钢厂带钢回路控制中，如何选择具备百毫米级测量范围、0.1毫米级精度及毫秒级响应的非接触式垂度传感器，以应对恶劣环境挑战？【实时监测】

1. 带钢的基本结构与技术要求

在带钢产线中，带钢可以想象成一条高速奔跑、长度无限的金属薄膜。它的“基本结构”就是其连续、扁平的几何形态。然而，这条“薄膜”在生产过程中会受到多种因素影响，比如温度变化导致的热胀冷缩、张力波动引起的变形，以及机械振动等。

对于带钢回路控制而言，主要的技术要求是精确地维持带钢在生产线上的稳定位置和合适的张力。这就像在一条生产线上，我们需要确保这条“金属薄膜”不能松弛得像一根面条而打结，也不能绷得太紧而断裂。它需要在空中形成一个恰到好处的“弧度”或“回路”，这个弧度既能吸收产线速度的瞬时变化，又能保证后续工艺的稳定。这种回路的精确控制直接影响产品的质量、生产效率和设备安全。

2. 带钢回路控制的相关技术标准简介

带钢回路控制的核心在于实时、准确地监测带钢的位置和形状，并据此调整产线速度或张力。主要的监测参数及其评价方法包括：

• 带钢位置偏差： 定义为带钢中心线偏离理想轨道中心的距离。评价方法通常是通过测量带钢边缘或中心与固定参考点之间的距离，计算其瞬时偏差量。

• 带钢垂度（或回路深度）： 定义为带钢在辊缝之间形成的回路最低点到理论水平线的高度差。这是带钢回路控制中最关键的参数之一。评价方法通常是测量带钢表面某一点与下方参考面或传感器之间的垂直距离。

• 带钢速度： 定义为带钢在生产线上运动的速度。评价方法通常通过编码器或非接触式测速仪测量。

• 带钢张力： 定义为作用在带钢纵向方向上的力。评价方法通常通过张力辊上的称重传感器或间接通过回路深度计算。

这些参数的准确监测是实现闭环控制的基础，系统会根据这些实时数据调整电机转速、制动器压力等，以维持带钢在预设的工艺参数范围内运行。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在带钢产线中，为了实现对带钢位置、垂度等关键参数的实时监测，工业界采用了多种非接触式测量技术。

3.1.1 激光三角测量法

工作原理与物理基础：想象一下，你拿着一个手电筒（发射激光）照向墙壁（被测带钢），然后你从侧面（接收器）观察墙上的光斑。如果墙壁离你更近或更远，光斑在你观察角度上的位置就会发生变化。激光三角测量法正是利用了这一原理。

传感器内部会发射一束激光，投射到被测带钢表面形成一个光斑。同时，传感器内部集成的高分辨率CMOS或CCD图像传感器（就像一个微型数码相机）会从一个固定角度接收这个光斑的反射光。当带钢表面发生位移，光斑在图像传感器上的位置也会随之移动。

其物理基础是简单的三角几何学。激光发射器、光斑在被测表面的位置以及图像传感器上的光点位置构成一个三角形。当被测物移动ΔZ的距离时，光斑在图像传感器上会移动ΔX的距离。通过已知的传感器内部基线长度（L）、发射角（α）和接收角（β），可以根据相似三角形原理计算出被测物体的精确位移。

一个简化的距离计算公式可以表示为：D = L * sin(α) / (tan(β) - tan(γ))其中，D是被测距离，L是基线长度，α是激光发射角度，β是光斑反射到图像传感器的角度，γ是光斑在图像传感器上的偏移对应角度。通过精确测量反射光斑在图像传感器上的位置变化，传感器内部的高速处理器能够实时计算出被测物体与传感器的距离。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 几十毫米到几百毫米是常见范围，部分型号可达数米。* 精度： 精度通常在量程的0.01%至0.1%之间，高端系统可达微米级。* 分辨率： 通常可达微米或亚微米级别。* 响应时间： 响应时间通常在毫秒级别，高速型号可达数十微秒。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度和分辨率高，适合短距离或中距离的高精度测量；非接触式测量，不会磨损被测物；响应速度快，能捕捉高速运动的变化；对被测物的颜色、材质变化有较好的适应性。在带钢回路控制中，可以精确测量带钢的垂度变化。* 局限性： 测量范围相对有限，不适合超长距离测量；受被测物体表面光泽度、反射率和倾斜角度影响较大，在强反射或镜面表面可能需要特殊处理；在粉尘、水雾等恶劣环境下，激光束和反射光可能受到衰减和干扰，需要配备空气净化或防护措施。* 成本考量： 中高端产品成本较高，但考虑到其带来的精度和可靠性，在精密控制应用中通常是合理的投资。

3.1.2 脉冲飞行时间法 (Time-of-Flight, TOF)

工作原理与物理基础：脉冲飞行时间法就像你对着远处山谷大喊一声，然后测量听到回声需要多长时间，再根据声音的速度估算出你离山谷的距离。这里的“喊声”是激光脉冲，“回声”是反射回来的激光。

传感器发射一个非常短且能量集中的激光脉冲，这个脉冲以光速（c）传播，到达被测物体表面后反射回来，被传感器接收。传感器内部会精确测量从激光发射到接收到反射光脉冲之间的时间间隔（t）。

其物理基础是光的传播速度：距离 (D) = (光速 (c) * 时间 (t)) / 2之所以除以2，是因为光走了去和回双倍的距离。通过精确测量时间间隔，就可以计算出传感器与被测物体之间的距离。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 常见范围为0.1米至数百米，对反光板可达数千米。* 精度： 精度通常为毫米级到厘米级。* 分辨率： 分辨率通常在0.1毫米到1毫米之间。* 响应时间： 响应时间为毫秒级，具体取决于测量距离和信号处理速度。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量距离远，适合大型设备定位或远距离物料高度检测；测量精度在中长距离应用中表现出色；受环境光干扰相对较小，对目标表面特性要求不高。* 局限性： 在短距离测量中，精度相对较低；对透明或吸光性强的材料测量效果不佳；响应速度通常略慢于高精度三角测量传感器。* 成本考量： 中高端产品成本较高，但其长距离测量能力在特定场景下具有优势。

3.1.3 调频连续波（FMCW）雷达

工作原理与物理基础：FMCW雷达就像是发射一束频率连续变化的广播信号。当这个信号遇到物体并反射回来时，由于传输时间的延迟，接收到的信号频率与此刻发射的信号频率会有一个微小的差异（频率差）。

传感器发射一个频率随时间线性变化的连续毫米波信号（Chirp信号）。当这个信号照射到被测物体并反射回来时，由于传输需要时间，接收到的回波信号会比发射信号有一定的时延。通过将发射信号和接收信号进行混频，可以得到一个频率差信号。这个频率差信号的频率与距离和频率变化率成正比。

其物理基础是多普勒效应和信号处理技术：距离 (D) = (c * Δf) / (2 * B * Tm)其中，c是光速，Δf是频率差，B是频率扫宽，Tm是扫频周期。通过分析这个频率差，可以精确计算出目标距离。

核心性能参数的典型范围：* 检测范围： 常见的检测范围为数十厘米到数十米。* 重复精度： 重复精度通常为毫米级。* 分辨率： 分辨率通常为厘米级。* 频率： 通常在24 GHz或更高频段。

技术方案的优缺点：* 优点： 穿透能力强，在灰尘、烟雾、水蒸气、雨雪等恶劣工业环境下具有抗干扰能力和可靠性；可以同时测量距离和速度。* 局限性： 测量精度和分辨率通常不如激光传感器高；不适合测量极小的位移；受金属表面反射特性影响，可能产生多径效应，需要先进的信号处理。* 成本考量： 雷达传感器通常成本较高，但在极端恶劣环境下，其高可靠性使其成为一种选择。

3.2 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具有代表性的品牌，它们采用了上述不同的测量技术，并在带钢产线等工业场景中有着广泛应用。

• 1. 德国西克 (采用脉冲飞行时间法)德国西克是全球知名的传感器和解决方案供应商。其DL100系列激光测距仪采用HDDM（高清晰度距离测量）飞行时间法。这种技术通过发射激光脉冲并精确测量其往返时间来计算距离，并结合多重回波分析和高级信号处理，即便在环境光干扰或复杂表面条件下也能提供高可靠性。DL100系列的测量范围可达0.2米至150米（对反光板可达300米），重复精度为±0.5毫米，分辨率0.1毫米，测量频率高达500赫兹。它的优势在于宽广的测量范围和在恶劣工业环境下的稳定表现，适合物料高度、起重机定位等非接触在线检测。

• 2. 英国真尚有 (采用激光三角测量法)英国真尚有ZLDS116激光位移传感器采用了光学三角测量原理。这款传感器以其高精度和快速响应在工业领域脱颖而出。其最大测量距离达10米（测量范围可达8米），精度最高可优于0.08%（取决于测量范围），响应时间仅为5毫秒。它能够测量高达1300°C的高温物体，并具备IP66级防护和空气净化系统，使其能够在严苛的钢厂环境中稳定工作。ZLDS116还提供2mW、5mW和10mW三种激光功率选项，以及0-10V、4-20mA模拟输出、RS485或Profibus DP数字输出等多种输出方式，应用灵活。ZLDS116凭借其在精度、响应速度和环境适应性方面的表现，在带钢回路控制等需要精确短中距离测量的场景中具有优势。

• 3. 日本基恩士 (采用激光三角测量法)日本基恩士是工业自动化和检测领域的领导者。其LK-G5000系列高精度激光位移传感器同样采用激光三角测量法。通过向目标发射激光束，并使用高分辨率CMOS传感器接收反射光斑，再利用三角几何原理计算距离。日本基恩士的产品以高精度、速度和抗环境光干扰能力著称。其重复精度可达0.02微米（对于部分量程），分辨率可低至0.005微米。尽管其具体测量范围未公开（通常几十毫米到几百毫米），但在半导体、精密机械、电子元件等领域的高精度尺寸、厚度、形变及位移测量方面表现出色。

• 4. 瑞士迪美斯 (采用脉冲飞行时间法)瑞士迪美斯专注于工业级超长距离激光测距仪，其DLS-C系列采用脉冲飞行时间法。瑞士迪美斯DLS-C系列通过精确测量激光脉冲的往返时间来计算距离，适用于长距离测量。它的测量范围可达0.05米至500米（对自然表面），测量精度为±1毫米，重复精度0.3毫米，测量频率高达250赫兹。瑞士迪美斯DLS-C系列具备坚固耐用的工业设计，适合钢厂、港口、起重机定位、大型结构形变监测等户外和恶劣环境下的超长距离非接触在线测量。

• 5. 美国邦纳 (采用调频连续波雷达)美国邦纳是工业自动化领域的知名品牌，其R-GAGE Q120RA系列雷达传感器采用调频连续波（FMCW）雷达技术。它发射频率随时间线性变化的连续毫米波信号，通过分析发射信号与接收信号之间的频率差来计算距离。R-GAGE Q120RA的检测范围为0.1米至40米，重复精度可达±0.5毫米。美国邦纳的雷达传感器在多尘、多雾、潮湿等恶劣环境中表现出色，具有优异的穿透性和抗干扰能力，广泛应用于物料堆积监测、车辆定位、防撞以及大型设备的区域防护等场景。

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

选择带钢回路控制的传感器，就像挑选一双合适的跑鞋，需要考虑产线“赛道”的特点和“跑者”的精确需求。

• 测量范围： 这个指标决定了传感器能测量的距离有多远。带钢回路的垂度通常在一定范围内波动，例如几十毫米到几百毫米。如果传感器测量范围太小，可能无法覆盖带钢的最大垂度变化；如果范围过大，则可能牺牲精度。对于带钢垂度控制，通常选择中等测量范围的传感器。

• 精度和分辨率： 这是衡量传感器“眼睛”有多尖锐的关键指标。精度是指测量结果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。在带钢回路控制中，微小的垂度变化都可能影响产品质量，因此要求传感器具有高精度和高分辨率。

• 响应时间： 决定了传感器对带钢变化的“反应速度”。带钢产线速度快，带钢状态瞬息万变。如果传感器响应慢，数据更新不及时，控制系统就会“滞后”，导致控制效果不佳，甚至引起带钢抖动或跑偏。因此，响应时间越短越好，以确保控制系统的实时性。

• 产线速度： 这和传感器的响应时间密切相关。产线速度越快，带钢通过传感器的速度就越快，传感器需要在极短时间内完成测量并输出数据。

• 环境适应性： 钢厂环境通常高温、多尘、潮湿，可能还有水汽。传感器需要具备高防护等级，耐高温，并可能需要水冷或空气净化系统，以确保长期稳定运行。

选型建议：

对于带钢回路控制，特别是垂度测量，通常需要非接触、高精度、快速响应的解决方案。

• 激光位移传感器 (如激光三角测量法或短距离飞行时间法)：在大多数带钢回路控制场景下是一种选择。

  • 优势： 具有较高的精度和快速响应，能够捕捉带钢的微小垂度变化，适合高精度闭环控制。其非接触特性也避免了对带钢表面的损伤。例如，英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器，具有IP66防护等级和空气净化系统，适应钢厂环境。

  • 局限性： 在极端粉尘或水雾环境下可能需要额外的防护措施来保证光路的清晰。

• 电涡流传感器：主要用于近距离、高精度的位移测量，对金属物体有效。

  • 工作原理： 电涡流传感器内部线圈通电产生交变磁场。当金属被测物靠近时，会在其表面感应出涡流。涡流产生的反向磁场会影响传感器线圈的阻抗，传感器通过检测阻抗变化来计算距离。

  • 优势： 精度较高，响应速度快，且不受油污、灰尘、水汽等非导电介质影响。

  • 局限性： 测量距离短，无法满足带钢回路通常几十厘米甚至数米的测量范围需求；只能测量导电材料；对被测物体的材质、形状和温度变化敏感，需要对不同金属进行校准。

  • 结论： 电涡流传感器不适合带钢回路控制，因为它测量距离太短，无法测量带钢的整体垂度。它更适用于精密机械的间隙、振动或微小厚度测量。

总结而言，对于带钢回路控制，选择合适的传感器需综合考虑测量范围、精度和响应时间等因素。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在带钢产线的实际应用中，即使是最先进的传感器也可能遇到一些挑战，影响其测量性能。

• 1. 恶劣环境影响：

  • 问题： 钢厂环境高温、多尘、有水汽，这些都可能干扰激光束的传播，导致测量信号衰减、不稳定，甚至出现测量错误。高温还可能影响传感器内部电子元件的稳定性。

  • 原因和影响： 粉尘和水汽会散射和吸收激光，降低反射信号强度。高温会导致传感器内部温度过高，影响测量精度和寿命。

  • 解决建议：

    • 空气吹扫/净化系统： 为传感器镜头加装空气吹扫装置，用压缩空气持续吹扫镜头，防止灰尘和水汽附着。

    • 水冷系统： 对于高温区域，为传感器配备水冷套，有效降低传感器工作温度，确保其在规定温度范围内运行。

    • 防护等级选择： 选择IP66或更高防护等级的传感器，其坚固的外壳能有效抵御外部侵蚀。

• 2. 带钢表面特性变化：

  • 问题： 带钢在生产过程中，其表面光泽度、颜色、氧化程度可能发生变化，这会影响激光的反射特性，进而影响测量稳定性。例如，镜面反射或吸收性强的表面可能导致信号弱。

  • 原因和影响： 不同表面对激光的反射率和漫反射特性不同，可能导致传感器接收到的光斑强度和形状变化，影响测量的准确性。

  • 解决建议：

    • 选择适应性强的传感器： 优先选择具有宽动态范围和先进信号处理算法的传感器，能够适应不同表面特性的变化。

    • 调整激光功率： 部分传感器允许调节激光功率，可以通过增加功率来补偿信号衰减。

    • 多传感器冗余： 在关键位置部署多个传感器，通过数据融合或比较来提高测量的鲁棒性。

• 3. 振动和机械冲击：

  • 问题： 产线上大型设备的运行可能产生振动，导致传感器安装基座晃动，影响测量结果的稳定性。

  • 原因和影响： 传感器的轻微晃动都会转化为测量距离的变化，引入误差，影响回路控制的平稳性。

  • 解决建议：

    • 坚固的安装支架： 采用厚重、刚性好的安装支架，并尽量固定在振动较小的位置。

    • 减震措施： 在传感器与支架之间加装减震垫或减震器，吸收部分振动能量。

    • 数据滤波： 在控制系统中对传感器数据进行适当的滤波处理，去除高频振动引起的毛刺信号。

• 4. 外部光线干扰：

  • 问题： 厂房内的照明灯、太阳光直射等外部强光可能干扰传感器接收器，导致测量噪声增大或失准。

  • 原因和影响： 外部光线进入传感器接收视场，会与反射激光信号混淆，降低信噪比。

  • 解决建议：

    • 选择抗环境光能力强的传感器： 许多高性能激光传感器都具备环境光抑制技术。

    • 遮光罩： 为传感器加装遮光罩，阻挡或削弱外部杂散光的干扰。

    • 调整安装角度： 避免传感器直接受到强光源的照射。

4. 应用案例分享

• 带钢垂度控制： 在连退机组或拉矫机组中，激光位移传感器安装在带钢下方或上方，实时测量带钢的垂度。这些数据被送入PLC或DCS系统，用于精确调整牵引辊的速度，确保带钢在生产线上的稳定张力和平稳运行，避免堆钢或拉断。

• 卷径测量和线圈定心： 在卷取机和开卷机上，激光位移传感器用于测量钢卷的实时直径，并反馈给控制系统，以控制卷取张力和速度。同时，传感器也可以监测钢卷的轴向位置，确保其精确对中，避免跑偏造成浪费和安全隐患。

• 板形控制： 通过在带钢宽度方向上部署多个激光位移传感器，可以精确测量带钢的横向轮廓和板形缺陷。这些数据用于指导轧制参数的调整，优化板形质量，减少波浪边、瓢曲等问题。

• 物料高度或位置检测： 在钢板堆垛区或料仓中，激光传感器用于监测钢板堆积的高度或检测行车吊运钢板时的位置，确保安全高效的物料搬运和库存管理。