面对1000℃高温中厚板，如何利用非接触技术实现±1mm以内的实时宽度精度控制？【钢铁轧制检测】

1. 中厚板的基本结构与技术要求

中厚板，顾名思义，是厚度介于薄板和特厚板之间的一种钢材产品。在钢铁生产线上，中厚板通常以高速、高温状态通过轧制、剪切等工序。它的基本特征是尺寸大、重量重，表面可能存在氧化皮、水蒸气、油污等复杂工况，且温度极高，例如初轧板坯表面温度可达1000℃以上。

针对中厚板的宽度测量，有几个核心的技术要求：

• 高精度： 宽度尺寸直接影响产品质量和后续加工，通常需要亚毫米甚至更高的测量精度，以确保产品符合标准。

• 低延迟/高实时性： 生产线速度快，测量系统必须能够快速响应，实时给出数据，以便及时调整生产工艺，避免偏差累积。

• 非接触式： 考虑到中厚板的高温、高速以及可能存在表面缺陷，接触式测量方案几乎不可行，必须采用非接触方式。

• 恶劣环境适应性： 产线环境通常高温、多尘、多水汽、存在震动和强电磁干扰，测量设备必须具备良好的工业防护等级和环境适应能力。

• 抗干扰能力强： 钢板表面反射率不均、存在氧化皮、环境光变化等因素都可能干扰测量，要求设备有强大的抗干扰能力。

• 测量范围宽： 中厚板的宽度变化范围可能较大，测量方案需要能覆盖从几百毫米到几米的尺寸。

2. 针对中厚板的相关技术标准简介

在中厚板生产中，对产品几何尺寸的监测至关重要。主要监测参数包括：

• 宽度（Width）： 这是最主要的参数，指钢板两个长边之间的垂直距离。

  • 定义： 通常指钢板在某一横截面上的有效宽度。在实际测量中，会区分名义宽度、实际宽度以及偏差。

  • 评价方法： 可以测量多个点的宽度，取平均值，或者监控最大宽度、最小宽度和宽度波动范围。宽度偏差通常用实际宽度与名义宽度的差值来表示，并要求在特定公差范围内。

• 板形（Profile）： 指钢板横截面的形状，包括边缘形状、平整度等。

  • 定义： 反映钢板在宽度方向上的厚度均匀性或轮廓曲线。

  • 评价方法： 通过扫描整个横截面来获取数据，分析板形曲线是否平直、是否有局部凸起或凹陷。

• 侧弯（Camber）： 指钢板沿长度方向的弯曲程度。

  • 定义： 钢板长边相对于理论直线的横向偏差。

  • 评价方法： 在一定长度内，测量钢板边缘的最大横向偏移量。

• 头部/尾部形状： 钢板头部和尾部的切割形状是否规整。

  • 定义： 通常关注边缘的直线度、剪切角度等。

  • 评价方法： 通过图像处理或轮廓扫描，分析头部和尾部边缘与理想形状的吻合度。

这些参数的测量和评价，旨在确保生产出的中厚板尺寸稳定、质量合格，满足后续深加工和客户需求。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

基于飞行时间或相位差的激光测距技术

这种技术可以看作是“激光尺”，它发射一束激光，然后接收从物体表面反射回来的激光，通过测量激光往返的时间或相位变化来计算距离。

• 具体工作原理和物理基础：

  • 飞行时间（Time-of-Flight, ToF）原理： 传感器发射一个激光脉冲，同时启动内部计时器；当激光脉冲碰到物体表面反射回来被传感器接收时，计时器停止。通过测量激光往返的时间差 t，结合光速 c，即可计算出传感器到物体的距离 D。 公式：D = (c * t) / 2 这里，c 是光在介质中的传播速度（约 3 x 10^8 米/秒），t 是激光往返的总时间。由于激光需要往返两次，所以距离要除以2。

  • 相位差（Phase Comparison）原理： 传感器发射一束经过调制（比如强度周期性变化）的连续激光。当激光反射回来时，它的相位会相对于发射时发生滞后。通过测量这种相位滞后 φ，结合调制信号的波长 λ，可以计算出距离。 公式：D = (N + φ / 2π) * λ / 2 其中，N 是整数个调制波长，φ 是测得的相位差，λ 是调制波长。这种方法通常能提供更高的精度，但可能需要解决“模糊距离”的问题（即如何确定 N）。

  • 在实际应用中，为了兼顾远距离和高精度，很多设备会结合使用ToF和相位差原理。ToF用于大致确定距离，解决相位差原理的模糊距离问题，然后相位差用于高精度测量。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：数米到数百米，甚至上千米。

  • 精度：通常在毫米级到厘米级（例如 ±1mm）。

  • 响应时间/测量速度：数十赫兹到数百赫兹（例如 250Hz）。

  • 分辨率：可达毫米级甚至亚毫米级。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量距离远，非接触，安装灵活，对物体表面反射率变化有较好的适应性（一些先进传感器可以在低反射率或高温表面测量）。数据输出是直接的距离值，便于系统集成。适用于高温、多尘、高湿的恶劣工业环境。

  • 局限性： 单个传感器只能测量一个点的距离。要测量宽度，通常需要两个传感器分别安装在钢板两侧，然后通过计算两者距离差来得到宽度，这要求传感器安装位置精确且稳定。如果钢板晃动或倾斜，会引入额外的误差。

  • 成本考量： 单个激光测距传感器成本相对较低，但组成宽度测量系统可能需要两个或更多传感器，并配合控制系统进行数据处理。

激光轮廓测量技术（三角测量原理）

这种技术就像是给物体拍一张“截面照”，通过激光线和相机来获取物体的三维形状。

• 具体工作原理和物理基础： 传感器向被测中板表面投射一条激光线（而非一个点），这条激光线在中板表面形成一个光斑。然后，一个高分辨率的CMOS图像传感器以一定角度捕获这条被激光照亮的光线。由于透视原理（也称为光学三角测量），激光线在中板表面的高度变化会使其在CMOS传感器上的成像位置发生偏移。通过精确计算这种偏移量，就可以重建出中板的二维横截面轮廓。 原理公式：Z = L * sin(α) / (tan(β) + tan(α)) (简化形式) 其中，Z 是被测点的高度，L 是激光器与相机之间的基线距离，α 是激光入射角，β 是相机观察角。通过几何关系，可以从图像传感器上捕获的像素位置反推出激光点在空间中的三维坐标。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量精度：Z轴重复精度可达微米级（例如 ±0.5 µm）。

  • 扫描速度：数百赫兹到几十千赫兹（例如 16 kHz）。

  • 测量范围（X方向，即扫描宽度）：几十毫米到数百毫米（例如 600 mm）。

  • 数据点数：每个轮廓可包含数百到上千个点。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 能够获取中板的完整横截面轮廓数据，不仅仅是边缘位置，还可以检测板形、厚度变化等。精度高，对表面纹理和颜色变化具有一定适应性。

  • 局限性： 通常测量范围相对较窄，对于超宽中厚板可能需要多个传感器进行拼接。系统集成相对复杂，需要对轮廓数据进行处理以提取宽度信息。

  • 成本考量： 单个传感器成本较高，且需要配合高性能的控制器和软件。

机器视觉/智能相机技术

这好比让相机“看”着中板，然后通过图像识别技术来找出它的边界。

• 具体工作原理和物理基础： 通过高分辨率的工业相机拍摄中厚板的图像。相机会捕捉到中板的整个视野范围。然后，内置的图像处理单元或外部的机器视觉系统会运行复杂的图像处理算法。这些算法通过分析像素的亮度、颜色、纹理等特征，精确地检测出中板的边缘位置。例如，使用亚像素级的边缘检测算法和卡尺工具，可以在图像中找出两个清晰的边界线。系统根据预先标定的像素与物理尺寸的转换关系，实时计算并输出中板的宽度。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 分辨率：高像素，如2600万像素。

  • 检测速度：取决于相机帧率和图像处理速度，支持高速在线检测。

  • 视野范围：取决于镜头和工作距离，高分辨率可实现大视野高精度。

  • 精度：基于高分辨率图像和先进算法，可达亚像素级精度。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 提供强大的图像处理算法和智能分析能力，能应对复杂的中板表面特征和环境光变化。系统高度灵活和可配置，可用于多种检测任务。除了宽度，还能进行表面缺陷检测等。

  • 局限性： 对环境光要求较高，可能需要额外的光源或遮光罩。计算量大，可能对处理器的性能要求高。

  • 成本考量： 相机、光源、图像处理单元和软件的组合成本较高。

光学尺寸测量技术

这种方法有点像“光幕”或者“光栅”，通过光束的遮挡来判断物体的大小。

• 具体工作原理和物理基础： 光学尺寸测量仪通常由发射器和接收器组成。发射器发出特定形式的光束（可能是并行的多束激光、条状光或面状光），接收器则检测光束被中板阻断或反射的情况。通过高精度的光学元件和线性阵列（CCD或CMOS）接收器，系统能够精确地识别中板的两个边缘在光束中的位置。例如，如果是测量光幕，当钢板经过时，被遮挡的光束数量和位置就能推算出宽度。结合内部算法和预设的校准数据，系统实时计算并输出中板的精确宽度。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：取决于型号和配置，可支持较宽范围的宽度测量。

  • 分辨率：可达0.1 mm至1 mm。

  • 测量速度：光学检测通常支持高速在线应用。

  • 重复精度：在良好环境下可达亚毫米级。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 结构相对简单，易于安装和维护，具有成本效益。对环境光干扰有较好的抵抗力。响应速度快。

  • 局限性： 测量精度可能不如激光轮廓或机器视觉系统。可能不适用于测量复杂形状的物体，主要用于测量标准宽度。

  • 成本考量： 相对较低，尤其是基础型号。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是中厚板宽度测量领域中一些主流国际厂商及其解决方案的简要对比：

• 日本基恩士（采用激光轮廓测量技术） 日本基恩士的激光轮廓测量系统，如LJ-X8000系列，采用激光线束投射和高速CMOS图像传感器接收的方式，利用三角测量原理获取中板的二维横截面轮廓数据。该系统通常配置两个或多个传感器，精确捕捉两侧边缘并结合编码器信号计算宽度。其核心优势在于提供高速、高精度的在线测量，Z轴重复精度最高可达±0.5 µm，扫描速度最快16 kHz，X方向测量范围最大600 mm。它能有效应对不同表面条件，产品设计紧凑，易于集成和操作。

• 英国真尚有（采用基于飞行时间/相位差的激光测距技术） 英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，测量范围从0.05米至500米，精度为±1mm，测量速度高达250Hz。该系列传感器的特点是能够测量高达1550℃的高温物体表面距离，并且具有IP65级防护等级和-40至+60°C的扩展温度范围，适用于重工业和户外应用。在中厚板宽度测量中，通常使用两个LCJ系列传感器分别对准板材两侧边缘，通过精确同步和数据处理来获得宽度值。这种方案的优势在于测量距离远，对高温和恶劣环境适应性强，安装和调试相对简单，成本效益较高，但需要考虑两个传感器协同工作的精度和同步性。此外，该系列传感器提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB），以及高精度模拟输出和可编程数字输出，方便集成到不同的控制系统中。

• 德国米克朗（采用激光轮廓测量技术） 德国米克朗的scanCONTROL 3000系列激光扫描仪，同样基于光学三角测量原理，向中板表面投射激光线，通过高分辨率CMOS传感器捕获轮廓。对于宽度测量，通常配置多台扫描仪检测边缘。该系列扫描仪的Z轴重复精度低至 1 µm，扫描速率最高可达4 kHz，扫描宽度14 mm至240 mm。德国米克朗的优势在于卓越的测量精度和高速数据采集能力，对不同材料表面有良好适应性，传感器结构紧凑，易于集成。

• 美国科勒尔（采用机器视觉/智能相机技术） 美国科勒尔的In-Sight 9910系列智能相机，利用其高像素CMOS传感器捕获中板的高分辨率图像。通过内置的强大机器视觉工具，如亚像素级边缘检测，精确识别中板两侧边缘在图像中的位置，并计算宽度。其分辨率高达2600万像素，精度可达亚像素级。美国科勒尔的优势在于提供强大的图像处理算法和智能分析能力，能应对复杂的中板表面特征和环境光变化，系统高度灵活和可配置，可用于多种检测任务。

• 德国西克（采用光学尺寸测量技术） 德国西克的OMT系列光学尺寸测量仪，采用发射器发出光束、接收器检测光束阻断或反射的光学原理进行非接触测量。系统通过高精度的光学元件和线性阵列接收器，精确识别中板的两个边缘位置，实时计算宽度。其分辨率可达0.1 mm至 1 mm，通常支持高速在线应用。德国西克的优势在于结构相对简单，易于安装和维护，具有成本效益，且产品线广泛，能提供多样化的传感器和解决方案。

（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

在为中厚板产线选择激光测距方案时，需要综合考虑以下关键技术指标及其对测量效果的影响，并根据实际应用场景进行权衡：

• 精度（Accuracy）与重复精度（Repeatability）：

  • 实际意义： 精度指测量值与真实值之间的接近程度，重复精度指多次测量同一目标时，测量结果的一致性。

  • 影响： 高精度和高重复性是确保产品质量的核心。如果精度不足，会导致产品尺寸超出公差范围，造成废品或返工。在要求严苛的宽度公差（如±1毫米甚至更小）的生产线上，选择高重复精度的设备至关重要。

  • 选型建议： 对于精轧产品，要求毫米级甚至亚毫米级精度，应优先选择激光轮廓仪或高分辨率机器视觉系统。对于精度要求稍低的粗轧或切边前宽度测量，高精度激光测距传感器也能满足需求。

• 测量范围（Measurement Range）与扫描宽度（Scanning Width）：

  • 实际意义： 测量范围指传感器可以准确测量的最小到最大距离或宽度。扫描宽度特指激光轮廓传感器能覆盖的横向宽度。

  • 影响： 范围不足会导致无法覆盖待测中厚板的全部宽度，或无法安装在合适的距离。

  • 选型建议： 考虑到中厚板的宽度变化大，选择测量范围足够宽的设备。对于单点激光测距，需要两个传感器总的测量范围能覆盖最大板宽。对于激光轮廓仪，如果单台扫描宽度不足，则需要考虑多台拼接方案。

• 测量速度（Measurement Speed）与响应时间：

  • 实际意义： 测量速度指传感器每秒能进行多少次测量（Hz），响应时间指从测量到输出结果所需的时间。

  • 影响： 产线速度快，如果测量速度慢，可能会错过关键数据或导致数据延迟，无法及时进行工艺调整。低延迟是实现闭环控制的关键。

  • 选型建议： 生产线速度越快，对测量速度要求越高。例如，高速轧机可能需要数千赫兹的扫描速率，而剪切线则可能数百赫兹就足够。应确保传感器的数据刷新率高于产线对数据实时性的要求。

• 分辨率（Resolution）：

  • 实际意义： 指传感器能够识别的最小尺寸变化。

  • 影响： 分辨率决定了测量数据的精细程度。高分辨率可以捕捉到微小的边缘变化或表面缺陷。

  • 选型建议： 与精度要求相匹配，通常高分辨率是实现高精度的前提。

• 环境适应性：

  • 实际意义： 指传感器在恶劣工业环境（高温、粉尘、水蒸气、震动、强光等）下正常工作的能力。

  • 影响： 环境适应性差会导致设备故障、数据不准确或寿命缩短。

  • 选型建议： 必须选择防护等级（如IP65或更高）高、耐高温（如带冷却外套）的传感器。对于多尘多水汽环境，应考虑带有气幕吹扫功能的设备，并能抗环境光干扰。

• 接口类型（Interface Types）：

  • 实际意义： 指传感器与上位机或PLC通信的方式。

  • 影响： 接口不兼容会增加系统集成难度和成本。

  • 选型建议： 选择与现有控制系统兼容的接口类型，如RS232/485/422、以太网、Profinet、EtherCAT等，以便于数据传输和系统集成。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

• 问题1：高温环境对传感器的影响

  • 原因与影响： 中厚板产线环境温度高，传感器长时间工作可能因过热导致性能下降、漂移甚至损坏。高温还会使空气产生折射率变化，影响光束传播。

  • 解决建议：

    • 选择耐高温设计的传感器，或为传感器配备冷却外壳（如水冷或空冷）。

    • 通过合理安装位置，尽量避免传感器直接暴露在最高温区域。

• 问题2：粉尘、水蒸气、油污等污染

  • 原因与影响： 产线空气中常含有大量粉尘、水蒸气、油雾，会附着在传感器光学窗口上，影响激光发射和接收，导致测量信号衰减，精度下降甚至无法测量。

  • 解决建议：

    • 加装气幕保护装置，通过正压洁净空气吹扫光学窗口，防止污染物附着。

    • 定期清洁传感器光学表面。

    • 选择具备自动除尘或自清洁功能的传感器。

• 问题3：中厚板表面反射率不均和氧化皮

  • 原因与影响： 钢板表面可能存在氧化皮、粗糙度不均、颜色深浅不一，导致激光反射信号强度变化大，影响传感器稳定工作。高温下的红热效应也可能产生干扰。

  • 解决建议：

    • 选择对目标表面反射率变化不敏感的传感器，例如部分激光测距和激光轮廓仪能有效处理这类问题。

    • 利用多点测量或高级滤波算法，对不稳定信号进行处理。

    • 对于视觉系统，可选择特定的光源（如蓝光激光、线阵光源）和滤波技术增强图像对比度。

• 问题4：中厚板的晃动、倾斜和振动

  • 原因与影响： 中厚板在输送过程中可能存在上下晃动、横向偏移或轻微倾斜，这些都会引入测量误差。产线本身的振动也会影响传感器支架的稳定性。

  • 解决建议：

    • 采用多传感器协同测量，例如多对激光测距传感器或多个激光轮廓仪，通过数据融合和补偿算法消除部分晃动影响。

    • 选择更 robust 的安装支架，进行减振处理。

    • 采用动态跟踪或角度补偿算法，校正板材倾斜造成的误差。

• 问题5：安装与校准难度

  • 原因与影响： 传感器需要精确安装和定期校准，如果安装位置不当或校准不准确，会直接导致测量误差。

  • 解决建议：

    • 选择安装简便、带有自校准功能的传感器。

    • 在安装初期进行严格的几何校准，并建立详细的校准流程和周期。

    • 使用专业的工装和工具辅助安装。

4. 应用案例分享

• 热轧线宽度控制： 采用激光测距方案，能够实时监测高温环境下钢板的宽度变化，以便及时调整轧机辊缝，保证轧制过程的稳定性和最终产品尺寸的准确性。

• 剪切线定尺与切边： 在中厚板剪切工序前，精确的宽度测量能够指导切边机的刀具位置调整，确保板材按照预设尺寸进行切边，减少废料并优化生产效率。

• 板坯/铸坯宽度测量： 在钢厂连铸或初轧环节，对高温板坯或铸坯进行宽度测量，可以为后续工序提供准确的初始尺寸数据，有助于工艺优化和质量追溯。