如何在高表面复杂性、超过1000米/分钟的钢材生产线上，实现优于0.1%的延长率与速度差高精度非接触测量？【智能制造 质量控制】

1. 基于钢材的基本结构与技术要求

在钢铁行业中，钢材的形态多样，从几毫米厚的钢板、钢带到几微米的钢丝、箔材，其加工过程都离不开对长度和速度的精准控制。这些材料在热轧、冷轧、拉伸、退火、剪切等多个环节中，会经历显著的形状和性能变化。

例如，在热轧或冷轧过程中，厚重的钢坯被连续辊压成薄板或钢带。我们可以想象，这就像一个面团经过擀面杖的反复擀压，逐渐变薄变长。在这个过程中，如果擀面杖（轧辊）的速度配合不好，面团（钢材）就可能被撕裂，或者轧制不均匀，导致厚度不一。同样地，在拉丝或拉管生产线上，钢材通过模具被拉伸变细。这就像把一块橡皮泥拉长，如果拉伸的速度和力度（对应延长率）不恰当，橡皮泥就会断裂或者粗细不均。

因此，对钢材进行高精度的延长率和速度差控制，是确保产品质量（如尺寸精度、厚度均匀性、表面平整度）、提高生产效率、降低材料损耗的关键技术要求。任何微小的速度差异或不稳定的拉伸都会直接影响最终产品的物理性能和市场价值。

2. 针对钢材的相关技术标准简介

在钢材加工领域，有多种参数需要实时监测和控制，其中延长率和速度差是衡量加工过程稳定性和产品质量的重要指标。

• 线速度 (Linear Velocity)： 指的是钢材沿着生产线移动的速度。它通常通过测量单位时间内钢材移动的距离来确定，例如米/分钟（m/min）或米/秒（m/s）。准确测量线速度是后续计算长度、延长率和速度差的基础。

• 长度 (Length)： 指的是钢材的实际物理长度。在定长切割或卷材生产中，精确的长度测量至关重要，它确保了产品符合规格要求，并优化了材料利用率。长度通常是线速度在时间上的积分结果。

• 延长率 (Elongation Rate)： 这是衡量材料在受拉伸作用后长度增加程度的百分比。在拉伸、拉拔等加工过程中，延长率是一个关键参数，它反映了材料的塑性变形能力。延长率的计算通常基于材料在拉伸前后的长度变化，例如：延长率 = (拉伸后长度 - 原始长度) / 原始长度 × 100%。在实际生产中，也常通过测量不同点的速度差来间接推算。

• 速度差 (Speed Difference)： 指的是生产线上相邻两点或两个轧辊之间钢材移动速度的差异。在多机架轧机、拉拔机或涂镀线中，精确控制速度差至关重要。例如，在连轧过程中，前一个轧辊与后一个轧辊的速度差直接决定了钢带在机架间的张力状态和延伸程度。不适当的速度差会导致钢带堆积、拉断、厚度不均或表面缺陷。

这些参数的监测和评价方法通常涉及在生产线上安装传感器，实时采集数据，并通过控制系统进行计算、比较和调整，以确保整个加工过程的稳定性和产品的一致性。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

市面上用于钢材延长率和速度差控制的传感器技术多种多样，各有其独特的原理、优缺点和适用场景。

3.1.1 激光多普勒测速测长技术

这种技术的核心是利用多普勒效应，通过测量激光频率的变化来精确计算移动物体的速度和长度。当激光束照射到移动的钢材表面时，反射或散射回来的光会发生频移，频移的大小与钢材的移动速度成正比。传感器内部的光电探测器捕捉这些频移信号，并将其转换为电信号进行分析，从而得到钢材的瞬时速度。

其核心物理基础可以用以下公式来表示：f_D = 2 * v * sin(θ) / λ其中：* f_D 是多普勒频移，也就是传感器检测到的频率变化。* v 是被测物体的速度。* θ 是两束激光束与被测物体表面法线之间的半角（即两束激光夹角的一半）。* λ 是激光的波长。

一旦获得精确的瞬时速度，通过对速度在时间上进行积分，就可以准确地计算出钢材的总长度。

核心性能参数方面，激光多普勒传感器通常能达到较高的速度测量精度，部分高端型号精度优于0.05%，重复性可达0.02%。它们能覆盖从静止到高速（最高可达10,000米/分钟甚至更高）的广泛速度范围，并且具有较快的响应时间，通常在微秒级别，能够捕捉高速运动和快速加减速。

优点在于它是完全非接触式的，这意味着它不会磨损，不会对钢材表面造成任何损伤或压痕，尤其适合测量高温、柔软、精密的材料。同时，它对工业环境的适应性较强，维护成本低，长期使用稳定性好。

局限性方面，初期投资成本通常高于接触式方案。此外，如果钢材表面过于光滑（镜面反射）或吸光性极强，可能会影响信号的有效散射和接收，需要调整安装角度或选择特定型号的传感器。

3.1.2 增量式光电编码器

增量式光电编码器通常与一个测量轮配合使用，测量轮紧密地接触钢材表面，随着钢材的移动而转动。编码器内部有一个带刻度的光栅盘，当光栅盘随着测量轮转动时，一个光源会穿过刻度盘，光敏元件会根据光栅上的透光和不透光区域，产生一系列周期性的电脉冲信号。通过计数这些脉冲的数量，并结合测量轮的精确周长以及编码器每转一圈产生的脉冲数，就可以计算出钢材的线性位移和速度。

其核心物理基础是：线性位移 = (脉冲数 / 编码器线数) * 测量轮周长线速度 = (单位时间内的脉冲数 / 编码器线数) * 测量轮周长

核心性能参数通常包括最大转速（例如12000转/分钟）、脉冲数（决定了分辨率）和信号频率。精度受测量轮精度和接触稳定性影响，一般在0.1%-0.5%之间。

优点是技术成熟、成本相对较低、安装和维护简单，且在稳定接触条件下可靠性高，抗震动和冲击能力强。

局限性在于它是接触式测量。在钢材生产线上，这意味着测量轮可能会因与钢材表面的摩擦而磨损，导致测量不准。高温、油污、水汽或钢材表面粗糙不均都可能引起测量轮打滑，从而产生显著的测量误差。同时，测量轮对钢材表面可能会造成压痕，不适用于对表面质量要求极高的产品。

3.1.3 激光三角测量/共聚焦位移传感器

这种技术主要用于高精度地测量物体表面的距离或高度变化，而不是直接测量速度。

激光三角测量法通过向被测钢材表面发射一束激光，然后从一个特定角度接收反射光。当钢材表面的距离发生变化时，反射光在传感器内部的位置敏感探测器上的入射角度和位置也会随之改变。传感器利用简单的几何学（三角测量原理）就可以计算出钢材表面的精确位移。

共聚焦光学系统则是通过聚焦激光束并检测其在焦点处的反射光强度。当钢材表面距离变化时，焦点会偏离，反射光强度也会随之变化，从而实现对距离的高精度测量。

要利用这类传感器进行速度差和延长率控制，通常需要安装两个或更多传感器，分别测量不同位置或不同时间点的位移数据。通过比较这些位移数据的时间差，可以间接推算出速度或形变。

其核心物理基础（以三角测量为例）是基于几何关系：d = L * tan(β) / (tan(α) + tan(β))其中：* d 是被测点相对于参考面的垂直距离。* L 是发射器和接收器之间的基线距离。* α 和 β 是入射激光束和反射光束与基线的角度。通过测量d的变化量Δd，结合时间Δt，可以推算出速度v = Δd / Δt。

核心性能参数主要集中在位移测量上，例如重复性可达微米甚至亚微米级，采样速度极快，线性度高。

优点在于超高精度的非接触式位移测量能力，能够检测到钢材表面极其微小的形变和厚度变化，尤其适用于薄膜、箔材等精密产品的质量控制。

局限性是它们主要测量位移，直接测量速度和长度的能力有限，需要复杂的计算和多传感器配合。同时，测量范围相对较小，对钢材表面的反射特性（如镜面反射）敏感，且对安装精度要求极高。

3.1.4 激光散斑相关测速技术

当激光束照射到粗糙的钢材表面时，会形成一种独特的随机干涉图案，我们称之为激光散斑。当钢材移动时，其表面的散斑图案也会随之移动。激光散斑相关传感器通过高速相机连续捕获这些变化的散斑图案图像。然后，利用数字信号处理和相关算法，比较连续两帧图像中散斑图案的位移量。通过计算这个位移量与图像采集时间间隔的比值，就能得出钢材的线速度。

其物理基础是数字图像处理中的互相关算法。简单来说，就是通过数学方法寻找两张图像中相似图案的最佳匹配位置，从而确定其相对位移。

核心性能参数通常包括速度测量精度在±0.05%至±0.2%，重复性±0.02%，速度测量范围较广，且对测量距离有一定适应性。

优点是非接触式测量，对多种材料表面具有良好的适应性，可以在一定程度上处理表面纹理变化。它提供高精度和高可靠性的长度和速度测量。

局限性在于其测量精度和稳定性可能受限于图像采集速度、分辨率以及表面散斑图案的清晰度和稳定性。处理算法相对复杂，响应速度可能不如激光多普勒技术快。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在钢铁行业，延长率和速度差控制领域的传感器市场主要由几家国际知名品牌主导，它们提供的产品各有侧重。

瑞士策尔拉布以其基于激光多普勒效应的测速测长传感器而闻名。其产品具有较高的精度和重复性，速度测量精度可达±0.05%，重复性±0.01%。它能够在0.1至2000米/分钟的速度范围内进行非接触式测量，并可在200至500毫米的距离内工作，防护等级为IP65。策尔拉布的产品在线材、管材、型材的线速度实时检测和控制方面表现出色。

英国真尚有的AJS10X系列传感器也采用先进的激光多普勒测量原理，在精度和响应速度上具有优势。该系列产品工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，内部测量速率高达200kHz，最高可测速度达10,000 m/min。该系列产品支持0速度测量与方向识别，最远安装距离可达2000mm，防护等级为IP67。AJS102系列专为高温钢铁等极端环境设计，可选配冷却外壳。该系列产品标配以太网、RS-232和CANbus通信接口，数据更新率高达500次/秒，便于系统集成。

德国海德汉是精密编码器领域的佼佼者，其ROD系列产品通常与测量轮配合，采用增量式光电测量原理。虽然是接触式测量，但其产品结构坚固，机械稳定性好，抗震动和冲击能力强，防护等级达到IP64。德国海德汉编码器以其高可靠性和长寿命著称，最大转速可达12000转/分钟，脉冲数最高50000线/转，信号频率最高300 kHz，在对接触测量无严格限制且对精度有较高要求的传动和定位控制场景中，是行业内广泛采用的标准解决方案。

瑞典利马普的激光长度和速度仪则运用了激光散斑相关原理或空间滤波技术。它通过分析钢材表面散斑图案的变化来计算速度。该设备能够实现0.1至2000米/分钟的速度测量，精度达到±0.05%，重复性±0.02%，测量距离为300至1000毫米，防护等级为IP66。瑞典利马普的产品优势在于对多种材料表面（包括粗糙、光滑、反射性材料）的良好适应性，提供非接触式、高精度、高可靠性的长度和速度测量。

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

选择合适的测速测长设备是确保钢材加工质量的关键。以下是一些您在选择时需要重点关注的技术指标及其背后的实际意义，以及针对不同场景的选型建议。

3.3.1 重点关注的技术指标

• 测量精度和重复性：

  • 实际意义： 精度决定了您测量结果与真实值之间的偏差大小，而重复性则衡量了在相同条件下多次测量的结果是否一致。在钢材生产中，即使是万分之几的精度差异，都可能导致长度、厚度或延长率出现累积误差。

  • 影响： 高精度和高重复性是实现精准延长率和速度差控制的基础。如果这两个指标不高，控制系统接收到的数据本身就是不准确或不稳定的，那么无论控制算法多先进，都无法实现精确调节，可能导致产品尺寸不合格、材料浪费甚至生产事故。

• 测量范围（速度和长度）：

  • 实际意义： 传感器必须能够覆盖您产线从启动到最高速运行的整个速度区间，以及您需要测量的最大长度。如果传感器的速度上限低于生产线最高速，就无法在高速运行时提供有效数据；如果下限无法测到零速或低速，则在启动或停机时无法进行精确控制。

  • 影响： 范围不足会导致部分工况下无法测量或测量失真，影响生产的连续性和控制的全面性。

• 响应时间/采样频率：

  • 实际意义： 这是传感器生成并输出测量结果的速度。响应时间越短，采样频率越高，传感器就能越快地捕捉到钢材速度的瞬时变化。在高速生产线上，钢材的速度可能在毫秒级发生变化。

  • 影响： 对于要求实时反馈和快速调节的轧制或拉拔过程，如果传感器响应太慢，控制系统就无法及时调整轧辊速度或拉伸力，可能导致钢材在瞬间被拉断或堆积，产生严重的质量缺陷。

• 非接触 vs. 接触式：

  • 实际意义： 这直接关系到传感器是否会与钢材表面发生物理接触。

  • 影响：

    • 非接触式（如激光传感器）： 避免了磨损、打滑、压痕等问题，特别适用于高温、高硬度、柔软、易损或对表面质量要求极高的钢材（如精密带钢、不锈钢板）。它也省去了频繁维护测量轮的麻烦。

    • 接触式（如带测量轮的编码器）： 存在磨损、打滑的风险，可能对钢材表面造成划痕或压痕。但其结构坚固，在一些对表面质量要求不高、速度相对稳定且易于维护的场合，仍具有成本优势和可靠性。

• 环境适应性：

  • 实际意义： 钢铁生产环境通常恶劣，包括高温、粉尘、水汽、震动、电磁干扰等。传感器的防护等级、耐温范围、抗震动能力等都至关重要。

  • 影响： 传感器若无法适应环境，将导致设备故障、测量不稳定或寿命缩短。例如，在热轧车间，普通传感器可能因过热而失效，需要特殊设计的耐高温型号或冷却系统。

• 安装和维护成本：

  • 实际意义： 不仅仅是设备的采购价格，还要考虑安装的复杂性（是否需要精准对齐）、校准的频率和难度、以及日常维护所需的费用和停机时间。

  • 影响： 整体成本决定了解决方案的经济性。高昂的维护成本可能会抵消高精度带来的效益。

3.3.2 选型建议

• 对于高精度、高速、高温、表面敏感的延长率和速度差控制（如冷轧带钢、不锈钢板、精密线材的拉拔）： 激光多普勒测速测长传感器是首选。其非接触、高精度、高响应、对恶劣环境适应性强的特点，能够最大限度地保证产品质量和生产效率。

• 对于中低速、表面摩擦稳定、对成本敏感的长度和速度控制（如普通钢材的定长切割、输送带速度监测）： 结合测量轮的高精度编码器仍是一个经济可靠的选择。如果钢材表面条件相对稳定，且对表面无压痕要求不那么严苛，编码器可以胜任常规的长度和速度测量任务。

• 对于需要同时检测微小形变和推算速度差的特殊场景（如薄板或特殊合金的微观形变监测）： 激光位移传感器可能更具优势，但需要结合多个传感器和复杂的算法才能推导出速度差。

• 对于表面纹理复杂、需要智能识别和跟踪的场景（如对钢材表面图案进行识别并计算速度）： 激光散斑相关技术或更广义的机器视觉技术可以提供更灵活的解决方案，但可能在响应速度和极端环境适应性上有所权衡。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢材加工现场，即使选用了最先进的传感器，实际应用中也可能遇到各种挑战，影响其性能表现。

3.4.1 问题1：钢材表面条件复杂多变，影响测量稳定性

• 原因： 钢铁生产过程中，钢材表面可能存在氧化皮、油污、水汽、轧制乳液、灰尘，或者表面粗糙度不均、光泽度变化（从镜面到漫反射）。这些因素都会影响激光束的反射或散射特性，导致传感器接收到的信号质量下降或不稳定。

• 影响： 测量值出现跳动、抖动，甚至短时间失锁，使得延长率和速度差的计算不准确。控制系统基于错误数据进行调节，可能导致钢材质量波动、废品率增加，甚至拉断或堆积。

• 建议：

  • 现场环境优化： 在测量区域上方或两侧安装气刀或吹气装置，持续吹扫测量点，清除水汽、油污和粉尘。

  • 传感器选型优化： 优先选择对表面适应性更强、具有智能信号处理算法的激光传感器。

  • 调整安装参数： 尝试调整传感器的安装角度和测量距离，避开钢材表面强反光或极端粗糙的区域。有时微小的角度调整就能显著改善信号质量。

  • 定期清洁： 定期清洁传感器的光学窗口，防止灰尘或油污累积影响激光传输。

3.4.2 问题2：接触式测量（编码器）面临磨损、打滑及精度下降

• 原因： 当使用带测量轮的编码器时，测量轮与高速移动的钢材表面长时间接触，会不可避免地导致测量轮表面磨损，改变其有效直径。同时，高温、润滑油、水汽或钢材表面状态不佳都可能降低摩擦系数，导致测量轮打滑。

• 影响： 测量轮磨损会导致编码器计算出的长度和速度系统性地偏小或偏大；打滑则使编码器脉冲数与钢材的实际位移不符，导致严重的测量误差。这些都会直接影响延长率和速度差的精确控制，造成尺寸不合格、产品报废。

• 建议：

  • 定期检查与更换： 建立严格的测量轮磨损检测和更换制度，一旦发现磨损超过允许范围，立即更换。

  • 选用耐磨材料： 优先选用高硬度、耐磨损、耐高温的特殊合金或陶瓷涂层测量轮。

  • 确保适当压紧力： 调整测量轮的压紧机构，确保其对钢材表面有足够但不过大的压紧力，以获得稳定的摩擦接触，同时避免损伤钢材。

  • 环境清洁： 保持测量轮和钢材接触面的清洁，减少油污和杂质，提高摩擦系数。

  • 考虑非接触方案替代： 在关键控制点或恶劣工况下，逐步考虑将接触式编码器升级为非接触式激光传感器，从根本上解决磨损和打滑问题。

3.4.3 问题3：系统集成与数据同步延迟

• 原因： 现代钢厂生产线通常庞大而复杂，集成了多种设备和不同品牌的传感器。这些设备可能使用不同的通信协议（如模拟信号、RS-485、以太网等），或数据更新速率不一致。当数据需要从传感器传输到PLC/DCS进行计算和控制时，可能存在传输延迟或不同步的问题。

• 影响： 尤其在高速、高精度要求的连轧线上，如果上下游传感器的速度数据或控制指令存在微秒级的延迟或不同步，就可能导致瞬时张力波动，进而影响钢材的厚度均匀性或造成断带。控制系统无法根据最新的真实数据做出及时有效的调整。

• 建议：

  • 统一通信协议： 在选型时，优先选择支持主流工业以太网协议（如PROFINET、EtherNet/IP）的传感器，可以简化系统集成，提高数据传输速率和实时性。

  • 高数据更新率传感器： 确保传感器本身的数据输出更新率足够高，能满足控制系统的实时性要求。

  • 优化PLC/DCS程序： 在控制系统中引入时间戳同步机制，对来自不同传感器的数据进行精确的时间对齐。优化控制算法，考虑数据传输和处理的固有延迟。

  • 网络带宽规划： 合理规划工业以太网带宽，确保数据传输通道畅通无阻，避免网络拥堵造成的延迟。

4. 应用案例分享

• 钢铁连轧线速度控制： 在多机架热轧或冷轧线上，激光测速测长传感器精确测量各机架前后钢带的速度，实时计算机架间的速度差和延长率，实现精确的张力控制和厚度均匀性，确保产品质量。

• 高速飞剪定长切割： 在钢板、型材或线材生产线的末端，传感器精确测量材料的瞬时速度和总长度，联动控制高速飞剪在钢材运行中实现精确的定长切割，大幅提高切割精度和生产效率。

• 拉丝/拉管过程的延长率监测： 在钢丝或钢管的连续拉拔生产中，通过监测拉拔前后的速度或长度变化，实时计算延长率，防止材料过度拉伸导致断裂，确保产品强度和尺寸稳定。

• 镀锌/镀锡线速度同步与涂层厚度控制： 在钢带表面处理线上，激光传感器用于精确同步钢带与镀层设备（如锌锅、电解槽）的速度，保证镀层均匀性，同时也可辅助控制涂层厚度。在一些产线中，例如使用英国真尚有的AJS10X系列激光测速测长传感器，能够实现对速度的精确测量和同步。