如何在高温高速金属板带轧制线上，实现±1微米级精度的在线厚度监测？【非接触测厚】

1. 金属条的基本结构与技术要求

金属条，顾名思义，是经过轧制、拉伸等工艺制成的扁平长条形金属材料。它们可以是钢铁、铝合金、铜合金等多种材质，广泛应用于汽车、电子、建筑、包装等领域。

对于金属条来说，最重要的几个技术要求包括：* 厚度精度和均匀性：这是最核心的指标。想象一下，如果生产一张高质量的信用卡，它的厚度必须非常均匀，否则在打印信息或嵌入芯片时就容易出问题。金属条也一样，无论是要求高强度的结构件，还是用于精密电子产品的连接件，其厚度必须在允许的公差范围内，且在整个长度和宽度方向上保持一致。这决定了产品的承载能力、变形特性和装配兼容性。* 表面质量：包括表面粗糙度、有无划痕、氧化层等。这些会影响产品的外观、耐腐蚀性和后续加工性能。* 材料性能：如抗拉强度、屈服强度、硬度等，这些与厚度控制和生产工艺息息相关。

在线实时监测厚度，是为了在生产过程中就能及时发现并纠正偏差，避免大批量不合格产品的产生，这对于提高生产效率、降低成本、提升产品竞争力至关重要。

2. 针对金属条的相关技术标准简介

针对金属条的质量监测，特别是厚度参数，行业内有一套严谨的评价体系，虽然我们不列出具体的标准编号，但可以了解其核心关注点。

• 厚度偏差：这就像是测量一个矩形盒子的高度，我们希望它在设计尺寸附近，但总会有微小的波动。厚度偏差就是指实际测量值与目标厚度（设计值）之间的差异。通常会设定一个允许的上限和下限，超出了这个范围，产品就被认为不合格。

• 横向厚度均匀性：这关注的是金属条宽度方向上的厚度一致性。想象一下，如果你在揉面团，希望它整个表面都一样厚，而不是中间厚两边薄。对于金属条，横向厚度不均会导致材料在后续冲压、成形时受力不均，容易开裂或报废。评价时会测量几个横截面上的厚度点，分析它们的最大差值或标准差。

• 纵向厚度波动：这指的是金属条沿着长度方向的厚度变化。就像拉伸一根橡皮筋，你希望它从头到尾粗细一致，而不是时粗时细。纵向厚度波动可能由于轧制过程中的辊缝调整、轧制力变化等引起，会影响产品的批次一致性和加工稳定性。评价时通常通过连续采样，分析厚度变化的频率和幅度。

这些参数的监测和评价，都是为了确保金属条的厚度在生产过程中始终处于受控状态，从而满足下游应用对产品性能的严格要求。

3. 实时监测/检测技术方法

在金属条产线中进行实时厚度监测，市面上有多种成熟的非接触式技术方案，每种都有其独特的优势和适用场景。

（1）市面上各种相关技术方案

激光三角测量法

这种技术方案就像是我们用三角尺去量距离一样，非常直观。它利用激光束和三角几何原理来测量物体表面的位移。

工作原理和物理基础：激光三角测量法的工作原理是这样的：一个激光发射器（通常是半导体激光器）会发出一个细小的激光束，这个激光束会聚焦在被测金属条的表面上，形成一个明亮的光斑。当激光击中金属条表面后，一部分激光会从表面反射回来。一个精密的接收透镜会收集这些反射回来的激光，并将它们聚焦到一个高分辨率的图像传感器（比如CMOS或PSD，即位置敏感探测器）上。

现在，核心的几何学原理就发挥作用了：当金属条的厚度发生变化，导致其表面位置向上或向下移动时，反射光线的角度也会随之改变。接收透镜将这些不同角度的反射光线投射到图像传感器上，光点在传感器上的位置就会发生相应的移动。系统内部通过预设的三角几何关系，精确地计算出光点在图像传感器上的位置变化，从而反推出金属条表面的位移量。

简单来说，可以想象成一个固定的观察点（接收器）看向一个移动的参照物（激光在金属条上的光斑）。当参照物的高度变化时，它与观察点形成的夹角会变化，观察点根据这个角度变化就能算出参照物的高度。

为了测量金属条的厚度，通常会采用一对激光传感器，一个放置在金属条的上方，测量上表面的位置；另一个放置在金属条的下方，测量下表面的位置。这两个传感器会相互配合，通过测量它们各自到金属条上、下表面的距离，然后进行差分计算，即可得出金属条的精确厚度。

厚度计算的基本原理可以概括为：假设两个激光传感器之间的总固定距离为 L，上方传感器测得其到金属条上表面的距离为 d1，下方传感器测得其到金属条下表面的距离为 d2。那么，金属条的厚度 T 就可以通过简单的减法得到：T = L - (d1 + d2)

这里的 d1 和 d2 都是通过各自的激光三角测量系统实时计算出来的位移值。

核心性能参数：* 测量范围：通常在几毫米到数百毫米，甚至更宽。* 重复精度：可达到微米级甚至亚微米级。* 采样频率：通常可达数千赫兹，高端系统可达数百千赫兹，能够实现高速的实时测量。* 线性度：通常优于满量程的±0.05%，保证测量结果的准确性。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高速度：能够实现微米级的高精度测量，同时具备较高的采样频率，适合高速生产线。 * 非接触式：避免对金属条表面造成任何损伤或污染。 * 适用性广：对于各种金属材质，只要表面能反射激光，就可以进行测量。 * 灵活性高：可以根据需要调整安装位置和测量范围。 * 相对安全：通常采用低功率激光，符合IEC 2级激光安全标准，操作风险较低。* 局限性： * 表面影响：金属条的表面光洁度、颜色、反光率、粗糙度以及是否存在油污、水汽等，都会对激光的反射和接收产生影响，可能导致测量误差或信号不稳定。例如，镜面反射或吸收过多的表面可能难以测量。 * 环境干扰：生产现场的烟雾、灰尘、蒸汽、振动等都可能干扰激光束的传播和接收。 * 成本考量：高精度、高速率的激光传感器系统通常成本较高，尤其是在需要多传感器协同工作的场合。

X射线吸收法

这种方法就像医生给病人拍X光片，X光穿透身体，不同密度的组织吸收X光的能力不同，从而形成图像。

工作原理和物理基础：X射线测厚仪的核心是利用X射线在穿透物质时会被吸收的原理。一个X射线发生器发射出稳定且能量可控的X射线束，这些X射线会穿透待测的金属条。金属条对X射线的吸收量与它的厚度、密度以及材料的原子序数都有关系。金属条越厚，或者密度越大，X射线被吸收和散射的量就越多，穿透后的X射线强度就会越低。位于金属条另一侧的电离室探测器会接收穿透后的X射线强度。

通过精确测量穿透前后的X射线强度衰减，并结合已知材料的衰减系数，系统就能实时计算出金属条的精确厚度。

其物理基础是朗伯-比尔定律 (Beer-Lambert Law)，表述为：I = I_0 * e^(-μ * ρ * t)其中：* I_0 是初始X射线强度（未经衰减）。* I 是穿透金属条后的X射线强度。* e 是自然对数的底数。* μ 是材料的质量衰减系数（取决于X射线能量和材料性质）。* ρ 是材料密度。* t 是待测材料的厚度。通过测量 I_0 和 I，并已知 μ 和 ρ，就可以反推出 t。

核心性能参数：* 测量范围：0.05 mm 至 25 mm (取决于具体型号和材料)。* 测量精度：通常可达±0.1% 或 ±1微米。* 测量速度：高达2 kHz (2000次/秒)。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高稳定性：测量精度高，且不受金属条表面状态（如温度、粗糙度、油污、氧化层）的影响，因为X射线是穿透测量。 * 适应恶劣环境：设备通常设计坚固，能适应轧制车间的高温、多尘等恶劣工业环境。 * 响应速度快：能提供连续、实时的在线厚度数据。* 局限性： * 辐射安全：需要严格的辐射防护措施和操作规程，设备安装和使用涉及许可。 * 材料敏感性：测量结果受材料成分和密度的影响，更换材料时需要重新标定。 * 成本较高：设备投资和维护成本相对较高。

电磁超声（EMAT）测厚法

EMAT技术就像是给金属条做了一次“无接触的B超”，利用声波在材料内部的传播来探测厚度。

工作原理和物理基础：电磁声学转换（EMAT）原理是一种非接触式超声波检测技术。EMAT探头内部包含一个线圈和一个磁体。当高频交变电流通过探头中的线圈时，会在金属条表面附近产生感应涡流。同时，金属条内部存在一个由探头磁体提供的强大静磁场。这些涡流在静磁场的作用下，通过洛伦兹力（洛伦兹力是运动电荷在磁场中所受的力）在金属条内部激发出超声波。

这些超声波在金属条中传播，遇到背面（或内部缺陷）会发生反射。反射回来的超声波再次与探头附近的静磁场相互作用，通过逆磁致伸缩效应或洛伦兹力，在探头线圈中产生微弱的电信号，被系统接收。通过精确测量超声波从发出到接收反射信号的渡越时间（Time-Of-Flight, TOF），并结合该材料的已知声速（v），就可以实时计算出金属条的厚度。

厚度计算公式为：T = (v * TOF) / 2其中，T 是厚度，v 是声速，TOF 是超声波往返的时间。除以2是因为声波走了一个来回。

核心性能参数：* 测量范围：1 mm 至 250 mm (取决于材料、探头和配置)。* 测量精度：优于 ±0.01 mm (取决于应用和厚度范围)。* 适用温度：探头可在高达 600°C 的高温表面进行测量。* 气隙：通常为 1-5 mm 的非接触气隙。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触且无需耦合剂：这是EMAT最大的优势，无需水或凝胶等耦合剂，解决了传统超声波在恶劣环境下的应用难题。 * 耐受恶劣表面条件：能够在高温、高速、粗糙或有氧化层覆盖的金属表面进行测量。 * 测量范围广：适用于较厚金属的测量。* 局限性： * 技术复杂：系统相对复杂，成本较高。 * 材料限制：仅适用于导电材料。 * 精度：对于超薄材料，其精度可能不如激光或电容式。

电容式测厚法

电容式测厚有点像我们小学科学课上做的电容器实验，两个导体板之间夹着绝缘体，距离变化会影响“储电”的能力。

工作原理和物理基础：电容式测厚系统利用电容原理进行非接触或极小间隙接触的厚度测量。系统主要由两个精密电容探头组成，这两个探头分别放置在金属条的上下两侧，与金属条共同形成两个电容器。在这里，金属条充当了这两个电容器的公共极板。

当金属条在探头之间移动时，其表面与每个探头之间的相对距离会发生微小的变化。我们知道，一个平行板电容器的电容值 C 与其极板面积 A 成正比，与极板之间的距离 d 成反比，并与介电常数 ε 成正比。其公式为：C = (ε * A) / d其中：* C 是电容值。* ε 是介质的介电常数（在空气中，ε 近似为真空介电常数）。* A 是极板的有效面积。* d 是极板之间的距离。

因此，当金属条的厚度或位置变化，导致探头与金属条表面之间的距离 d 变化时，电容值 C 也会精确地变化。系统通过高精度电容测量电路，实时测量并比较这两个电容值。由于探头与金属条之间距离的变化直接反映了金属条的厚度，系统通过差分计算即可得出金属条的准确厚度。

核心性能参数：* 测量范围：0.05 mm 至 10 mm (典型应用范围)。* 测量精度：优于 ±0.05% of F.S. 或 ±0.1微米。* 分辨率：可达 0.01微米。* 线性度：<0.02% of F.S.。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高分辨率和精度：特别适用于超薄金属箔材、薄膜以及对表面精度要求极高的精密金属带材的在线厚度测量。 * 非接触/准接触：以极小的气隙进行测量，对产品表面无损伤。 * 稳定性好：在环境稳定的情况下，可提供非常稳定的测量结果。* 局限性： * 测量范围小：通常适用于薄材，测量范围有限。 * 环境敏感性：对测量间隙中的灰尘、湿度、温度变化非常敏感，这些因素都会影响介电常数，进而影响测量精度。 * 需要极高的安装精度和稳定性：传感器与金属条之间的微小间隙难以维持，对安装要求高。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选几个在不同测厚技术领域具有代表性的主流品牌进行比较，以便更清晰地了解各自的特点。

• 德国美赛斯 - X射线测厚仪 德国美赛斯在X射线测厚领域拥有深厚的技术积累。其F9900系列X射线测厚仪采用X射线穿透原理，对金属条厚度进行测量。它的优势在于测量结果不受金属条表面状态、温度或震动的影响，能适应钢铁、有色金属轧制生产线等恶劣工业环境，提供高精度、高稳定性的连续在线厚度数据。典型测量范围0.05 mm至25 mm，测量精度可达±0.1%或±1微米，测量速度高达2 kHz。

• 英国真尚有 - 激光位移传感器 英国真尚有ZLDS115激光位移传感器采用激光三角测量法原理。该传感器的特点是测量范围广，最大可达2000mm，最高分辨率可达0.01mm，线性度最优可达±0.03mm，更新频率为1kHz，并且具备良好的温度稳定性，温度偏差仅为±0.03% FS/°C。值得提到的是，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，简化了集成过程。此外，它还提供模拟和数字输出，防护等级达到IP65标准，并可选配高温版本，最高可测量1500°C以上的目标，保证了在恶劣工况下的可靠性。

• 日本基恩士 - 激光位移传感器 日本基恩士的LK-G5000系列超高速高精度激光位移传感器同样基于激光三角测量法。它以业界领先的超高测量速度和重复精度著称，重复精度高达0.005微米，采样频率最高可达392 kHz。这使得它非常适合对生产节拍和精度要求极高的在线金属板带材厚度检测。其测量范围一般在10 mm至60 mm，线性度±0.02% of F.S.，在高速精密应用中表现出色。

• 美国因纳斯派克 - EMAT系统 美国因纳斯派克是EMAT技术的先驱，其POWERBOX H EMAT系统利用电磁声学转换原理进行非接触式超声波测厚。它的一大亮点是无需水或凝胶耦合剂，能够在高达600°C的高温、高速、粗糙或有氧化层覆盖的金属表面进行测量，有效解决了传统超声波在恶劣工业环境中的应用难题。测量范围1 mm至250 mm，精度优于±0.01 mm。

• 瑞士艾德克 - 电容式测厚系统 瑞士艾德克ETEK 200系列电容式测厚系统以其极高的分辨率、精度和稳定性而著称。它利用电容原理进行非接触（或极小间隙）测量，特别适用于超薄金属箔材、薄膜以及对表面精度要求极高的精密金属带材的在线厚度测量。测量范围通常在0.05 mm至10 mm，精度优于±0.05% of F.S.或±0.1微米，分辨率可达0.01微米。

（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

在金属条产线中选择测厚设备，并非参数越高越好，而是要根据实际需求和应用场景来综合考虑。以下是一些需要重点关注的技术指标及其选型建议：

1. 测量精度和重复性

   • 实际意义：精度指的是测量结果与真实值之间的接近程度，重复性指的是多次测量同一位置时结果的一致性。它们是评估测厚仪性能最重要的指标。就好比一把尺子，不仅要刻度准，每次量都得一样。

   • 影响：精度不足会导致产品厚度控制失准，产生大量不合格品；重复性差则使得测量结果不可信，无法有效指导生产调整。

   • 选型建议：对于要求极高的精密金属条（如电子元器件、电池箔），应选择精度达到微米甚至亚微米级的激光或电容式测厚仪；对于一般工业金属板带，X射线测厚仪的精度通常能满足要求。

2. 测量范围

   • 实际意义：设备能够测量的最小和最大厚度范围。

   • 影响：如果测量范围不匹配，设备将无法测量特定厚度的产品。

   • 选型建议：根据产线生产的金属条实际厚度范围来选择。X射线和EMAT通常适用于较宽范围，激光位移传感器通过更换型号也能覆盖较大范围，而电容式主要用于超薄材料。

3. 测量速度（响应频率/采样频率）

   • 实际意义：设备每秒能进行多少次测量。这决定了对高速移动金属条厚度变化的捕捉能力。

   • 影响：生产线速度越快，对测厚仪的测量速度要求越高。速度过慢会导致无法实时捕捉到厚度波动，造成滞后控制。

   • 选型建议：高速轧制线通常需要kHz甚至数十kHz的采样频率（如日本基恩士的激光传感器）；常规速度产线，1-2kHz的X射线或激光传感器就足够了。

4. 环境适应性（温度、灰尘、蒸汽、振动）

   • 实际意义：设备在恶劣工业环境下正常工作的能力。

   • 影响：环境因素可能导致设备故障、测量漂移或精度下降。高温可能烧坏传感器，灰尘和蒸汽会干扰光学路径。

   • 选型建议：

     • 高温环境：如热轧线，应优先考虑X射线或EMAT（最高可达600°C以上），或配备高温防护和专用高温版本的激光传感器（如英国真尚有的高温版本，最高可测量1500°C以上目标）。

     • 灰尘、蒸汽：X射线受影响最小；激光传感器需要配备吹扫气帘或防护罩；电容式传感器对间隙中的颗粒物非常敏感。

     • 振动：所有传感器都需要稳固安装，X射线和EMAT相对更抗震。

5. 安全性

   • 实际意义：设备对操作人员和环境的潜在危害。

   • 影响：X射线测厚仪涉及电离辐射，需要严格的防护措施、资质许可和操作规程，增加了管理复杂度和风险。激光传感器通常为低功率，安全性较高。

   • 选型建议：在精度满足的前提下，如果对辐射安全有顾虑或法规要求严格，优先考虑激光、EMAT或电容式传感器。选择X射线时，必须严格遵守辐射安全法规，并投资于完善的防护系统。

6. 金属条表面特性

   • 实际意义：金属条的表面粗糙度、光洁度、氧化层、油污等。

   • 影响：激光测厚对表面特性敏感，过亮的反光或过暗的吸光表面、粗糙表面都可能影响测量精度。X射线和EMAT对表面特性不敏感。

   • 选型建议：如果金属条表面光洁度高、无氧化层且温度适中，激光测厚仪是优秀选择。若表面粗糙、有高温氧化层或油污，X射线和EMAT更为合适。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在金属条产线中部署在线测厚设备，即使选择了最合适的方案，也可能遇到一些实际问题。了解这些问题及其解决方案，有助于更好地维护设备、优化生产。

1. 测量精度受环境因素影响

   • 原因与影响：

     • 温度变化：尤其在热轧线，金属条温度高且不稳定，热胀冷缩会导致实际厚度变化，同时高温也可能影响传感器自身的工作稳定性和测量基准。例如，激光三角测量法中的光学元件可能因温度变化而产生微小形变，影响光路。

     • 振动和颤动：高速运行的金属条容易产生振动或上下颤动（Flutter），这会导致传感器接收到的表面位置信号剧烈波动，读数不稳定。

     • 灰尘、蒸汽和油雾：这些污染物会附着在光学传感器镜头或X射线探头窗口上，阻挡光线或射线，导致测量信号衰减或漂移。对于激光传感器，它们还会散射激光，降低信号质量。

   • 解决建议：

     • 温度补偿：选用具有优异温度稳定性的传感器，或在系统中集成温度传感器，通过软件算法进行实时温度补偿。例如，英国真尚有ZLDS115的温度偏差仅为±0.03% FS/°C，有助于减少环境温度对测量的影响。对于高温金属条，需要配备冷却装置（如水冷或风冷），并选择耐高温的传感器版本。

     • 减振措施：加强传感器支架的刚性，将其安装在远离振动源的位置。对于金属条本身的颤动，可以考虑增加导向辊或张力控制系统来稳定其运行姿态。传感器内部的数据滤波功能（如中值滤波、滑动平均）也能在一定程度上平滑数据波动。

     • 防护与清洁：为光学传感器配备气帘吹扫装置，持续吹气以防止灰尘、蒸汽和油雾附着。定期对传感器窗口、镜头进行清洁和检查。

2. 金属条表面条件变化对测量的影响

   • 原因与影响：

     • 表面光泽度/颜色变化：对于激光三角测量法，金属条表面光泽度（镜面反射或漫反射）、颜色甚至氧化程度的变化，会显著影响激光的反射效果和接收光斑的质量，导致测量值漂移或不准确。

     • 表面粗糙度：过于粗糙的表面会使反射光斑变得模糊或分散，影响激光测厚仪的精度。

     • 材质/合金成分变化：对于X射线测厚仪，如果金属条的合金成分或密度发生变化，而系统未进行相应校准，则会导致测量误差。

   • 解决建议：

     • 选择合适的激光波长或测量模式：某些激光传感器有不同的波长或测量模式，可以更好地适应不同表面。对于变化较大的表面，可选择对表面特性不敏感的X射线或EMAT技术。

     • 多传感器融合：结合其他传感器（如表面亮度传感器）提供的信息，对激光测厚结果进行修正。

     • 定期校准：对于X射线测厚仪，在更换金属条材质或批次时，必须进行严格的重新校准或使用多材料数据库进行切换。激光传感器也需要定期使用标准块进行校准。

3. 辐射安全隐患 (X射线测厚仪)

   • 原因与影响：X射线测厚仪使用电离辐射源，如果防护不当，可能对操作人员的健康造成危害，并带来法规合规风险。

   • 解决建议：

     • 严格遵守法规：安装和操作X射线测厚仪必须严格遵守当地和国际的辐射安全法律法规，获得相关许可。

     • 完善防护措施：在设备周围设置铅板或混凝土等屏蔽墙，确保辐射泄漏量符合安全标准。

     • 人员培训与监测：对所有接触区域的工作人员进行专业的辐射安全培训，佩戴个人剂量计，定期进行健康检查。

     • 安全联锁：设置安全联锁系统，确保在人员进入危险区域时X射线源自动关闭。

4. 应用案例分享

• 冷轧钢板生产线：在冷轧钢板的生产过程中，对厚度均匀性的要求极高。激光测厚仪或X射线测厚仪被广泛应用于轧机出口，实时监测钢板厚度偏差，并将数据反馈给轧机控制系统，实现闭环控制，确保产品厚度稳定在±几微米的范围内。

• 铝箔、铜箔生产：在生产极薄的铝箔或铜箔时，厚度可低至几微米。此时，高精度的激光测厚仪或电容式测厚系统能够提供亚微米级的分辨率，精准控制箔材厚度，满足电池、电容器等领域对材料的超高要求。

• 高温热轧带钢生产：在高达上千摄氏度的热轧带钢线上，金属表面温度极高且伴随氧化层和蒸汽。此时，X射线测厚仪或EMAT测厚系统因其非接触、不受高温和表面条件影响的特性而成为理想选择，确保热轧产品的厚度精度。

• 精密合金带材生产：对于用于航空航天、医疗器械等领域的精密合金带材，不仅要求厚度精度高，还需要对不同材质进行快速切换测量。激光测厚仪结合其快速响应和多材料适应性，以及内置的多种滤波器，能够有效满足这些高附加值产品的生产需求。