高温高速热轧钢板，如何选择非接触式测厚方案，实现微米级精度和毫秒级响应的在线质量控制？【产线优化 智能检测】

1. 热轧钢板的基本结构与技术要求

热轧钢板，顾名思义，是在高温状态下经过轧机反复轧制而成的板材。它的“结构”从表面看是平坦的，但实际上，轧制过程中的厚度、宽度、平直度等参数都至关重要。

在热轧生产线上，钢板通常是高速、连续地运动，而且表面温度极高，可能达到1000°C以上。同时，由于轧制过程，钢板表面可能会附着氧化皮、水蒸气或冷却水。这些都对厚度测量提出了严苛的技术要求：

• 高精度： 轧制出来的钢板厚度必须符合严格的公差范围，否则就会变成废品。这意味着测量系统需要具备微米级甚至亚微米级的精度。

• 高效率/快速响应： 钢板以每秒数米的速度通过轧机，测量系统必须能够实时、快速地捕捉厚度变化，并将数据及时反馈给轧机自动厚度控制（AGC）系统，以便轧机能够立即调整轧辊间隙。如果响应慢了，误差累积，就会导致大面积不合格产品。

• 非接触式： 由于钢板的高温和高速，任何接触式的测量方式都可能导致传感器快速磨损、损坏，甚至影响钢板表面质量。因此，非接触式测量是热轧产线的必然选择。

• 环境适应性： 轧钢车间是典型的恶劣工业环境，充满了高温、水蒸气、氧化铁粉尘、振动和电磁干扰。测量设备必须具备出色的防护等级和抗干扰能力，才能保证长期稳定可靠运行。

• 宽测量范围： 热轧钢板的厚度可能从几毫米到几十毫米甚至更厚，测量系统需要能覆盖这个宽泛的厚度范围。

2. 热轧钢板相关技术标准简介

为了确保热轧钢板的质量，业界制定了一系列技术标准来定义和评价其各项参数，其中与厚度测量密切相关的参数包括：

• 厚度 (Thickness)： 指板材两相对表面之间的垂直距离。这是最核心的测量参数，直接影响钢板的承重能力和使用性能。

• 厚度偏差 (Thickness Deviation)： 实际测量到的厚度值与目标设定厚度值之间的差异。这个偏差通常有正负之分，评价其大小以确保钢板在规定公差范围内。

• 厚度波动 (Thickness Fluctuation)： 在轧制过程中，钢板厚度值沿长度方向或宽度方向的变化幅度。平稳的厚度波动是高质量钢板的标志。

• 断面形状 (Profile)： 指钢板横截面上的厚度分布。理想的断面形状通常是中间略厚，向两边逐渐变薄，或者保持非常平直，以确保钢板后续加工的平整度。

• 板形 (Flatness)： 虽然不是直接的厚度参数，但板形（即钢板在自由状态下是否平整）与厚度的均匀性密切相关。局部厚度不均会导致板形缺陷，如浪形、翘曲等。

• 温度 (Temperature)： 钢板的温度直接影响其尺寸（热膨胀）和材料性能。在厚度测量中，尤其对于需要补偿的测量技术，温度是重要的辅助监测参数。

这些参数的监测和评价方法构成了热轧钢板质量控制的基石，所有的在线测量技术都需要围绕这些标准来提供准确可靠的数据。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在热轧钢板的在线厚度测量中，非接触式方案是主流，因为它们能够克服高温、高速等恶劣环境挑战。以下是几种常见且成熟的非接触式测量技术，以及一种典型的接触式测量技术：

激光三角测量技术

想象一下，你用手电筒斜着照墙壁，光斑会在墙上。如果墙壁离你近一点或远一点，光斑在墙上的位置也会相应移动。激光三角测量技术就是利用了类似的原理。

它的核心工作原理是：传感器内部有一个激光发射器，它会向被测钢板表面发射一束集中的激光。当这束激光照射到钢板表面时，会形成一个光斑。接着，传感器内部的另一个部件——一个光学接收器（通常是CCD或CMOS图像传感器，就像一个微型相机）——会从一个特定的角度“观察”这个光斑。

当钢板的表面位置发生微小变化（比如厚度在轧制过程中发生改变），激光光斑在钢板表面的位置也会发生改变，进而反射回来的光线在光学接收器上的成像位置也会随之移动。通过精确测量这个光斑在接收器上的位移量，并结合预设的几何三角关系，传感器就能高精度地计算出钢板表面到传感器的距离。

为了测量钢板的整体厚度，通常会在钢板的上方和下方各安装一个激光位移传感器。这两个传感器需要精确对齐，它们各自测量到钢板上、下表面的距离。

假设：* 两个激光传感器之间的固定总距离为 L。* 上方传感器测量到钢板上表面的距离为 d1。* 下方传感器测量到钢板下表面的距离为 d2。

那么，钢板的实际厚度 T 就可以通过简单的减法计算出来：T = L - d1 - d2

这种技术在物理上是基于几何光学和三角函数关系。光斑在探测器上的微小位移与物体距离变化之间存在一个固定的映射关系，通过传感器内部的数学模型进行实时计算。

核心性能参数（典型范围）：* 测量精度： 激光三角测量具有较高的测量精度，优质的系统精度可达0.08%甚至更高。* 分辨率： 0.1微米到数微米。* 响应时间： 非常快，通常在毫秒级。* 测量范围： 从几毫米到数米，适用于不同厚度的钢板。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式： 避免了与高温高速钢板的直接接触，无磨损，不影响产品表面质量。 * 响应速度快： 能够满足热轧产线对实时控制的需求。 * 适用高温： 传感器本身或通过水冷/风冷系统可以承受或隔离热轧环境的高温。 * 相对成本可控： 相较于X射线等方案，其设备和运行成本通常更低。 * 环境适应性强： 采用工业级防护外壳和空气净化系统，可在多粉尘、水汽环境下稳定工作。* 缺点： * 对表面状况敏感： 钢板表面的氧化皮、水蒸气、反射率变化、倾斜度或剧烈振动可能会影响激光光斑的质量和接收器对光斑位置的准确识别，进而影响测量精度。 * 需双传感器配置： 测量厚度需要两个相对的传感器，增加了系统的复杂性和安装对齐的难度。 * 工作距离受限： 单个传感器的测量范围和最佳工作距离相对固定，需要根据现场条件合理选择和安装。

X射线透射测量技术

X射线测厚仪的工作原理，就像医院里用X光给骨头拍片一样，只不过这里是给钢板“拍片”来量厚度。

它的核心原理是：X射线源会发射一束X射线，穿透正在高速运动的热轧钢板。当X射线穿过材料时，它的能量和强度会发生衰减。钢板越厚，X射线被吸收得越多，穿透后的强度就越弱；钢板越薄，穿透后的强度就越强。在钢板的另一侧，一个高灵敏度的接收器会检测穿透钢板后的X射线强度。

通过精确测量穿透前后的X射线强度变化，并结合钢板的已知材料密度（不同牌号的钢材密度不同），仪器就能实时、精确地计算出钢板的厚度。

物理基础是经典的 比尔-朗伯定律 (Beer-Lambert Law)，用于描述X射线在物质中的衰减：I = I_0 * exp(-mu * rho * T)其中：* I_0 是原始的X射线强度。* I 是穿透钢板后接收到的X射线强度。* mu 是钢板材料的质量衰减系数（与X射线能量和钢板成分有关）。* rho 是钢板的密度。* T 是钢板的厚度。

通过对这个公式进行变形，我们可以推导出厚度的计算公式：T = -ln(I / I_0) / (mu * rho)

核心性能参数（典型范围）：* 测量范围： 0.05毫米至30毫米（根据X射线管功率和材料可变）。* 精度： 极高，通常优于±0.05% 或 1微米。* 分辨率： 0.1微米。* 测量速率： 高达10千赫兹，响应时间通常小于10毫秒。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触、极高精度： 是工业在线厚度测量的“黄金标准”，精度非常出色。 * 抗环境干扰能力强： 测量结果几乎不受钢板表面温度、颜色、水蒸气、氧化皮或振动的影响，因为X射线能直接穿透这些表层干扰。 * 测量速度快： 适用于高速生产线。 * 可靠性高： 在高温、恶劣环境下长期运行稳定性好。* 缺点： * 设备成本高： X射线测厚仪的初始投资巨大。 * 安全要求高： 涉及到X射线辐射，需要严格的防护措施和专业操作人员，并遵守相关辐射安全法规。 * 体积庞大： 设备通常比较大，安装空间要求高。 * 维护成本高： 需要定期校准和专业维护。 * 对材料成分敏感： 钢板材料成分变化会影响质量衰减系数，需要及时更新参数。

超声波测厚技术

超声波测厚技术，我们可以把它想象成声呐探测。当你在水下喊话，声音会遇到障碍物反射回来，通过计算声音来回的时间，就能知道障碍物的距离。

它的核心工作原理是：一个特殊的传感器（我们称之为探头）会向钢板内部发射一个高频率的超声波脉冲。这个脉冲在钢板内部以一定的速度传播，当它遇到钢板的另一个表面（背面）时，就会反射回来，再次被同一个探头接收到。

仪器会精确地测量超声波从发射到接收回波所需的时间。由于我们知道超声波在特定材料（如钢）中的传播速度是恒定的（声速），因此，通过这个传播时间，就可以计算出钢板的厚度。

计算公式是：T = (V * t) / 2其中：* T 是钢板的厚度。* V 是超声波在钢板材料中的传播速度。* t 是超声波从发射到接收回波的总时间。* 除以 2 是因为超声波走了一个来回。

核心性能参数（典型范围）：* 测量范围： 0.6毫米至500毫米，覆盖较广。* 精度： ±0.01毫米或0.05毫米。* 分辨率： 0.01毫米或0.1毫米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 结构相对简单，成本较低： 设备通常比较便携和经济。 * 适用范围广： 可以测量多种金属材料。 * 无损检测： 不会对钢板造成任何损伤。* 缺点： * 接触式测量： 这是其在热轧产线在线测量中的最大局限。超声波需要通过耦合剂（如水、油或专用凝胶）才能有效地从探头进入钢板内部。在高温、高速的热轧钢板上，持续保持有效的耦合非常困难，耦合剂会迅速蒸发，探头也容易磨损和损坏。 * 受温度影响大： 超声波在材料中的传播速度受温度影响显著，热轧钢板的温度变化大，需要复杂的温度补偿系统，否则会引入较大误差。 * 对表面状况敏感： 钢板表面粗糙度、氧化皮或内部缺陷都可能干扰超声波的传播和反射，影响测量结果。 * 无法实现真正意义上的在线连续测量： 尽管有一些技术试图通过高压水耦合实现在线测量，但其复杂性和维护成本极高，且稳定性远不如非接触式方案。

（2）市场主流品牌/产品对比

在热轧钢板的厚度测量领域，为了实现高精度和高效率的在线测量，非接触式方案是首选。以下列举几个主流品牌及其采用的技术方案：

• 德国米科朗

  • 采用技术： 激光三角测量原理 (双传感器测厚系统)

  • 核心性能： 测量范围40毫米，线性度±0.005 % 满量程，分辨率0.0001毫米 (0.1微米)，测量速率最高达49千赫兹。

  • 应用特点与优势： 德国米科朗在精密测量传感器领域处于领先地位，其激光测厚系统提供高精度、高速度的非接触式在线测量解决方案。该系统对被测材料的表面颜色、反射率变化以及材料倾斜度具有较强的适应性，非常适合在苛刻的生产环境中对金属板材、带材进行连续、精确的厚度监测。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光三角测量原理 (单点位移传感器，需双传感器组建测厚系统)

  • 核心性能： 最大测量距离10米，测量范围可达8米，精度最高可优于0.08%（具体取决于测量范围），响应时间仅为5毫秒。根据型号不同，可测量高达1300°C的被测物。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有ZLDS116传感器是一款高性能、多功能的激光位移传感器，其高精度和快速响应的特点，结合高达IP66的防护等级和空气净化系统，使其在热轧产线这种恶劣环境下也能稳定工作。此外，该传感器提供多种输出方式，如模拟输出（0-10V或4-20mA）和数字输出（RS485或Profibus DP），方便集成到不同的控制系统中。

• 瑞士ABB

  • 采用技术： X射线透射原理 (X射线测厚仪)

  • 核心性能： 测量范围0.05毫米至30毫米（取决于材料和X射线管功率），精度通常达到±0.05% 或 1微米，分辨率0.1微米，测量速率高达10千赫兹。

  • 应用特点与优势： 瑞士ABB是全球领先的工业自动化和电力技术公司，其X射线测厚仪是金属板材、带材和箔材在线连续厚度测量的行业标准。产品具有极高的测量精度和稳定性，能够在钢厂、有色金属轧制等高温、恶劣环境下可靠工作，确保产品质量，提高生产效率，且测量结果不受钢板表面状况的影响。

• 美国威特盖特科技

  • 采用技术： 超声波脉冲回波原理 (超声波测厚仪)

  • 核心性能： 测量范围0.6毫米至500毫米（取决于探头和材料），精度±0.01毫米或0.05毫米，分辨率0.01毫米或0.1毫米。

  • 应用特点与优势： 美国威特盖特科技是工业无损检测领域的全球领导者，其超声波测厚仪系列产品坚固耐用，测量精度高，操作简便。然而，其本质是接触式测量。对于热轧钢板这种高速、高温的在线生产线，超声波需要复杂的冷却和耦合系统才能工作，探头易磨损，且测量受温度影响大。因此，它通常更适用于现场、离线或抽样检测各类金属材料的厚度，而非热轧板的连续在线测量。

（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

选择在线厚度测量设备时，您需要像选择汽车一样，不仅看“最高时速”，更要看它在实际路况下的表现。

• 测量精度和分辨率： 这决定了你能把钢板厚度控制得有多“细致”。

  • 实际意义： 精度是测量值与真实值之间的最大允许误差，分辨率是设备能检测到的最小厚度变化。对于热轧钢板，哪怕是0.01毫米的偏差，也可能意味着一大批产品不合格。如果精度不够，即便测了，数据也可能不准确，无法有效指导轧机调整。

  • 选型建议： 追求微米级（0.001毫米）或亚微米级（0.0001毫米）的精度和分辨率。对于出口欧美的高端产品线，越高的精度越能提升产品竞争力。

• 响应速度： 这决定了设备能否“跟上节奏”。

  • 实际意义： 传感器从检测到厚度变化到输出结果所需的时间。热轧钢板每秒行进数米，如果响应时间是几十毫秒，钢板可能已经走了好几十厘米，轧机再调整就滞后了。快速的响应（毫秒级）是实现闭环控制，及时纠正厚度偏差的关键。

  • 选型建议： 优先选择响应时间在5毫秒以内的设备，以确保能够实现有效的实时控制。

• 测量范围： 这决定了设备能测“多厚”和“多薄”。

  • 实际意义： 传感器能测量的厚度上下限。热轧产线可能生产不同厚度的钢板，设备需要覆盖您产线所有产品的厚度范围。

  • 选型建议： 确保所选设备的测量范围能够覆盖您目前及未来可能生产的所有钢板厚度，留有一定的裕量。

• 耐高温性能和环境适应性： 这决定了设备在“恶劣环境”下能否“活下去”并“干好活”。

  • 实际意义： 热轧钢板表面温度极高，产线环境多粉尘、水蒸气、震动和电磁干扰。如果传感器不耐高温，光学窗口易被污染，防护等级低，很快就会损坏或失去测量能力。

  • 选型建议： 必须选择工业级，具备高防护等级（如IP66），支持水冷/风冷系统，并具备抗振动、抗电磁干扰能力的设备。同时考虑设备的清洁维护方便性，例如是否带有空气净化系统。

• 输出接口和数据兼容性： 这决定了设备能否和您的“大脑”无缝对接。

  • 实际意义： 传感器输出的测量数据能否方便地接入您现有的PLC、DCS等自动化控制系统。

  • 选型建议： 选择支持多种工业标准输出接口（如4-20mA、Profibus DP、Ethernet/IP等）的设备，确保数据传输稳定可靠，便于系统集成。

总体选型建议：

• 对于热轧钢板的在线测量，激光位移传感器和X射线测厚仪等非接触式方案远比接触式方案更适合。 接触式测厚仪（如超声波）在高温高速的生产线上几乎无法实现连续、稳定的在线测量。

• 若追求极致精度和对环境干扰的免疫力： 优先考虑 X射线测厚仪。它的表现最佳，但成本和安全投入也最高。

• 若追求高性价比且性能优异的非接触方案： 基于激光三角测量原理的厚度测量系统是很好的选择。

（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设备，在实际的热轧产线中，仍然可能遇到一些“拦路虎”，影响测量效果。

• 问题1：热轧钢板表面氧化皮和水蒸气干扰。

  • 原因与影响： 轧制时钢板表面会生成一层氧化皮，冷却时大量水蒸气会弥漫。这些都会散射、吸收激光，导致激光信号衰减，测量光斑模糊或跳动，从而影响激光三角测量的精度和稳定性。

  • 解决建议：

    • 增强抗干扰能力： 选择具有更高激光功率、更先进光学滤波技术和信号处理算法的激光传感器。

    • 物理隔离： 在传感器光学窗口前加装强力气幕或空气净化系统，持续吹散水蒸气和粉尘，保持窗口清洁。

    • 优化安装： 合理调整传感器的安装位置和角度，尽量避开蒸汽最浓密、氧化皮最厚的区域。

    • X射线优势： X射线测厚仪对此类表面干扰的抗性极强，这是其重要优势。

• 问题2：钢板温度变化引起的测量误差。

  • 原因与影响： 热轧钢板在不同阶段温度会有较大变化，会导致钢板热膨胀，实际厚度与常温厚度存在差异。同时，钢板温度也会影响X射线衰减系数或超声波声速，若不补偿，测量值就会有偏差。

  • 解决建议：

    • 温度补偿： 配备独立的红外测温仪，实时测量钢板表面温度。将温度数据输入测厚系统，系统根据预设的温度-密度/膨胀系数补偿模型，对厚度测量结果进行修正，得出常温等效厚度或更准确的实际厚度。

• 问题3：钢板在轧制过程中的振动、摆动或倾斜。

  • 原因与影响： 轧制力、设备磨损或钢板跑偏都可能导致钢板上下跳动、左右摆动或横向倾斜。这会使得传感器与钢板之间的距离快速变化，或激光光斑在接收器上的位置剧烈抖动，严重影响测量的稳定性、精度和重复性。

  • 解决建议：

    • 高速采样： 选用高采样率、高响应速度的传感器，能够更快地捕捉瞬时变化。

    • 机械稳定： 在测量点附近设置机械导向装置，尽可能减少钢板的振动和摆动。

    • 算法优化： 高级的测量系统通常内置算法，可以对钢板的整体倾斜或振动进行补偿，提高测量的鲁棒性。

    • 多点测量： 采用多个传感器组成测量阵列，可以捕捉钢板的整体姿态，并通过数据融合提高测量精度。

• 问题4：设备长期运行的稳定性与维护。

  • 原因与影响： 恶劣的工业环境（高温、粉尘、水汽、震动）会加速设备的磨损和老化，例如光学窗口污染、内部元件损坏，导致测量数据漂移、不稳定甚至设备故障。

  • 解决建议：

    • 选择高可靠性产品： 优先选择防护等级高、设计坚固耐用、经过严格工业环境测试的知名品牌产品。

    • 定期维护： 建立严格的预防性维护计划。例如，激光传感器定期清洁光学窗口、检查气幕系统工作状态；X射线测厚仪定期进行剂量校准和安全检查，并由专业人员进行维护。

    • 环境优化： 尽可能改善传感器周围的局部环境，如加强除尘、排风，减少热辐射。

4. 应用案例分享

• 热轧板带厚度在线闭环控制： 在热轧生产线上，非接触式测厚仪实时精确监测钢板厚度数据，并将数据快速反馈给轧机自动厚度控制（AGC）系统。例如，采用英国真尚有ZLDS116激光位移传感器构建的厚度测量系统，其快速响应的特性能够帮助AGC系统及时调整轧辊间隙或轧制压力，确保钢板厚度稳定在设定的公差范围内，提高产品合格率。

• 钢板头部/尾部尺寸优化： 在热轧钢板进入精轧机或剪切线之前，利用如英国真尚有ZLDS116这样的高精度激光位移传感器，对板头和板尾的厚度进行精确测量，可用于优化剪切点，减少因板头板尾厚度不均造成的废料，提高钢材利用率和生产效率。

• 生产线产品质量追溯与大数据分析： 测厚仪持续记录每块钢板在轧制过程中的完整厚度数据，形成详细的质量档案。这些数据可用于后续的产品质量追溯、工艺优化分析，帮助工程师识别潜在的质量问题根源，并持续改进生产工艺。

• 轧辊磨损状态的间接评估： 通过对在线厚度测量数据进行趋势分析，特别是横向厚度分布的变化，可以间接反映出轧辊的磨损情况。这有助于指导轧辊的更换和维护计划，避免因轧辊磨损导致的板形不良和厚度偏差，延长轧辊使用寿命。