在高温多尘的高速棒材轧制线上，如何选用非接触式测速技术，才能实现±0.05%的线速度精度与稳定长度控制？【工业测量】

1. 棒材的基本结构与技术要求

在高速棒材生产线上，我们所关注的“棒材”指的是像钢筋、线材、盘条这类长条形金属制品。它们的基本形态是连续的、通常为圆截面的，但在生产过程中，其表面可能带有轧制纹理、氧化层、甚至有水或油污。

对于棒材产线的速度控制，技术要求非常严苛，就好比一辆高速行驶的列车，不仅要跑得快，更要跑得稳、准。这里主要有几个关键点：

• 速度稳定性与一致性： 棒材在轧制、拉伸、冷却等不同工段需要保持精确的速度，以确保其直径、截面形状和内部晶相组织均匀一致。如果速度波动过大，就好比在高速公路上突然加速或减速，会导致产品质量出现“断点”或“缺陷”。

• 长度精度： 最终的棒材往往需要定尺切割，比如生产12米长的钢筋。精确的速度测量是实现高精度长度控制的基础。就好比裁缝剪布料，如果对布料移动的速度测量不准，最终剪出的长度就会有偏差。

• 动态响应能力： 产线启动、停止或调整产品规格时，棒材的速度会发生快速变化。传感器需要能够迅速、准确地捕捉这些速度变化，及时反馈给控制系统，以便进行快速调整，避免生产事故或产品报废。

• 适应恶劣环境： 棒材生产现场通常伴随着高温、蒸汽、粉尘、振动等恶劣条件。测量设备必须能够在这种环境下稳定可靠地工作，就像一个身经百战的士兵，无论环境多恶劣，都能精准完成任务。

2. 针对棒材的相关技术标准简介

为了确保棒材的生产质量和过程控制的有效性，行业内通常会关注一系列监测参数。这些参数的定义和评价方法是衡量产品和生产线性能的重要依据。

• 线速度 (Linear Speed)： 这是指棒材沿其轴向移动的速率，通常以米/分钟（m/min）或米/秒（m/s）来表示。线速度的监测精度直接关系到后续的长度控制和产品质量稳定性。其评价方法通常是比较传感器测量值与经过校准的基准速度之间的偏差，用百分比或绝对值来表示。

• 长度精度 (Length Accuracy)： 指棒材实际切割长度与目标设定长度之间的差异。它通常通过对多批次切割后的棒材进行抽样测量，然后计算其平均偏差和最大偏差来评价。高精度的线速度测量是实现高长度精度的前提。

• 加速度 (Acceleration)： 指棒材线速度随时间变化的速率，通常以米/秒²（m/s²）表示。在产线启停或快速变径等动态过程中，对加速度的精确监测能帮助控制系统优化加减速曲线，防止棒材拉伸过度或堆积。

• 直径一致性 (Diameter Consistency)： 轧制后的棒材，其直径在整个长度方向上应保持一致。虽然速度传感器不直接测量直径，但稳定的线速度控制有助于轧机在稳定状态下工作，从而间接保证直径的均匀性。直径通常通过在线或离线测量，然后计算其波动范围来评价。

• 表面状态 (Surface Condition)： 棒材表面可能存在的氧化皮、裂纹、凹陷等缺陷会影响产品质量。虽然速度测量本身不直接检测表面缺陷，但某些光学测速技术对表面特征的捕捉能力，可能间接提供一些表面状态的信息，或者说，某些测速原理对表面状态的依赖性，反过来也成为评价传感器适用性的一个方面。

3. 实时监测/检测技术方法

在高速棒材产线的速度控制中，为了实现更高的测量精度和速度范围，市面上涌现了多种先进的非接触式测量技术。相比传统的光电传感器（通常指光电开关，主要用于有无检测，不具备高精度速度测量能力）或接触式编码器，这些技术在恶劣工况下表现出更高的可靠性和精准度。

（1）、市面上各种相关技术方案

这里我们将深入解析几种主流的非接触式测速技术。

激光多普勒测速技术

这项技术听起来很专业，但理解起来并不难。我们可以把它想象成高速公路上的测速雷达，只不过它发出的是激光而不是无线电波。当激光束照射到移动的棒材表面时，被棒材散射回来的激光频率会发生变化，这个现象就叫做“多普勒效应”。就像火车鸣笛，它朝你驶来时汽笛声调高，远离你时声调变低一样，光的频率也会因为物体的运动而改变。

具体到原理，激光多普勒测速设备通常会发射两束具有特定角度的激光束，这两束激光会在棒材表面形成一个非常精密的“干涉条纹区域”，就像在空中用两把手电筒交汇，光线会形成明暗相间的条纹。当棒材以线速度 v 穿过这个条纹区域时，棒材表面反射回来的光线就会因为“扫过”这些条纹而产生一个周期性的强度变化，这个变化频率就是“多普勒频移” (Δf)。传感器内部的高速处理器会精确地捕捉并分析这个频率变化。

其核心测量公式可以简化表示为：

v = (Δf * λ) / (2 * sin(θ))

其中：* v 代表被测物体的线速度。* Δf 是传感器检测到的多普勒频移，也就是光频率变化的差值。* λ 是激光的波长，这是设备固有的物理参数。* θ 是两束激光束与被测物体运动方向之间的夹角。

从这个公式可以看出，只要激光波长和夹角是已知的固定值，那么通过测量频移 Δf 就能直接、精确地计算出棒材的线速度 v。

核心性能参数典型范围： 激光多普勒测速设备能够实现较高的精度，部分高端型号工厂校准精度优于±0.05%，重复性可达±0.02%。其速度测量范围较广，一些型号可以从静止状态测量到10000米/分钟。数据输出速率通常能达到20微秒一次测量，确保对高速运动的精确捕捉。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式： 对棒材无磨损，不产生刮擦，尤其适用于表面敏感或高温的材料。 * 无打滑误差： 不受棒材表面状态（如油污、水、灰尘）或压力变化导致打滑的影响，测量结果更为可靠。 * 高精度与高重复性： 凭借激光本身的特性和多普勒原理的精确性，能够实现较高的测量精度和稳定性，对产品质量控制至关重要。 * 宽速度范围： 能够精确测量较广的速度区间。 * 方向识别： 一些先进的激光多普勒传感器还能识别物体的运动方向。 * 适应恶劣环境： 配合冷却外壳等附件，可在高温、高粉尘等恶劣工业环境下稳定工作。* 局限性： * 初期投入成本相对较高。 * 对传感器的安装精度和稳定性有一定要求，如果振动过大可能影响测量稳定性。 * 在极端的镜面反射或透明材料表面上，可能需要调整安装角度或使用特殊技术。

光学相关测速技术

光学相关测速技术是另一种非接触式的高精度测量方法。它利用激光照射物体表面时形成的“散斑模式”，就像你用激光笔照在粗糙的墙面上，会看到一些随机分布的明暗斑点。当物体移动时，这些散斑模式也会随之移动。传感器通常发射两束或多束激光，在物体表面形成独立的散斑模式，并通过高速相机或探测器捕捉这些模式随时间的变化。然后，通过复杂的数字图像处理算法（如空间频率滤波和交叉关联分析），分析两个散斑模式之间的相似性和它们移动的距离，从而精确计算出物体的速度。

核心性能参数典型范围： 这类传感器可以实现较高的精度，例如典型测量精度可达±0.002%，重复精度0.0005%。其速度测量范围通常在中高速区间，比如0.1至600米/分钟。工作距离一般较短，如50毫米左右。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高的测量精度和重复性，适用于对精度要求极高的场景。 * 非接触式，无磨损，无打滑。 * 对多种表面材料（包括一些无特征或高反光表面）都有较好的适应性。* 局限性： * 工作距离通常较短，安装位置相对固定。 * 对传感器与物体之间的相对振动比较敏感。 * 成本较高。

线扫描图像处理与特征追踪技术

这种方法可以理解为用一台工业“高速摄像机”来给棒材拍照，但它不是拍一张完整的照片，而是像扫描仪一样，一“行”一“行”地快速扫描棒材的表面。通过高分辨率的线阵相机连续获取棒材表面的图像数据。当棒材移动时，系统会利用先进的图像处理算法，识别棒材表面上自然存在的纹理、细微缺陷或人为标记的特征点。然后，追踪这些特征点在连续扫描图像帧中的位移量，结合相机的扫描速度和图像帧率，就能精确计算出棒材的线速度。

核心性能参数典型范围： 该技术通常能提供高分辨率的长度测量，重复精度可优于±0.1微米，速度测量范围取决于相机帧率和处理能力，通常适用于高速。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式，对产品无损伤。 * 功能集成度高，除了速度测量，还能同时进行宽度、直径、形状等尺寸测量，甚至表面缺陷检测，实现多功能一体化。 * 高分辨率和高精度，能检测细微的变化。 * 强大的图像处理能力，适应不同表面条件。* 局限性： * 计算资源消耗大，系统较为复杂。 * 对棒材表面的特征依赖性较高，如果表面过于光滑或特征不明显，可能影响测量效果。 * 传感器通常体积较大，成本较高。

雷达多普勒测速技术

雷达多普勒测速与激光多普勒原理相似，但它发射的是微波信号而不是激光。微波具有更长的波长，因此具有更强的穿透性，能够穿透尘埃、水蒸气、浓烟甚至一些非金属保护罩进行测量。传感器发射连续波微波信号指向移动的棒材表面，当微波信号反射回来时，其频率会因棒材的移动（多普勒效应）而发生变化。传感器检测并分析这个频率变化，从而计算出棒材的线速度。

核心性能参数典型范围： 雷达多普勒传感器通常具有较宽的速度测量范围，例如0.02至6000米/分钟。测量精度可优于±0.05%。其检测距离较远，可达数米甚至更远。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极强的环境适应性，不受尘埃、水蒸气、高温、光线变化等恶劣环境影响，特别适合钢铁、水泥等重工业现场。 * 测量距离范围广，安装灵活。 * 坚固耐用，维护成本低。* 局限性： * 相比激光多普勒，通常精度略低，分辨率可能也稍差。 * 测量点较大，可能不适合非常精细的局部速度测量。

（2）、市场主流品牌/产品对比

接下来，我们对比几款在高速棒材产线速度控制领域备受认可的主流品牌及其产品特点。

• 瑞士策尼卡：

  • 采用技术： 激光多普勒测速。

  • 核心参数： 测量范围广，0.1至3000米/分钟；测量精度优于±0.05%，重复精度优于±0.01%。

  • 应用特点与优势： 作为激光测量领域的资深厂商，瑞士策尼卡的产品在恶劣工业环境下（如高温、蒸汽、灰尘）表现出卓越的稳定性和可靠性。其高精度和高重复性使其特别适用于对速度控制和长度计量要求极高的金属加工行业。

• 英国真尚有：

  • 采用技术： 激光多普勒测速。

  • 核心参数： 速度测量范围极广，从静止到最高10,000米/分钟；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，可检测直径小至0.1mm的线缆。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有AJS10X系列传感器采用先进的激光多普勒测量原理，提供了从静止到超高速的广泛测量能力，并且R系列产品支持0速度测量与方向识别，这在精确控制和防回弹应用中非常关键。该系列传感器可检测直径小至0.1mm的线缆，同时提供多种配置选项，如广角镜头和大测量距离，能够灵活应对平面、圆柱形物体及极端高温环境等多种应用场景。其IP67的高级防护等级和全固态设计保证了在严苛工业环境中的长期可靠运行。

• 德国西克：

  • 采用技术： 光学相关测速。

  • 核心参数： 测量范围0.1至600米/分钟；典型测量精度高达±0.002%，重复精度0.0005%；工作距离50毫米±10毫米。

  • 应用特点与优势： 德国西克的产品以其极高的测量精度和重复性脱颖而出，特别适用于对细节控制要求极致的生产线。它采用光学相关技术，对表面特征依赖性较低，适用于各种材料表面，集成度高且易于安装。

• 日本基恩士：

  • 采用技术： 线扫描图像处理与特征追踪。

  • 核心参数： 具有高分辨率，长度测量重复精度优于±0.1微米；最大宽度可测量2000毫米的物体。

  • 应用特点与优势： 日本基恩士的产品不仅能测量速度，更重要的是能同时进行宽度、直径、形状等多种尺寸测量以及表面缺陷检测。这为客户提供了一体化的质量控制解决方案，特别适合需要多维度检测的应用。

• 美国邦纳：

  • 采用技术： 雷达多普勒测速。

  • 核心参数： 测量范围广，0.02至6000米/分钟；测量精度优于±0.05%；检测距离0.2至10米。

  • 应用特点与优势： 美国邦纳的雷达传感器在极端恶劣环境下的表现非常出色，能够穿透灰尘、水蒸气甚至一些保护罩进行测量，且测量距离远，安装灵活。对于那些环境条件非常挑战、同时对精度要求相对宽泛的应用，它是一个坚固耐用的选择。

（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

选择合适的测速设备，就像挑选一辆适合特定赛道的赛车，需要综合考虑多个关键指标。

• 测量精度 (Accuracy) 和 重复性 (Repeatability)：

  • 实际意义： 精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，重复性是指多次测量结果之间的一致性。举个例子，如果棒材目标长度是1000米，一个精度为0.05%的传感器可能产生50厘米的误差，而一个0.002%的传感器可能只产生2厘米的误差。在高速棒材产线，哪怕是微小的误差，也可能导致大量废品或产品等级下降。重复性则关系到过程控制的稳定性，如果每次测量的结果忽高忽低，即使平均值准确，也难以有效控制生产。

  • 选型建议： 对于高附加值、对长度和质量要求极高的产品，应优先选择精度和重复性最高的激光多普勒或光学相关传感器。对于一般棒材或对精度要求相对宽松的环节，可根据成本预算选择次一级的设备。

• 速度测量范围 (Speed Measurement Range)：

  • 实际意义： 传感器能够测量的最低速度到最高速度的区间。高速棒材产线通常速度快，且有启停、加减速过程。如果传感器最高速度达不到产线实际速度，就会出现测量盲区；如果最低速度无法测到，则无法精确控制启停阶段。

  • 选型建议： 务必选择其最大测量速度大于产线设计最高速度，并能覆盖产线所有可能运行速度（包括零速或低速）的传感器。例如，如果产线最高速度达到5000米/分钟，那么选择最高可测10000米/分钟的设备就留有足够的余量。

• 响应时间 (Response Time) 和 数据更新率 (Data Update Rate)：

  • 实际意义： 响应时间是指传感器从接收到信号到输出测量结果所需的时间。数据更新率是指传感器每秒能输出多少次测量数据。在高速生产线，如果传感器响应太慢，就像驾驶员反应迟钝，无法及时调整速度，可能导致棒材堆积或拉断。

  • 选型建议： 对于需要快速动态控制的产线，应选择响应时间短（如毫秒级）、数据更新率高（如数百赫兹甚至更高）的传感器。这能确保控制系统及时获取最新的速度信息进行闭环调节。

• 工作距离 (Working Distance) 和 景深 (Depth of Field)：

  • 实际意义： 工作距离是传感器与被测物之间的最佳测量距离。景深是指在最佳工作距离附近，传感器仍能保持高精度测量的距离范围。在实际产线中，棒材可能存在一定的跳动或摆动。如果景深不足，棒材轻微跳动就会导致测量失准。工作距离长，则安装更灵活，可以远离高温或振动区域。

  • 选型建议： 根据产线实际的安装空间、棒材跳动范围和环境条件来选择。工作距离越长、景深越大，通常设备的抗干扰能力和安装灵活性越好。

• 环境适应性 (Environmental Adaptability) 和 防护等级 (IP Rating)：

  • 实际意义： 棒材产线环境恶劣，高温、粉尘、水汽、振动是常态。传感器必须具备足够的耐受力，例如耐高温、防尘防水（IP等级）。如果防护等级不够，水汽和粉尘进入传感器内部，会导致设备损坏或测量漂移。

  • 选型建议： 必须选择IP67或更高防护等级的传感器。对于高温区域，需考虑是否需要配备冷却外壳、隔热罩等附件。同时，要关注传感器的抗振动设计。

（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测速设备，在实际应用中也可能遇到一些挑战。

• 问题1：棒材表面状况变化导致测量不稳

  • 原因与影响： 高温棒材表面可能存在氧化皮、水汽、铁屑、油污，或在不同工段表面光洁度发生变化。这些因素可能影响激光的反射或散射特性，导致信号强度波动，甚至测量中断。

  • 解决建议：

    • 选择适应性强的传感器： 优先选择对表面状况不敏感的技术，如雷达多普勒，或某些经过优化，对散斑或反射信号处理能力更强的激光多普勒传感器。

    • 改善表面条件： 在测量区域增加吹扫装置，用压缩空气或氮气吹走水汽、灰尘；或在必要时增设清洁机构，确保测量区域的表面相对稳定。

    • 调整传感器参数： 部分传感器允许通过软件调整增益、阈值等参数，以适应不同的表面条件。

• 问题2：产线振动过大影响测量精度

  • 原因与影响： 轧机、辊道等设备的运行会产生剧烈振动，这些振动可能传递到传感器安装支架上，导致传感器本体发生微小晃动，从而引入测量误差，尤其对光学相关或激光多普勒传感器影响较大。

  • 解决建议：

    • 加固安装结构： 使用厚重、坚固的安装支架，并尽量将传感器安装在振动较小的固定结构上。

    • 采用减振措施： 在传感器安装支架和设备之间增加弹性减振垫，吸收部分振动能量。

    • 传感器自身抗振能力： 选择内部结构稳定、具有良好抗振设计的传感器。

• 问题3：高温环境导致设备故障或性能下降

  • 原因与影响： 棒材产线的高温会加速电子元件老化，甚至导致传感器过热而停机，影响长期可靠性。

  • 解决建议：

    • 选择耐高温型号： 优先选择具有宽工作温度范围的工业级传感器。

    • 配备冷却外壳： 许多激光测速传感器都提供专用的冷却外壳（如水冷或空冷），可以有效将传感器核心部件的工作温度控制在安全范围内。

    • 优化安装位置： 尽可能将传感器安装在远离高温区域的位置，利用其长工作距离的优势。

• 问题4：传感器校准和维护复杂

  • 原因与影响： 如果传感器需要频繁校准或维护，会增加停机时间，影响生产效率。

  • 解决建议：

    • 选择免维护设计： 优先选择全固态、无活动部件的传感器，如激光多普勒传感器，它们通常无需日常维护。

    • 简化校准流程： 选择带有内置校准程序或可通过软件进行远程校准的传感器，减少现场操作的复杂性。

    • 提供远程诊断功能： 带有以太网或无线通信功能的传感器，可以进行远程故障诊断和配置，方便维护人员快速响应。

4. 应用案例分享

• 钢铁行业高速线材/棒材轧制线： 在轧制过程中，精确监测和控制线材或棒材的线速度，确保在不同轧制机架之间的速度匹配，从而实现产品直径和几何形状的高度一致性，减少断头和堆积。例如，英国真尚有的激光测速传感器，能适应钢铁行业的高温环境，保证测量的准确性。

• 金属板材/带材切割与长度控制： 在钢卷开平或分条线上，利用高速测速传感器实时测量板材或带材的速度，结合编码器信号精确计算切割长度，实现高精度的定尺剪切，大幅降低材料浪费。

• 铝型材挤压生产线： 监测铝型材在挤压出口的速度，确保其均匀拉伸和冷却，防止因速度不均导致的产品变形或内部组织缺陷。

• 电线电缆制造： 在电缆拉丝、绞线、挤包等工序中，精确测量和控制线缆的运行速度和长度，确保产品米标的准确性，避免因长度误差导致的客户索赔。 英国真尚有的传感器可以检测直径小至0.1mm的线缆，适用于精细产品的测量。