如何在高至1000℃的恶劣环境下，实现钢板厚度几十微米级精度的非接触实时测量与质量控制？【冶金热轧线】

第1部分：基于钢板的基本结构与技术要求

想象一下，钢板在冶金生产线上，特别是热轧过程中，就像是一块在高速运转的传送带上流动的热量巨大的“面团”。它的基本结构看起来简单，就是一块扁平的金属，但其内部晶粒结构、化学成分、尺寸公差等都受到严格控制。

对于钢板厚度测量，技术要求非常高：* 高温环境： 钢板出炉时温度可达1000°C以上，即使是后续冷却过程中也常常维持在几百摄氏度。这种高温不仅会影响传感器的性能和寿命，还会导致空气密度不均、产生热辐射、蒸汽和烟尘，严重干扰测量信号。* 动态测量： 钢板在生产线上高速移动，要求传感器能快速响应，实时给出测量数据，以便及时调整轧制参数。就像我们在高速公路上开车，需要实时知道车速才能控制好车辆。* 高精度： 钢板的厚度偏差直接影响产品的力学性能、后续加工以及最终使用。即便是几十微米（0.0X毫米）的厚度差异，在某些高端应用中也可能导致整批钢材报废。这就像是生产精密零件，哪怕一点点尺寸不对，就可能装配不上。* 非接触性： 高温钢板无法通过接触式测量，一是容易损坏传感器，二是对钢板本身造成损伤。因此，必须采用非接触式方法。* 恶劣工况： 生产现场常常伴有大量灰尘、氧化皮、水蒸气、震动等，这些都会对测量设备的稳定性和可靠性提出挑战。

第2部分：针对钢板的相关技术标准简介

在钢铁生产中，对钢板的质量控制是极其严格的。虽然我们不列出具体的标准编号，但可以了解一些核心监测参数及其评价方法：

• 厚度： 这是钢板最基本的几何尺寸参数。

  • 定义： 钢板上表面与下表面之间的垂直距离。

  • 评价方法： 通常在钢板的长度和宽度方向上取多个点进行测量，得到平均厚度、局部厚度。更重要的是计算厚度偏差（实际厚度与目标厚度之间的差值），以及厚度波动率（多个测量点之间的最大厚度差或标准偏差），以此来评估厚度均匀性。

• 宽度： 钢板横向边缘之间的距离。

  • 定义： 在垂直于轧制方向上测量的钢板尺寸。

  • 评价方法： 通常在钢板的多个位置进行测量，确保宽度在允许的公差范围内。

• 平直度/板形： 描述钢板表面是否平坦，有无波浪、鼓包等缺陷。

  • 定义： 钢板在纵向和横向的平面几何形状偏离理想平面的程度。

  • 评价方法： 可以通过测量钢板表面多个点的相对高度差来评估其波浪度、鼓包等情况。

• 表面缺陷： 钢板表面可能出现的氧化皮、划痕、压痕等。

  • 定义： 钢板表面非预期的、影响其性能或外观的特征。

  • 评价方法： 通常通过机器视觉、涡流检测等方式进行识别和分类，但与厚度测量原理不同，这里仅作提及。

在实际生产中，这些参数都需要在严苛的条件下进行实时、准确地监测和评价，以确保每一块钢板都符合出厂标准。

第3部分：实时监测/检测技术方法

在高温钢板厚度非接触测量场景中，主流的非接触测量技术主要有激光和雷达两种。超声波技术由于其固有的局限性，在高温冶金环境中通常不适用。

（1）、市面上各种相关技术方案

• 激光三角测量法

  • 工作原理和物理基础： 想象一下，你用一个手电筒（激光发射器）从侧面斜着照向一堵墙（钢板表面），墙上会出现一个亮点。如果这堵墙离你忽远忽近，那个亮点的位置就会在墙上发生移动，同时你看到亮点的角度也会变化。激光三角测量传感器内部也是类似的原理：它有一个激光发射器向被测物表面发射一束可见激光，激光点在物体表面形成一个光斑。传感器内部有一个高精度的光学接收系统（通常是CCD或CMOS图像传感器），它以一个特定的角度“观察”这个光斑。当被测物（钢板）的距离发生变化时，光斑在图像传感器上的位置也会随之移动。通过精确地测量光斑在图像传感器上的位移量，并结合传感器内部预设的几何光学模型（也就是发射器、接收器和被测物之间的三角关系），就可以计算出被测物的精确距离。

  • 核心公式： 假设激光发射器与接收器之间有一个固定的基线距离L，激光发射角为α，接收器上光斑移动距离为ΔX，被测物距离变化量为ΔZ，那么通过三角几何关系可以推导出：ΔZ = (L * ΔX * cos(α)) / (f * sin(β) * (1 + ΔX / f))，其中f为接收透镜的焦距，β为初始接收角度。简化后，距离与光斑在接收器上的位置呈函数关系，传感器通过查表或拟合曲线实现距离的精确计算。

  • 核心性能参数的典型范围： 这种技术以其高精度著称。

    • 精度：通常可达到微米级到几十微米级（例如0.001mm至0.1mm）。

    • 分辨率：可达几微米（例如0.001mm）。

    • 测量范围：通常为几毫米到几米。

    • 响应时间：通常为毫秒级到微秒级，更新频率可达几百赫兹到几千赫兹。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 极高的测量精度和分辨率，能够捕获微小的距离变化；非接触式测量，不损伤被测物；响应速度快，适合实时在线监测；对目标表面材料的颜色、反射率有较好的适应性（通过调整激光功率和接收器增益）；对于高温环境，可通过专门设计的光学系统、散热装置以及耐高温材料来应对，甚至能直接测量发光的炽热物体。

    • 缺点： 测量距离相对有限，长距离测量时精度会下降；受物体表面光洁度、颜色、角度等因素影响，测量结果可能出现波动；高温环境下，空气中的蒸汽、粉尘、氧化皮等会散射或吸收激光，干扰光路，需要额外的吹扫和防护措施；设备成本相对较高。

    • 成本考量： 中高。为了应对高温和恶劣环境，需要额外的防护和冷却系统，会增加整体成本。

• 激光时间飞行法 (Laser Time-of-Flight, TOF)

  • 工作原理和物理基础： 这就像我们对着山谷大喊一声，然后测量声音从发出到听到回声用了多长时间，再根据声速来计算我们离山有多远。激光TOF传感器也是类似原理，只不过它发射的是激光，利用的是光速。传感器发射一个短暂的激光脉冲，这个脉冲以光速（约每秒30万公里）传播到钢板表面，被反射回来后被传感器接收。传感器内部有一个高精度的计时器，精确测量激光从发射到接收所经过的时间。

  • 核心公式： 距离 (D) = (光速 (c) * 飞行时间 (t)) / 2。

  • 核心性能参数的典型范围：

    • 精度：通常为毫米级到厘米级（例如1mm至10mm）。

    • 分辨率：通常为毫米级。

    • 测量范围：可达几十厘米到几百米。

    • 响应时间：通常为毫秒级，更新频率可达几十赫兹到几百赫兹。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 测量距离远，适用于大范围的距离测量；对物体表面颜色、反射率不敏感，适应性强；结构相对简单，坚固耐用。

    • 缺点： 精度相对激光三角测量法较低，不适用于对钢板厚度有微米级要求的精细测量；在高温、烟尘、水蒸气环境中，激光信号仍可能受到衰减和散射，影响测量稳定性；响应速度通常不如三角测量法快。

    • 成本考量： 中等。

• 调频连续波雷达法 (FMCW Radar)

  • 工作原理和物理基础： 想象一下，你开着一辆车，它的油门在不停地匀速变化（频率线性变化），你把一个信号发射出去，同时接收反射回来的信号。由于你发射信号的频率一直在变，当反射信号回到你这里时，它和你此时正在发射的信号频率之间会有一个差异。这个频率差异越大，说明反射信号回来得越晚，也就是被测物离你越远。雷达传感器就是通过分析这个频率差来计算距离的。

  • 核心公式： 距离 (D) = (光速 (c) * 频率差 (Δf) * 扫频时间 (T_sweep)) / (2 * 扫频带宽 (B_sweep))。

  • 核心性能参数的典型范围：

    • 精度：通常为毫米级到厘米级（例如1mm至10mm）。

    • 分辨率：毫米级。

    • 测量范围：可达几米到上百米。

    • 响应时间：通常为几十毫秒到几百毫秒。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 穿透能力强，对高温、高粉尘、高水蒸气、强气流等恶劣环境具有极强的适应性，几乎不受介质干扰；测量稳定可靠；非接触，长距离测量。

    • 缺点： 精度相对激光测量法低，不适合对钢板厚度进行微米级测量；对物体表面平整度有一定要求，可能受多径效应影响；天线尺寸通常较大。

    • 成本考量： 中高。

• 超声波测量法

  • 工作原理和物理基础： 超声波传感器发射高频声波脉冲，这些声波在空气中传播，遇到钢板表面后反射回来。传感器接收到回波后，通过测量声波的往返时间，并结合声波在当前介质中的传播速度，就能计算出距离。

  • 核心公式： 距离 (D) = (声速 (v_sound) * 飞行时间 (t)) / 2。

  • 核心性能参数的典型范围：

    • 精度：毫米级到亚毫米级（例如0.1mm至5mm）。

    • 分辨率：0.1mm到几毫米。

    • 测量范围：几厘米到几米。

    • 响应时间：几十毫秒到几百毫秒。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 成本较低，实现相对简单；对透明物体也能进行测量。

    • 缺点： 在高温冶金环境中几乎不可用！ 超声波在空气中的传播速度受温度、湿度、气流影响极其显著，而冶金现场恰恰是高温、多尘、多水蒸气、气流紊乱的极端环境。这些因素会导致声速剧烈波动，测量精度和稳定性根本无法保证。就像在狂风暴雨中想要用声音准确判断距离一样困难。

    • 成本考量： 低。

结论：激光与超声波对比

综合来看，在高温环境下的钢板厚度非接触测量，激光传感器明显优于超声波传感器。超声波技术在冶金这种充满高温、粉尘和蒸汽的恶劣工况下，其精度和可靠性会急剧下降，几乎无法满足工业生产要求。激光传感器，尤其是经过高温优化设计的激光三角测量传感器，在精度、响应速度和环境适应性方面，都能够满足钢板厚度测量的苛刻要求，是更合适的选择。雷达传感器虽然环境适应性极强，但其精度通常难以达到激光传感器所需的微米级水平，因此在需要高精度厚度测量时不如激光传感器。

（2）、市场主流品牌/产品对比

这里选取三款代表不同技术路线的知名品牌产品进行对比，以展现各自在高温测量领域的特点。

• 德国西克 (采用激光时间飞行法) 德国西克是全球知名的工业传感器制造商，其产品以坚固耐用和可靠性著称。西克的DL500系列激光测距仪，采用了激光时间飞行法原理。这款产品擅长于长距离的定位和距离控制。其测量范围可从0.2米延伸至300米，能够应对大型设备或宽阔区域的距离检测。在精度方面，DL500系列提供±3毫米至±30毫米的精度（取决于型号和距离），重复精度可达±1毫米至±10毫米。测量的更新频率可达到 250 赫兹，对于一般的动态距离检测已足够。其坚固的设计和多种工业以太网接口，使其易于集成到复杂的自动化系统中，主要用于物料定位、料位检测等对精度要求相对宽泛的场景。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量法) 英国真尚有ZLDS115激光位移传感器是一款高性能的精密测量设备，采用激光三角测量法。该传感器的分辨率最高可达0.01mm，线性度最优可达±0.03mm，能够捕捉到钢板厚度细微的变化。该产品测量范围较广，最大可达2000mm，更新频率为1kHz，能够实时监测高速运动中钢板的厚度。ZLDS115的突出优势在于其高温目标测量能力，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，满足冶金行业对高温钢板测量的需求。此外，它符合IEC IP65防护等级标准，具有良好的温度稳定性。该传感器的另一特点是，两个ZLDS115传感器可自动配对进行厚度测量，无需额外的控制盒或特殊校准，简化了系统集成。

• 德国维萨拉 (采用调频连续波雷达法) 德国维萨拉是工业测量领域，特别是雷达物位计的全球领导者。其VEGAPULS 6X雷达物位计，采用了调频连续波（FMCW）雷达原理。这款雷达传感器突出的优势是其环境适应性。它能够在高温、高压、粉尘、蒸汽等复杂工况下稳定工作，测量范围最远可达120米。该产品采用80吉赫兹的Ka波段微波信号，具有穿透力和分辨率。对于钢铁行业中，如高炉料位、焦炉煤塔料位测量等应用场景，维萨拉的雷达技术具有优势。

（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

选择合适的传感器进行高温钢板厚度测量，需要综合考量多项技术指标，它们直接关系到测量的准确性、生产效率和系统稳定性。

• 精度与分辨率：

  • 实际意义： 精度是指测量值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变化量。在钢板厚度测量中，哪怕是0.01毫米的厚度偏差，也可能影响钢板的力学性能和后续的加工。

  • 选型建议： 对于精轧线或对板形有严格要求的场合，应优先选择分辨率达到微米级的激光三角测量传感器。如果仅仅是粗轧或对厚度要求相对宽松的场合，毫米级精度的TOF激光传感器或雷达传感器也可考虑。

• 测量范围：

  • 实际意义： 指传感器能够有效测量的最大和最小距离。对于钢板厚度测量，通常需要两个传感器分别测量钢板上下表面到各自传感器的距离，然后相减得到厚度。因此，传感器的测量范围要能覆盖钢板的可能位置波动范围，同时保证足够的裕量。

  • 选型建议： 根据现场传感器安装位置和钢板可能出现的横向或纵向摆动幅度来确定所需的最大测量距离。通常在几十厘米到几米之间。

• 响应速度/更新频率：

  • 实际意义： 指传感器每秒钟能完成多少次测量。在高速运行的轧制生产线上，钢板可能以每秒数米的速度通过。如果传感器响应慢，就无法及时捕捉到厚度的瞬态变化，导致控制系统滞后，无法及时调整轧制参数。

  • 选型建议： 建议选择更新频率在1kHz（1000赫兹）或更高的激光传感器，以确保能够实时捕捉到钢板在高速运动中的细微厚度变化，为轧机控制系统提供及时准确的数据。英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器能够以1kHz的频率进行实时测量，适用于此类应用。

• 环境适应性（高温、粉尘、蒸汽）：

  • 实际意义： 冶金现场是传感器工作的“炼狱”，高温辐射、飞溅的氧化铁皮、弥漫的蒸汽和粉尘都会严重干扰测量信号，甚至损坏传感器。

  • 选型建议： 优先选择具有高温版本或内置冷却系统（如水冷、风冷）的传感器。同时，传感器应具备IP65或更高等级的防护能力，以抵御粉尘和水汽。对于光路，务必配备空气吹扫装置，形成气帘，将测量区域的烟尘和蒸汽隔离开。如果环境恶劣到激光信号无法穿透，且对精度要求并非微米级时，可考虑雷达传感器。

• 安装与维护：

  • 实际意义： 传感器在恶劣环境下需要定期清洁和校准。易于安装、校准和维护的设计可以减少停机时间，降低运营成本。

  • 选型建议： 选择紧凑型设计，支持多种安装方式，且校准流程简便的传感器。最好选择具备自诊断功能和良好温度稳定性（温漂小）的产品，减少日常维护工作量。

• 输出接口与集成能力：

  • 实际意义： 传感器需要将测量数据可靠地传输给DCS（分布式控制系统）或PLC（可编程逻辑控制器），以便进行数据处理和控制。

  • 选型建议： 确保传感器提供与现有控制系统兼容的输出接口，例如模拟输出（4-20mA、0-10V）、数字输出（RS232、RS422、Ethernet/IP、PROFINET等），并提供易于集成的通信协议。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁冶金行业的实际应用中，即使选择了先进的激光传感器，也可能遇到各种挑战。

• 高温环境对传感器自身及测量光路的影响

  • 原因与影响： 高温会加速传感器内部电子元件的老化，导致测量漂移，甚至烧毁。同时，炽热钢板散发的热辐射会干扰激光信号的接收，使传感器“眼花”。高温还可能导致空气密度不均匀，产生热气流折射，使得激光路径弯曲，影响测量的准确性。

  • 解决建议：

    • 传感器选型： 优先选择专门为高温环境设计的传感器，如带有水冷/风冷护套的高温版本，或其内部光学元件和电子器件本身就具备更高的耐温能力。

    • 冷却与防护： 为传感器安装独立的水冷或风冷系统，确保传感器本体工作在安全温度范围内。在传感器与钢板之间设置隔热板或防护罩，减少热辐射直接作用。

    • 光路优化： 采用波长穿透力更强的激光（如红外激光）来降低热辐射干扰，但需考虑其对被测物表面特性的适应性。

• 钢板表面状态的影响（氧化皮、水蒸气、光泽度变化）

  • 原因与影响：

    • 氧化皮和粗糙表面： 钢板表面存在大量氧化皮，导致表面粗糙不平，激光会发生漫反射或吸收，反射回传感器的信号减弱，甚至无法有效接收。

    • 水蒸气和烟尘： 轧制过程中会产生大量水蒸气和烟尘，它们会散射、吸收激光，如同浓雾中探照灯光被削弱一样，导致测量信号不稳定或丢失。

    • 光泽度变化： 钢板从高温到冷却过程中，表面光泽度可能发生剧烈变化（如从发亮的红色到暗黑色），这会影响激光反射的强度和特性，对传感器信号处理提出挑战。

  • 解决建议：

    • 气帘吹扫： 在传感器的测量光路上方和下方安装强力空气吹扫系统，形成“气帘”，将测量区域的蒸汽、灰尘和氧化皮吹开，保持光路清晰。这就像给传感器加装了一个隐形的“雨刷器”。

    • 信号处理： 选用具备高级滤波算法（如中值滤波、滑动平均、卡尔曼滤波等）的传感器，可以有效平滑因表面特性变化或环境干扰引起的瞬时波动，提高测量数据的稳定性。英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器，内置多种滤波器，可有效提升测量稳定性。

    • 激光特性优化： 传感器本身应具备宽动态范围的接收能力和自适应激光功率调节功能，以应对不同表面反射率的变化。

• 钢板振动或摆动

  • 原因与影响： 在高速轧制过程中，钢板难免会出现轻微的上下振动或横向摆动，这会引入动态测量误差，使得获得的厚度值不真实地波动。

  • 解决建议：

    • 高频采样： 选用响应速度快、更新频率高的传感器，能够捕捉钢板的瞬时位置变化，为后续的数据处理提供足够的原始数据。

    • 多点测量与平均： 在同一截面或短距离内布置多个传感器进行同步测量，然后对数据进行平均处理，可以有效抵消局部振动带来的影响。

    • 数据融合与高级算法： 利用卡尔曼滤波等预测性算法，结合轧机位置、轧速等信息，对测量数据进行融合和校正，提升动态测量下的厚度精度和稳定性。

第4部分：应用案例分享

• 热轧带钢厚度在线控制： 在热轧生产线的轧机机架之间或出精轧机后，安装两套激光位移传感器（分别测量钢带上下表面），实时测量钢带厚度。系统根据测量结果，自动调整轧机辊缝，确保产品厚度在公差范围内，减少废品并提高成材率。

• 中厚板精加工前尺寸检测： 在中厚板切割、矫直或剪切工序前，利用激光传感器对板材的整体厚度、宽度和板形进行非接触式扫描。这有助于发现潜在的厚度不均或板形缺陷，指导后续加工策略，确保最终产品的几何尺寸精度。

• 高温板坯出炉尺寸定位： 在钢坯加热炉出口，利用耐高温激光传感器对炽热板坯的长度、宽度和位置进行精确测量。这些数据可用于引导机械臂抓取板坯，或优化板坯的入轧机位置，提高自动化水平，降低人工操作风险。