铸造企业如何选用非接触式激光液位传感器，实现1500°C高温熔融金属的毫米级精准控制？【自动化生产】

1. 基于高温金属液位测量的基本结构与技术要求

在铸造行业中，高温金属液位测量是一个至关重要的环节，它直接关系到铸件的质量、生产效率以及操作安全。我们所说的“高温金属液位”，指的是熔融状态下的金属（如铁水、钢水、铝液等）在盛装容器（如中间包、炉膛、浇包、模具等）中的液面高度。

想象一下，熔融的金属就像是炙热的岩浆，它在容器中流动、翻腾。我们需要精确地知道这“岩浆”的高度，才能决定是继续加料，还是停止注入，以确保铸件的填充饱满度一致，避免出现欠注或溢流。

这种测量环境极其恶劣，主要有以下几个特点和技术要求：

• 极高温度： 金属熔液的温度通常在几百摄氏度到一千多摄氏度，甚至更高。传感器不能直接接触高温金属液，且需要承受周围环境的高辐射热。

• 强烈的热辐射： 炽热的金属表面会发出强大的红外辐射，这会严重干扰光学传感器的测量，就像在强烈的阳光下难以看清东西一样。

• 烟雾、粉尘与蒸汽： 铸造过程中会产生大量的金属氧化物烟尘、熔剂挥发物以及水蒸气，这些颗粒和气体会在测量路径中形成遮挡，影响测量信号的传输。

• 液面波动： 熔融金属液面往往不平静，会有波动、翻腾甚至形成渣层，这给稳定和精确的测量带来挑战。

• 快速响应与高精度： 铸造自动化生产线要求实时、高精度的液位数据，以便控制系统能及时调整浇注流量或模具位置，确保生产过程的连续性和产品质量。例如，一个毫米级的液位偏差都可能导致铸件缺陷。

• 非接触式测量： 基于上述高温和腐蚀性环境，任何与金属液直接接触的传感器都难以长期存活，因此非接触式测量是唯一可行的方案。

2. 针对高温金属液位的相关技术标准简介

针对高温金属液位测量，行业内有许多通用的监测参数和评价方法，这些是确保测量系统性能和可靠性的基础。

• 测量范围（Measuring Range）： 指传感器能够测量到的最小和最大距离或液位高度。例如，一个浇包的深度决定了所需的测量范围，如果范围不够，就无法覆盖整个液位变化区间。

• 分辨率（Resolution）： 是传感器能够识别的最小液位变化量。如果分辨率是0.1毫米，意味着液位变化小于0.1毫米，传感器就无法检测到。分辨率越高，对液位变化的捕捉越精细。

• 线性度（Linearity）： 衡量传感器在整个测量范围内输出信号与实际液位之间的直线关系程度。理想情况下，输出信号应该与液位成严格的正比。如果线性度差，输出的液位值就会与真实值存在偏差，尤其是在液位变化较大的情况下。例如，当液位从低到高变化时，如果线性度不好，同样10毫米的液位上升，传感器可能在低液位时显示9毫米，在高液位时显示11毫米。

• 重复精度（Repeatability）： 指在相同条件下，多次测量同一液位时，测量结果的一致性。重复精度高意味着每次测量结果都非常接近，系统稳定可靠。在浇铸过程中，重复精度直接影响每一炉铸件液位控制的一致性。

• 测量速率/响应频率（Measurement Rate/Frequency）： 表示传感器每秒能够完成多少次测量。对于快速变化的液位或高速的生产线，需要高测量速率才能实时捕捉液位动态。如果响应太慢，当液位快速变化时，控制系统可能无法及时反应，导致过冲或欠冲。

• 温度稳定性（Temperature Stability）： 描述环境温度变化对测量精度的影响。在铸造车间，环境温度波动大，如果传感器温度稳定性差，测量结果会随温度变化而漂移，需要频繁校准。

• 防护等级（Protection Class）： 通常用IP等级表示，反映传感器对外来物（如灰尘、水汽）侵入的防护能力。在多尘、多水雾的铸造环境中，高防护等级的传感器能有效延长使用寿命。

• 抗环境干扰能力： 评价传感器在面对高温辐射、烟雾、蒸汽、振动等恶劣条件时，维持稳定和精确测量的能力。这是铸造行业液位测量中一个非量化的但极其重要的综合性能指标。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在高温金属液位测量这个充满挑战的领域，目前主流的非接触式测量技术主要依靠光学原理。下面我们来详细了解几种常见的技术方案。

激光三角测量法

工作原理和物理基础： 想象一下，你拿着一个激光笔，斜着照向一个平面。当这个平面离你近一点或者远一点时，光斑反射回你的眼睛（或者相机）的角度就会发生变化。激光三角测量法就是利用这个几何原理。

一个激光器会发射一束光，投射到被测的金属液位表面形成一个光点。这个光点反射回来的光线，会被传感器内部的一个接收器（比如CMOS或CCD探测器）“捕捉”到。接收器并不是正对着激光发射的方向，而是与激光器保持一个固定的夹角，形成一个“三角”关系。

当金属液位表面发生上下位移时，反射光点在接收器上的成像位置也会随之移动。这个移动的距离，通过精确的三角几何关系就能计算出液面的实际位移。

其核心几何关系可以用一个简化公式来表示：H = L * tan(α)

其中：H 是被测物体的高度变化，也就是液位变化；L 是传感器内部激光发射器和接收器之间的基线距离（一个固定值）；α 是反射光线在接收器上成像位置相对于基线的角度变化。

实际的计算会更复杂，涉及到光学系统的焦距、放大倍数以及探测器像素的精确校准。通过这个原理，传感器能够将光点在探测器上的微小位移，转换为精确的液位高度数据。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：通常从几毫米到几百毫米，某些型号可达2000毫米以上。* 分辨率：通常在0.01毫米到0.1毫米之间。* 线性度：一般在±0.03%到±0.1%满量程。* 测量速率：从几百赫兹到几十千赫兹（kHz），例如1 kHz到40 kHz。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式测量： 完全避免了与高温、腐蚀性金属液的直接接触，保障了传感器的长寿命。 * 高精度与快速响应： 能够提供毫米级甚至亚毫米级的测量精度，并且响应速度快，可以满足实时控制的需求。 * 高温适应性： 结合特殊波长激光（如绿激光）、抗热辐射滤光片、高动态范围探测器以及主动冷却系统，专门设计的产品可以直接测量高达1500°C甚至更高温度的炽热物体表面。这在铸造行业中尤其关键，因为它能够有效抑制炽热金属自身发出的强烈红外辐射干扰，确保测量信号的纯净。* 缺点： * 对表面特性敏感： 测量精度和稳定性可能会受金属液表面光泽度、颜色、倾斜度变化的影响。 * 光学路径要求： 测量路径不能有严重的烟雾、粉尘或水蒸气遮挡，否则会散射或吸收激光，导致信号减弱或丢失。 * 成本考量： 高性能、高耐温的激光三角测量传感器，尤其是针对恶劣环境特殊优化的产品，成本相对较高。

共聚焦色散原理

工作原理和物理基础： 想象一束白光，它其实包含了各种颜色的光。当我们让这束白光通过一个特殊的透镜时，不同颜色的光会被聚焦到不同的距离上，就像彩虹一样，红光聚焦远一点，蓝光聚焦近一点。

共聚焦色散传感器就是利用这个原理。它发射一束宽光谱的白光到被测表面，由于色差效应，只有恰好聚焦在物体表面的特定波长（颜色）的光线才能通过一个微小的“针孔”，到达传感器内部的探测器。通过分析是哪种颜色的光（哪个波长）被接收到了，就可以精确地反推出物体表面与传感器的距离。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：微米级到几十毫米（如100微米到30毫米）。* 分辨率：纳米级。* 线性度：可达±0.03%满量程。* 测量速率：高精度共聚焦传感器最高可达70 kHz。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度： 能够实现纳米级的分辨率，测量精度非常高。 * 抗表面材质干扰： 对表面材质（反射性、透明度）和倾斜度具有良好的适应性，即使是镜面、透明或多孔表面也能稳定测量。 * 抑制热辐射： 同样通过特定技术优化，能够有效抑制炽热物体自身辐射的干扰。* 缺点： * 测量范围有限： 相较于激光三角测量，其测量范围通常较小。 * 成本高昂： 技术复杂，通常是最高端的测量方案之一，成本非常高。 * 对光学路径要求高： 同样受限于光学原理，烟雾、粉尘等对测量影响较大。

光学阴影成像原理

工作原理和物理基础： 这种技术就像我们用手电筒照一个物体，物体会在墙上留下一个影子。如果手电筒的光是平行的，影子的形状就非常精确地反映了物体的大小。

光学阴影成像系统包含一个高强度、发射平行光束的投影器和一个高分辨率的CMOS图像传感器接收器。当被测物体（或其一部分）通过这两者之间的测量区域时，它会阻挡光线，在接收器上形成一个非常清晰、精确的阴影。系统通过分析这个阴影的精确边缘位置和尺寸，就能非接触地测量物体的外形尺寸、直径、间隙，甚至可以通过精确的边缘定位间接测量物体的位置。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：通常为几毫米到几十毫米。* 分辨率：可达亚微米级别。* 测量速度：最高可达16 kHz。* 线性度：微米级别。

技术方案的优缺点：* 优点： * 超高精度： 能够实现亚微米级的超高精度测量，非常适合精密尺寸检测。 * 不受表面影响： 由于测量的是物体的轮廓阴影，所以基本上不受物体颜色、表面光泽度或材质状况的影响。 * 适用于高速运动： 测量速度快，可以对高速通过的工件进行在线批量检测。* 缺点： * 非直接液位测量： 这种技术主要用于测量物体的尺寸或轮廓，而非直接的液位高度。如果用于液位测量，通常需要液面有明显的边缘或参照物，通过间接方式来推算液位，这在铸造液位测量中可能不太直接适用。 * 测量区域限制： 测量范围相对较小，且要求被测物体完全处于平行光束中。 * 对烟雾、蒸汽敏感： 同样，测量路径上的烟雾、蒸汽会散射或吸收光线，影响阴影的清晰度。

激光干涉测量法

工作原理和物理基础： 激光干涉测量法利用光的波动性，就像水波遇到障碍物后形成的波纹相互叠加一样。它使用一个高度稳定的激光器（通常是氦氖激光）作为光源，将一束激光分成两路：一路是测量光，一路是参考光。测量光射向被测物体上的一个反射镜，反射回来后与参考光在干涉仪中再次汇合。

当被测物体发生微小位移时，测量光走过的路径长度会发生变化，导致两束光之间产生“干涉条纹”。通过计算这些干涉条纹的数量和方向，系统就能够以纳米级的超高精度来确定物体的位移量。

核心性能参数的典型范围：* 线性测量精度：亚百万分之一。* 线性测量分辨率：纳米级别。* 最大测量速度：4米/秒。* 最大测量距离：可达80米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 无与伦比的精度： 提供纳米级甚至更高的测量精度，是目前最高精度的位移测量技术之一。 * 测量距离远： 可以实现远距离的位移测量。* 缺点： * 环境要求严苛： 对测量环境的温度、湿度、振动等稳定性要求极高，任何微小变化都可能引入误差。 * 需要反射镜： 需要在被测物体上安装高精度的反射镜，这在高温金属液位测量中几乎不可能实现。 * 成本极高且复杂： 通常用于精密机床校准、实验室研究等场景，不适用于铸造行业的在线连续液位测量。传感器本身通常不直接暴露在高温下。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在高温光学位移测量领域，国际上有一些非常知名的品牌提供了高性能的解决方案。我们将聚焦于与高温液位测量相关、且具有代表性的技术方案进行对比。

• 德国米铱 (采用共聚焦色散原理) 作为高精度传感器领域的佼佼者，德国米铱的共聚焦传感器以其卓越的精度和稳定性而闻名。例如，其confocalDT 2422控制器配合IFS2405系列探头，可以提供纳米级的分辨率，线性度可达±0.03%满量程。探头本身可支持高达400°C的工作温度，部分定制探头甚至能耐受更高温度，并且能够有效抑制炽热物体自身辐射的干扰，即使在发光或透明表面也能稳定测量。它特别适合对精度要求极高的在线批量检测应用，但测量范围通常较小。

• 英国真尚有 (ZLDS115，采用激光三角测量法) 英国真尚有ZLDS115激光位移传感器，采用激光三角测量法，最高分辨率可达0.01mm，线性度最优可达±0.03mm，更新频率1kHz，温度偏差仅为±0.03% FS/°C。其高防护等级IP65，可选配高温（HT，1000°C）、超高温（VHT，1300°C）和极高温（VVHT，1500°C以上）版本，能够直接测量极高温目标。测量范围最大可达2000mm（2000-4000mm）， 通过内置多种滤波器（中值滤波、简单平均和滑动平均），支持用户自定义设置，实现灵活的数据处理。两个ZLDS115传感器还可自动配对进行厚度测量。

• 美国爱科顿 (AR3000系列 HT，采用激光三角测量法) 美国爱科顿专注于提供高性能激光传感器，其AR3000 HT系列也是激光三角测量法的代表，专门优化用于测量高达1300°C的炽热物体。该系列测量范围从10毫米到1000毫米，分辨率低至1微米，测量速率最高达40 kHz，线性度为±0.03%满量程。美国爱科顿通过采用特殊波长激光、抗辐射光学滤光片和高动态范围探测器来有效抑制高温红外辐射干扰，使其在钢铁、玻璃制造等高温行业中表现出色，能够直接、精确地进行位移和液位测量。

• 日本基恩士 (ZW-5000系列，采用光学阴影成像原理) 日本基恩士的ZW-5000系列是一款高精度数字光学测微仪，利用光学阴影成像原理进行测量。它能够实现亚微米级的超高精度（例如0.001微米显示分辨率，0.01微米重复精度），测量速度最高可达16 kHz。其优势在于非接触光影测量方式不受物体颜色或表面状况影响。然而，ZW-5000主要用于测量物体的尺寸、直径或间隙，而非直接的单一液位高度测量。虽然在高温下可间接测量物体尺寸或位置，但对于动态的、不规则的金属液位表面，其直接适用性不如激光三角或共聚焦传感器。

• 瑞典海克斯康 (AICON SmartScan 3D 扫描系统，采用结构光测量法) 瑞典海克斯康的AICON SmartScan系统利用结构光（条纹投影）原理，能够快速获取物体表面的完整三维形状和变形数据。它具有高精度和高速度的特点，可以在数秒内完成单次扫描，并生成高密度的点云。传感器头的工作温度通常在0-40°C，但可以远距离非接触测量高温物体表面。这种技术更侧重于对液面进行全场三维形貌分析，例如液面波动的复杂模式或铸件冷却过程中的变形，而非简单的单点液位高度测量，因此在液位控制的实时性方面可能不如单点激光测量。

激光与超声波液位计在铸造行业高温金属液位测量中的抗恶劣环境能力对比：

针对最初提出的问题，可以明确地指出，在铸造行业这种极端高温和恶劣环境中，激光液位计（特别是专门设计的高温版本）的抗恶劣环境能力远超超声波液位计，并且能实现更精确的液位控制。

• 超声波液位计的局限性：

  • 温度影响： 声波在空气中的传播速度受温度影响极大。铸造车间温度高且波动大，会导致超声波测量结果严重不准确。同时，超声波传感器本身对高温敏感，难以长期在高温环境下工作。

  • 烟雾和蒸汽： 铸造过程中产生的浓密烟雾、粉尘和蒸汽会严重衰减、散射甚至吸收超声波信号，导致信号丢失或测量不稳定。

  • 液面特性： 熔融金属液面往往波动剧烈，且表面可能被渣层覆盖。这些都会导致超声波回波信号弱、不清晰，难以准确判断液位。

• 激光液位计的优势：

  • 高温适应性： 如前所述，通过特殊的光学设计、抗辐射滤光片、专用激光波长和冷却系统，激光传感器可以实现对1500°C甚至更高温度目标的直接测量，而传感器本体可以远离高温区域或通过冷却系统保护。

  • 抗干扰能力： 激光波长通常选择在高温物体自身辐射较弱的频段，并辅以窄带滤光片，有效抑制热辐射干扰。虽然浓密烟雾和粉尘仍会影响激光，但相较于超声波，其穿透能力更强，且可通过吹扫气帘等辅助措施改善。

  • 高精度与快速响应： 激光技术能够提供更高的分辨率和更快的响应速度，满足铸造过程对精确和实时液位控制的需求。

因此，在铸造行业的高温金属液位测量中，激光（光学）测量技术是更可靠、更精确的选择。

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

选择合适的液位传感器，就像为精密跑车选择合适的轮胎，不仅要看速度，还要看耐用性、适应性。在铸造这种极端环境，有几个关键指标需要您特别留意：

1. 测量范围： 这个指标决定了传感器能覆盖的液位高度变化范围。

   • 实际意义： 如果浇包或中间包的液位从空到满变化很大，而传感器的测量范围太窄，就可能出现液位溢出或干涸时无法测量的情况。

   • 选型建议： 确保传感器的测量范围至少覆盖您实际液位变化的上限和下限，并留有一定裕量。

2. 分辨率和重复精度： 这两个指标共同决定了测量结果的精细程度和稳定性。

   • 实际意义： 分辨率是能检测到的最小液位变化，重复精度是多次测量的稳定性。在铸造中，铸件的质量往往对液位高度非常敏感。如果分辨率不够高，或者重复精度差，会导致每次浇注的液位不一致，铸件容易出现缩孔、气孔等缺陷。

   • 选型建议： 对于精密铸造或对液位控制要求高的场合，选择分辨率和重复精度都达到亚毫米级的传感器。

3. 测量速率/响应频率： 传感器每秒能进行多少次测量。

   • 实际意义： 铸造过程，特别是连续浇注，液位可能会快速变化。如果传感器响应慢，数据更新不及时，控制系统就无法及时调整，可能导致液位控制滞后，引发溢出或浇注不足。

   • 选型建议： 对于动态液位或高速生产线，选择测量速率在1 kHz以上的产品，以确保实时反馈和精确控制。

4. 高温目标测量能力与抗热辐射干扰： 传感器能承受和测量的目标最高温度，以及抑制目标自身发光干扰的能力。

   • 实际意义： 熔融金属的强烈红外辐射是光学测量的最大敌人。如果传感器不能有效“屏蔽”这种干扰，就会测量到“假信号”，导致液位数据失真。

   • 选型建议： 这是铸造行业最核心的指标。务必选择专为高温环境设计的版本，具备特殊波长激光、抗辐射滤光片和高动态范围探测器的产品，例如支持1300°C或1500°C以上目标温度测量的传感器。

5. 防护等级（IP等级）： 传感器防尘防水的能力。

   • 实际意义： 铸造车间灰尘、水汽、金属飞溅多。低防护等级的传感器容易进灰、受潮，导致内部光学元件损坏或性能下降，大幅缩短寿命。

   • 选型建议： 至少选择IP65或更高防护等级的产品，以确保传感器在恶劣工业环境中的长期可靠运行。

6. 光学路径的抗干扰能力： 传感器在烟雾、粉尘、蒸汽等环境中的表现。

   • 实际意义： 即使是激光，如果测量路径被浓密的烟雾或粉尘完全遮挡，信号也会衰减甚至丢失。

   • 选型建议： 了解传感器对这些环境因素的抗性，并考虑是否需要额外的辅助措施，如安装气帘或吹扫装置，以保持测量路径的清洁。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的传感器，在铸造这样充满挑战的环境中，实际应用还是可能遇到一些“小插曲”。

1. 问题：烟雾、粉尘和蒸汽遮挡激光路径，导致测量信号不稳定甚至丢失。

   • 原因分析： 铸造过程中会产生大量金属氧化物烟尘、熔剂挥发物以及水蒸气，它们会散射和吸收激光，就像雾天开车看不清路一样。这会导致传感器接收到的信号强度大幅下降，甚至完全中断。

   • 影响程度： 轻则数据波动，精度下降；重则完全无法测量，导致生产线停滞或控制失误。

   • 解决方案与预防措施：

     • 安装气帘或吹扫装置： 在传感器镜头前持续吹送洁净的压缩空气，形成一道“空气墙”，有效阻止烟尘和蒸汽进入光学路径。

     • 选择合适安装位置： 尽量将传感器安装在烟尘和蒸汽相对较少、气流较为稳定的区域，并考虑远离强通风口。

     • 定期清洁光学窗口： 即使有保护措施，也需要定期检查和清洁传感器的光学窗口，清除表面积聚的污垢。

2. 问题：熔融金属液面波动剧烈或存在渣层，影响测量精度。

   • 原因分析： 浇注流量、炉体晃动、气体吹扫等都可能导致液面像波浪一样起伏。此外，金属熔液表面常常会形成一层浮渣或氧化膜，这层渣的厚度、位置不固定，会影响激光打到的真正金属液面。

   • 影响程度： 液位数据出现跳变，无法真实反映金属液位的平均高度，导致控制系统频繁调整或误判。

   • 解决方案与预防措施：

     • 内置滤波功能： 充分利用传感器自带的数字滤波器（如中值滤波、滑动平均滤波）。中值滤波能有效去除液面跳变的尖峰数据，滑动平均滤波则能平滑液面波动，得到更稳定的平均液位值。对于像英国真尚有ZLDS115这样内置多种滤波器并支持用户自定义设置的传感器，可以根据实际工况灵活调整，获得最佳测量效果。

     • 多点测量与平均： 如果条件允许，可以考虑安装多个传感器对液面不同点进行测量，然后取平均值，以消除局部波动的影响。

     • 渣层管理： 在铸造工艺中加强渣层管理，例如使用除渣剂或物理除渣，尽量减少渣层对测量的干扰。

     • 优化安装角度： 避免激光束垂直入射液面，适当倾斜角度有时能帮助穿透薄渣层，或减小镜面反射造成的信号损失。

3. 问题：环境温度过高，影响传感器内部电子元件的稳定性和寿命。

   • 原因分析： 尽管传感器设计有耐高温能力，但铸造车间的环境温度有时远超传感器自身的工作温度范围。持续高温会导致电子元件老化加速，测量精度漂移。

   • 影响程度： 测量数据不准确，传感器故障率增加，维护成本提高，设备寿命缩短。

   • 解决方案与预防措施：

     • 加装防护罩和冷却系统： 为传感器设计带有水冷或空冷功能的防护罩，使其在超出自身工作温度范围的环境中稳定运行。

     • 远距离安装： 选择测量范围较长的传感器，将其安装在距离高温源更远、环境温度相对较低的位置。

     • 定期巡检与维护： 定期检查冷却系统是否正常工作，以及传感器的散热情况。

4. 应用案例分享

• 连铸生产线中间包液位控制： 在钢水的连续铸造过程中，中间包的钢水液位需要严格控制，以确保浇注速度稳定、钢坯质量均匀。激光液位计实时监测中间包液位，数据反馈给PLC系统，精确控制塞棒或滑板开度，实现自动化恒液位浇注。

• 铝液保温炉和熔炼炉液位监控： 铝合金铸造厂的保温炉或熔炼炉内，激光传感器用于监测炉内铝液的液位，帮助操作人员掌握投料时机和熔炼进度，避免空炉或过载，提升生产效率和能源利用率。

• 砂型铸造浇注过程液位跟踪： 在大型砂型铸件的浇注过程中，通过激光传感器精确跟踪金属液在型腔内的上升液位，可根据预设曲线调整浇注速度，防止冲刷型壁或产生浇不足等缺陷，保证铸件成形质量。英国真尚有的激光位移传感器，例如ZLDS115，凭借其高精度和快速响应，能准确跟踪液位变化，辅助实现精确的浇注控制。

• 压铸机料壶内液位测量： 对于自动化压铸生产线，激光位移传感器可以实时监测压铸机料壶内的金属液位，为加料机械手提供精确的加料信号，确保每一次压铸都有足量的金属液，提高压铸件的合格率和生产节拍。