回收料场恶劣工况下，如何选择非接触式传感器，实现数十米高料堆的厘米级高度与体积精确监测？【散料管理，自动化监测】

1. 回收料堆的基本结构与技术要求

回收料堆，顾名思义，是回收料场中堆放各类待处理或已处理的散装物料。这些物料种类繁多，比如废纸、废塑料、金属碎屑、建筑垃圾等，因此料堆的物理特性也多种多样。想象一下，就像儿童堆积木，但积木的材质、大小、形状都非常不规则。

在结构上，回收料堆通常呈现出不规则的锥形或丘陵状，其高度和形状会随着物料的不断加入或取出而动态变化。料堆的表面可能凹凸不平，存在坡度，甚至不同区域的反射率（对光的反射能力）和吸声性（对声音的吸收能力）也有很大差异。

针对回收料堆的高度监测，我们面临着一些特殊的技术要求：

• 非接触式测量：由于物料可能带有腐蚀性、磨损性，或者只是为了避免传感器被碰撞损坏，非接触式测量是首选，这能大大降低传感器的维护频率和使用寿命。

• 高精度与稳定性：为了精确控制库存、优化进料出料，甚至进行体积计算，对料堆高度的测量需要达到毫米甚至厘米级的精度。同时，在料场恶劣环境下，传感器必须能持续提供稳定可靠的数据。

• 恶劣环境适应性：回收料场普遍存在高粉尘、潮湿、振动、噪音，甚至温度变化剧烈等问题。传感器需要具备高防护等级，能抵抗这些环境因素的侵蚀和干扰。

• 宽测量范围：料堆的高度变化范围可能很大，从几米到几十米不等，因此传感器需要覆盖足够大的测量距离。

• 快速响应：物料的堆积或输送是动态过程，传感器需要快速响应高度变化，以便实时反馈和控制。

• 低维护成本：在充满粉尘的环境中，频繁的清洁或校准会显著增加运行成本。因此，选择本身抗污能力强、带有自清洁功能或无需频繁校准的传感器至关重要。

2. 针对回收料堆的相关技术标准简介

在回收料堆的监测中，主要关注以下几个关键参数及其评价方法：

• 高度（Height）：指传感器安装点到料堆表面特定点的垂直距离。其定义通常是空间坐标系中传感器参考零点到被测表面反射点的距离。评价方法包括单点测量、多点采样后取平均值或最大/最小值。

• 物位（Level）：在某些语境下与高度相似，但更侧重于料仓或容器内散装固体材料的总体填充程度。通常用传感器测量的距离与料仓总高度的差值来表示，或者以百分比形式表示料仓的满度。

• 轮廓（Profile）：指料堆表面的形状和起伏。对于不规则的料堆，仅靠一个点的高度无法全面描述。轮廓测量通过获取料堆表面多个点的三维坐标数据来建立一个数字模型，反映其真实形状。

• 体积（Volume）：料堆所占据的空间大小，是管理库存和评估物料量的关键参数。通常通过采集料堆的轮廓数据，结合特定的算法进行三维建模和积分计算得出。

• 填充率（Fill Rate）：料仓或堆场中物料实际体积与其总设计容积的百分比。这有助于判断存储空间的利用效率，并优化调度。

这些参数的评价通常依赖于传感器输出的原始距离数据，再通过上位机软件进行数据处理、计算和可视化。例如，如果想要知道一个料仓的填充百分比，就需要知道料仓的总高以及传感器当前测得的料面高度。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在回收料场实现料堆高度的高精度监测，市面上有多种成熟的非接触式测量技术可供选择。这些技术各有特点，就像是不同类型的“眼睛”，它们“看”东西的方式和擅长的领域各不相同。

3.1.1 光学三角测量激光位移技术

光学三角测量技术是利用几何原理来精确测量距离的。想象一下，你站在一个地方，手里拿着激光笔，笔指向墙上的一个点。如果你向后退一步，那么墙上的激光点看起来就好像向旁边移动了（尽管它实际上还在你正对的方向）。传感器正是利用了这种“错位感”来计算距离。

工作原理和物理基础：传感器内部，一个激光发射器（通常是激光二极管）会向被测物体表面发射一个可见的激光点。这个激光点打到物体表面后，会反射回来。反射回来的光线不会直接射回发射器，而是被放置在一定角度的接收器（通常是一个CMOS或PSD阵列）捕捉到。

当被测物体的距离发生变化时，反射光斑在接收器上的位置也会相应地移动。由于发射器、接收器以及被测物体上的激光点形成一个三角形，并且发射器与接收器之间的距离以及它们与激光束之间的夹角都是已知且固定的，因此通过测量光斑在接收器上的位置变化，就可以根据三角函数关系精确计算出传感器与物体之间的距离。

其基本几何关系可以简化为：D = (L * f) / x其中：* D 是传感器到被测物体的距离。* L 是激光发射器与接收器之间的基线距离。* f 是接收器光学透镜的焦距。* x 是光斑在接收器阵列上相对于参考点的位移量。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：通常在几毫米到十几米之间，具体取决于传感器设计和激光功率。* 测量精度：激光测量精度一般为±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达±0.015mm。* 响应时间：通常非常快，可达毫秒级甚至微秒级。* 光源：常用红色半导体激光。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度：在短距离测量中，光学三角测量可以达到极高的分辨率和重复精度，非常适合需要精细测量的场景。 * 非接触：避免了与物料的直接接触，减少磨损和污染。 * 快速响应：能够实时捕捉料堆表面的动态变化。 * 适用性广：对于各种颜色和纹理的表面，通过调整激光功率或接收器灵敏度，都能取得较好的测量效果。* 缺点： * 对环境敏感：激光光束容易受到粉尘、水汽、烟雾等颗粒物的干扰，导致光信号衰减或散射，影响测量精度和稳定性。在回收料场这种高粉尘环境下，需要特殊的防护措施（如空气吹扫）。 * 测量范围有限：相对于雷达或TOF激光，其有效测量距离通常较短，不适用于超长距离的料堆监测。 * 受表面特性影响：对于极度光滑或镜面反射的物体，或者吸光性很强的黑色物体，可能会出现测量困难。 * 安装要求：需要保证传感器与被测表面之间有清晰的视线，且安装角度对精度有一定影响。

3.1.2 脉冲飞行时间（TOF）激光位移技术

脉冲飞行时间（Time-of-Flight, TOF）激光技术的工作原理，就像你用一个计时器来测量光线往返的“短跑”时间。传感器发出一个激光脉冲，这个脉冲以光速飞向目标，碰到目标后再反射回来。传感器接收到反射光后，就立即停止计时。根据光速和计时时间，就能算出距离。

工作原理和物理基础：传感器发射一个非常短的激光脉冲，这个脉冲以接近光速（c）的速度传播。当激光脉冲碰到被测物体的表面时，会发生反射，并以同样的速度返回传感器。传感器内部的高速计时器会精确测量从激光发射到接收到反射光之间的时间差（t）。

由于光速是已知常数，因此传感器到物体的距离D可以通过以下公式计算：D = (c * t) / 2其中：* D 是传感器到被测物体的距离。* c 是光速（约 3 x 10^8 米/秒）。* t 是激光脉冲从发射到接收的总飞行时间。除单点测量外，有些TOF激光传感器还通过内部旋转镜片实现2D甚至3D扫描，构建出物体的轮廓和体积信息。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：从几米到上百米甚至更远。* 测量精度：通常在厘米级到分米级，对于某些高精度型号可达毫米级。* 响应时间：从几十毫秒到几毫秒不等。* 光源：通常是红外或可见光激光。

技术方案的优缺点：* 优点： * 长距离测量：能够实现远距离的精确测量，适用于大型料堆或广阔的堆场。 * 抗干扰能力相对较强：相比光学三角测量，TOF激光对目标表面的颜色、纹理、角度依赖性较低，对一般粉尘也有一定的穿透能力。 * 可实现2D/3D扫描：通过扫描机构，可以获取料堆的完整轮廓和体积数据，远超单点测量。* 缺点： * 精度不如三角测量：在极短距离内，其精度通常不如光学三角测量。 * 仍受环境影响：在极端浓度的粉尘、浓雾或强降雨环境下，激光信号仍会衰减，影响测量。 * 成本较高：2D/3D扫描型TOF激光传感器通常价格不菲。

3.1.3 高频脉冲雷达物位测量技术

高频脉冲雷达技术，就像是在料场上空部署了一个“微波眼”。它不发射可见光，而是发射一种特殊的电磁波——微波。这种微波的特点是穿透力强，不易受粉尘、蒸汽等干扰，就像你通过对讲机在浓雾中也能听到声音一样。

工作原理和物理基础：雷达传感器发射极短的高频电磁波脉冲（通常在GHz频段，如80GHz）。这些电磁波以光速传播到被测介质表面（即料堆表面）。当电磁波遇到料堆表面时，一部分能量会被反射回来，形成回波。传感器接收到回波后，会精确测量从发射脉冲到接收回波之间的时间差（即飞行时间）。

由于电磁波在空气中的传播速度是恒定的（近似光速），传感器通过测量这个飞行时间，即可根据以下公式计算出传感器到料堆表面的距离：D = (c * t) / 2其中：* D 是传感器到被测物体的距离。* c 是电磁波在空气中的传播速度（近似光速，约 3 x 10^8 米/秒）。* t 是电磁波脉冲从发射到接收的总飞行时间。高频雷达（如80GHz）具有更短的波长和更窄的波束角，这使得它能够更集中地将能量投射到料堆表面，减少了对料仓内壁或其他障碍物的干扰，提高了测量精度和可靠性。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：非常广，可达几十米甚至上百米。* 测量精度：通常在毫米级（如±3毫米）。* 响应时间：较快，一般在几十毫秒到几百毫秒。* 频率：常用的有26GHz和80GHz。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极强的环境适应性：对粉尘、蒸汽、温度、压力、介质表面波动等恶劣工况具有出色的穿透能力和抗干扰能力，是回收料场等极端环境下的理想选择。 * 测量稳定可靠：不受介质物理特性（如颜色、密度、导电率）的影响，确保数据长期稳定。 * 测量范围广：适用于各种大小的料仓或露天堆场。 * 波束角小：高频雷达的波束角小，能够精确聚焦于料面，避免侧壁干扰。* 缺点： * 成本较高：相比超声波和部分激光传感器，雷达传感器的初始投资成本通常更高。 * 对安装位置有一定要求：需要避免安装在进料口正下方或强干扰源附近。

3.1.4 超声波物位测量技术

超声波技术，你可以想象成蝙蝠用声波来“看”东西。它发出人耳听不到的超声波，声波碰到障碍物后会反射回来，然后传感器通过计算声波往返的时间来判断距离。

工作原理和物理基础：超声波传感器向被测介质表面发射一系列高频声波脉冲。这些声波以已知（但受温度影响）的速度在空气中传播，撞击到料堆表面后反射回来，被传感器接收。传感器测量声波从发射到接收之间的飞行时间。

由于声波在空气中的传播速度（v）是已知的（受温度、湿度等因素影响，通常需要温度补偿），传感器可以通过以下公式计算出传感器到料堆表面的距离：D = (v * t) / 2其中：* D 是传感器到被测介质表面的距离。* v 是声波在空气中的传播速度。* t 是声波脉冲从发射到接收的总飞行时间。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：从几十厘米到几十米（例如，针对固体可达15-20米）。* 测量精度：通常在厘米级（±0.1%至±0.2%量程）。* 响应时间：一般在几百毫秒到几秒。* 频率：常用的有几十kHz到几百kHz。

技术方案的优缺点：* 优点： * 成本效益高：超声波传感器通常比雷达和高端激光传感器更经济实惠。 * 非接触：避免了与物料的直接接触。 * 易于安装：相对简单，且无需复杂的校准。 * 不受介质电导率、粘度等影响：适用于多种散装固体。* 缺点： * 受环境影响大：声波传播速度受温度、压力、湿度影响显著，需要进行温度补偿。在强粉尘、蒸汽、泡沫、强风或空气湍流环境下，超声波信号容易衰减或被吸收，导致测量不稳定或失败。 * 波束角较大：相比高频雷达，超声波的波束角通常较大，容易受到料仓内壁或障碍物干扰。 * 对料堆表面要求高：对于过于松散、吸声性强或倾斜角度过大的料堆表面，回波信号可能较弱或不准确。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在工业测量领域享有盛誉的品牌及其所采用的技术方案，以便更好地理解它们在回收料场料堆高度监测中的应用特点。

德国维萨拉 (采用高频脉冲雷达技术)德国维萨拉是全球物位测量领域的领导者。其VEGAPULS 69系列产品采用先进的80GHz高频脉冲雷达技术，能够发射极短的电磁波脉冲。这种高频特性使其波束角极小，能量集中，拥有出色的抗干扰能力，在回收料场常见的粉尘、蒸汽、噪音甚至介质表面波动等恶劣工况下，都能提供稳定且精确的测量。其核心参数显示，测量范围可达最大120米，测量精度高达±3毫米，过程温度宽泛，防护等级可达IP69K。对于需要大范围、高可靠性和低维护的回收料堆监测，维萨拉的雷达方案是一个非常坚固和可靠的选择。

英国真尚有 (采用光学三角测量激光技术)英国真尚有ZLDS116激光位移传感器采用光学三角测量原理，通过观察激光点在被测表面反射后在二极管阵列上的位置变化来计算距离。该传感器测量范围最大可达10米，精度最高可优于0.08%（具体取决于测量范围），响应时间仅为5毫秒，非常适合动态且需要高精度监测的场景。特别值得一提的是，ZLDS116具有IP66的防护等级并配备空气净化系统，能在一定程度上抵御粉尘环境，同时可选的水冷系统使其可在高达120°C的环境下工作，甚至可测量1300°C的高温物体。这使得它在回收料场中对中短距离、高精度且可能存在高温物料（如某些热压块）的料堆高度监测具有优势。

日本基恩士 (采用光学三角测量激光技术)日本基恩士以其创新的传感器技术闻名。其LK-G5000系列激光位移传感器同样基于光学三角测量原理，但结合了三点（或双点）共焦光学系统和高精度CMOS图像传感器，实现了惊人的测量精度。这款传感器主要用于短距离的超高精度测量，例如其LK-G507型号的测量范围为±2毫米（中心距离50毫米），但精度高达0.01微米，重复精度0.02微米，采样速度最高可达392kHz。虽然其测量范围较短，不适用于大型料堆的宏观监测，但对于回收流程中需要对精细物料进行微米级高度或形状控制的环节（如精确分拣前的物料层厚度控制），它能提供无与伦比的精度和速度。防护等级为IP67，具备良好的防尘防水能力。

德国西克 (采用脉冲飞行时间（TOF）激光扫描技术)德国西克LMS511户外激光测量传感器采用脉冲飞行时间（TOF）原理，并结合了2D激光扫描功能。这意味着它不仅能测量单个点的高度，还能通过内部高速旋转镜片，在指定角度范围内进行连续扫描，从而获取被测区域的详细二维轮廓数据。对于形状不规则、动态变化的回收材料堆，LMS511能够进行精确的高度和体积监测，远超单点测量。其测量范围最大可达80米（针对10%反射率目标），扫描角度最高190°，扫描频率最高100Hz，精度为±30毫米（在1米至20米范围内），防护等级为IP67。这使其成为大范围回收料场堆场或料仓中，需要获取料堆形状和体积信息的理想选择。

瑞士恩德斯豪斯 (采用超声波技术)瑞士恩德斯豪斯作为全球领先的测量仪表供应商，其FDU91超声波传感器（结合FMU90/990变送器）采用超声波飞行时间原理进行物位测量。它发射高频声波脉冲，通过测量声波往返时间来计算距离。该技术成熟，成本效益高，测量范围可达0.3米至15米，精度在±0.1%至±0.2%量程之间，防护等级为IP68。超声波传感器不受介质电导率、粘度等物理特性影响，适用于多种散装固体和液体物位测量。在回收料场中，如果预算有限且对精度要求不是极高，同时环境中的粉尘和蒸汽影响可控，恩德斯豪斯的超声波方案是一个经济实用的选择。

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

选择适合回收料场的料堆高度监测传感器，需要像挑选工具一样，考虑它的“刀刃是否锋利”、“把手是否趁手”、“是否耐用”。以下是一些关键的技术指标及其选型建议：

• 测量范围：

  • 实际意义：传感器能够准确测量的最短和最长距离。料堆越高、堆场越大，需要的测量范围就越广。

  • 影响：如果测量范围不够，传感器可能无法覆盖料堆的整个高度变化区间，导致测量盲区或溢出。

  • 选型建议：根据料仓或堆场的最大高度和安装位置来确定。对于几十米的大型料堆，雷达或TOF激光传感器更合适；对于几米到十几米的中小型料堆，激光三角测量也能胜任。

• 测量精度与重复精度：

  • 实际意义：精度指测量结果与真实值之间的接近程度；重复精度指在相同条件下，多次测量结果的一致性。它们决定了你得到的数字有多“真”和多“稳”。

  • 影响：精度不足会导致库存管理失误、投料控制不准；重复精度差则会使数据波动大，无法可靠用于自动化控制。

  • 选型建议：回收料场通常需要毫米到厘米级的精度。对于高精度控制，应选择精度高的激光三角测量传感器或高频雷达；如果只是粗略估算，厘米级精度也可能接受。

• 响应速度：

  • 实际意义：传感器从接收到信号到输出测量结果所需的时间。它决定了传感器能否跟上料堆的动态变化。

  • 影响：响应速度慢可能导致测量滞后，无法实时反映料堆的瞬时高度，影响动态控制和预警。

  • 选型建议：对于频繁进出料、料堆高度变化快的场景，选择毫秒级响应速度的激光传感器（如光学三角测量或TOF激光）。雷达和超声波的响应速度稍慢，但通常也满足大多数静态或慢速动态监测需求。

• 防护等级（IP等级）：

  • 实际意义：国际防护（Ingress Protection）等级，用两位数字表示，第一位代表防尘等级，第二位代表防水等级。等级越高，防尘防水能力越强。

  • 影响：回收料场粉尘大、可能潮湿，防护等级低会导致传感器内部进灰、受潮，从而影响性能甚至损坏。

  • 选型建议：至少选择IP66，最好是IP67或IP68的传感器。对于需要冲洗的设备，IP69K是不错的选择。同时，带有空气吹扫或自清洁功能的光学传感器更能降低维护成本。

• 抗环境干扰能力：

  • 实际意义：传感器抵抗粉尘、蒸汽、环境光、温度变化等因素影响其测量结果的能力。

  • 影响：抗干扰能力差会导致测量数据频繁漂移、不稳定甚至中断，严重影响生产。

  • 选型建议：

    • 高粉尘/蒸汽环境：高频雷达传感器是首选，其电磁波穿透力强。

    • 中度粉尘/有吹扫防护：带有空气净化系统的激光传感器（如英国真尚有ZLDS116）可以考虑。

    • 环境相对清洁：其他激光或超声波传感器可以适用。

• 工作温度范围：

  • 实际意义：传感器能够正常工作的最低和最高环境温度。

  • 影响：超出工作温度范围会导致传感器性能下降、寿命缩短甚至损坏。

  • 选型建议：根据料场实际的极端温度选择，并考虑是否需要额外的冷却（如水冷系统）或加热附件。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在回收料场这种复杂的工业环境中，即使选择了看似完美的传感器，实际应用中也可能遇到一些“小插曲”。了解这些问题并提前做好准备，能帮助我们更高效地应对。

• 粉尘/蒸汽干扰导致测量不稳定

  • 原因：回收物料在倾倒、输送、破碎过程中会产生大量扬尘。若环境潮湿或有水冲洗，还可能产生蒸汽或水雾。这些颗粒物会阻挡或散射激光、超声波信号，导致信号衰减，影响测量精度甚至中断。

  • 影响：传感器输出数据波动大，无法准确反映料堆高度，可能引发误判或控制失误。

  • 解决建议：

    • 对于激光传感器：优先选用带有空气吹扫系统（如英国真尚有ZLDS116的空气净化系统）或防护罩的型号，通过持续的气流吹走光学窗口上的粉尘。定期清洁光学镜头是必要的维护工作，但有了吹扫系统可以大大延长清洁间隔。

    • 对于雷达传感器：选择高频（如80GHz）型号，因为其波长短，能量集中，对粉尘和蒸汽的穿透能力更强，受影响较小。

    • 对于超声波传感器：尽量避免在粉尘或蒸汽特别大的区域使用，或考虑加装挡板以减少直接冲击，但效果有限。

• 料堆表面不平整/倾斜导致单点测量不具代表性

  • 原因：散装物料在堆积时自然形成不规则的坡面，料堆顶部可能凹凸不平。

  • 影响：如果只用一个单点传感器测量料堆最高点或最低点，可能无法准确反映整个料堆的平均高度或真实体积，造成库存估算偏差。

  • 解决建议：

    • 采用多点测量：部署多个单点传感器，通过对多个点的测量数据进行平均、取最大值或最小值，来更全面地评估料堆高度。

    • 使用2D/3D激光扫描仪：例如德国西克的激光扫描仪，可以获取料堆的二维或三维轮廓数据，通过建模算法精确计算出料堆的真实高度和体积。这就像给料堆做了一个“CT扫描”。

• 极端环境温度变化影响传感器性能

  • 原因：回收料场通常是半开放或开放环境，受季节和昼夜影响，温度变化可能很大。

  • 影响：超声波传感器的声速受温度影响大，若无温度补偿会导致测量偏差；其他传感器在超出其工作温度范围时可能性能下降甚至损坏。

  • 解决建议：

    • 选择宽工作温度范围的传感器：确保传感器本身就能适应当地的极端温度。

    • 加装辅助温控设备：对于激光传感器，可以配备水冷或风冷系统（如英国真尚有ZLDS116的水冷系统）以应对高温；在严寒地区，可能需要加装加热器。

    • 超声波传感器务必选择带温度补偿功能的型号。

• 物料特性差异影响测量效果

  • 原因：回收物料种类繁多，其颜色、反射率、颗粒大小、吸声性等物理特性差异很大。

  • 影响：深色或吸光性强的物料可能导致激光传感器信号弱；强反射或不均匀表面可能造成激光或超声波测量不稳定；松散多孔的物料可能吸收超声波。

  • 解决建议：

    • 激光传感器：选择具有多样化激光功率选项或自适应光功率调整功能的型号，以适应不同反射率的物料表面。英国真尚有的激光位移传感器提供2mW、5mW和10mW三种激光功率选项，以适应不同环境和目标温度。

    • 雷达传感器：高频雷达对物料特性（颜色、密度等）不敏感，是应对物料多样性的最佳选择。

    • 超声波传感器：在面对吸声性强的物料时，可能需要调整传感器安装高度或角度，甚至考虑更换为其他技术方案。

4. 应用案例分享

• 散料仓物位监测：在废纸打包站的原料仓内，部署激光或雷达传感器，实时监测废纸堆的高度，确保料仓不溢出，并指导叉车或抓斗精准投放物料，优化仓储空间利用率。

• 输送带上物料高度检测：在回收物料（如塑料颗粒、金属碎块）的输送过程中，通过安装在输送带上方的激光位移传感器，精确测量物料层的高度，从而控制破碎机或分拣设备的进料量，保证生产线的稳定运行和产品质量。例如，使用英国真尚有的激光位移传感器，可以实现对输送带上物料的高度进行精确非接触式测量。

• 露天堆场体积管理：在大型废金属回收堆场，利用2D激光扫描仪（如德国西克的激光扫描仪），定期对废金属堆进行扫描，获取其三维轮廓数据，精确计算堆积体积，实现库存的数字化管理和盘点，提升资产周转效率。