如何在钢铁生产线高温、粉尘与振动环境下，实现钢卷卷径毫米级到亚毫米级精度的实时监测？【激光测距】

基于钢卷的基本结构与技术要求

钢卷，是指将高温板材经过连续轧制后，像卷筒纸一样紧密缠绕形成的巨大圆柱体。在钢铁生产线上，从热轧或冷轧机出来的钢板，会被迅速收卷成一个个规整的钢卷。对钢卷直径的测量，就好比给钢卷量“腰围”，这不仅是生产控制的关键环节，也直接影响到后续的加工、仓储和最终产品的质量。

从结构上看，钢卷由多层钢板紧密堆叠而成，其直径会随着钢板的持续卷绕而不断增大。因此，卷径测量需要覆盖一个从几百毫米到几米宽广的动态范围。

在技术层面，对钢卷卷径的测量有以下核心要求：

• 直径精度： 卷径测量的准确性直接影响到后续的开卷、剪切等工序。如果测量不准，可能导致材料切割不精确，甚至影响最终产品的尺寸公差。比如，在一个自动化仓储系统中，钢卷直径的微小误差都可能影响其存储空间的精确分配。

• 实时性： 钢卷在生产线上是连续且高速运行的。这就要求卷径测量必须是实时的，以便控制卷取机的张力、调整卷取速度，确保钢卷卷形平整、紧实，避免出现松卷或塌边。

• 恶劣环境适应性： 钢铁生产现场以其严苛的环境条件著称，包括高温、大量的金属粉尘、水汽、油污、剧烈振动和烟雾。传感器必须能够在这种环境下稳定工作，这要求其不仅能“看清”目标，更要有强大的“生存能力”。

• 宽测量范围： 从开始卷绕的空芯筒到最终形成的大直径钢卷，传感器的测量范围必须足够宽广，以覆盖整个直径变化过程，确保全流程的无缝监测。

针对钢卷的相关技术标准简介

在钢卷的生产、检验和交付过程中，为了确保产品质量和交易的公平性，对钢卷的各项参数都有明确的定义和评价标准。这些标准通常关注以下几个方面：

• 卷径： 指钢卷外圆的直径。这是最基本的尺寸参数。其评价方法通常是通过非接触式测量设备持续或定期获取数据，并与产品规格书中的公差范围进行比对，以确保其符合要求。

• 卷宽： 指钢卷钢板的宽度。虽然本次讨论侧重卷径，但卷宽同样是重要的尺寸参数，通常通过宽度测量仪进行监测，确保宽度在允许的偏差范围内。

• 卷形： 衡量钢卷的整体几何形态，包括其圆度、端面齐整度、是否存在鼓包、塌边或偏斜等缺陷。好的卷形对于后续的开卷和加工至关重要。评价方法可以包括人工目视检查，或利用激光轮廓扫描设备进行更精确的三维形貌分析。

• 表面质量： 关注钢卷表面是否存在划痕、压痕、氧化皮、色差、麻点等缺陷。这通常通过机器视觉系统进行实时在线检测，以确保产品外观质量符合行业标准。

• 卷取张力： 在钢卷的形成过程中，保持恰当的卷取张力至关重要。张力过大可能导致钢板拉伸变薄甚至断裂，过小则可能造成松卷或卷形不佳。张力通常通过张力传感器实时监测，并反馈给自动化控制系统进行调整。

通过对这些参数的精确监测和标准化评价，钢铁企业能够有效控制生产过程，提升产品质量，并满足客户对不同规格钢卷的严格要求。

实时监测/检测技术方法

市面上各种相关技术方案

在钢铁企业的恶劣环境中，为了克服粉尘、振动、高温等不利因素，实现对钢卷直径的稳定可靠测量，业界发展出了多种先进的非接触式传感技术。

飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）或相位移法激光测距

想象一下，你站在山谷里，对着远处的山壁大喊一声，然后根据声音传过去再传回来的时间，就能估算出山壁有多远。飞行时间法激光测距的原理与之类似，但它使用的是光，速度更快，精度也更高。传感器会发射一个短暂的激光脉冲，这个脉冲以光速（c）在空气中传播，碰到钢卷表面后会反射回来。传感器接收到反射光后，会精确计算激光从发射到接收的总时间（t），也就是所谓的“飞行时间”。通过这个时间，我们就可以计算出传感器到钢卷表面的距离D。

其物理基础是光在介质中传播速度恒定不变。距离的计算公式为： D = (c * t) / 2 其中，c 是光速，t 是激光的往返时间。

另一种被称为相位移法（Phase Shift）的技术，原理则略有不同。它不是发射短脉冲，而是发射一个经过特定频率（f）调制的连续激光束。当这束光到达钢卷表面并反射回来时，反射光与发射光之间会产生一个相位差（Φ）。通过测量这个相位差，结合调制频率和光速，同样可以精确计算出距离D。

其计算公式可表示为： D = (Φ / (2 * π * f)) * (c / 2) 其中，Φ 是相位差，f 是激光的调制频率，c 是光速。

这种技术方案的核心性能参数通常包括： * 测量范围： 测量范围通常较长，可达几十米到数百米。部分高端型号甚至可以达到上千米。 * 精度： 工业级产品的测量精度通常能达到毫米级。 * 分辨率： 毫米级。 * 测量速率： 测量速率从每秒几十次到数百次不等。

优点： * 超长测量距离： 这是其最显著的优势，传感器可以安装在远离高温、振动或粉尘的核心区域，大大降低了环境对传感器的影响，提高了安全性。 * 较强的环境适应性： 对环境中的粉尘、水汽和烟雾具有一定的穿透能力，尤其是一些先进的TOF传感器会结合特殊的光学设计和信号处理算法来有效滤除干扰。 * 安装灵活性高： 由于测量距离远，传感器可以有更灵活的安装位置选择，不受钢卷尺寸和运动范围的严格限制。 * 目标表面适应性强： 对目标表面的颜色、反射率（包括深色或低反射率表面）以及高温物体都有较好的测量能力。

局限性及成本考量： * 精度相对较低： 相较于激光三角测量等近距离高精度方案，飞行时间法或相位移法的精度通常为毫米级，可能无法满足对微米级精度有严格要求的特定应用。 * 对目标表面倾角敏感： 如果钢卷表面倾斜角度过大，反射回来的激光信号可能会显著衰减，从而影响测量结果的稳定性和可靠性。 * 成本： 针对恶劣环境和高温应用优化的高性能TOF或相位移法传感器，其初始购置成本通常较高。

该技术非常适合钢铁行业中大尺寸、高温、远距离以及环境恶劣的卷径测量场景，例如大型轧机的卷取机区域或钢坯的尺寸测量。

激光三角测量法

激光三角测量法，可以形象地理解为用一道激光来“瞄准”物体，并通过几何关系来精确测量距离。传感器发射一道集中的激光束，在钢卷表面形成一个细小的光斑。当这束光照射到钢卷表面时，部分光线会散射并反射回来。传感器内部一个高分辨率的摄像头（如CMOS或CCD传感器）会捕捉到这个反射光斑。当钢卷距离传感器远近变化时，反射光斑在摄像头上的成像位置也会随之移动。传感器通过精确测量光斑在摄像头上的位置，并结合自身内部的精密几何光学结构（形成一个直角三角形），利用三角函数关系就能计算出传感器到钢卷表面的精确距离。

其物理基础是简单的几何三角原理。通过测量光斑在成像传感器上的位置偏移量，即可推导出物体的距离。

核心性能参数： * 测量范围： 测量范围通常较短，从几毫米到数百毫米。 * 精度： 测量精度极高，通常能达到微米级甚至亚微米级。 * 分辨率： 微米级。 * 测量速率： 测量速率极快，可达数千赫兹。

优点： * 高精度与高分辨率： 能够提供非常精确的尺寸数据，适用于对测量细节要求严格的场合。 * 高测量速率： 能够快速响应目标变化，适合高速在线检测。

局限性及成本考量： * 测量距离短： 需要传感器安装在离钢卷较近的位置，在高温、振动大的环境下，对传感器的防护和稳定性提出了更高要求。 * 易受表面特性影响： 目标的颜色、光泽度、反射率会显著影响测量结果，尤其是在深色或镜面钢材上，可能需要专门优化。 * 易受粉尘干扰： 尽管光路短，但如果光路中有大量粉尘颗粒，会造成散射，影响光斑的清晰度和测量稳定性。 * 成本： 高精度型号通常成本较高。

激光扫描轮廓测量（光切法）

激光扫描轮廓测量，又称光切法，可以想象成用一把“激光刀”在钢卷表面“画”一条线，然后从侧面拍下这条线的形状。与激光三角测量只投射一个点不同，这种传感器会投射一条细长的激光线到钢卷表面。当这条激光线照射到物体表面时，由于钢卷的形状和距离不同，反射回来的激光线在空间中会发生弯曲或变形。传感器内部的高速CMOS图像传感器会捕捉这条变形的激光线图像，并通过内置的复杂图像处理算法和三角测量原理，重建出钢卷的二维横截面轮廓数据。有了这个详细的轮廓，就可以从中提取出钢卷的直径、圆度、平整度等多种几何信息。

其物理基础是激光三角测量原理的二维扩展，即同时获取激光线上所有点的距离信息。

核心性能参数： * 测量范围： Z轴（深度）测量范围通常在几十到一百多毫米，X轴（宽度）测量范围可达几十到数百毫米。 * 重复精度： Z轴可达微米级。 * 采样速度： 采样速度极快，可达数千到数万赫兹。 * 测量点数： 每条轮廓线可包含数百到数千个测量点。

优点： * 获取完整轮廓信息： 能够获取整个横截面的详细轮廓数据，可以进行更复杂的形状分析，例如圆度、翘曲度等。 * 高精度与高速度： 在提供详细轮廓信息的同时，兼顾了高精度和高速采样，适合高速在线检测。 * 抗振动能力较好： 由于获取的是一条线上的多个点数据，可以通过算法对轻微的钢卷振动进行补偿或平滑处理。

局限性及成本考量： * 测量范围受限： 测量范围通常为中短距离，与激光三角测量类似，需要传感器与钢卷保持相对较近的距离。 * 易受粉尘、水汽干扰： 光路暴露，如果环境中粉尘或水汽过多，会影响激光线的清晰度和图像采集，可能需要吹扫防护。 * 计算复杂： 需要强大的数据处理能力来处理大量的轮廓数据，传感器本身集成度高，价格相对较高。

机器视觉测量

机器视觉测量，可以看作是给钢卷安装了一双“智慧的眼睛”。它使用高分辨率的工业相机来捕获钢卷的数字图像。这些图像并非简单地用来“看”，而是由智能相机内置的强大图像处理算法进行深度分析。算法会精确识别出钢卷的边缘特征，例如内外边缘的像素位置。通过预先进行的相机校准（就像给相机做了“身高体重”测量，知道每个像素对应实际尺寸多少毫米），系统就能高精度地计算出钢卷的实际直径。这种方式还可以同时完成其他任务，比如表面缺陷检测。

核心性能参数： * 分辨率： 从百万像素到千万像素不等。 * 帧速率： 数十帧/秒到数百帧/秒，取决于相机型号和图像处理负载。 * 测量精度： 可达亚像素级，实际卷径测量精度可达数十微米，取决于镜头、工作距离及校准。

优点： * 功能多样性： 除了卷径测量，还能同时进行表面缺陷检测、位置识别、二维码读取等多种任务，实现“一机多用”的综合检测。 * 高灵活性和适应性： 强大的软件功能允许根据不同应用场景进行编程和配置，适应性强。 * 非接触、无损： 不会对钢卷造成任何物理接触或损伤。

局限性及成本考量： * 对环境光线敏感： 需要稳定且受控的照明环境，环境光线的变化会影响图像质量和测量精度。 * 易受粉尘、水汽影响： 传感器镜头容易被覆盖，影响成像清晰度，需要额外的防护和清洁措施。 * 计算资源需求高： 图像处理需要强大的计算能力，系统成本相对较高。 * 初期校准复杂： 需要专业的校准工作，以确保像素到物理尺寸的精确转换。

市场主流品牌/产品对比

以下是卷径测量应用领域中，基于不同技术原理的几个主流国际品牌的介绍：

• 德国米铱在激光位移传感器领域拥有卓越的技术专长。其产品以高精度、高测量速率和出色的稳定性著称。例如其optoNCDT 1750-50型号传感器，提供50毫米的测量范围，线性度达±100微米，分辨率为0.5微米，测量速率最高可达2.5千赫兹。米铱的传感器能够适应多种表面材质，在对测量精度要求严苛的在线卷径检测应用中表现出色。

• 英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，是一款专为重工业和户外应用设计的测距仪。该系列传感器采用激光技术，通过测量激光束反射进行非接触距离测量，测量范围可达0.05米至500米，精度高达±1毫米，测量速度最高可达250赫兹。LCJ系列传感器尤其适用于高温环境，可测量最高1550℃的物体表面距离，并提供IP65级防护，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温度。该系列传感器还提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）、高精度模拟输出（0.1%）以及两个可编程数字输出（DO1和DO2）。

• 日本基恩士以其创新的自动化传感和测量产品闻名。其LJ-X8000系列激光轮廓测量仪，具有超高速和超高精度，能够获取钢卷完整的横截面轮廓。例如，LJ-X8080型号的Z轴重复精度可达0.5微米，采样速度最高达16千赫兹，每条轮廓线可包含1600个测量点。即使在表面粗糙或有轻微振动的工况下，它也能提供可靠数据，非常适合需要精密轮廓分析的高速在线检测。

• 瑞士堡盟的OADM 250系列激光距离传感器，通常采用相位移或飞行时间法进行光学测距。这类传感器通过测量发射与接收信号之间的相位差或光脉冲的飞行时间来计算距离。堡盟的激光距离传感器具有较长的测量距离，对目标物体颜色和表面特性的依赖性较低。例如，OADM 250Y0141/S35A型号的重复精度可达数十微米，测量频率可达1千赫兹。这使得它们能够适应不同材质和表面状况的卷径测量。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在钢铁企业选择激光测距传感器时，务必综合考量以下几个关键技术指标，以确保其在恶劣环境下能稳定、可靠地工作：

• 测量范围： 指传感器能测量的最短和最长距离。

  • 实际意义： 决定了传感器能够覆盖的钢卷直径变化范围，以及传感器在现场的安装位置灵活性。如果测量范围太小，传感器可能需要频繁调整位置，或者无法在整个卷取过程中稳定测量。

  • 选型建议： 考虑到钢卷直径从几百毫米到几米的变化，应选择测量范围能覆盖预期最大直径和最小直径之间距离的传感器。若需将传感器安装在远离高温、振动区域的位置，量程数百米的TOF传感器是更优选择。

• 测量精度： 指测量结果与真实值之间的接近程度，通常以“±X毫米/微米”表示。

  • 实际意义： 直接关系到测量的准确性，进而影响后续工艺的控制和最终产品质量。精度越高，对卷径的控制越精细，有助于提升材料利用率和产品合格率。

  • 选型建议： 根据生产线对卷径控制的实际精度要求来选择。对于大部分钢铁行业的卷径粗略控制，毫米级精度的传感器已足够；而对于精轧产品或有更高尺寸要求的场合，则需考虑亚毫米级或微米级精度的激光三角测量或激光轮廓测量传感器。

• 测量速度/频率： 指传感器每秒能进行多少次测量。

  • 实际意义： 决定了传感器对高速运行的钢卷直径变化的响应能力。测量速度越快，越能及时捕捉直径的细微变化，实现更精准的实时闭环控制。

  • 选型建议： 钢铁生产线运行速度快，应选择测量频率至少在数十赫兹到数百赫兹以上的传感器。对于高动态、快速变化的卷径，更高的测量频率（如数千赫兹）能提供更平滑、更准确的数据流。

• 环境适应性（耐温、防护等级、抗粉尘）：

  • 实际意义： 钢铁企业环境恶劣，传感器必须具备相应的抗恶劣环境能力才能稳定可靠运行，延长使用寿命，避免频繁故障。

  • 选型建议：

    • 耐温： 考虑到钢卷表面可能高达1550℃，应选择能耐受高温的传感器，或必须配备可靠的冷却装置（如水冷或空冷护罩）。传感器自身的工作温度范围要宽广。

    • 防护等级： 至少需要IP65或更高等级，以有效防止大量粉尘和水溅侵入。

    • 抗粉尘： 优先选择采用特殊光学窗口设计、支持吹扫装置或具有特定算法来滤除粉尘干扰的传感器。飞行时间法传感器通常对粉尘的鲁棒性相对较好。

• 目标表面适应性： 传感器对钢卷表面的颜色、光泽度、温度和粗糙度等特性的适应能力。

  • 实际意义： 钢卷表面可能漆黑、反光、甚至高温发红，这些都会影响激光的反射强度和稳定性，进而影响测量精度。

  • 选型建议： 选择对深色、低反射率、高光泽度和高温表面具有良好测量性能的传感器。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁企业的卷径测量实际应用中，由于环境的复杂性，常常会遇到以下挑战：

• 粉尘和烟雾干扰：

  • 原因及影响： 钢铁生产过程中产生的金属粉尘、氧化皮、水蒸气和烟雾会大量悬浮在空气中，它们会阻挡、散射或吸收激光束，导致测量信号衰减、不稳定，甚至丢失，造成测量数据跳变或测量失效。

  • 解决建议：

    • 安装防护罩和吹扫装置： 为传感器加装密闭的防护罩，并在其光学窗口处集成气帘或吹扫装置，利用压缩空气持续吹扫，保持光学表面清洁。

    • 选择抗干扰能力强的传感器： 某些激光测距传感器采用特定的激光波长、更强大的激光功率或先进的信号处理算法，能更好地穿透粉尘和烟雾。

    • 定期清洁维护： 定期检查并清洁传感器光学窗口，确保光路畅通无阻。

• 高温影响：

  • 原因及影响： 轧钢和卷取过程中的钢卷表面温度可达数百甚至上千摄氏度，局部环境温度极高。高温会直接影响传感器内部电子元件的稳定性，导致测量漂移、精度下降，甚至造成设备损坏。此外，高温还会导致空气密度不均匀，产生热气流，可能对激光路径造成折射干扰。

  • 解决建议：

    • 选用高温型传感器： 优先选择专门为高温环境设计，具有更宽工作温度范围的传感器。

    • 配备冷却装置： 为传感器安装水冷或空冷保护套，通过循环水或压缩空气对传感器本体进行有效降温。

    • 拉远测量距离： 尽量选择测量距离长的传感器，将其安装在距离高温源更远、环境温度相对较低的位置。

• 振动和冲击：

  • 原因及影响： 生产线上的重型机械设备运行会产生剧烈振动和冲击，这些振动会传递到传感器支架，导致传感器本体晃动，影响测量光斑的稳定性和定位精度，进而造成测量数据波动，降低测量可靠性。

  • 解决建议：

    • 加固安装支架并减振： 使用坚固、具有良好减振性能的支架，并采取减振措施，如安装减振垫或弹簧，以有效吸收和减少振动传递。

    • 选择抗振性好的传感器： 工业级传感器通常会强化其结构设计和内部元件固定方式，以提高抗振性能。

    • 数据滤波处理： 如果条件允许，可以采用多个传感器进行测量，然后通过数据融合或滤波算法（如移动平均、卡尔曼滤波）来平滑数据，降低振动带来的瞬时误差。

• 目标表面特性变化：

  • 原因及影响： 钢卷表面可能存在氧化皮、油污、颜色不均、高光泽度或低反射率等问题，这些都会影响激光的反射强度和稳定性，导致测量信号不均匀或丢失。

  • 解决建议：

    • 选用对表面适应性强的传感器： 选择采用特殊信号处理技术，能够更好地应对复杂表面特性的传感器。

    • 优化安装角度： 调整传感器的安装角度，尽量避免镜面反射或过度散射，确保有效反射信号能被传感器稳定接收。

    • 考虑激光轮廓测量： 如果单个点的表面特性变化导致测量不稳定，激光轮廓测量（光切法）通过获取线轮廓，对局部表面的变化有更好的鲁棒性。

应用案例分享

• 热轧线卷取机卷径控制： 在热轧生产线上，激光测距传感器实时监测钢卷直径，精确反馈数据，以动态调整卷取机的张力和速度，确保钢卷形成过程中卷形规整且紧实。例如，在高温环境下，可以选择诸如英国真尚有LCJ系列之类的高温激光测距传感器，以保证测量精度。

• 冷轧精整线尺寸检测： 在冷轧精整环节，高精度的激光测距传感器用于检测钢卷的最终直径，结合其他尺寸参数进行质量检验，确保产品符合客户的严格尺寸要求，并辅助库存管理。

• 开卷机张力与长度计算： 在钢卷开卷作业中，激光测距传感器连续测量剩余卷径，从而精确计算出剩余卷长，这对于开卷机的张力控制至关重要，能有效避免断带或松卷事故。

• 智能仓储系统定位： 大型钢材仓库利用激光测距传感器对入库钢卷的直径进行快速自动测量，辅助自动化行车准确识别和存储不同规格的钢卷，显著提高仓储效率和安全性。