钢铁热轧生产线如何突破1000°C高温和粉尘干扰，实现钢板厚度±10微米级在线精确测量？【非接触式，质量控制】

1. 钢板的基本结构与技术要求

在钢铁行业中，钢板的生产是一个复杂的过程，从钢水铸造成板坯，再经过热轧、冷轧等环节，最终形成不同规格的成品。钢板的“厚度”是其最核心的几何尺寸之一。

• 结构特点：钢板通常是长条状或卷状的金属材料，其表面可能平整、粗糙、氧化、带有水汽或油污。在生产线上，钢板可能处于高温、高速移动、震动等恶劣状态。

• 技术要求：对钢板厚度的测量，尤其是在热轧或冷轧过程中，不仅要求高精度（通常达到微米级甚至更小的误差），还需要高稳定性（在各种恶劣环境下，如高温、粉尘、蒸汽、震动等，仍能持续可靠工作），以及高动态响应（能够实时捕捉高速移动钢板的厚度变化）。精准的厚度数据是控制产品质量、保证材料性能、优化生产成本的关键。想象一下，如果钢板厚度不均匀，就如同盖房子用的砖块厚薄不一，最终建筑的结构强度和稳定性都会大打折扣。

2. 针对钢板的相关技术标准简介

对钢板厚度的监测，主要涉及以下参数的定义和评价方法：

• 厚度：指的是钢板两个主要平行表面之间的垂直距离。

  • 定义：通常指某一点或某一区域的平均厚度。

  • 评价方法：可以通过单点测量、多点测量或连续扫描测量来获取。对于热轧板，会关注其厚度偏差；对于冷轧板，则对精度要求更高，可能需要在线全幅面扫描。

• 厚度公差与偏差：公差是指允许的厚度波动范围，偏差则是实际厚度与标称厚度之间的差异。

  • 定义：通常以标准规定的上限和下限值表示。

  • 评价方法：通过比较实际测量值与设计标称值及公差范围来判断产品是否合格。

• 板形：除了厚度，板形也是钢板质量的重要指标，包括平直度、浪形、瓢曲度等。虽然不直接是厚度，但厚度不均是导致板形不良的重要原因。

  • 定义：描述钢板表面平整程度和整体几何形状。

  • 评价方法：通过在不同位置进行厚度测量，并结合板宽方向的轮廓数据来综合评估。

这些监测参数和评价方法，是为了确保每一批出厂的钢板都符合严格的质量要求，就如同精密零件加工后需要用卡尺、千分尺反复测量，确保其尺寸精度达标一样。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在钢铁行业恶劣环境下，要高精度、稳定地测量钢板厚度，通常采用非接触式测量技术。激光和雷达技术是其中的主流。

a. 激光三角测量技术

工作原理和物理基础：激光三角测量是一种通过几何关系来精确测量距离的非接触式方法。传感器发射一束集中的激光光束照射到目标物体表面，形成一个光斑。物体表面反射回来的光线，经过接收光学系统（如透镜组）会汇聚到高灵敏度的光电探测器（如CMOS线阵传感器或CCD）上。当目标物体与传感器的距离发生变化时，反射光斑在光电探测器上的位置也会随之移动。传感器通过精确检测光斑在探测器上的位置变化，并利用预设的三角函数关系，即可计算出目标物体的精确距离。

其基本几何关系可以表示为：D = L * tan(α)其中，D 是目标距离变化量，L 是光电探测器与发射/接收透镜之间的基线距离，α 是反射光束在探测器上的角度变化。更精确的计算会涉及传感器的安装角度、光斑成像的几何畸变校正等复杂算法。

核心性能参数：这类传感器通常具有毫米级到微米级的精度（±0.01% - ±0.1%全量程），分辨率可以达到0.005%全量程甚至更高，测量速率非常快，可高达几十千赫兹（如70KHz），量程范围从几十毫米到一米甚至更远。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高分辨率：能够实现极高的测量精度，尤其适合对薄板或精密厚度控制有需求的场景。 * 高测量速度：快速的采样率使其能够对高速移动的钢板进行实时、连续的厚度测量。 * 非接触式：避免了对钢板表面的物理磨损或污染，特别适用于高温、软质或易损材料。 * 对表面颜色变化不敏感：现代激光三角传感器通常具备高级信号处理算法，能够适应动态变化的表面颜色或粗糙度。 * 抗环境光干扰：先进的滤波技术和高功率激光源使其在强环境光（如太阳光）下仍能稳定工作。* 缺点： * 受表面反射特性影响：对于镜面反射、强吸光或表面有水膜的物体，可能会影响测量稳定性或精度。不过，针对高温钢板的自身发光特性，有专门的滤光和处理技术来应对。 * 对安装角度敏感：需要精确的安装角度，否则可能导致测量误差。 * 测量距离相对有限：相较于飞行时间激光或雷达，其测量量程通常较短，更适合近距离高精度测量。* 成本考量：中等到高，主要取决于精度、速度和附加功能（如冷却附件、抗干扰能力）。

b. 雷达测距技术（FMCW调频连续波）

工作原理和物理基础：FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）雷达传感器发射一个频率随时间线性变化的连续高频雷达波。当这个雷达波遇到目标物体表面并反射回来时，传感器接收到回波。由于发射波和接收波之间存在一个时间差（即雷达波从发射到返回所需的时间），这导致了接收到的回波频率与当前发射波频率之间产生一个频率差。通过测量这个频率差，并已知雷达波在空气中的传播速度，传感器就能精确计算出与目标物体的距离。

其基本原理公式为：距离 = (C * Δf) / (2 * df/dt)其中，C 是雷达波在介质中的传播速度，Δf 是发射波与接收波之间的频率差，df/dt 是雷达波频率随时间的变化率（即调制斜率）。

核心性能参数：测量范围广，可达数十米甚至上百米；精度通常在毫米级（如±1毫米）；雷达波频率高（如80GHz），穿透能力强。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极强的环境适应性：不受温度、压力、蒸汽、粉尘、烟雾、泡沫等介质特性影响，在极端恶劣的工业环境下表现出色。这对于钢铁行业的高温、多尘、水汽大的环境尤为有利。 * 测量可靠性高：由于采用无线电波，穿透性强，不易受目标表面特征（如粗糙度、颜色、光泽）影响。 * 宽量程：适用于大范围的距离测量，从近距离到远距离都可适用。 * 免维护：通常结构坚固，长期运行稳定，维护量小。* 缺点： * 精度相对较低：相较于激光三角测量和光谱共焦等光学方法，雷达的绝对精度通常略低，可能难以满足微米级的超高精度厚度测量需求。 * 方向性强：需要明确的视距，如果测量路径上有障碍物可能受影响。 * 成本考量：中等到高，通常适用于大型、严苛工况下的距离或液位测量。

c. 脉冲激光测距技术（飞行时间原理）

工作原理和物理基础：脉冲激光测距，也称为飞行时间（Time-of-Flight, TOF）原理，其工作方式类似于声纳或雷达。传感器发射一个非常短的激光脉冲，该脉冲以光速传播到目标物体表面，被反射后返回到传感器。传感器精确测量从激光脉冲发出到接收到反射脉冲所需的时间（即飞行时间）。由于激光在空气中的传播速度是已知常数（光速C），通过简单的乘法即可计算出传感器与目标之间的距离。

其基本原理公式为：距离 = (C * T) / 2其中，C 是光速，T 是激光脉冲从发射到接收的总飞行时间。除以2是因为激光走了去和回两次的路程。

核心性能参数：测量范围非常大，从几米到数百米；精度一般在厘米级到分米级（如±2.5厘米）；测量速率相对较低，通常为每秒几十次。

技术方案的优缺点：* 优点： * 远距离测量能力：非常适合长距离测量，可以在距离钢板很远的地方进行测量，有利于传感器本体远离高温区域。 * 对目标表面特性不敏感：对目标表面的颜色、粗糙度、反射率等不敏感，适用于各类恶劣表面。 * 坚固耐用，环境适应性好：通常设计有高防护等级，能适应恶劣工业环境。 * 安装灵活：无需反射器，安装相对简单。* 缺点： * 精度相对较低：由于依赖飞行时间测量，在短距离内难以达到微米级的超高精度，更适合大范围、中低精度测距。 * 测量速率一般：通常低于激光三角测量，不适合对高速移动物体进行极其精细的连续扫描。 * 受环境光影响：虽然有抗干扰设计，但在极端强光下仍可能受到影响。* 成本考量：中等，适合户外、大型工业现场的远距离测距需求。

d. 光谱共焦测量技术

工作原理和物理基础：光谱共焦测量技术是一种超高精度的非接触式测量方法。传感器内部有一个特殊的光学系统，它利用光的色散效应（不同波长的光通过透镜时聚焦在不同位置）将宽带白光聚焦。这意味着，在光束传播路径上，不同颜色的光（即不同波长）会在不同的深度形成焦点。当传感器发射宽带白光到目标物体表面时，只有当某特定波长的光线恰好在物体表面形成焦点时，这部分光线才能最有效地被反射并聚焦回传感器的接收器。接收器通过光谱分析，检测到被有效反射的特定波长光，再根据预先标定的波长与焦点位置的对应关系，即可计算出目标物体的精确距离或厚度。

核心性能参数：具备极高的精度和分辨率，部分高端型号可达纳米级分辨率，但通常量程相对较小（通常为几毫米到几十毫米）；采样频率可达数千赫兹到上万赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 超高精度和分辨率：能够实现极高的测量精度，是目前非接触式测量中精度最高的几种技术之一，适用于对钢板厚度有极高精度要求的场合。 * 抗表面反射特性强：对目标表面材质（如镜面、透明体、粗糙表面）和倾斜度不敏感，因为其原理是基于光谱分析，而非反射光强度。 * 不受介质影响：测量过程不受空气中的粉尘、水汽影响。 * 真正的非接触式：对被测物无任何影响。* 缺点： * 测量量程小：通常量程范围较短，不适合大范围距离测量。 * 对目标物体的振动和晃动敏感：由于精度极高，微小的振动都可能影响测量结果。 * 成本较高：由于其复杂的光学设计和高精度要求，通常成本较高。* 成本考量：高，适用于科研、精密制造等对精度有极致要求的领域。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在工业测量领域知名的国际品牌及其采用的技术，以帮助您更好地理解市场上的产品特点。

• 德国米铱 (采用激光三角测量原理) 德国米铱的optoNCDT 1750系列激光位移传感器以其高精度和高采样率而闻名。它结合了冷却附件，可以在高达200°C的环境下或测量最高达1300°C的自身发光物体。其测量范围通常在20毫米至1000毫米之间，线性度可达±0.02%全量程，分辨率高达0.005%全量程，测量速率最高达70千赫兹。该系列产品在精密制造和冶金行业应用广泛，尤其擅长测量黑色和发光目标。

• 英国真尚有 英国真尚有ZLDS100RD系列激光位移传感器是一款紧凑型产品，凭借高达70KHz的采样速度、0.01%分辨率和最高0.03%的线性度，使其在高速、动态变化的测量环境中表现出色。其量程高达1000毫米，并具备多种光斑大小可选（既有小于0.06mm，也有大于1mm的光斑），能适应从微小细节到大面积测量的不同需求。该传感器具有抗太阳强光辐射以及在潮湿环境下稳定测量的能力。它提供多种输出功率（小于1mW、小于80mW和小于20mW）和数字输出接口（RS422或RS485），确保了与工业系统的良好兼容性。此外，还提供多个量程中点（45mm、310mm、355mm、440mm、375mm和745mm），以适应不同的测量范围需求。

• 日本基恩士 (采用光谱共焦测量原理) 日本基恩士的CL-3000系列传感器采用光谱共焦测量原理，以其超高的精度而著称。该系列产品的分辨率可达0.005微米至0.04微米，线性度高达±0.03%全量程或更高，采样频率最高达16千赫兹。其主要优势在于对目标表面材质和倾斜度的高度不敏感性，即使是镜面、透明体或粗糙表面也能稳定测量。这使其成为微观或对精度有极高要求场景（如精密部件的形变检测）的理想选择。

• 瑞士恩德斯豪斯 (采用雷达测距原理 - FMCW) 瑞士恩德斯豪斯的Micropilot FMR67系列产品采用FMCW雷达测距原理，以其卓越的测量可靠性和环境适应性而突出。它不受介质特性（如温度、压力、蒸汽、粉尘、泡沫）影响，可在-40°C至+450°C的极端过程温度下工作。其测量范围最高可达70米，精度为±1毫米。该产品非常适用于高炉、连铸等高温、高压、复杂介质的极端工业环境，能够稳定地进行连续高精度测量。

• 美国激光技术公司 (采用脉冲激光测距原理 - 飞行时间) 美国激光技术公司的TruSense 200系列传感器采用脉冲激光飞行时间原理，主要优势在于其远距离测量能力和对高温目标反射特性不敏感。其测量范围可达0.5米至200米，精度为±2.5厘米，防护等级达到IP67，具备良好的坚固耐用性，可适应恶劣的工业环境。这款产品无需反射器，安装灵活，特别适用于户外和大型工业现场，对于高温钢水或热板的远距离测量提供了可靠的解决方案。

（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

在钢铁行业恶劣环境下选择钢板厚度测量设备时，除了激光与超声波（超声波在热钢板厚度测量中由于耦合困难、声速受温度影响大等问题，通常不是首选高精度方法），应重点关注以下激光类传感器的关键技术指标：

• 精度 (Accuracy)：这是衡量测量结果与真实值接近程度的指标。在钢铁行业，微小的厚度偏差都可能影响产品质量和后续加工，因此精度至关重要。例如，要求±10微米的精度和±1毫米的精度，是完全不同的概念。

• 分辨率 (Resolution)：表示传感器能够识别的最小厚度变化量。高分辨率意味着传感器能探测到更细微的厚度波动。想象一下，分辨率就像一台秤的最小刻度，刻度越小，能称出的重量越精确。

• 线性度 (Linearity)：描述传感器输出信号与实际被测量之间关系的直线程度。好的线性度意味着在整个测量范围内，传感器的响应都是稳定可靠的，不会出现某些区域测量不准的情况。

• 测量速率 (Sampling Rate / Frequency Response)：指传感器每秒能进行多少次测量。对于高速移动的钢板，高测量速率（如数千赫兹到几十千赫兹）是捕捉厚度瞬时变化、实现实时在线控制的必要条件。

• 测量范围 (Measuring Range)：传感器可以测量的距离范围。选择时要考虑传感器到钢板的实际工作距离以及钢板可能的厚度变化范围。

• 重复性 (Repeatability)：在相同条件下，多次测量同一位置，测量结果的一致性。高重复性是保证测量稳定可靠的基础。

• 抗环境干扰能力：包括抗高温、抗粉尘、抗蒸汽、抗环境光（如太阳光、钢板自身红外辐射）等能力。在钢铁厂这种“炼狱”般的环境下，这是传感器能否稳定工作的决定性因素。

• 输出接口与通信协议：确保传感器能与现有控制系统（如PLC、DCS）无缝集成，如RS422、RS485、Ethernet/IP等。

选型建议：

• 对于热轧或炉前高温钢板：

  • 高精度需求：建议优先考虑具备专用高温防护和滤光技术的激光三角测量传感器或光谱共焦传感器（如果安装距离允许且需要超高精度）。它们能提供较高的精度和速度，配合冷却附件可有效应对高温。

  • 远距离且精度要求相对宽松：可以考虑脉冲激光（飞行时间）传感器或FMCW雷达传感器。雷达尤其适合多尘、蒸汽弥漫的环境，但精度相对较低；飞行时间激光则可满足较远距离的测距需求。

• 对于冷轧板或常温钢板（高精度）：

  • 激光三角测量传感器和光谱共焦传感器是最佳选择。它们能提供极致的测量精度和分辨率，满足对钢板厚度极其严格的控制要求。

• 恶劣环境但精度要求不那么极致：

  • FMCW雷达传感器因其环境适应性极强，在很多难以采用光学测量的场合，能提供稳定可靠的测量数据。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁行业恶劣环境下进行钢板厚度测量，即使选择了高性能传感器，也可能面临一系列挑战：

• 问题1：高温钢板自身辐射干扰

  • 原因与影响：热轧钢板会发出强烈的红外辐射，这种辐射可能被激光传感器的接收器误判为反射激光信号，导致测量不稳定或误差增大。

  • 解决方案：

    • 采用专用滤光片：传感器应内置窄带滤光片，只允许激光波长的光通过，滤除大部分红外辐射。

    • 高功率激光源：提高发射激光的功率，使其信号强度远高于背景辐射，提高信噪比。

    • 冷却系统：为传感器配备水冷或风冷保护罩，降低传感器本体温度，确保内部电子元件稳定工作。

    • 高级算法：通过软件算法识别并去除背景辐射的干扰。

• 问题2：表面水汽、烟尘、氧化皮

  • 原因与影响：钢板表面可能附着水汽、油污、烟尘，或者生成氧化皮（铁锈），这些都会改变钢板的表面反射特性，甚至阻挡激光路径，导致测量值漂移或失效。

  • 解决方案：

    • 空气吹扫/气帘：在传感器窗口前设置高压气吹或气帘，形成一道“无尘墙”，持续吹走灰尘、水汽、烟雾，保持光学窗口清洁。

    • 选择对表面不敏感的技术：如FMCW雷达对这类介质穿透力强；光谱共焦对表面反射率变化不敏感。

    • 软件补偿：对于部分均匀分布的氧化皮，可以通过软件进行补偿校准。

• 问题3：钢板振动与晃动

  • 原因与影响：生产线上钢板高速运行，可能存在上下振动或左右晃动，这会使传感器与钢板之间的距离不断变化，影响厚度测量的稳定性。

  • 解决方案：

    • 高测量速率传感器：选用采样频率极高的传感器，能够捕捉到快速的振动，通过后期数据处理（如平均、滤波）来获取更稳定的厚度值。

    • 机械减振：传感器安装支架采用抗振设计，减少外部振动传递。

    • 多个传感器组合测量：在钢板两侧或不同位置安装多个传感器，通过数据融合来提高测量的鲁棒性。

• 问题4：安装空间限制与传感器污染

  • 原因与影响：钢铁生产线往往空间狭窄，传感器安装位置受限，同时高温、火花、飞溅等可能直接损坏传感器。

  • 解决方案：

    • 紧凑型传感器：选择小体积、集成度高的传感器，便于在有限空间内安装。

    • 坚固防护罩：为传感器定制重型防护罩，具备防撞、防尘、防飞溅功能，并考虑快拆维护设计。

    • 优化安装距离：选择量程合适的传感器，尽量保持传感器远离最恶劣的环境核心区域。

4. 应用案例分享

• 热轧生产线在线厚度控制：在钢板经过高温轧制后，通过安装在轧机出口处的激光位移传感器对上下表面进行实时测量，精确获取钢板厚度，实现闭环控制，确保产品符合尺寸公差要求。例如，英国真尚有的ZLDS100RD系列传感器，凭借其高速的采样率和抗环境光干扰能力，即使在高速产线和复杂光照条件下，也能提供稳定的测量数据。

• 冷轧精加工板厚度检测：在冷轧或精整线上，采用超高精度的光谱共焦或激光三角传感器，对钢板进行全幅面扫描，检测微米级的厚度不均或板形缺陷，提升高端产品的质量。

• 钢卷直径与放卷/收卷张力控制：通过远距离激光或雷达传感器测量钢卷的实时直径，结合卷取机的速度信息，精确计算放卷或收卷过程中的张力，防止钢板拉伸变形或断裂。