如何在1200℃高温和恶劣工况下，实现钢坯的毫米级精准定位与尺寸测量？【钢铁生产线，自动化检测】

1. 基于钢坯的基本结构与技术要求

钢坯，顾名思义，是经过初步轧制但尚未达到成品形状的钢材半成品。在钢铁生产线上，高炉出来的铁水经过精炼、连铸等环节，就会形成一块块高温的钢坯。这些钢坯的尺寸、形状多种多样，从方坯（断面为正方形）、矩形坯（断面为矩形）到板坯（断面较宽的矩形），长度通常在几米到十几米不等。

在高炉或连铸后的生产线上，对钢坯进行精准定位是至关重要的环节。想象一下，如果钢坯在输送带上像一辆辆失控的火车，无法准确停靠或调整方向，那么后续的切割、轧制、打捆等工序就无法顺利进行，甚至可能造成设备损坏或生产事故。因此，定位技术的核心要求是：

• 高温环境适应性： 钢坯出炉或连铸后，表面温度往往高达1000℃甚至1200℃以上。普通的传感器在这种高温下会立即失效，需要特殊的耐高温设计或防护措施。

• 毫米级精度： 尽管钢坯看起来很大，但在切割定尺、精确对中轧制线、或者多块钢坯拼接等应用中，往往需要达到毫米甚至亚毫米级别的定位精度，确保产品质量和生产效率。

• 快速响应： 生产线上的钢坯是不断移动的，为了实时跟踪其位置、速度，并及时发出控制指令，传感器需要具备极高的测量速度和响应频率。

• 恶劣工况的抗干扰能力： 钢铁厂环境往往伴随着大量的蒸汽、粉尘、烟雾、水汽，以及强烈的环境光和热辐射。这些都可能严重干扰传统传感器的测量效果，要求传感器具备强大的抗干扰能力。

• 远距离测量： 有些场景下，为了保护传感器或实现更大范围的监控，可能需要传感器在几米甚至几十米之外进行测量。

• 非接触测量： 高温下的钢坯无法直接接触测量，非接触式测量是唯一可行的方案。

2. 针对钢坯的相关技术标准简介

在钢坯的生产和加工过程中，为了保证产品质量和生产效率，需要对多种参数进行严格监控。这些参数的定义和评价方法，是行业内形成共识的技术规范：

• 尺寸参数： 包括钢坯的长度、宽度和厚度。

  • 定义： 长度指钢坯沿轧制方向的尺寸；宽度和厚度指钢坯断面上的尺寸。

  • 评价方法： 通常采用非接触式测量设备在多个点位进行实时测量，并通过数据处理获取平均值或特定位置的尺寸，与设计值进行比较，评估其尺寸偏差和均匀性。

• 位置参数： 主要包括钢坯在输送线上或轧制区域的纵向位置、横向位置以及是否偏斜。

  • 定义： 纵向位置指钢坯头部或尾部相对于参考点的距离；横向位置指钢坯中心线相对于输送带中心线的偏移量；偏斜则描述钢坯是否与输送方向垂直。

  • 评价方法： 通过多个传感器（如激光测距仪或机器视觉系统）协同工作，实时获取钢坯多个特征点（如边缘、端面）的坐标，然后通过几何算法计算出钢坯的整体位置和姿态。

• 速度参数： 钢坯在生产线上移动的速度。

  • 定义： 钢坯单位时间内移动的距离。

  • 评价方法： 可以通过测量两个固定点之间钢坯通过的时间，或者利用多普勒效应原理的传感器进行直接测量。对于定位系统，通过连续两次定位数据的差值除以时间间隔也可以估算出平均速度。

• 温度参数： 钢坯表面或内部的温度。

  • 定义： 钢坯表面的热辐射强度所对应的温度值。

  • 评价方法： 主要通过红外测温仪或热像仪进行非接触式测量，根据钢坯表面发射的红外辐射强度，结合材料的发射率计算出表面温度。评价时会关注温度的均匀性和是否在工艺允许的温度窗口内。

• 表面质量参数： 钢坯表面是否存在裂纹、划痕、氧化皮、凹坑等缺陷。

  • 定义： 钢坯表面的异常特征。

  • 评价方法： 通常利用机器视觉系统，通过高分辨率相机对钢坯表面进行成像，再结合图像处理算法识别并分类各种缺陷类型和尺寸。

3. 实时监测/检测技术方法

高温钢坯的精准定位是一个复杂的挑战，市面上有多种成熟的测量技术可以应对。这些技术各有特点，就像工具箱里的不同工具，各有所长，适合不同的应用场景。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光飞行时间 (Time-of-Flight, ToF) 测距技术

这种技术的工作原理非常直观。激光测距传感器会发射一个短促的激光脉冲，这个激光脉冲以光速传播，碰到钢坯表面后反射回来，传感器接收到反射光。通过精确测量从激光发射到接收所花费的“飞行时间”，就可以计算出传感器到钢坯的距离。

其物理基础是光速恒定原理。距离 (D) 的计算公式为：D = (c * t) / 2其中：* c 是光在空气中的速度，大约为 299,792,458 米/秒。* t 是激光脉冲从发射到接收的总时间。* 除以 2 是因为激光走了来回两趟。

这种技术需要非常精确的时间测量电路，因为光速极快，即使是几毫米的距离变化，对应的时间差异也只有几十皮秒（1皮秒 = 10^-12秒）。为了提高测量精度和抗干扰能力，现代ToF传感器通常会发射多个脉冲并进行平均，或者采用更复杂的信号处理算法。

核心性能参数：* 测量范围： 典型可达几十米到数百米，高端系统甚至可达上千米，非常适合长距离测量。* 精度： 毫米级，例如±1毫米到±5毫米。* 分辨率： 1毫米到几毫米。* 响应时间： 几十赫兹到数百赫兹，甚至更高，能够满足钢坯高速运动的实时监测需求。

技术方案的优缺点：* 优点： * 测量距离远： 尤其适用于大型钢厂中，传感器需要远离高温区域或需要覆盖广阔区域的场景。 * 非接触： 对高温钢坯无任何影响。 * 抗干扰能力强： 通过特定的光学滤波和信号处理技术，能有效抑制环境光（如太阳光）和高温热辐射的干扰。 * 适用性广： 对目标表面颜色、光泽度变化不敏感，即使是低反射率的深色钢坯也能稳定测量。* 缺点： * 精度极限： 相较于某些短距离高精度技术，ToF的亚毫米级精度实现难度较大，通常在毫米级别。 * 对蒸汽、粉尘敏感： 在极度恶劣的烟雾、蒸汽环境下，激光束可能会被散射衰减，影响测量稳定性和准确性。

3.1.2 激光三角测量技术

激光三角测量的工作原理是，传感器会发射一束点状激光到钢坯表面，激光点在表面形成一个光斑。当钢坯与传感器之间的距离发生变化时，这个光斑在传感器内部接收器上的位置就会移动。通过精确测量光斑位置的变化，再结合预设的光学几何参数，就可以计算出钢坯的距离。

其物理基础是简单的三角几何原理。可以简化为：D = f * B / (p - p0)其中：* D 是被测距离。* f 是接收透镜的焦距。* B 是激光发射器和接收器之间的基线距离。* p 是光斑在接收器上的位置。* p0 是参考距离时光斑在接收器上的位置。

核心性能参数：* 测量范围： 通常较短，几十毫米到几百毫米，最长可达数米。* 精度： 亚毫米级甚至微米级，例如±0.05毫米到±0.5毫米。* 分辨率： 0.01毫米到0.1毫米。* 响应时间： 几十赫兹到几千赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度： 在短距离内能实现非常高的测量精度，适合精细尺寸测量和边缘定位。 * 对表面颜色变化适应性强： 多数传感器能通过内置算法适应目标表面光泽度、颜色变化。* 缺点： * 测量距离短： 无法满足远距离定位需求。 * 受测量角度影响： 对传感器的安装位置和角度有较高要求，目标表面倾斜角度过大可能影响测量精度。 * 对目标反射特性敏感： 镜面反射或透明物体可能导致测量困难。

3.1.3 机器视觉技术

机器视觉技术使用高分辨率工业相机实时拍摄高温钢坯的图像。这些图像被传输到计算机，通过专门的机器视觉软件进行“解读”。软件能够识别钢坯的轮廓、边缘、尺寸、甚至表面的特征点，通过复杂的几何计算，就能精确地确定钢坯在二维平面上的位置、方向、形状，甚至检测缺陷。在高温环境下，还需要特殊的抗高温镜头、滤光片来减少红外辐射的干扰，并配备强大的冷却系统来保护相机。

核心性能参数：* 分辨率： 从几十万像素到数千万像素，决定了图像的细节捕捉能力。* 帧率： 每秒拍摄的图像数量，从几十帧到数百帧，影响动态测量的实时性。* 定位精度： 通常可达像素级别，通过亚像素处理可达0.1毫米甚至更高。

技术方案的优缺点：* 优点： * 信息丰富： 能提供全面的二维图像信息，不仅仅是距离，还能检测形状、缺陷、多点同时定位。 * 灵活性高： 软件可编程，适应各种复杂的测量和检测任务。 * 非接触： 对钢坯无任何物理干预。* 缺点： * 系统复杂性高： 需要相机、镜头、光源、防护罩、冷却系统、计算机、专业软件等多个组件协同工作，集成和维护成本较高。 * 环境敏感： 烟雾、蒸汽、灰尘会严重影响图像质量，需要配备空气吹扫和强力照明。 * 计算量大： 实时处理高分辨率图像需要强大的计算能力。

3.1.4 红外热像技术

红外热像技术专门捕捉高温物体自身发出的热辐射。所有温度高于绝对零度的物体都会向外辐射红外线，温度越高辐射越强。红外热像仪通过其内部的探测器阵列，实时接收钢坯表面发射的红外辐射，并将这些辐射强度转换为一张“热图”（温度分布图）。通过分析这张热图，就可以清晰地识别出钢坯的轮廓、边缘、尺寸和精确位置，甚至发现钢坯表面温度不均等问题。由于测量的是物体自身的热辐射，因此它对环境可见光不敏感。

核心性能参数：* 测温范围： 典型可覆盖200℃到1800℃，满足绝大多数钢坯的温度测量需求。* 空间分辨率 (IFOV)： 衡量热像仪能分辨的最小细节，通常以毫弧度表示。* 帧率： 几十赫兹到数百赫兹，影响实时监测能力。* 光谱范围： 短波红外（SWIR）通常更适合高温物体，抗烟雾能力较强。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极端环境适应性： 对烟雾、蒸汽、粉尘的穿透能力比可见光和普通激光更强，能在非常恶劣的环境下稳定工作。 * 非接触式测温与定位一体化： 除了定位，还能提供全面的温度场分布信息，对工艺控制非常有价值。 * 无需额外光源： 利用物体自身热辐射，不依赖外部照明。* 缺点： * 成本较高： 相较于单一功能的测距传感器，红外热像仪系统通常更昂贵。 * 分辨率限制： 在极远的距离上，细节分辨能力可能不如高分辨率机器视觉相机。 * 对物体发射率敏感： 测量温度时，需要准确知道钢坯的表面发射率，否则可能引入误差。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在高温钢坯定位领域有代表性的主流国际品牌及其解决方案。

• 德国西克

  • 采用技术： 激光飞行时间 (ToF) 测距技术。

  • 核心参数： 测量范围可达1000米，重复精度±5毫米，分辨率1毫米。工作温度在传感器本体层面为-40 °C 至 +60 °C。

  • 应用特点与优势： 德国西克的测距传感器以其超长距离测量能力和快速响应著称，在大型钢厂的长距离钢坯定位、物位测量等场景表现优异。它的抗干扰能力较强，能应对一定程度的恶劣环境。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光飞行时间 (ToF) 测距技术。

  • 核心参数： 测量范围0.05至500米，最高精度±1毫米，测量速度高达250Hz。可测量最高表面温度1550℃的物体，扩展工作温度范围-40 ... + 60°C，IP65防护等级，提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）以及高精度模拟输出（0.1%）和两个可编程数字输出。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有LCJ系列在高温测量和高精度之间取得了很好的平衡，其±1mm的精度在ToF产品中表现出色，并且能直接测量高达1550℃的物体表面，这是很多同类产品难以达到的。高测量速度使其能很好地适应钢坯的动态定位需求，同时坚固的IP65防护和宽泛的本体工作温度范围也增强了其在严苛工业环境下的可靠性。其多种接口选择也为系统集成提供了便利。

• 美国邦纳

  • 采用技术： 激光三角测量技术。

  • 核心参数： 检测范围25毫米至300毫米，重复精度0.1毫米至0.5毫米，分辨率0.03毫米至0.2毫米。工作温度在传感器本体层面为-10 °C 至 +50 °C。

  • 应用特点与优势： 美国邦纳的激光距离传感器以其在近距离内的超高测量精度而闻名，特别适合于钢坯的精细尺寸测量、边缘检测或在非常短的距离内进行高精度定位。它对目标颜色和光泽度变化具有良好的适应性，但受限于较短的测量距离。

• 加拿大泰莱达因达尔萨

  • 采用技术： 机器视觉技术。

  • 核心参数： 分辨率可达多百万像素，帧率数十到数百帧每秒。工作温度在相机本体层面为0°C 至 +65°C。

  • 应用特点与优势： 加拿大泰莱达因达尔萨的工业相机配合机器视觉软件，能够提供钢坯的二维图像信息，进行复杂的几何测量、多点同时定位和表面缺陷检测。它的优势在于能获取丰富的信息量，但需要一套完整的系统集成，并对现场环境有较高要求。

• 法国HGH红外系统

  • 采用技术： 红外热像技术。

  • 核心参数： 测温范围200°C 至 1800°C，空间分辨率0.5毫弧度至2毫弧度，帧率可达50Hz/60Hz。防护等级IP66 (带冷却套)。

  • 应用特点与优势： 法国HGH红外系统的红外热像仪在极端恶劣环境下的稳定性表现突出，它不仅能实现钢坯的精确定位和轮廓识别，还能提供完整的温度场分布，对于需要同时监控钢坯位置和温度的应用具有独特优势。

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

选择合适的定位设备，就像选择适合特定任务的专业工具。需要综合考虑多个关键技术指标，因为它们直接决定了设备在实际应用中的表现。

• 测量精度 (Accuracy)：

  • 实际意义： 指测量结果与真实值之间的接近程度。

  • 影响： 直接决定了钢坯定位的精细程度。

  • 选型建议： 精度要求越高，设备成本通常越高。应根据实际工艺对定位的严格程度来选择，避免过度追求高精度造成不必要的投入。

• 测量范围 (Measurement Range)：

  • 实际意义： 指传感器能够有效测量距离的最小值和最大值。

  • 影响： 决定了传感器的安装位置和能覆盖的监控区域。

  • 选型建议： 测量距离应略大于实际应用所需，留有余量。

• 测量速度 / 响应频率 (Measurement Speed / Response Frequency)：

  • 实际意义： 指传感器每秒钟能完成多少次测量。

  • 影响： 直接决定了系统对钢坯高速运动的捕捉能力。

  • 选型建议： 生产线速度越快，对测量速度的要求越高。

• 环境适应性 (Environmental Robustness)：

  • 实际意义： 包括传感器的工作温度范围、防护等级 (IP rating)、抗震动能力、抗干扰能力。

  • 影响： 决定了传感器在钢铁厂恶劣环境下的稳定性和寿命。

  • 选型建议： 这是钢铁行业选型中最重要的指标之一。

    • 耐高温： 传感器本体工作温度要符合环境要求，或配备冷却套、水冷系统。能直接测量高温物体表面的能力也是关键。

    • IP防护： 至少IP65，最好IP67或更高，防尘防水。

    • 抗干扰： 针对现场常见的烟雾、蒸汽、粉尘、强环境光等，选择有针对性技术的传感器。

• 输出接口 (Output Interface)：

  • 实际意义： 传感器与上位机或PLC进行数据通信的方式。

  • 影响： 决定了传感器与现有控制系统的集成难度和通信效率。

  • 选型建议： 应选择与现场控制系统兼容的接口类型，以简化集成。多功能接口可以提供更大的灵活性。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的传感器，在高温钢坯的实际定位应用中，仍然可能遇到各种问题，影响定位的稳定性和准确性。

• 问题：高温热辐射干扰

  • 原因与影响： 高温钢坯会发出强烈的红外辐射，可能被传感器接收，导致测量值漂移或不准确。

  • 解决建议：

    • 选择高温型传感器： 选用本身就具备高环境温度承受能力和能直接测量高温物体表面的传感器。

    • 加装冷却系统： 为传感器配备水冷或风冷防护罩，保持在适宜工作温度。

    • 光学滤光片： 使用窄带滤光片，只允许特定波长的激光通过，有效滤除其他波长的红外辐射干扰。

• 问题：烟雾、蒸汽和粉尘遮挡/散射

  • 原因与影响： 钢铁生产现场常常伴随着大量的烟雾、蒸汽、粉尘颗粒，导致激光信号衰减，造成测量不稳定甚至中断。

  • 解决建议：

    • 空气吹扫装置： 在传感器镜头前安装空气吹扫喷嘴，持续向镜头吹送清洁空气，形成“气帘”防止粉尘和水汽附着或遮挡。

    • 高功率激光器： 选择发射功率更大的激光器，提高激光穿透能力。

    • 短波红外（SWIR）技术： 对于机器视觉和热像仪，短波红外波段的光线在穿透烟雾和蒸汽方面表现更好。

    • 多传感器冗余： 在关键位置部署多个传感器，通过数据融合提高可靠性。

• 问题：钢坯表面反射特性变化

  • 原因与影响： 钢坯表面可能存在氧化皮、粗糙度不均、水膜等，导致激光反射强度不稳定，影响测量精度。

  • 解决建议：

    • 大光斑激光器： 使用光斑较大的激光器，可以平均掉局部表面不均带来的影响。

    • 高级信号处理算法： 采用更复杂的数字信号处理算法，能从微弱或不稳定的反射信号中提取出有效信息。

    • 角度优化： 调整传感器安装角度，尽量避免镜面反射，确保接收到足够漫反射信号。

• 问题：机械震动和安装不稳

  • 原因与影响： 生产线上的重型机械设备运行会产生剧烈震动，如果传感器安装不牢固，会导致测量点位不固定，产生额外误差。

  • 解决建议：

    • 坚固的安装支架： 使用重型、抗震的专用支架，并确保固定牢靠。

    • 减震垫： 在传感器和支架之间加装减震材料，吸收部分震动能量。

    • 定期校准： 即使安装牢固，也应定期检查和校准传感器，确保其指向性和位置没有偏移。

4. 应用案例分享

• 钢坯定尺切割： 在连铸或轧制线上，激光测距传感器精确测量钢坯的实时长度，指导剪切机在最佳位置进行切割，确保成品长度符合要求，减少废料产生。例如，英国真尚有LCJ系列激光测距传感器，凭借其高达250Hz的测量速度和±1mm的精度，可以胜任高速运动下钢坯的精确测量任务。

• 连铸机钢坯液位控制： 激光测距传感器安装在结晶器上方，实时监测钢水液位，并将数据反馈给控制系统，精确控制拉坯速度，保障连铸过程的稳定性和铸坯质量。

• 轧钢机对中定位： 在钢坯进入轧机前，通过多个激光测距传感器或机器视觉系统，精确测量钢坯的横向位置和偏斜度，引导调整，确保钢坯准确进入轧辊中心，避免跑偏或咬入不正。

• 钢坯库库存管理： 在自动化钢坯库中，激光测距传感器结合轨道小车，可以实时测量每块钢坯的精确位置，实现高效的入库、出库和库存盘点，提高物流效率。