如何在800℃高温、高速轧制的中厚板生产线上，选择高精度毫米级的非接触式长度测量方案？【钢铁自动化】

1. 中厚板长度测量的基本结构与技术要求

在中厚板的生产线上，我们通常会看到炽热的钢坯经过多道轧制，最终形成各种规格的中厚板。这个过程就像是制作一块超大号的饼干，从生面团到成型的饼干，每一步都需要精确控制。而长度测量，就是确保这块“饼干”大小合适的关键一环。

中厚板作为被测物体，其本身具有一些独特的特点和挑战：* 高温: 轧制过程中的钢板表面温度非常高，可能达到800℃甚至更高，这要求测量传感器必须能够耐受高温，或者有可靠的防护措施。想象一下，你不能用普通卷尺去量一块刚出炉的铁板，它会瞬间融化。* 尺寸大、形态多变: 中厚板的长度从几米到几十米不等，宽度也较大。而且在轧制过程中，由于应力、冷却不均等因素，板形可能存在弯曲、翘曲等不规则性，边缘也可能不平整，这会给精准测量带来难度。* 恶劣环境: 生产线上往往伴随着大量的水蒸汽、氧化铁皮（俗称“黑灰”）粉尘、烟雾，以及机械振动等。这些因素都会严重干扰光学传感器的工作，影响测量信号的接收和处理。* 高速运动: 轧制生产线是连续且高速运行的，要求传感器能够快速响应并进行实时测量，才能及时获取数据并反馈给控制系统，确保生产效率。* 表面特性复杂: 中厚板的表面可能粗糙不平，带有氧化层，甚至在某些情况下会反光强烈或者吸光严重（如深色表面），这些都会影响激光等光学传感器的测量效果。

为了确保中厚板的尺寸符合质量要求，长度测量系统需要满足高精度、高稳定性、快速响应和环境适应性等关键技术要求。

2. 针对中厚板的相关技术标准简介

中厚板生产中，除了长度，还有多种参数需要监测和控制，以确保产品质量符合标准。以下是一些核心的监测参数及其评价方法：

• 长度: 指钢板在轧制方向上的总尺寸。通常通过测量钢板头部和尾部在特定基准线上的相对位置来确定。在连续生产中，也可能通过精确测量其通过某个点的速度并进行时间积分来计算。评价方法通常是与设计长度进行对比，超出允许公差范围即为不合格。

• 宽度: 指钢板垂直于轧制方向的尺寸。通常在钢板运动时，通过安装在宽度方向的多个传感器或扫描仪来实时监测其两侧边缘的位置，然后计算出宽度。评价方法同样是与标准宽度及其公差范围进行比较。

• 厚度: 指钢板的垂直高度。在轧制过程中，通常使用X射线、γ射线或激光测厚仪进行非接触式测量。这些设备通过测量射线穿透钢板后的衰减程度或激光反射的时间来确定厚度。评价方法是检查厚度是否在允许的上下偏差范围内。

• 板形/平直度: 指钢板在长度和宽度方向上的平整程度，例如是否存在波浪边、瓢曲、镰刀弯等。这类参数通常通过光学轮廓仪、激光扫描或机器视觉系统，对钢板表面进行三维扫描或图像分析来获取。评价方法涉及对表面起伏、边缘弯曲度等进行量化，并与标准平直度要求对比。

• 温度: 指钢板的表面温度。在高温轧制线上，常用红外测温仪进行非接触式测量。它通过接收物体表面辐射的红外能量来计算温度。温度控制对于轧制工艺和产品晶相组织至关重要，因此需要实时精确监测。

• 表面缺陷: 指钢板表面可能存在的划痕、裂纹、凹坑、异物等。通常采用工业相机配合图像处理算法，对钢板表面进行高速成像和缺陷识别。评价方法是对缺陷的种类、大小、位置进行分类和判断，以决定产品等级。

这些参数的监测都旨在确保中厚板在出厂前达到预设的质量标准，为后续加工和最终用户提供可靠的材料。

3. 实时监测/检测技术方法

中厚板生产线长度测量面临的挑战催生了多种先进的非接触式测量技术。下面我们将深入了解几种主流的技术方案。

1. 市面上各种相关技术方案

（1）基于激光往返时间（Time-of-Flight, ToF）或相位差的直接距离测量技术

这种技术原理是向目标发射一束激光，然后测量激光从发射到目标再反射回接收器所需的时间，或者测量发射光和反射光之间的相位差来计算距离。

工作原理和物理基础:

• 飞行时间法 (ToF): 传感器发射一个短脉冲激光，激光以光速（c）传播，照射到中厚板表面后反射回来。传感器内部的高精度计时器会精确记录激光从发出到接收的总时间（t）。根据光的传播速度是恒定的物理原理，距离（L）可以通过简单的公式计算得出： L = (c * t) / 2 这里的除以2是因为激光走了去和回双向的距离。这种方法就像你对着远处的山喊一声，然后根据听到回声的时间来估算山有多远一样，只不过这里用的是光速和激光。

• 相位差法 (Phase-Shift): 传感器发射调制（即被赋予特定频率信号）的激光束，当这束光照射到中厚板表面并反射回来时，其调制信号会相对于发射信号产生一个相位延迟。通过测量这个相位延迟（Δφ），结合调制光的波长（λ）和光的传播速度（c），就可以计算出距离： L = (Δφ / (2π)) * (c / (2 * f)) = (Δφ / (2π)) * (λ / 2) 其中，f 是调制频率。这种方法有点像测量声波反射的相位，通过相位变化来判断距离，不过激光的频率高得多，所以精度也更高。

在实际应用中，为了提高精度和稳定性，传感器通常会发射一系列激光脉冲并进行多次测量取平均值，同时采用复杂的信号处理算法来滤除环境干扰（如阳光、炉火的光线）和表面不均匀性带来的影响。为了应对高温环境，传感器内部会设计散热系统或搭配冷却保护罩。对于粉尘环境，通常会采用气幕吹扫窗口，防止粉尘堆积影响激光传输。

核心性能参数（典型范围）:* 测量范围: 0.05米至数百米。* 精度: 毫米级，通常在±1毫米到±5毫米之间。* 重复精度: 通常优于测量精度，可达0.1毫米级别。* 测量速度/频率: 从几十赫兹到数百赫兹，意味着每秒可以进行数百次测量。* 工作温度: 传感器本体通常在-40℃至+60℃，配合冷却防护罩可测量高温物体表面。

技术方案的优缺点:* 优点: 测量距离远，可以实现长距离非接触测量；精度较高，适用于工业级长度测量；对目标表面颜色、反射率变化有较好的适应性；能够直接测量高温物体表面距离。* 缺点: 对烟雾、水蒸气和高浓度粉尘等环境干扰比较敏感，可能需要额外的防护和吹扫措施；成本相对较高；在极端恶劣环境下，信号强度可能会衰减，影响测量稳定性和精度。* 适用场景: 钢铁、有色金属、港口物流、冶金、造纸等行业的长度、位置、料位测量。

（2）基于双激光光幕/光学传感器阵列的边缘检测技术

这种技术方案通过在测量区域设置两组高分辨率的光学测量光幕，来精确检测中厚板的首尾边缘位置。

工作原理和物理基础:想象一下，有两堵平行的“激光墙”横跨在钢板的运行路径上。当钢板通过时，它的头部会先遮挡第一堵“墙”的激光，然后尾部离开第二堵“墙”时，激光又会重新被检测到。传感器阵列就像是密集排列的“眼睛”，精确地记录光幕被遮挡的起始和结束位置。通过测量两堵“激光墙”之间的固定距离，以及钢板头部和尾部在各自“墙”上的相对位置，系统就能通过几何计算得出钢板的准确长度。这种方法对钢板表面状况（如颜色、粗糙度）不敏感，因为测量的是遮挡效应，而不是反射光。

核心性能参数（典型范围）:* 测量精度: 毫米级，例如±1毫米。* 重复精度: 亚毫米级，例如±0.1毫米。* 测量范围: 0.1米至100米以上。* 响应时间: 通常在毫秒级。

技术方案的优缺点:* 优点: 测量精度高，重复性好；非接触式测量，对产品无损伤；对高温、蒸汽、粉尘等恶劣环境具有较强的适应性，产品设计通常更坚固耐用；易于集成到现有生产线。* 缺点: 系统通常由多部件组成，安装和校准可能相对复杂；测量范围通常受光幕尺寸限制，需要根据现场情况定制。* 适用场景: 钢铁、冶金行业中厚板、型材的长度和宽度测量，尤其适用于对恶劣环境适应性要求高的场合。

（3）基于激光三角测量原理的边缘检测技术

这种方法主要用于高精度的位移或边缘位置检测。通过部署多个此类传感器来协同工作，从而计算长度。

工作原理和物理基础:传感器发射一束激光到中厚板表面，反射回来的激光被传感器内部的CMOS接收元件（有点像数码相机的感光元件）捕捉。当被测物体表面距离发生微小变化时，反射光点在CMOS元件上的位置也会随之移动。这个光点位置的微小变化，与激光发射角度、接收角度、基线长度等参数构成一个几何三角关系。通过精确计算光点在CMOS上的位置变化，就能高精度地反推出物体表面的距离或位置。当用于长度测量时，可以部署两个或更多个这样的传感器分别测量中板的首尾边缘在固定点上的位置，再结合生产线速度和精确的时序，计算出长度。

核心性能参数（典型范围）:* 测量范围: 毫米到几十毫米。* 重复精度: 微米级。* 采样频率: 极高，可达数百千赫兹。* 线性度: 极佳。

技术方案的优缺点:* 优点: 极高的测量精度和速度，特别适用于高精度在线检测和质量控制；稳定性好，受环境光和工件表面影响相对较小；体积相对小巧，易于集成。* 缺点: 单个传感器测量范围较小，通常用于高精度的微小位移或边缘检测，不适合直接进行大范围长度测量；在长度测量应用中，需要多个传感器或配合运动机构，系统搭建相对复杂，成本较高。* 适用场景: 精密机械加工、半导体、电子产品等行业的高精度尺寸和位移检测。在钢板长度测量中，主要用于高精度边缘位置检测，再结合其他数据进行长度计算。

（4）基于激光多普勒效应的速度和长度测量技术

这种技术不直接测量距离，而是测量物体的速度，然后通过积分计算得到长度。

工作原理和物理基础:多普勒效应大家可能在听警车警笛声变化时有所体会，声音频率会随着警车靠近或远离而变化。激光多普勒效应也类似。传感器向中厚板表面投射两束已知频率差异的激光束，形成一个干涉条纹区域。当钢板表面移动穿过这个区域时，散射回来的激光会因为钢板的运动而产生多普勒频移。传感器通过检测并分析这些反射光的多普勒频移，就能高精度地实时测量出钢板表面的移动速度和方向。一旦得到精确的速度信号V，我们就可以在一段时间T内对其进行积分，从而计算出钢板的长度L：L = ∫ V(t) dt （从钢板头部进入测量区到尾部离开测量区的时间段内进行积分）这种方法就像是在钢板上装了一个“虚拟里程表”，通过记录它在每时每刻跑了多快，然后累加起来，就能知道它总共跑了多远。

核心性能参数（典型范围）:* 速度测量范围: 0.01米/秒至10米/秒。* 长度测量精度: 典型值优于0.1%。* 测量分辨率: 0.1毫米。

技术方案的优缺点:* 优点: 真正的非接触式测量，无磨损，无漂移，无需频繁校准；高精度、高重复性，即使在高速、高温或潮湿等恶劣环境下也能稳定工作；适用于各种表面，包括光滑、粗糙、潮湿或油性表面。* 缺点: 对环境中的水汽和灰尘有一定要求，过多的干扰可能影响信号质量；主要测量通过点的速度，如果钢板在测量过程中存在打滑等现象，可能会影响长度测量的准确性。* 适用场景: 钢铁、造纸、线材、型材等行业的在线速度和长度测量，特别适合连续、高速生产线。

（5）基于工业机器视觉的长度测量技术

这种方法利用相机拍摄图像，然后通过图像处理技术来识别和测量。

工作原理和物理基础:智能相机就像一个“火眼金睛”，它能捕捉到运行中的中厚板的图像。这个“火眼金睛”可不是普通的照相机，它有高分辨率的传感器和强大的处理能力。它会连续拍摄钢板的图像，然后利用内置的图像处理算法（比如，它知道钢板的边缘在图像上应该是什么样子，就像我们用卡尺工具去测量一样），精确地找到钢板的首尾边缘。一旦找到边缘，系统会根据预先校准好的像素尺寸（例如，图像上100个像素对应实际的1毫米）和几何变换，把图像中的像素距离转换成实际的物理长度。如果钢板很长，可以分段拍摄并拼接图像，或者利用多相机系统。

核心性能参数（典型范围）:* 测量分辨率: 可达亚毫米级。* 重复性: 通常为亚像素精度。* 处理速度: 可满足高速在线检测。

技术方案的优缺点:* 优点: 高度智能化和灵活性，可适应各种复杂测量场景和产品变型；能够同时进行多种尺寸测量（如长度、宽度、板形）和表面缺陷检测，实现多功能一体化；提供强大的图像处理能力和数据追溯性，便于质量管理和工艺优化。* 缺点: 对环境光照、钢板表面反射率变化较为敏感，可能需要额外的补光或遮光措施；系统初期投入成本较高，对安装、校准和维护要求较高；图像处理算法的鲁棒性对测量精度影响大。* 适用场景: 各种工业生产线的在线尺寸测量、缺陷检测、定位和质量控制，特别适用于需要多功能、智能化检测的场合。

2. 市场主流品牌/产品对比

在钢铁中厚板长度测量领域，有许多优秀的国际品牌提供了针对性的解决方案。以下是几个在行业内有广泛应用的品牌及其技术特点：

• 法国特尔纳 提供了基于双激光光幕/光学传感器阵列的长度测量仪。该技术通过两组高分辨率光学测量光幕精确检测被测物体的首尾边缘位置，并结合光幕间距和实时边缘位置数据进行几何计算，从而得出物体长度。这种方案专注于钢铁行业，产品专为高温、蒸汽、粉尘等恶劣环境设计，具有坚固耐用和高可靠性的特点。其测量精度可达±1毫米，重复精度±0.1毫米，测量范围超过100米，适应高速生产线且易于集成。

• 英国真尚有 的LCJ系列激光测距传感器，可能采用基于激光往返时间（ToF）或相位差的直接距离测量技术。该系列传感器能够进行精确且无接触的距离测量，最远可测500米，并拥有±1毫米的精度。它适用于重工业和户外应用，能够测量最高达1550℃的高温物体表面距离，并且在深色表面或有太阳辐射的室外环境下也能保证测量准确度。LCJ系列传感器由坚固的金属外壳构成，提供IP65级保护，可在+60℃的环境温度下正常使用，并可配备冷却外壳以应对更高的环境温度。其测量速度高达250Hz，并提供多种串行接口和高精度模拟输出，方便集成。

• 日本基恩士 主要通过其LK-G5000系列超高速高精度激光位移传感器应用于中板边缘检测。该产品基于激光三角测量原理，传感器发射激光束照射到物体表面，通过高速CMOS接收元件精确计算反射光点位置变化来获取距离或位置。在长度测量应用中，它可部署多个传感器检测中板首尾边缘，结合生产线速度进行长度计算。

• 德国西克 的SPEETEC系列非接触式激光速度和长度传感器采用激光多普勒效应。传感器向物体表面投射两束具有已知频率差异的激光束，通过分析反射光的普勒频移，高精度测量物体表面的实时速度和移动方向，再通过积分计算得出长度。这种方案实现了真正的非接触式速度和长度测量，无需校准，无磨损，无漂移。它能够在0.01米/秒至10米/秒的速度范围内工作，长度测量精度优于0.1%，即使在高速、高温或潮湿等恶劣环境下也能稳定工作。

• 美国康耐视 的In-Sight D900系列智能相机代表了工业机器视觉技术。它通过高分辨率智能相机捕获中板图像，利用集成的强大图像处理算法（如边缘检测、几何匹配）精确识别和定位中板的首尾边缘，并通过像素尺寸校准转换为实际物理长度。这种方案智能化和灵活，能够适应各种复杂测量场景和产品变型，并能同时进行多种尺寸测量和缺陷检测。

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

在为中厚板生产线选择长度测量传感器时，我们需要像挑选工具一样，根据任务的难度和环境来决定。以下是一些核心的技术指标及其对测量效果的影响，以及针对不同场景的选型建议：

• 测量精度与重复精度：

  • 实际意义: 精度是指测量结果与真实值之间的接近程度。重复精度是指多次测量同一位置时，结果之间的一致性。

  • 影响: 高精度直接关系到产品是否合格，而高重复精度则保证了测量的稳定性，减少了误判。

  • 选型建议: 对于要求严苛的精密中厚板（如用于航空航天或船舶制造的），应选择高精度的传感器。如果只是粗略的定尺剪切，对精度要求略低，可以选择精度稍低的传感器，以节省成本。

• 测量范围与最小/最大测量距离：

  • 实际意义: 测量范围指传感器能够工作的距离区间，从最近到最远。

  • 影响: 必须确保传感器的测量范围能够覆盖中厚板的实际长度，并且能够安装在合适的位置。

  • 选型建议: 如果中厚板长度变化大，或者安装空间受限需要远距离测量，选择大测量范围的传感器（如ToF激光测距）。

• 测量速度（响应频率）：

  • 实际意义: 指传感器每秒能够进行多少次测量。

  • 影响: 生产线是高速运行的，如果传感器测量速度慢，可能会错过关键数据，导致测量滞后或不准确。

  • 选型建议: 对于高速轧制线，必须选择测量频率高的传感器，以确保每块钢板都能得到足够多的测量点，从而精确描绘其长度。

• 环境适应性（耐温、防尘、防水）：

  • 实际意义: 指传感器在恶劣工业环境下（高温、粉尘、水蒸气、振动）能否稳定可靠工作。IP防护等级表示防尘防水能力，耐温范围则表示传感器本身或配合防护罩能承受的温度。

  • 影响: 恶劣环境是中厚板生产线最大的挑战。

  • 选型建议: 这是重中之重。必须选择具备IP65甚至更高防护等级的传感器，并考虑配备专门的冷却防护罩和气幕吹扫装置，以应对高温和粉尘环境。同时，要选择抗振动能力强的工业级产品。

• 输出接口与集成便捷性：

  • 实际意义: 指传感器如何将测量数据传输给上位机或PLC（可编程逻辑控制器），以及是否容易与现有控制系统集成。

  • 影响: 如果接口不兼容或集成复杂，会大大增加系统搭建和调试的难度和成本。

  • 选型建议: 选择提供主流工业接口的传感器，确保与现有系统无缝对接。

• 成本考量：

  • 实际意义: 设备采购、安装、维护以及后续校准的总成本。

  • 影响: 高昂的成本可能超出预算，而过低的成本可能意味着牺牲性能和可靠性。

  • 选型建议: 在满足性能和环境要求的前提下，选择性价比最高的方案。

4. 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在中厚板产线进行长度测量，就像在暴风雪中开车，你不仅要看清路，还得防止车打滑。这里列举一些常见问题及其解决方案：

问题一：高温对传感器的损害* 原因与影响: 钢板表面温度高，辐射的热量会使周围环境温度急剧升高，超出传感器额定工作温度范围，导致内部电子元件过热、性能下降、寿命缩短，甚至永久损坏。* 解决方案与预防措施: * 冷却防护罩: 为传感器配备专门的气冷或水冷防护罩，形成隔离层，将传感器工作环境温度保持在安全范围内。 * 远距离安装: 尽可能选择测量距离远的传感器（如ToF激光测距），将其安装在远离高温源的位置。 * 隔热措施: 在传感器与高温钢板之间设置隔热屏障，减少热辐射。

问题二：粉尘、水蒸气、烟雾对测量信号的干扰* 原因与影响: 轧制过程中产生的氧化铁皮粉尘、冷却水产生的水蒸气和油烟等，会在传感器光学窗口表面形成覆盖层，或弥散在激光路径中，导致激光衰减、反射信号弱、光斑扩散，甚至完全阻挡，进而造成测量失准或无法测量。* 解决方案与预防措施: * 气幕吹扫: 在传感器光学窗口前加装气幕吹扫装置，持续吹出压缩空气形成一道“空气墙”，阻止粉尘和水蒸气附着在窗口上。 * 定期清洁: 即使有吹扫，也需要定期检查和清洁光学窗口，确保其透光性良好。 * 选择抗干扰能力强的传感器: 某些ToF激光传感器和激光光幕系统在设计上对环境干扰有较好的鲁棒性。 * 优化安装位置: 尽量将传感器安装在粉尘和水蒸气较少的区域，或避开蒸汽上升通道。

问题三：钢板表面特性变化（如反光、氧化层、粗糙度）对测量的影响* 原因与影响: 钢板表面状态可能非常复杂，从高反光的亮面到吸光严重的深色氧化层，以及粗糙不平的表面。这些变化会影响激光的反射率和散射特性，导致接收到的信号强度不稳定，甚至无法有效反射，影响测量精度和稳定性。* 解决方案与预防措施: * 选择适应性强的传感器: 某些ToF激光测距传感器和激光多普勒传感器对不同表面反射率的适应性较好，能在深色表面进行测量。 * 多传感器融合: 结合不同测量原理的传感器，例如，用机器视觉辅助识别边缘，与激光测距数据结合验证。 * 信号处理算法优化: 传感器内部的信号处理算法应具备自适应能力，能够根据接收信号强度进行动态调整和补偿。

问题四：振动对测量精度的影响* 原因与影响: 生产线设备运行、钢板传输过程中产生的机械振动，可能导致传感器本身或其安装结构发生微小晃动，从而引入测量误差，降低重复精度。* 解决方案与预防措施: * 坚固的安装结构: 采用重型、稳定的安装支架，并将其固定在振动较小的机架上，或采用减振垫等措施。 * 选择抗振能力强的传感器: 工业级传感器通常具备较好的抗振设计。 * 软件滤波: 在上位机软件中对测量数据进行滤波处理，消除部分振动引起的瞬时误差。

问题五：环境光（如阳光、炉光）干扰* 原因与影响: 户外或炉口附近的强烈环境光（特别是太阳光或炉膛内的强光辐射）可能与传感器发射的激光波长接近，被接收器误判为有效信号，导致测量错误。* 解决方案与预防措施: * 窄带滤波: 传感器接收器通常会配备窄带滤光片，只允许特定波长的激光通过，有效滤除大部分环境杂散光。 * 调制激光: 采用调制激光（如相位法或脉冲ToF），通过识别特定频率或编码的信号，进一步增强抗干扰能力。 * 遮光罩: 在传感器外部加装遮光罩，减少环境光直接照射到接收器。

4. 应用案例分享

• 钢板定尺剪切线: 在热轧或冷轧钢板的剪切线上，激光测距传感器用于实时精确测量钢板长度，指导飞剪或定尺剪切机进行精确切断，确保每块钢板达到客户要求的长度规格，减少材料浪费。

• 冶金行业板坯/钢卷库区管理: 激光测距传感器安装在行车上，用于测量堆放的板坯或钢卷的高度和位置，实现库区的自动化盘点和调度，提高库存管理效率和安全性。

• 船板生产线: 大型船板生产中，激光测量系统被用于监测超长船板的长度和板形，确保其满足严苛的精度要求，为后续的船体建造提供合格的材料。

• 有色金属板材生产: 在铝板、铜板等有色金属的轧制线上，高精度激光测距或机器视觉系统用于在线监测板材的长度、宽度和厚度，帮助控制轧制工艺，保证产品尺寸精度。