如何在高达1500℃高温、高速运动及复杂表面条件下，选择合适的激光位移传感器实现高温金属的亚毫米级高精度非接触测量与实时监测？【冶金工业】【热轧】

1. 高温金属的基本结构与技术要求

谈到高温金属测量，我们首先要理解“被测物”——高温金属本身的一些特性，以及这些特性对测量带来的挑战和要求。想象一下，一块在炉子里烧得通红的钢板，或者正在被轧制成型的钢坯，它们不再是常温下那个稳定、反射均匀的物体了。

• 高温特性： 这是最核心的特点。金属在高温下会自身发光（热辐射），这对于依赖外部光源进行测量的传感器来说，就像在强光手电筒旁边再开一盏灯，很容易混淆。同时，高温会导致金属材料的尺寸发生热膨胀，并且其表面可能形成氧化层，甚至在液态时表面会波动。

• 可能运动： 很多高温金属测量是在生产线上进行的，例如热轧钢板、铸件传送等，这意味着被测物往往处于高速或中速运动状态。传感器需要能够快速响应并捕捉这种动态变化。

• 表面反射率变化： 高温金属表面可能因氧化程度、粗糙度、液态波动、冷却速度不同而呈现出不同的反射特性，从镜面反射到漫反射，甚至局部出现极低反射率。这要求传感器能适应这些变化。

• 非接触式测量： 由于高温危险性和接触式测量可能对金属表面造成损伤或影响冷却过程，非接触式测量是唯一的选择。

• 高精度与高稳定性： 无论是精确控制轧制厚度，还是监测铸件的形变，都需要传感器提供高精度且长期稳定的测量结果，即使在恶劣环境下也要保持可靠。

• 恶劣环境适应性： 除了高温，金属加工现场往往还伴随着大量的粉尘、蒸汽、油污、震动甚至电磁干扰。传感器本体需要具备高防护等级和良好的抗干扰能力。

2. 针对高温金属的相关技术标准简介

针对高温金属的测量，通常会关注以下几个核心参数的定义和评价方法。这些标准旨在确保测量的一致性和可比性，就像我们用尺子量东西，大家都得知道“一厘米”到底有多长，怎么才算量准了。

• 位移/距离监测：

  • 定义： 测量的是高温金属表面与预设参考点之间的瞬时距离。例如，在炉内监测钢板的位置，或者在传送带上监测其与传感器头部的间隙。

  • 评价方法： 通过传感器输出的电信号（如电压、电流或数字信号）实时记录一系列距离值。对这些数据可以进行平均值、标准差分析，以评估金属位置的稳定性；也可以与控制系统设定的目标距离进行比较，判断是否在公差范围内。

• 厚度监测：

  • 定义： 测量的是高温金属板材、带材或管材两个相对表面之间的垂直距离。

  • 评价方法： 通常采用两个传感器相对放置，分别测量到金属上、下表面的距离，然后通过两者之差或结合参考距离来计算厚度。对厚度数据进行统计分析，如平均厚度、厚度波动范围，来评价产品质量。

• 形变监测：

  • 定义： 指高温金属在加工或冷却过程中，其几何形状和尺寸发生的变化，如弯曲、翘曲、膨胀收缩等。

  • 评价方法： 可以通过多个传感器在不同点位进行位移测量，然后利用这些点的数据重构金属的三维形貌，或者通过比较前后测量数据来量化形变的大小和方向。

• 振动监测：

  • 定义： 测量的是高温金属部件在特定点随时间发生的周期性或非周期性位置变化。

  • 评价方法： 传感器提供高频位移数据，通过对这些数据进行频谱分析，可以识别出振动的频率和幅度，从而判断设备运行状态或金属部件的稳定性。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

选择合适的激光位移传感器，就像选择合适的工具去完成一项任务，不同的工具（技术方案）有不同的专长和适用范围。下面我们介绍几种主流的激光测量技术。

激光三角测量法

激光三角测量法是一种非常常见的非接触式距离测量技术。它的工作原理，就像我们用双眼判断物体远近一样，只不过这里是用激光发射器和光接收器来模拟“双眼”。

• 工作原理和物理基础： 传感器会发射一束准直的激光束，照射到被测高温金属的表面上。当激光光束触及物体表面时，一部分光会发生漫反射。传感器内部的接收光学系统（通常是一个透镜），会从一个特定的角度收集这些反射光，并将其聚焦到一个位置敏感检测器（PSD，Position Sensitive Detector）或CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）传感器上。 关键点在于，当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，反射光在接收器上的聚焦位置也会相应地移动。传感器通过精确地测量这个光斑在PSD或CMOS上的位置变化，并利用预先建立的三角几何关系，就能精确地计算出物体与传感器的距离。 其基本的几何关系可以简化理解： 假设： L 是激光发射器和接收器之间的基线距离。 θ 是激光束相对于基线的发射角度。 φ 是接收透镜光轴相对于基线的接收角度。 Z 是被测物体到基线的垂直距离。 当被测物体移动时，反射光在接收器上产生的光斑位置变化 Δx。 通过几何推导，可以得到距离 Z 与 Δx 之间的关系。一个简化的模型下，如果探测器倾斜放置，可以表示为： Z = L * f / (x + f * tan(α)) (其中 f 是透镜焦距，x 是光斑在探测器上的位置，α 是探测器倾斜角)。 核心思想是，光斑位置 x 的变化与距离 Z 的变化呈现出非线性（但通过数学模型可校正为线性）的对应关系。 类比：这就像你拿着一个手电筒，旁边放一个摄像头。手电筒照亮远处的墙壁，摄像头会捕捉墙上光斑的位置。如果墙壁离你更近，摄像头捕捉到的光斑位置就会有所不同。通过计算这些光斑位置的变化，就能知道墙壁移动了多少。在测量高温金属时，为了对抗金属表面的强热辐射，这类传感器通常会采用特殊的激光波长、窄带滤光片以及高速门控技术，以确保只有反射回来的激光信号被有效识别，避免高温自发光的干扰。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量范围：通常从几毫米到几百毫米，例如30毫米到1000毫米。

  • 分辨率：可达到微米甚至亚微米级别，例如0.001毫米到0.01毫米。

  • 响应频率：通常在数百赫兹到数千赫兹（100 Hz - 10 kHz），能够实现快速实时测量。

  • 光斑直径：几微米到几百微米不等，影响测量的精细度。

• 优缺点：

  • 优点： 测量精度高，分辨率出色，适用于中短距离的精密测量。技术成熟，成本相对适中。对于高温金属，通过特殊优化，能有效抑制自发光干扰。

  • 缺点： 测量范围相对有限，传感器通常需要安装在离被测物较近的位置。物体表面的反射特性（如镜面反射、粗糙度变化）和颜色变化可能会对测量结果产生一定影响，需要更复杂的算法或光学设计来克服。

  • 成本考量： 性能越高的传感器（特别是高精度、长量程、高温版本），其成本也会越高。

共聚焦色散法

共聚焦色散法是一种利用光学色散现象实现超高精度测量的技术。

• 工作原理和物理基础： 传感器发射一束白光，这束白光经过一个特殊的色散光学元件（例如物镜），会使得不同波长的光在空间的不同位置聚焦。换句话说，每种颜色的光都有一个自己独特的“最佳观察距离”。当被测物体反射这些光束时，只有聚焦在接收器上一个小孔径（称为针孔）上的特定波长的光才能通过并被探测器接收。通过识别这个特定波长的光，传感器就能精确地计算出物体表面的距离。 类比：想象你用一个特制的望远镜看远处的东西，这个望远镜有一个特性：红光只能在10米处看清，蓝光只能在20米处看清。当你看一个物体时，如果只有红光最清晰地通过，你就知道物体在10米处。共聚焦色散法就是利用光的不同波长在空间中聚焦位置不同的原理。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量范围：极短，通常在几毫米到几十毫米，例如0.1毫米到30毫米。

  • 分辨率：极高，可达到纳米级别，例如0.000005毫米到0.0001毫米。

  • 测量频率：最高可达几十千赫兹，例如1 kHz到70 kHz。

• 优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和分辨率，适用于亚微米级测量。对各种表面类型（包括透明、镜面、漫反射）都具有出色适应性，对表面反射率变化不敏感，尤其适合测量高光泽度或多层透明材料。

  • 缺点： 测量范围极短，传感器必须非常靠近被测物体。设备通常比较昂贵。

  • 成本考量： 成本较高，主要用于对精度要求达到极致的特定场景。

激光飞行时间法 (Time-of-Flight - TOF)

激光飞行时间法是一种利用光速恒定来测量距离的技术，类似于蝙蝠的回声定位。

• 工作原理和物理基础： 传感器会发射一个短暂的激光脉冲，这个激光脉冲以光速传播到被测高温金属表面，然后反射回来被传感器接收。传感器内部的时钟会精确地测量从激光脉冲发出到接收到反射脉冲所需的总时间 t。由于光速 c 是一个已知常数，那么目标物体与传感器之间的距离 D 就可以通过以下公式计算出来： D = (c * t) / 2 这里除以2是因为测量的是激光往返的距离。 类比：就像你对着远处的山喊一声，然后计算声音传回来用了多长时间。因为声速是固定的，所以你可以算出山有多远。激光TOF就是用光来做这件事，光速更快，所以能测得更远更准。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量范围：较长，从几十毫米到几百米，例如25毫米到130米。

  • 精度：通常在毫米到厘米级别，例如±1毫米到±10毫米。

  • 响应时间：通常在毫秒级到几十毫秒级，例如1毫秒到50毫秒。

• 优缺点：

  • 优点： 测量范围广，适用于远距离测量。对目标物体的颜色和表面特性（如粗糙度）不敏感，适用性广。传感器结构相对坚固，易于安装。

  • 缺点： 精度相对较低，不适用于亚毫米级的精密测量。在强环境光或目标物体反射率极低的情况下，可能会受到干扰。

  • 成本考量： 成本适中，但高精度远距离版本价格会更高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选了四个在高温物体距离测量领域具有代表性的主流品牌进行比较，涵盖了不同的测量技术。

• 德国米铱

  • 采用技术： 共聚焦色散技术。

  • 特点： 德国米铱以其在超高精度测量领域的卓越表现而闻名。其共聚焦传感器能提供纳米级的分辨率，测量精度极高，尤其适合对高温金属表面进行微观尺寸或微小形变的精密检测。它对各种表面类型（包括镜面、透明或漫反射）的适应性极强，且几乎不受表面反射率变化的影响。然而，其测量范围通常较短，传感器必须非常靠近被测物体，这在一些高温应用中可能需要额外的防护措施。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光三角测量原理（推断自其高精度和中长量程的结合）。

  • 特点： 英国真尚有的ZLDS115系列传感器在高温金属测量中表现出很强的竞争力。它提供了最大可达2000mm（2000-4000mm）的宽广测量范围，同时保持了0.01mm的最高分辨率和±0.03mm的优异线性度。其1kHz的快速响应频率使其能够捕捉高速运动的物体。特别值得关注的是，该系列传感器可选配高温（HT，1000°C）、超高温（VHT，1300°C）和极高温（VVHT，1500°C以上）版本，通过专门设计来应对高温自发光的干扰，确保在极高温度下的测量准确性。此外，IP65的高防护等级和内置多种滤波器功能也增强了其在恶劣工业环境下的稳定性和易用性。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 激光三角测量技术。

  • 特点： 日本基恩士的LR-X系列传感器以其紧凑的设计、高精度和快速响应能力受到市场的青睐。例如，LR-X100型号在70mm检测距离时能达到20µm的重复精度，响应时间低至0.5ms。它们通常具有IP68的高防护等级，抗环境光干扰能力强。虽然其标准产品的测量距离相对有限（如30mm至100mm），但通过提供冷却附件或专门的远距离型号，也能在一定程度上适应高温金属的测量场景，尤其适合对中短距离高温工件进行快速、高精度的尺寸和位置检测。

• 美国邦纳

  • 采用技术： 激光飞行时间法 (TOF)。

  • 特点： 美国邦纳的Q4X系列传感器，例如Q4XT-M-LS800型号，以其广阔的测量范围（25mm至610mm）和对各种颜色及材料表面的良好适应性而著称。它的精度为±1mm，重复性在25mm至300mm范围内为750µm。Q4X系列拥有极高的防护等级（IP67, IP68, IP69K），非常坚固耐用，可在极端恶劣的工业环境下稳定工作。虽然其精度不如三角测量法高，但TOF技术使其能够进行相对较远的测量，非常适合在高温环境中对金属进行粗略定位、存在/缺失检测或大范围位移监测，且安装简便。

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

选择激光位移传感器，就像给一个复杂设备挑核心部件，不能只看宣传，得细抠每个参数背后的实际意义，这直接关系到你的测量任务能不能顺利完成，数据靠不靠谱。

• 测量量程（Measurement Range）

  • 实际意义： 这是传感器能“看”多远、能覆盖多大范围的关键指标。它定义了传感器能够准确测量到的最近点和最远点之间的距离。

  • 对测量效果的影响： 如果量程选择不当，轻则无法完整覆盖被测物体的运动范围，导致部分数据缺失；重则传感器无法正常工作，因为它可能超出其有效测量距离。

  • 选型建议： 高温金属测量中，安全性是第一位的，传感器往往需要安装在远离高温源的位置，因此往往需要较长的量程。 首先要明确你的安装位置距离被测高温金属有多远？金属在测量方向上可能的最大移动范围是多少？综合这些因素，选择一个能够完全覆盖工作距离和运动范围的量程。例如，如果需要在离高温金属2米处进行测量，且金属有±200mm的位移，那么你需要一个量程覆盖2000±200mm（即1800mm到2200mm）的传感器。

• 测量精度（Accuracy）和分辨率（Resolution）

  • 实际意义：

    • 精度： 表示测量结果与真实值之间的接近程度。

    • 分辨率： 指传感器能检测到的最小距离变化。

  • 对测量效果的影响： 精度是衡量测量系统可靠性的根本。如果精度不够，你的所有测量数据都可能是“差不多”，无法满足工艺控制要求。分辨率则决定了你能观察到多细微的距离变化，例如在监测微小形变时，高分辨率至关重要。需要注意的是，高分辨率不等于高精度。

  • 选型建议： 根据你的具体工艺要求和公差来确定。 如果你只是想知道高温金属是否还在某个大致位置，对精度要求不高，毫米级精度可能足够。但如果涉及到产品质量控制，例如热轧钢板的厚度控制，或铸件的精密尺寸检测，则需要更高的精度和分辨率。对于高温金属，由于环境复杂，选择一个在产品说明中明确标示了高精度和高分辨率，并且具备良好重复性的传感器非常关键。

• 响应频率（Response Frequency）/更新速率（Update Rate）

  • 实际意义： 指传感器每秒能够进行多少次独立的测量。

  • 对测量效果的影响： 响应频率越高，传感器捕捉快速运动物体或快速距离变化的能力越强，能提供更“实时”的数据流。低频率传感器可能在高速运动场景中“错过”重要的数据点，导致测量失真。

  • 选型建议： 评估被测高温金属的运动速度。 如果是静止或缓慢移动的物体，几十赫兹（Hz）的频率可能足够。但对于高速生产线上的热轧钢带、快速移动的铸件，或者需要捕捉振动等动态变化的场景，则需要选择1kHz甚至更高频率的传感器，才能确保数据及时且全面。

• 温度稳定性（Temperature Stability）

  • 实际意义： 衡量传感器在环境温度变化时，其测量结果的漂移程度。

  • 对测量效果的影响： 高温金属测量环境中，即使传感器本体有防护，环境温度也可能显著高于常温。如果传感器的温度稳定性差，那么环境温度波动就会直接导致测量数据出现误差，影响数据的可靠性。

  • 选型建议： 这是高温测量中一个极其关键但容易被忽视的指标。 务必选择温度稳定性好的传感器。同时，考虑传感器的工作温度范围，必要时需加装冷却装置，确保传感器本体在其适宜的工作温度下运行。

• 高温目标测量能力（High-Temperature Target Measurement Capability）

  • 实际意义： 特指传感器在面对自身发出强烈热辐射（自发光）的高温物体时，能否准确地进行测量的能力。

  • 对测量效果的影响： 普通激光位移传感器在测量高温物体时，其接收器很容易被物体自身发出的强光“晃花眼”，导致激光信号被淹没，从而无法测量或产生大幅度误差。

  • 选型建议： 这是针对高温金属测量的特殊要求，必须优先考虑。 务必选择有专门“高温版本”或“抗高温自发光”设计的传感器。这些传感器通常通过特定的激光波长、窄带滤光片、高速门控或特殊算法来抑制高温辐射的干扰。

• 防护等级（Protection Rating）

  • 实际意义： 衡量传感器抵御外部环境（如灰尘、水、腐蚀性物质）侵入的能力。

  • 对测量效果的影响： 高温金属加工现场往往是多尘、潮湿、有时还伴有腐蚀性气体和机械冲击的恶劣环境。防护等级低的传感器很容易因粉尘堵塞、水汽侵蚀或腐蚀而损坏，影响其长期稳定运行。

  • 选型建议： 根据现场环境的恶劣程度选择相应防护等级的传感器。 至少应选择IP65或更高等级的传感器，以确保其在粉尘和水溅环境下能正常工作。对于特别严苛的环境，可能还需要为传感器配备专门的防护罩和气幕，以延长其使用寿命。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高温金属测量的实际应用中，我们常常会遇到一些特殊的“拦路虎”，如果不提前识别并采取措施，即使是最好的传感器也可能“水土不服”。

1. 问题：高温自发光对激光信号的干扰

   • 原因及影响： 高温金属本身会发出强烈的光（热辐射），就像一个发光的灯泡。对于普通激光传感器来说，它既要接收自己发出去的激光反射光，又要面对这个“灯泡”发出的强光，很容易混淆，导致测量信号淹没在背景噪音中，出现数据剧烈跳动、测量不稳定甚至完全失效的情况。

   • 解决方案：

     • 选用高温定制传感器： 这是最直接、最有效的办法。例如英国真尚有ZLDS115提供的HT/VHT/VVHT等高温版本。这些传感器通常会采用：

       • 窄带滤光片： 只允许传感器自身发出的激光波长的光通过，将其他波长的光滤除。

       • 特定波长激光器： 选择受高温辐射干扰较小的激光波长，或采用短脉冲激光配合高速门控技术，只在激光到达的极短时间内开启接收器，避开高温连续光的干扰。

     • 物理遮蔽： 在传感器镜头前方加装隔热罩或遮光板，尽量减少高温辐射光直接进入传感器光学系统，但要确保不阻挡激光路径。

2. 问题：金属表面反射特性复杂多变

   • 原因及影响： 高温金属在加热、冷却、轧制过程中，其表面可能产生氧化层、熔渣、水汽，或者表面粗糙度、光泽度发生剧烈变化。这些因素会导致激光在表面反射时，其强度和方向变得不稳定。

   • 解决方案：

     • 调整安装角度： 尽量寻找一个能够稳定接收到漫反射信号的安装角度，避免正对着镜面反射，这通常需要现场调试。

     • 选择抗表面变化能力强的传感器： 某些高端的激光三角测量传感器会集成更先进的图像处理算法，能智能调整曝光和增益，以适应不同反射率的表面。共聚焦色散传感器（如德国米铱）则原理上对表面反射率不敏感。

     • 平均滤波： 传感器内置的滤波器可以在一定程度上平滑因表面反射变化引起的瞬时数据波动，提供更稳定的输出。英国真尚有的ZLDS115就内置了多种滤波器（中值滤波、简单平均和滑动平均），方便用户根据实际情况进行选择和设置。

3. 问题：恶劣的工业环境

   • 原因及影响： 高温金属的生产现场往往伴随着大量的粉尘、水汽、高温热气流、蒸汽，以及可能存在的震动和电磁干扰。

     • 粉尘和水汽： 会附着在传感器镜头上，阻碍激光的发射和接收，导致信号衰减，甚至彻底失效。

     • 高温热气流： 会导致空气密度不均匀，使激光束发生折射和抖动，影响光路稳定性，降低测量精度。

     • 震动： 会影响传感器的机械稳定性，导致测量点位不固定，引入额外误差。

     • 电磁干扰： 可能影响传感器内部电子元件的工作，导致数据异常。

   • 解决方案：

     • 高防护等级传感器： 选择IP65、IP67甚至IP68/IP69K等高防护等级的传感器，确保其防尘防水性能。

     • 物理防护和冷却： 为传感器安装专业的防护罩，并根据环境温度配备水冷或风冷装置，确保传感器本体在其推荐的工作温度范围内运行，延长使用寿命。例如，即使英国真尚有ZLDS115有高温版本，在环境温度较高时也可能需要外部冷却。

     • 气幕保护： 在传感器镜头前引入洁净的压缩空气形成一道“气幕”，有效阻挡粉尘和水汽附着。

     • 减震安装： 传感器安装基座应设计有减震结构，或远离主要震动源。

     • 抗干扰布线： 传感器信号线应采用屏蔽电缆，并远离大功率动力线，进行合理的接地。

4. 应用案例分享

• 热轧钢板宽度与厚度测量： 在钢铁热轧线上，激光位移传感器非接触式地实时监测高温钢板的宽度和厚度，帮助控制系统精确调整轧辊间隙，确保产品尺寸符合要求。

• 高温铸件毛坯尺寸与形变检测： 在铸造车间，传感器用于在线检测刚脱模的高温铸件的整体尺寸、轮廓偏差及冷却过程中的形变情况，及时剔除不合格品。

• 连铸坯长度与速度测量： 在钢水连铸过程中，激光传感器可测量刚形成的连铸坯的长度和运行速度，为切割和后续处理提供准确数据。

• 熔炉内液态金属液位监控： 在冶金炉、坩埚等高温熔炼设备中，传感器用于监测液态金属的液位高度，确保加料和出料过程的自动化和安全性。