高温热轧钢尺寸在线检测，如何选择抗1200℃恶劣环境、高精度、毫秒级响应的激光测量系统？【质量控制】

1. 热轧钢的基本特性与测量技术要求

想象一下，一块炽热的钢锭，在经过一系列轧辊的挤压下，逐渐被拉长、变细，最终形成我们所需的钢板、型材或线材。这就是热轧钢的生产过程。在这个过程中，钢材的温度非常高，表面温度通常在700°C到1200°C，甚至更高，就像一块刚刚从炉子里取出的红热铁块。

这种高温环境给尺寸测量带来了独特的挑战和技术要求：

• 高温辐射：炽热的钢材会发出强烈的红外辐射，这就像一个天然的干扰源，可能会让依赖光信号的传感器“眼花缭乱”。

• 表面状态：热轧过程中，钢材表面可能会有氧化皮、蒸汽、水雾甚至油污，这些都会影响激光束的反射或光的穿透，导致测量不稳定。

• 尺寸动态变化：钢材在高温下会发生热膨胀，冷却后又会收缩。同时，在轧制线上它以高速移动，尺寸也在持续变化，这就要求传感器必须能实时、快速地捕捉这些变化。

• 恶劣环境：车间环境往往充满粉尘、振动和高温，设备需要非常坚固耐用，具备高防护等级。

• 测量精度：尽管环境恶劣，但最终产品对尺寸公差的要求却非常严格，比如直径、宽度、厚度、直度、椭圆度等，任何微小的偏差都可能导致产品不合格。

因此，在热轧钢生产中选择尺寸测量传感器，就像是为一位在极度繁忙、光线复杂、又经常需要“变身”的“运动员”测量身材，既要快、要准，又要抗干扰，还要能适应各种“运动服”（表面状态）和“热身”（高温）。

2. 热轧钢尺寸监测参数简介

在热轧钢的质量控制中，我们关注的不仅仅是“多长多宽”，更是一系列精细的几何参数。理解这些参数的定义和评价方法，是选择合适测量设备的基础：

• 直径/宽度/高度：这是最基本的尺寸，例如圆钢棒材的直径，钢板的宽度和厚度。评价方法通常是直接测量在某个截面上的最大/最小距离。

• 椭圆度/圆度：对于圆形截面的钢材（如盘条、棒材），如果它的截面不是完美的圆形，而是偏向椭圆，就叫椭圆度。评价方法通常是测量同一截面不同方向的直径，计算最大直径与最小直径之差。

• 方度/矩形度：对于方形或矩形截面的钢材（如方坯、板坯），如果它的边不垂直，或者对角线不等，就说明方度或矩形度不佳。评价方法通常是测量边长、对角线长度以及各角角度。

• 直度/弯曲度：钢材整体是否笔直。如果出现弯曲，就会影响后续的加工和使用。评价方法通常是测量钢材沿长度方向的最大偏差，或者特定长度内的弯曲程度。

• 扭曲度：某些型钢产品，在纵向可能会发生扭转。评价方法是测量其横截面在不同位置的相对旋转角度。

• 表面缺陷：虽然不是纯粹的尺寸参数，但在尺寸测量中，一些系统也能辅助识别如划痕、裂纹、凹陷等表面缺陷，因为它们可能会影响钢材的局部几何形状。

这些参数的监测和评价，目标都是确保钢材在高温状态下，依然能按照预设的几何形状和尺寸稳定生产，为下游用户提供高质量的原材料。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在热轧钢生产线上，要实现对高温钢材的精确尺寸测量，业界发展出了多种基于激光和光学原理的技术方案，它们各有千秋，就像不同的“尺子”，适用于不同的测量场景。

3.1.1 激光脉冲/相位式测距技术

这种技术就像我们日常生活中用手电筒照亮远处的物体一样，不过它用的是高度集中的激光束。它通过测量激光信号从传感器发出，碰到被测钢材表面后反射回来，再被传感器接收到的“旅程”信息来计算距离。

• 工作原理和物理基础：

  • 时间飞行法（TOF，Time-of-Flight）：想象一下，你对着一个远处的山谷喊一声，然后计算声音传过去再传回来的时间，就能估算出山谷的距离。TOF激光测距也是类似，它发射一个极短的激光脉冲，然后精确测量这个脉冲从发出到接收的总时间 t。由于激光的速度是已知的光速 c（大约3 x 10^8米/秒），那么距离 D 就可以通过简单的公式计算出来： D = (c * t) / 2 这里的 t 是激光往返的时间，除以2是因为激光走了去和回两趟。这种方法对时间测量精度要求极高，因为光速非常快。

  • 相位法：另一种常见的方式是相位法。它不像TOF那样发射单个脉冲，而是发射一束经过调制的连续激光。这种调制就像给激光加上了一个“节奏”。当激光打到物体再反射回来时，这个“节奏”会因为距离远近而产生一个相位的延迟。传感器通过测量发出信号和接收信号之间的相位差 Δφ，结合调制信号的波长 λ（由调制频率 f 和光速 c 决定，λ = c / f），就能计算出距离 D： D = (Δφ / (2 * π)) * (λ / 2) 或者 D = (Δφ / (4 * π)) * (c / f) 这种方法通常能提供更高的精度，但测量距离相对较短。

  对于能够测量远距离且精度较高的工业传感器，通常采用先进的脉冲（或称飞行时间）测距技术，结合高精度的时钟和信号处理算法。它能在高温环境下有效过滤掉钢材自身发出的红外辐射干扰，通过窄带滤光片和特定波长的激光来确保只有传感器发出的激光被接收。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：从几厘米到几百米甚至上千米。

  • 精度：激光测量精度一般为±1毫米到±几十毫米不等，取决于具体型号和测量距离。

  • 分辨率：通常与精度相近，指示能够检测到的最小距离变化。

  • 测量速度/响应时间：从几赫兹到数百赫兹，表示每秒能进行多少次测量。

  • 适用温度：传感器本体通常有工作温度限制（如0-60°C），但通过专门设计（如水冷/风冷外壳），可以测量1000°C甚至1500°C以上的高温物体表面距离。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式测量：对高温高速运动的钢材不会造成任何损伤或干扰。

    • 测量范围广：可以实现较远距离的测量，方便安装在远离高温、粉尘的区域。

    • 抗干扰能力强：通过滤波和特定波长，能在一定程度上抵抗高温辐射和环境光。

    • 坚固耐用：工业级设计通常具有高防护等级，适应恶劣环境。

    • 成本相对适中：相较于一些多传感器或视觉系统，单个点的激光测距仪成本更低。

  • 缺点：

    • 只能测量单点距离：如果需要获取钢材的完整截面尺寸或形状，需要部署多个传感器，或者通过扫描机构实现。

    • 受表面特性影响：钢材表面的反射率、粗糙度、氧化皮和蒸汽会影响激光信号的强度和质量。

    • 难以检测复杂轮廓：对于方坯的方度、型材的截面形状等复杂参数，单点测距无法直接给出。

3.1.2 多轴激光扫描测量技术

这种技术就像有一个高速旋转的“探照灯”，不断地扫描钢材的外轮廓。

• 工作原理和物理基础：它通过高速旋转的棱镜或多个固定激光发射器，向被测钢材发射一束或多束平行激光束。在钢材的另一侧，对应的光电传感器会检测到这些激光束被钢材阻挡的时间或长度。通过精确计算这些“阴影”的尺寸和位置，系统就能在多个轴向上（比如X和Y轴）实时计算出钢材的直径、宽度、椭圆度等。其核心是利用光束阻挡或反射原理进行尺寸计算。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：通常较短，例如0.1到200毫米。

  • 精度：极高，激光测量精度可达±1微米甚至更高。

  • 重复性：通常在±0.5微米左右。

  • 测量速度：非常快，可达每秒数千次甚至上万次测量/轴。

  • 轴数：通常是2轴或3轴，实现多方向测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：精度极高，尤其适合对圆形、方形棒材和线材的精确测量；能够检测椭圆度、多边形度等形状偏差；测量速度快，可实现100%在线检测；工业级耐用性强。

  • 缺点：测量范围有限，不适合大型板材或复杂型材；设备结构相对复杂，可能包含旋转部件；需要将钢材置于测量光幕中，对安装位置有要求；高温应用需配备冷却系统。

3.1.3 平行光束阴影检测法

这就像是拿一个手电筒对着一个物体，然后在物体后面看它形成的影子。通过分析这个影子的边缘，就能知道物体的尺寸。

• 工作原理和物理基础：系统发射高亮度、高度平行的光束照射被测物体。在物体的另一侧，一个高分辨率的CCD线传感器（可以想象成一排密密麻麻的小摄像头）会接收到穿过物体两侧的光线，而物体本身则会形成一个清晰的阴影。传感器通过分析这个阴影的长度和位置，就能以极高的分辨率和速度精确计算出物体的外径、宽度、间隙等尺寸。这种方法本质上是利用了光的直线传播和遮挡原理。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：通常在几毫米到几百毫米，例如0.005至160毫米。

  • 最小可检测尺寸：可达微米级别，如0.005毫米（5微米）。

  • 重复精度：非常高，可达±0.06微米。

  • 采样周期：极快，可达16kHz（每秒16000次测量）。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：极高的测量速度和分辨率，适用于微小尺寸变化和高速运动物体的精密检测；非接触式，避免损伤；操作相对简便。

  • 缺点：测量范围较窄，不适合大型钢材；对环境要求相对较高，如传感器头工作温度通常在0-45°C，高温钢材应用需辅助冷却；只能测量外形轮廓，难以获取内部结构信息。

3.1.4 三维激光扫描与轮廓测量技术

这种技术则像是一个“立体扫描仪”，可以重建出钢材的完整三维形状。

• 工作原理和物理基础：这种系统通常由多个激光扫描器组成，每个扫描器采用激光三角测量原理。简单来说，一个激光发射器向钢材表面投射一条激光线或一个激光点，然后一个倾斜放置的相机（或CCD/CMOS传感器）捕获这条激光线在钢材表面形成的图像。由于激光器、相机和被测点形成一个三角形，通过已知的激光器与相机间的距离以及相机成像的几何关系，就可以计算出被测点到传感器的距离。 对于一条激光线，相机就能获取该线上所有点的三维坐标，形成一个“轮廓”。多个这样的扫描器部署在不同位置，就能获取钢材的多个轮廓数据，这些数据融合后，就可以重建出被测物体的完整三维点云数据，从而计算出宽度、高度、截面形状、直度、扭曲度等所有几何参数。 基本三角测量公式（简化版）：假设激光发射器与相机距离为 L，激光以 θ1 角度射向物体，反射光被相机以 θ2 角度接收，物体到相机基线距离为 D。那么 D 可以通过三角关系算出。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量对象：适用于方坯、板坯、棒材、型材等大型、复杂或不规则形状的部件。

  • 测量参数：宽度、高度、对角线、截面形状、方度、直度、扭曲度、表面缺陷等全面参数。

  • 测量精度：通常在毫米级至亚毫米级（如±0.5毫米至±2毫米），取决于应用和测量范围。

  • 测量速度：实时在线测量，与生产线速度同步。

  • 工作温度：测量头通常配备水冷和空气吹扫系统，可在高达1200°C或更高的高温环境下稳定运行。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：能够实现对大型、高温钢材的全面三维几何形状和轮廓测量；强大软件算法支持复杂形状分析和缺陷识别；非接触式测量，适应高温、高粉尘、振动等恶劣环境；坚固耐用，高可靠性。

  • 缺点：系统成本较高；数据量大，对计算处理能力要求高；受钢材表面反射率、氧化皮、蒸汽等影响，可能需要复杂的图像处理算法来确保精度。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几家在高温钢材尺寸检测领域有深厚积累的国际知名品牌，它们各自的技术特点和优势。

• 瑞士祖巴赫： 采用多轴激光扫描测量技术，是线缆、管材、棒材行业的领导者。其产品在高温恶劣环境中表现出极高的精度和稳定性，能通过多轴测量全面捕捉尺寸和形状。例如其ODAC 180XYT系统，测量范围0.1 – 180毫米，精度可达±1微米，测量速度10000次/秒/轴，传感器头最高耐受80°C（配冷却系统可应对更高环境温度）。祖巴赫的优势在于超高精度和实时检测能力，尤其适合高附加值棒线材的在线品控。

• 英国真尚有： 其LCJ系列传感器主要采用激光脉冲/相位式测距技术。该系列产品以其宽广的测量范围和对高温环境的适应性而著称，实测最高表面温度可达1550℃。它能提供0.05至500米的测量范围，±1毫米的精度，以及高达250Hz的测量速度。LCJ系列传感器具有坚固的IP65防护等级金属外壳，可在-40℃至+60℃的环境温度下正常使用，并可配备冷却外壳以应对更高环境温度。此外，LCJ系列还提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和高精度模拟输出（0.1%），以及两个可编程数字输出（DO1和DO2）。其优势在于远距离、高温环境下的稳定性和相对适中的成本，适合需要精确距离定位和单点尺寸测量的场景。

• 日本基恩士： 擅长平行光束阴影检测法，以其超高速光学微米计而闻名。日本基恩士的LS-9000系列能够以极高的采样速度和分辨率，实现对微小尺寸和高速移动物体的精密测量。测量范围0.005至160毫米，最小可检测尺寸5微米，重复精度±0.06微米，采样周期16kHz。其操作简便，非接触式避免损伤。虽然传感器头工作温度通常在0至45°C，高温钢材应用需辅助冷却，但其在极高精度和速度方面表现卓越。

• 德国朗盛： 提供基于三维激光扫描与轮廓测量的德国激光应用公司DIMENSION/PROFILER系统。该系统通常由多个激光扫描器组成，通过激光三角测量原理，重建被测物体的完整三维轮廓或横截面形状。适用于测量方坯、板坯、钢梁等大型、复杂或不规则形状的部件。测量精度可达±0.5毫米至±2毫米，并能在实时在线测量中工作。测量头配有水冷和空气吹扫，可在高达1200°C的环境温度下稳定运行。德国朗盛的优势在于全面三维几何形状和轮廓测量能力，以及对极端恶劣环境的适应性。

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

选择合适的测量设备，就像为一场特殊比赛挑选最趁手的工具。你需要根据“比赛”的特点（热轧钢的工况和要求）来决定：

• 测量范围：这决定了传感器能监测的最远距离和最大尺寸。

  • 实际意义：如果你的轧线很长，或者希望传感器远离高温区，就需要选择测量范围大的设备。例如，如果需要测量50米外的钢材宽度，一个5米量程的传感器就肯定不够用。

  • 选型建议：根据传感器到被测钢材的实际距离和钢材本身的最大尺寸来确定，并留出一定的余量。

• 精度与重复性：这是衡量测量结果准确性和稳定性的关键指标。精度代表测量结果与真实值之间的接近程度，重复性代表多次测量同一对象结果的一致性。

  • 实际意义：精度±1mm和±1μm是天壤之别。如果你需要控制的公差是毫米级，那么±1mm的精度可能就足够了；但如果公差是微米级，比如线材直径，那么就需要更高精度的传感器。重复性则保证了测量结果的可靠性，避免因传感器自身波动带来的误判。

  • 选型建议：根据产品最终的尺寸公差要求来选择。对于粗轧阶段，毫米级精度可能足够；对于精轧或对尺寸要求极高的产品，则需要亚毫米级甚至微米级的精度。

• 测量速度/响应时间：传感器每秒能进行多少次测量，直接影响到对高速运动钢材的实时跟踪能力。

  • 实际意义：热轧线上钢材的移动速度非常快。如果传感器测量速度慢，就会导致测量数据滞后，无法及时发现和纠正尺寸偏差。想象一下，如果拍照速度不够快，就无法抓拍到高速奔跑的运动员的清晰画面。

  • 选型建议：根据生产线速度和钢材最小尺寸变化周期来选择。通常，轧线速度越快，对测量速度的要求越高。

• 高温适应性（最高表面温度和环境温度）：传感器能否在高温环境下稳定工作，以及能否测量高温物体。

  • 实际意义：这是热轧钢测量最核心的指标之一。如果传感器不能承受高温，就无法在现场使用，或者需要复杂的冷却系统。同时，传感器能否“看清”在高温下发出强烈辐射的钢材，也是关键。

  • 选型建议：仔细核对传感器的最高环境工作温度和可测量的物体表面最高温度，并考虑是否需要额外的冷却系统（水冷、风冷）和防护罩。

• 防护等级（IP等级）：衡量传感器防尘防水的能力。

  • 实际意义：热轧车间粉尘、水汽、蒸汽较多，防护等级低的传感器很容易损坏。

  • 选型建议：至少选择IP65或更高等级的传感器，以确保设备在恶劣环境下的长期稳定运行。

• 接口与集成能力：传感器提供的数据输出格式和与上位机系统的连接方式。

  • 实际意义：传感器是工业控制链条中的一环，需要将测量数据可靠地传输给PLC、DCS或其他工业PC进行处理和控制。如果接口不兼容，就会给系统集成带来困难。

  • 选型建议：根据现有自动化系统的接口类型（如RS232/485/422、以太网、Profinet、模拟量等）来选择，确保无缝集成。

• 成本考量：设备采购、安装、维护以及后续运行的综合成本。

  • 实际意义：高精度、功能全面的设备往往价格不菲，但其带来的效益（降低废品率、提高产品质量）也可能更高。

  • 选型建议：在满足技术要求的前提下，进行性价比分析。不能盲目追求最高性能，也不能为了节省成本而牺牲关键性能。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在热轧钢生产中部署激光测量系统，就像在“战场”上使用精密仪器，总会遇到各种意想不到的“敌人”。

• 问题1：高温辐射和环境光干扰

  • 原因和影响：炽热的钢材会发出强烈红外辐射，这会饱和传感器的接收器，使其无法区分自身发射的激光和钢材发出的“亮光”，导致测量值漂移或失效。强烈的阳光或车间照明也可能造成类似问题。

  • 解决建议：

    1. 选用特定波长激光和窄带滤光片：只允许传感器自身波长的激光通过，过滤掉其他杂散光和红外辐射。

    2. 采用高强度激光源和快速脉冲技术：使传感器发射的激光信号强度远高于背景噪声，同时通过短脉冲和高频调制，在极短时间内完成测量，进一步降低背景光影响。

    3. 安装遮光罩和物理屏障：减少环境光直射传感器和被测区域。

• 问题2：氧化皮、水雾、蒸汽和粉尘遮挡

  • 原因和影响：这些物质会附着在传感器镜头上，或在激光路径上形成障碍，削弱激光信号，导致测量中断或精度下降。这就像镜头上沾了污渍，拍出来的照片自然不清晰。

  • 解决建议：

    1. 气幕/气刀吹扫系统：在传感器镜头前持续提供清洁的压缩空气，形成一道“空气墙”，防止污染物附着。

    2. 水冷/风冷防护罩：将传感器安装在密封的防护罩内，并进行水冷或风冷，降低防护罩内部温度，减少蒸汽凝结。

    3. 定期清洁维护：对传感器镜头和防护罩进行定期检查和清洁。

• 问题3：钢材表面反射率不均

  • 原因和影响：钢材表面可能因氧化、冷却不均等原因，导致部分区域发亮、部分区域发暗，反射率差异很大。这会使得传感器接收到的信号强度不稳定，影响测量的准确性和稳定性。

  • 解决建议：

    1. 选用宽动态范围接收器：能适应较大范围的信号强度变化。

    2. 智能信号处理算法：对反射信号进行自适应增益控制和滤波，优化信号质量。

    3. 选择对反射率不敏感的测量原理：例如某些基于边缘检测或轮廓识别的系统，对局部反射率变化有较好的鲁棒性。

• 问题4：热膨胀效应

  • 原因和影响：钢材在高温下的尺寸与冷却后的尺寸存在差异。如果直接测量高温尺寸并作为最终产品尺寸，就会导致与实际冷却后尺寸的偏差。

  • 解决建议：

    1. 温度补偿算法：结合钢材的温度传感器测量数据和材料的热膨胀系数，对测量到的高温尺寸进行实时修正，估算出冷却后的尺寸。

    2. 在相对低温区测量：尽可能选择在钢材温度相对稳定且较低的区域进行测量，减少热膨胀的影响。

• 问题5：振动与安装稳定性

  • 原因和影响：轧钢车间机器设备众多，振动普遍存在，可能导致传感器安装结构松动或传感器本身抖动，影响测量精度和重复性。

  • 解决建议：

    1. 坚固的安装支架：采用厚重、减振的安装结构，并固定牢靠。

    2. 选择抗振性好的传感器：工业级传感器通常有较好的抗振设计。

    3. 定期检查紧固件：确保传感器安装位置的稳固。

4. 应用案例分享

激光测距传感器在热轧钢生产中的应用非常广泛，为提升产品质量和生产效率发挥着关键作用。

• 方坯/板坯尺寸测量：在连铸和初轧过程中，对红热的方坯或板坯的宽度、厚度、对角线和方度进行实时测量。例如，使用英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，可以在高温环境下实现精确的单点距离测量，从而辅助计算坯料的尺寸。这有助于控制轧制道次，避免剪切误差，并为后续工序提供合格的坯料。

• 棒材/线材直径和椭圆度检测：在精轧阶段，高速生产的棒材和线材的直径和椭圆度是关键指标。激光传感器能够快速、准确地检测这些参数，及时反馈给轧机，实现闭环控制，确保产品符合严格的公差要求。

• 型钢截面轮廓和直度测量：对于工字钢、H型钢等复杂型材，激光扫描系统可以实时获取其截面轮廓，检测宽度、高度、翼缘厚度、腹板厚度以及整体的弯曲度和扭曲度。这对于保证型材的强度和安装精度至关重要。

• 热轧带钢宽度和板形控制：在热轧带钢生产线上，多个激光测距或扫描单元协同工作，可以实时测量带钢的宽度和边缘形状，甚至评估板形缺陷。这对于控制带钢尺寸精度和确保后续冷轧顺利进行具有重要意义。

• 定尺剪切定位：激光测距传感器可以精确测量钢材的长度，为飞剪或定尺剪切提供准确的触发信号。这能显著提高剪切精度，减少材料浪费，提高生产效率。