微米级金属带厚度的实时非接触测量？【工业自动化检测】

1. 金属带的基本结构与技术要求

金属带，在工业生产中通常指通过轧制、分切等工艺形成的，具有一定宽度但长度很长的金属板材，比如钢带、铝带、铜带等。它们就像是制作各种产品（从汽车外壳到易拉罐）的“原材料卷轴”。在生产过程中，对金属带的厚度进行精确控制至关重要。想象一下，如果生产手机外壳的金属片厚度不均匀，最终的产品可能就会出现组装困难、强度不达标甚至外观变形等问题。

对于金属带的厚度测量，通常有以下几个关键的技术要求：

• 高精度： 很多应用要求厚度误差控制在微米级别，比如±5微米甚至更小。这就像要求测量一张纸的厚度时，误差不能超过一根头发丝直径的几分之一。

• 快速扫描： 金属带在生产线上往往是高速移动的，测量系统必须能在毫秒甚至微秒级时间内完成一次测量，确保能实时监测整个生产过程，及时发现并纠正偏差，避免生产出大量不合格品。

• 非接触式： 为了不损伤金属带表面，同时避免对高速运动的带材造成干扰，测量通常需要采用非接触方式。

• 环境适应性： 工业现场环境复杂，可能存在高温、粉尘、振动、蒸汽等，测量设备需要具备良好的抗干扰能力和稳定性。

• 适用性广： 能够应对不同材料（钢、铝、铜等）、不同表面状态（光亮、粗糙、氧化等）和不同厚度范围的金属带测量。

2. 针对金属带的相关技术标准简介

在金属带的生产和质量控制中，厚度是核心参数之一，通常会通过以下参数进行监测和评估：

• 平均厚度 (Average Thickness)： 指金属带某一区域或整个批次的厚度算术平均值。它是衡量产品整体规格是否达标的基础。

• 厚度偏差 (Thickness Deviation)： 指实际测量厚度与目标厚度之间的差值。这个偏差越小，说明生产控制越好，产品质量越稳定。

• 厚度波动 (Thickness Variation)： 描述金属带在长度或宽度方向上厚度的变化情况。如果波动过大，可能导致材料浪费或后续加工困难。

• 横向厚度分布 (Cross-Width Thickness Profile)： 指金属带沿宽度方向上不同位置的厚度分布情况。理想情况下，带材横向厚度应尽量均匀，否则会影响带材的平直度，产生波浪边等缺陷。

• 纵向厚度波动 (Longitudinal Thickness Variation)： 指金属带沿长度方向上的厚度变化。在高速轧制过程中，轧机辊缝的微小变化、材料温度不均等都可能引起纵向厚度波动。

• 厚度测量重复性 (Repeatability)： 同一位置、同一条件下多次测量结果的一致性。衡量测量系统自身的稳定性。

• 厚度测量线性度 (Linearity)： 在整个测量范围内，测量值与真实值之间偏差的均匀性。如果线性度差，意味着在某些厚度段测量会更准，而在另一些段则会不准。

对这些参数的定义和评价，业界有通行的标准和方法，用以指导测量设备的选择、校准和数据分析，确保测量结果的准确性和可比性。

3. 实时监测/检测技术方法

金属带的厚度测量技术多种多样，为了实现±5微米以内的高精度和每秒1000次以上的快速扫描，目前市面上主要有以下几种主流的非接触式技术方案。

(1) 市面上各种相关技术方案

• 激光三角测量法 (双头配置)

工作原理与物理基础：想象一下，你拿着一个手电筒，斜着照向地面上的一个点，然后从旁边观察这个点的亮斑。如果地面升高或降低，亮斑在你的视线中会发生位移。激光三角测量就是基于这个原理。传感器会发射一束激光到金属带表面，在表面形成一个光斑。这个光斑的散射光会被传感器内部的CCD或CMOS相机接收。如果金属带表面与传感器的距离发生变化，光斑在相机上的成像位置也会随之移动。通过精确测量光斑在相机上的位置变化，结合传感器的光学几何参数，就可以计算出传感器到表面的距离。

其基本几何关系可以简化为：距离 = f * (b / (x + b))其中，f是光学系统的焦距，b是激光器与接收器基线距离，x是光斑在接收器上的位置。这是一个简化模型，实际的三角测量会涉及更复杂的透视变换和畸变校正。

对于金属带厚度测量，通常采用双头配置：即在金属带的上方和下方各安装一个激光位移传感器。这两个传感器同步工作，分别测量各自到金属带上下表面的距离（D_上和D_下）。金属带的厚度 (H) 就可以通过以下公式计算得到：H = D_基准 - D_上 - D_下这里的 D_基准 是指两个传感器在没有金属带时，它们之间的一个固定安装基准距离。通过这种差分测量的方式，可以有效消除金属带整体上下跳动（也称作“抖动”或“飘动”）对厚度测量结果的影响，因为抖动会同时影响 D_上 和 D_下，但在差值计算中被抵消了。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：单头传感器通常从几十毫米到数百毫米，双头配置后可覆盖常见的金属带厚度范围。* 重复精度：可达0.01微米至数微米。* 采样频率：通常在几千赫兹到几十万赫兹。* 光斑直径：最小可达数十微米。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量速度快，精度高，非接触式，对金属带的整体跳动不敏感，可以测量多种表面材质（通过选择不同波长激光，如蓝光激光适合高反光表面）。结构相对简单，易于集成。使用线激光传感器的系统可以一次性获取金属带宽度方向的轮廓数据，不仅能测厚度，还能评估横向厚度分布、翘曲度等。* 缺点： 测量精度可能受表面粗糙度、颜色、反射率变化（特别是镜面反射）的影响。对传感器安装位置和角度要求较高，需要定期校准。当测量非常薄（如几微米）或非常厚（如几十毫米）的金属带时，可能需要特殊型号的传感器。

• X射线透射测量法

工作原理与物理基础：这种方法就像医生给病人拍X光片。X射线源会发射一束X射线，穿透正在移动的金属带。金属带内部的原子会吸收一部分X射线，导致穿透后的X射线强度减弱。金属带越厚，被吸收的X射线就越多，穿透后的强度就越弱。位于金属带另一侧的探测器会测量穿透后的X射线强度。通过比较测量到的强度与一个已知标准或参考强度，再结合金属材料的密度和X射线衰减系数，就可以精确计算出金属带的实时厚度。

其核心物理原理是基于比尔-朗伯定律 (Beer-Lambert Law) 的变形：I = I_0 * e^(-μ * ρ * h)其中，I 是穿透后的X射线强度，I_0 是初始X射线强度，μ 是质量吸收系数（与材料和X射线能量有关），ρ 是材料密度，h 是金属带的厚度。通过测量 I 和 I_0，并在已知 μ 和 ρ 的情况下，可以解算出 h。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常0.05毫米至25毫米（钢），0.01毫米至60毫米（铝），具体取决于设备配置。* 测量精度：优于±0.1%或±1微米。* 测量速度：最高可达1800米/分钟的带材速度。* 分辨率：可达1微米。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的测量精度和稳定性，对金属带的表面状况（如颜色、光洁度、氧化层、水油污等）不敏感。穿透式测量，不受带材跳动的影响。适用于各种金属材料和较宽的厚度范围。* 缺点： 设备成本高，体积较大，需要严格的安全防护措施（X射线源的辐射），安装和维护相对复杂。响应时间相对较慢，通常为毫秒级，对于一些极高速且要求超高实时性的应用可能略有不足。

• 贝塔射线透射测量法

工作原理与物理基础：这种方法利用放射性同位素源（如锶-90）发射贝塔粒子（本质是高能电子）。当这些贝塔粒子穿过移动的金属带时，一部分贝塔粒子会被金属带吸收或散射，导致穿透后的粒子强度减弱。金属带越厚或密度越大，贝塔粒子的衰减就越明显。位于金属带下方的探测器测量穿透后的贝塔粒子强度，该强度与金属带的“质量厚度”（即单位面积质量）成反比。通过将测量结果与已知标准进行比较，就可以实时计算出金属带的实际厚度。

其衰减原理也遵循类似比尔-朗伯定律的指数衰减规律：I = I_0 * e^(-k * ρ * h)其中，I 是穿透后的贝塔粒子强度，I_0 是初始强度，k 是质量衰减系数，ρ 是材料密度，h 是金属带厚度。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常0.005毫米至10毫米，特别适合薄型金属带材，如铝箔、薄钢带、铜箔等。* 测量精度：优于±0.2%或±0.5微米。* 测量速度：最高可达1500米/分钟的带材速度。* 分辨率：可达0.1微米至1微米。

技术方案的优缺点：* 优点： 在薄带材测量领域具有极高的精度和稳定性，对表面状况不敏感，非接触式。设备设计通常坚固，维护需求相对较低。* 缺点： 同样涉及到放射性同位素源，需要安全防护和严格的法规遵从。不适用于测量较厚的金属带。与X射线相比，能量较低，穿透力有限。

• 共焦色差传感技术

工作原理与物理基础：这种技术利用白光穿过一个特殊的光学镜头（色散物镜）时，不同波长的光线（比如红橙黄绿青蓝紫）会在空间中聚焦在不同的深度位置，形成一个连续的焦点序列。当这些光束照射到金属带表面时，只有那些恰好聚焦在表面上的特定波长的光才会被清晰地反射回来。反射光会通过一个微小的“共焦针孔”，这个针孔只允许来自焦点区域的光通过。穿过针孔的反射光随后被光谱仪分析，通过检测反射光的峰值波长，就可以精确地确定传感器到金属带表面的距离。

其核心在于利用色散原理将距离信息编码到光谱波长中。传感器与表面的距离，通过特定波长被聚焦并反射的原理来确定。

对于金属带厚度测量，同样是采用双传感器配置，分别安装在金属带的上方和下方，同步测量上下表面的距离。通过距离差值计算出厚度，与激光三角测量法的差分原理类似。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：从几百微米到几十毫米，取决于传感器型号。* 重复精度：可达纳米级至微米级。* 测量频率：最高可达数千赫兹。* 光斑尺寸：通常为几微米至几十微米。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的分辨率和精度，对表面光洁度（包括镜面、粗糙、磨砂等）和材料颜色不敏感。不易受环境光干扰。特别适合需要极致精度的应用，如精密合金带、电池箔材等。* 缺点： 测量速度相对较慢（相对于激光三角测量），为单点测量。传感器价格昂贵，对灰尘和振动较为敏感。

(2) 市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市场上的主要厂商是如何利用这些技术实现高精度金属带厚度测量的：

• 德国赫兹 (X射线透射测量)德国赫兹作为X射线测量领域的全球领导者，提供的X射线厚度计以其卓越的测量精度、可靠性和稳定性闻名。他们的M系列X射线厚度计能够测量0.05毫米到25毫米（钢）或0.01毫米到60毫米（铝）的金属带，测量精度通常优于±0.1%或±1微米，并且支持高达1800米/分钟的带材速度。其优势在于对金属带表面状况完全不敏感，能在恶劣的工业环境下提供长期稳定的高精度测量，广泛应用于冷轧、热轧及分切线。

• 英国真尚有 (激光三角测量法)

英国真尚有ZLDS202系列线激光传感器采用激光三角测量原理，并可通过双头配置实现厚度测量。该传感器的Z轴线性度可达±0.01%满量程，Z轴分辨率为0.01%满量程，标准模式下扫描速度可达4000Hz，ROI模式下最高可达16000剖面/秒。ZLDS202系列具有IP67防护等级，工作温度范围为-40°C至+120°C，环境适应性强。此外，该系列传感器可选配405nm、450nm、660nm或808nm波长的激光，其中450nm蓝光激光特别适合测量闪亮和高温物体。结合内置的智能算法和实时3D跟踪功能，该传感器既能实现高精度厚度测量，又能提供丰富的轮廓信息，适用于汽车、铁路、机械加工等领域的多种测量场景。

• 日本基恩士 (激光三角测量法)日本基恩士在全球传感器领域处于领先地位，其LK-G5000系列激光位移传感器在双头配置下，也广泛应用于金属带厚度测量。该系列以高精度和快速测量著称，重复精度可达0.01微米至1微米，采样频率最高可达392千赫兹。它能够有效补偿物料震动和倾斜对测量结果的影响，对各种表面光洁度的金属材料都有良好的适用性，是实现在线批量检测的灵活高效方案。

• 法国赛雷斯 (共焦色差传感技术)法国赛雷斯是共焦色差传感技术的先驱之一，其CCS Prime系列或CHR系列共焦色差传感器以高分辨率和精度著称，重复精度可达纳米级，测量频率可达数千赫兹。该技术特别擅长测量镜面、半透明或具有复杂光学特性的表面，在测量精密合金带、电池箔材等对表面光洁度要求极高的金属带时具有独特的优势，且不易受环境光和表面反射率变化的影响。

(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

选择合适的厚度测量设备，就像选择一把趁手的工具，需要根据具体的需求来挑选。以下是一些需要重点关注的技术指标及其选型建议：

• 测量精度与分辨率：

  • 实际意义： 精度决定了测量结果与真实值有多接近，分辨率则决定了设备能检测到的最小厚度变化。比如，要求±5微米的精度，那么设备本身的精度至少要达到这个级别甚至更高。

  • 影响： 精度不够会导致产品不合格，分辨率低会错过细微的质量问题。

  • 选型建议： 首先明确你产品所需的最高精度等级，并预留一定的裕量。如果测量薄而贵的材料（如电池箔），纳米级分辨率的共焦传感器可能更适合；如果测量常规金属带，微米级精度的激光或X射线即可。

• 扫描速度/采样频率：

  • 实际意义： 决定了设备在单位时间内能进行多少次测量。扫描速度快，意味着能捕捉到更多细节，对高速运动的金属带进行连续监测。

  • 影响： 速度慢可能导致漏检，无法及时发现快速变化的厚度波动。

  • 选型建议： 如果生产线速度很高（如每分钟数百米甚至上千米），那么激光三角测量或贝塔/X射线这种高速响应的系统是首选，其剖面/采样频率要达到数千赫兹甚至更高。

• 测量范围：

  • 实际意义： 设备能测量的最大和最小厚度。

  • 影响： 范围不匹配会导致无法测量目标产品或测量误差增大。

  • 选型建议： 根据你最常测量的金属带厚度范围来选择。X射线和激光三角测量通常覆盖范围广，贝塔射线则更适用于薄带。

• 表面特性兼容性：

  • 实际意义： 设备对被测物表面光洁度、颜色、反射率变化的适应能力。

  • 影响： 兼容性差会导致测量结果不稳定甚至无法测量。

  • 选型建议： 对于镜面、高反光或高温表面，蓝光激光三角测量或共焦色差传感器表现更优。如果表面粗糙、有油污或氧化层，X射线或贝塔射线系统则更具优势。

• 环境适应性：

  • 实际意义： 设备在恶劣工业环境（高温、粉尘、振动、湿度等）下的稳定工作能力。

  • 影响： 环境适应性差会导致设备频繁故障、精度下降。

  • 选型建议： 轧钢生产线环境恶劣，应选择防护等级高（如IP67）、宽工作温度范围、抗振抗冲击性能强的设备。带有主动冷却或加热系统的传感器能更好地适应极端温度。

• 系统集成与数据接口：

  • 实际意义： 设备与现有生产线控制系统（PLC、DCS）的连接便利性，以及数据传输效率。

  • 影响： 集成困难会增加部署成本和时间，数据传输慢会影响实时控制。

  • 选型建议： 优先选择支持工业以太网、RS422等标准接口，并提供SDK或API的设备，便于二次开发和系统集成。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了最先进的测量设备，也可能会遇到一些挑战，这些问题如果处理不好，会影响最终的测量精度和效率。

• 问题1：金属带抖动或翘曲

  • 原因与影响： 金属带在高速运动过程中，由于张力不均、辊缝跳动或自身平整度问题，可能会产生上下抖动或边缘翘曲。这对于单点激光位移传感器可能造成测量失真，因为它无法区分是厚度变化还是整体位置变化。

  • 解决建议：

    • 差分测量： 采用双头（上下各一个）差分测量方案是解决抖动的最佳方法。上方传感器测得的距离减去下方传感器测得的距离，再减去基准距离，即可消除整体抖动带来的影响。

    • 线激光优势： 如果使用线激光传感器，它能同时获取金属带的整个宽度轮廓，不仅可以测量厚度，还能分析翘曲程度，通过多点平均或局部拟合来提高测量稳定性。

    • 机械导向： 在传感器测量点附近增加导向辊，尽量保持带材平稳运行。

• 问题2：表面反射率变化或镜面效应

  • 原因与影响： 不同的金属材料、不同的加工阶段（如轧制前、轧制后、酸洗后），以及表面油污、氧化层、水膜等，都会导致金属带表面反射率发生剧烈变化。特别是光亮的金属表面，会产生镜面反射，使得激光束无法有效散射回接收器，或反射光过于集中导致传感器过曝，从而造成测量值不准甚至无数据。

  • 解决建议：

    • 选择合适的激光波长： 针对高反光表面，选择蓝光激光（如450nm）通常效果更好，因为它在金属表面的吸收率更高，散射光更均匀。

    • 传感器角度优化： 调整传感器的安装角度，避免直接镜面反射进入接收器，尽量捕捉散射光。

    • 共焦色差传感器： 对于极致镜面或半透明材料，共焦色差技术因其独特的测量原理，对表面反射率变化不敏感，是更好的选择。

• 问题3：粉尘、油污、水汽等环境干扰

  • 原因与影响： 工业现场往往充满粉尘、油雾、水汽甚至高温蒸汽，这些颗粒物或介质会阻碍激光束或X射线，影响测量信号的传输，导致测量不准。

  • 解决建议：

    • 防护等级高的设备： 选择IP67甚至更高防护等级的传感器，确保内部元件不受侵蚀。

    • 吹扫装置： 在传感器测量窗口前安装气刀或吹扫装置，用干净的压缩空气持续吹扫，清除视窗上的灰尘和水汽。

    • 冷却/加热系统： 对于高温环境，配备水冷或风冷系统，确保传感器内部温度稳定。

    • 定期清洁维护： 定期检查并清洁传感器视窗，确保光学路径畅通。

• 问题4：温度漂移与校准需求

  • 原因与影响： 测量设备的光学元件、电子电路等都可能受到环境温度变化的影响，导致测量结果出现微小的漂移。长期运行后，设备的性能也可能发生变化，需要校准。

  • 解决建议：

    • 温漂补偿： 选择内置温度补偿算法或具备温度控制能力的传感器。

    • 定期校准： 建立严格的校准周期和流程，使用经过认证的标准量块对测量系统进行定期校准，确保其精度符合要求。

    • 多点测量与平均： 通过在一个横截面上进行多点测量，并对数据进行平均处理，可以一定程度上平滑测量噪声和局部误差。

4. 应用案例分享

• 钢铁行业热轧/冷轧生产线： 在钢板或钢带的轧制过程中，实时监测厚度，确保产品达到客户要求的公差范围，减少废品率，提高生产效率。

• 铝箔/铜箔生产： 在极薄的铝箔或铜箔生产线上，对厚度进行微米甚至亚微米级的精确控制，以满足电池、电子元件等高端应用的需求。

• 汽车制造冲压件： 在汽车车身板材冲压前，对金属板材的厚度进行全面检测，确保材料符合强度和可塑性要求，提高冲压件的质量和安全性。例如，英国真尚有的线激光传感器可用于检测汽车制造中使用的金属板材，确保其厚度均匀并满足冲压要求。

• 航空航天特种合金： 测量航空航天领域使用的精密合金板材厚度，这些材料往往价值昂贵且对性能要求极高，任何厚度偏差都可能影响飞行安全。

• 分切线厚度监测： 在金属带进行分切加工时，实时监测各个分切窄带的厚度一致性，防止因厚度不均导致后续工序的问题。