面对1000℃以上连铸坯及恶劣环境，哪种非接触激光测量技术能实现±0.5mm宽度精度，并保障实时在线监测稳定性？【钢坯智能检测】

1. 连铸坯的基本结构与技术要求

连铸坯是钢水经过连铸机冷却凝固后形成的半成品钢材。根据截面形状和尺寸，通常分为板坯、方坯和矩形坯（有时也叫大方坯或矩形断面坯）。我们这里主要讨论的是这类在连铸生产线上刚凝固出模、还在高温状态下的钢坯。

它的“基本结构”就是它的几何形状，比如一个矩形钢坯，它有长度、宽度和厚度。而在连铸过程中，最需要实时精确控制的几何参数之一就是宽度。

连铸坯宽度的技术要求非常高，主要体现在以下几个方面：

• 尺寸精度： 要求实际宽度与目标设定宽度之间的偏差极小，通常在毫米甚至亚毫米级别。这就像在建造高楼时，每一块预制板的尺寸都必须严丝合缝，差一点点都会影响整体结构。

• 边缘平直度： 钢坯的两个侧边应尽量平直，不能出现明显的弯曲、凹陷或凸起。不平直的边缘会影响后续轧制时的咬入和成形质量。

• 实时性： 连铸是一个连续不间断的生产过程，钢坯以一定的速度前进，因此宽度测量必须是实时的，能够快速响应并反馈给控制系统，以便及时调整铸型宽度。这就像汽车在高速公路上行驶时，导航系统需要实时更新路况，而不是滞后几分钟。

• 高温与恶劣环境适应性： 刚出模的钢坯表面温度可能高达上千摄氏度，并且周围环境往往伴随着蒸汽、水雾、氧化铁粉尘以及电磁干扰。测量设备必须能够在这样的极端条件下稳定、可靠地工作。

2. 连铸坯相关技术标准简介

为了确保连铸坯的质量和后续加工的顺畅，行业内有严格的技术标准来规范其几何尺寸和表面质量。在宽度测量方面，这些标准主要关注以下几个参数的定义和评价方法：

• 公称宽度： 这是设计或订单要求的钢坯目标宽度，是生产的基准值。

• 实际宽度： 这是通过测量设备在钢坯的某个横截面或沿长度方向连续测得的真实宽度值。

• 宽度偏差： 实际宽度与公称宽度之差。标准会规定允许的最大正偏差和负偏差范围，超出这个范围的钢坯即为不合格品。

• 宽度波动： 指钢坯沿长度方向，其宽度变化的最大值与最小值之间的差异，反映了宽度控制的稳定性。这就像跑步比赛中，运动员的速度有时快有时慢，稳定性差的选手波动就大。

• 边部厚度偏差： 特别是对于板坯，边部的厚度均匀性也很关键，虽然不是直接的宽度测量，但往往与宽度测量系统协同进行。

• 测量方法： 标准还会对宽度测量点的选取、测量频率、测量设备的精度和重复性等提出要求，以确保测量结果的准确性和可比性。

3. 实时监测/检测技术方法

连铸坯宽度测量并非易事，高温、蒸汽、粉尘等恶劣环境对传感器的选择和系统的设计提出了严峻挑战。目前市场上主要有几种成熟的非接触式激光测量技术方案。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光距离测量（Time-of-Flight / Phase Shift）

这种技术就像我们用激光笔去量距离一样，但精度和速度要高得多。它的核心原理是发射激光束到目标表面，然后接收反射回来的光束，通过测量激光飞行的时间或者相位变化来计算距离。

• 工作原理和物理基础：

  • 飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）： 传感器发射一个短促的激光脉冲，激光脉冲以光速传播到钢坯边缘并反射回来。传感器接收到反射光后，通过精确测量从发射到接收的总时间间隔 t。由于光速 c 是已知的，因此距离 D 可以通过公式 D = (c * t) / 2 来计算（除以2是因为激光走了来回两趟）。

  • 相位法（Phase Shift）： 传感器发射一个经过调制的连续激光波，当这个波遇到钢坯表面反射回来时，它的相位会发生变化。传感器通过测量发射波和反射波之间的相位差 Δφ 来计算距离。在已知激光波长 λ 的情况下，距离 D 可以通过公式 D = (λ / 4π) * Δφ 来计算。 通常，TOF适合长距离测量，而相位法在短距离内可以达到更高的精度。 在实际应用中，我们会将两个激光测距传感器固定在连铸坯两侧，并且它们之间有一个已知的固定距离 L。每个传感器分别测量到钢坯对应边缘的距离，假设为 d1 和 d2。那么，钢坯的实际宽度 W 就可以通过简单的减法得到：W = L - d1 - d2。这就像你用一个固定长度的尺子，减去左右两边空白的距离，剩下的就是中间物体的长度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常从几厘米到几百米。

  • 测量精度：激光测量精度一般为±1mm~±5mm。

  • 测量频率：几十赫兹到数百赫兹，以适应生产线速度。

  • 环境适应性：由于激光能量集中，对表面反射率有一定要求，但现代技术已能应对深色、高温表面。常需配备防护罩和冷却系统。

• 技术方案优缺点：

  • 优点： 测量距离远，可以远离高温区；非接触测量，对钢坯无损伤；响应速度快，适用于高速生产线；设备结构相对简单，易于安装和维护；能够直接测量高温物体表面。

  • 缺点： 易受环境中蒸汽、水雾和粉尘的影响，这些颗粒会散射或吸收激光，导致信号衰减或测量不稳定；对于钢坯表面粗糙度或氧化皮的差异敏感度较高；在极端恶劣环境下可能需要更强的激光功率和复杂的信号处理算法。

  • 成本考量： 单个传感器成本相对适中，但系统需要两个传感器协同工作，并可能需要额外的防护和冷却装置。

3.1.2 激光三角测量

想象一下，你拿着一个手电筒（激光发射器）照向墙壁，然后你从另一个角度用相机（接收器）拍照。手电筒和相机之间的距离是固定的。如果墙壁离你近，手电筒的光斑在照片上的位置就偏向一边；如果墙壁离你远，光斑就偏向另一边。激光三角测量就是利用这个原理。

• 工作原理和物理基础： 一个激光发射器向钢坯边缘发射一束激光，在钢坯表面形成一个光斑。一个高速相机（或线性阵列传感器）则从一个与激光发射器成一定角度的位置捕捉这个光斑的反射图像。当钢坯边缘的距离发生变化时，光斑在相机成像靶面上的位置也会相应移动。根据三角几何原理，光斑在成像面上的位移 x 与钢坯到传感器的距离 D 成正比。 其基本几何关系可以简化为：D = (f * B) / (x + B * tan(θ))，其中 f 是相机焦距，B 是激光发射器与相机基线距离，θ 是相机光轴与基线角度。通过精确测量光斑位置 x，即可计算出距离 D。 同样，在连铸坯宽度测量中，通常在钢坯两侧各安装一套激光三角测量系统，分别测量到左右边缘的距离，再通过总固定距离减去这两个距离来得到钢坯宽度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常在几厘米到几米之间，属于中短距离高精度测量。

  • 测量精度：可达±0.1毫米到±0.5毫米，精度较高。

  • 测量频率：高达数百赫兹甚至上千赫兹。

  • 环境适应性：对烟尘和蒸汽的抵抗力比纯激光测距略好，但仍需空气吹扫和水冷系统保护光学器件。

• 技术方案优缺点：

  • 优点： 测量精度高，尤其适用于对边缘细节要求高的场景；响应速度快；对表面颜色和光泽度变化适应性较好。

  • 缺点： 测量距离相对有限，传感器需要靠近钢坯；易受钢坯表面角度变化（如翘曲）影响；系统对安装精度要求高，且光学窗口易受污染；成本相对较高。

  • 成本考量： 由于包含激光发射器和高分辨率相机，系统成本通常较高。

3.1.3 光学视觉测量

这种方法最直观，就像我们用自己的眼睛看东西一样，只不过这里用的是“火眼金睛”——高分辨率工业相机。它不是直接测量距离，而是通过“拍照”和“看图分析”来得到宽度。

• 工作原理和物理基础： 系统通常由一个或多个高分辨率工业相机组成，这些相机安装在连铸坯上方或两侧，捕捉钢坯的侧面或俯视图像。相机可以是可见光或近红外相机，用于在高温环境下获取更清晰的图像。拍摄到的图像会传输给高性能的图像处理单元。图像处理算法会识别并精确跟踪钢坯的两个边缘。由于钢坯与背景之间存在亮度或纹理差异（尤其是冷水线或氧化皮），边缘通常表现为灰度值的急剧变化。算法通过检测这些变化点来确定边缘位置，然后根据相机标定参数（像素与实际距离的对应关系）计算出两个边缘之间的实际距离，即钢坯宽度。为确保图像清晰，常常配备专用的光学镜头、冷却系统及空气吹扫装置。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：取决于相机视野和焦距，可覆盖典型连铸坯宽度。

  • 测量精度：可达±0.1毫米到±0.5毫米，精度极高。

  • 测量频率：实时在线，快速响应，帧率可达几十到几百帧/秒。

  • 可靠性：高度抗干扰，在恶劣环境下通过特殊防护和算法保证稳定性。

• 技术方案优缺点：

  • 优点： 测量精度极高，可以获取详细的边缘形状信息；完全非接触，对钢坯无任何物理干预；可以同时监测其他表面缺陷。

  • 缺点： 易受环境中的蒸汽、烟雾、水雾、粉尘影响，导致图像模糊，影响边缘识别精度（需要强力的空气吹扫和水冷来保持镜头清洁和温度稳定）；对光照条件敏感，需要稳定的光源；图像处理算法复杂，系统成本较高。

  • 成本考量： 系统复杂度高，包括高性能相机、图像处理单元、防护和冷却系统，因此总体成本较高。

3.1.4 热成像边缘检测

这种技术有点像“夜视仪”，它不是看可见光，而是感知物体散发的热量。高温连铸坯本身就是一个强大的红外辐射源，所以即使在烟雾弥漫的环境中，它也能“看”到钢坯的清晰轮廓。

• 工作原理和物理基础： 系统采用高分辨率红外热像仪，通过红外光学系统接收钢坯表面发出的热辐射。连铸坯由于温度极高（如1000℃以上），与周围环境（通常低于100℃）存在巨大的温度差异。热像仪将这些红外辐射转化为温度分布图像。图像处理算法会分析热图像中的温度梯度，精确识别出热态钢坯的边缘位置——因为在钢坯与环境的交界处，温度会发生急剧变化。通过这些边缘信息，就能计算出钢坯的实时宽度。这种方法对可见光环境干扰（如蒸汽、水雾）具有很强的穿透能力。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：取决于热像仪的视场角和焦距，可覆盖各种连铸坯宽度。

  • 测量精度：通常可达±0.5毫米到±1毫米。

  • 测量频率：实时在线，热像仪高帧率可快速响应。

  • 环境适应性：对高温、多尘、蒸汽环境有很好的抵抗力，穿透性强。

• 技术方案优缺点：

  • 优点： 对环境中的蒸汽、烟雾、粉尘等干扰具有很强的穿透能力，可以在非常恶劣的环境下稳定工作；完全非接触，对钢坯表面状况（如氧化皮、光泽度）不敏感；除了宽度，还能提供温度分布信息，有助于工艺优化。

  • 缺点： 测量精度通常不如光学视觉法高；热像仪设备成本较高；对热像仪的防护和冷却也必不可少。

  • 成本考量： 高性能热像仪价格不菲，整体系统成本较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在连铸坯宽度测量领域，国际上有一些知名的品牌提供成熟可靠的解决方案。

• 德国艾迈斯梅斯系统 德国艾迈斯梅斯系统在钢铁行业以其高度精确和稳定的测量系统而闻名。其OptiMES W宽度测量系统采用的是光学视觉测量技术。它通过高分辨率工业相机捕捉连铸坯图像，结合先进的图像处理算法进行边缘识别和宽度计算。该系统能提供精细的边缘识别，典型测量精度可达±0.3毫米，具有出色的可靠性和高度抗干扰能力，能支持严格的质量控制和工艺优化。

• 英国真尚有 英国真尚有LCJ系列激光测距传感器，从其产品特性来看，最可能采用的是激光距离测量中的飞行时间（TOF）或相位法原理。它通过测量激光脉冲的飞行时间或调制激光的相位差来精确计算距离。将两个LCJ系列传感器分别安装在钢坯两侧，即可通过简单的减法得到钢坯宽度。LCJ系列测距范围广（0.05-500米），精度高达±1mm，测量速度可达250Hz。其显著优势是能测量最高1550℃的高温物体表面距离，并且具备IP65防护等级和-40...+60℃的宽工作温度范围，在恶劣的连铸环境中表现出优异的耐用性和适应性。该系列还提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）、高精度模拟输出（0.1%）和两个可编程数字输出。

• 瑞典利马博 瑞典利马博专注于钢铁行业测量，其ProfiCIM W100系统采用激光三角测量技术。该系统由多对高精度激光位移传感器组成，通过发射激光束并根据反射光束角度来计算到坯体边缘的距离，最终推导出钢坯宽度。ProfiCIM W100的典型测量精度为±0.5毫米，测量频率高达500赫兹，并集成了空气吹扫和水冷系统，适用于高达1200℃的恶劣工况，以其卓越的稳定性和可靠性著称。

• 意大利达涅利欧 意大利达涅利欧作为全球领先的冶金设备和自动化解决方案供应商，其D-PROFILER系统采用激光轮廓扫描技术。它通过高精度激光传感器投射激光线到连铸坯表面，并由高速相机从特定角度捕捉激光线的变形，从而利用三角测量原理和先进算法重建钢坯的实时横截面轮廓。该系统不仅能精确测量宽度（精度可达优于±0.5毫米），还能获取边缘形状、厚度分布等全面的几何信息，是其集成自动化解决方案中的关键组成部分。

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

选择合适的激光测量设备来把控连铸坯宽度，就像挑选一把称手的工具，需要仔细考量其各项性能参数，以确保它能胜任连铸现场的严苛任务。

1. 测量精度（Accuracy）和重复性（Repeatability）：

   • 实际意义： 精度决定了测量值与真实值之间的接近程度，重复性则衡量多次测量同一位置时结果的一致性。它们是评估测量系统性能最重要的指标，直接关系到钢坯的尺寸合格率。比如，如果要求钢坯宽度偏差小于±2毫米，那么测量系统的精度至少要优于±1毫米，最好能达到±0.5毫米甚至更高。

   • 选型建议： 对于高品质钢材或对尺寸公差要求极严的生产线，应优先选择高精度（如±0.1~0.5毫米）和高重复性的系统，即使成本稍高也值得。对于一般工业钢材，±1毫米的精度可能已经足够。

2. 测量范围（Measuring Range）：

   • 实际意义： 指传感器能够有效测量到的距离范围。连铸坯的宽度规格多样，从几十毫米到几米不等，测量系统必须能够覆盖所有需要测量的宽度范围。同时，传感器与钢坯之间的安装距离也需要考量，过近可能受高温影响，过远则可能精度下降。

   • 选型建议： 根据生产线上可能遇到的最宽和最窄钢坯尺寸，以及传感器安装的物理空间来确定所需的测量范围。例如，如果传感器必须安装在距离钢坯较远的位置，则应选择长量程的激光测距技术。

3. 测量速度/频率（Measurement Speed/Frequency）：

   • 实际意义： 指系统每秒能完成多少次测量。连铸是一个高速运行的生产线，钢坯以每分钟几米的速度前进，如果测量速度慢，就可能错过宽度变化，导致反馈滞后。高测量频率能够提供更密集的宽度数据，更好地捕捉动态变化。

   • 选型建议： 生产线速度越快，所需的测量频率越高。通常，连铸坯宽度测量系统要求测量频率至少在几十赫兹以上，高速生产线可能需要几百赫兹甚至更高。

4. 环境适应性（Environmental Adaptability）：

   • 实际意义： 这是连铸现场最关键的挑战。高温、蒸汽、水雾、氧化铁粉尘、电磁干扰等都会严重影响传感器的性能和寿命。设备必须具备良好的防护等级（如IP65/66）、宽泛的工作温度范围、以及有效的冷却和吹扫系统。

   • 选型建议： 这是选型的“硬指标”。必须选择能够承受连铸现场极端环境的设备，例如配备水冷/空冷系统的传感器外壳，以及具有高穿透性（如红外热像仪）或抗干扰能力强的测量技术。否则，即使精度再高，也无法稳定工作。

5. 接口类型（Interface Type）：

   • 实际意义： 传感器需要将测量数据传输给上位机（DCS/PLC）进行显示、存储和控制。多种串行接口（RS232/485/422）、模拟输出、数字输出等，决定了系统集成和数据通信的便利性。

   • 选型建议： 确保传感器提供的接口与工厂现有的控制系统兼容，以便于集成和数据传输。具有多种接口选项的设备会提供更大的灵活性。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在连铸坯宽度测量的实际应用中，尽管技术不断进步，但由于现场环境的复杂性，仍然可能遇到一些挑战。

1. 问题：环境干扰（蒸汽、水雾、粉尘）

   • 原因和影响： 连铸过程中产生的蒸汽、水雾以及氧化铁粉尘会在空气中弥漫，对激光束或光线造成散射、吸收或折射，使得传感器接收到的信号减弱甚至丢失，导致测量结果不稳定或不准确，严重时甚至无法测量。

   • 解决建议：

     • 空气吹扫系统： 在传感器镜头或光学窗口前安装压缩空气吹扫装置，形成一道“空气幕墙”，有效地将蒸汽、水雾和粉尘隔绝在测量区域之外，保持光学通道的清洁。

     • 水冷/风冷系统： 除了保护传感器免受高温，冷却系统也能降低光学窗口结雾的可能性。

     • 技术选择： 对于粉尘和蒸汽特别严重的环境，可以考虑采用穿透能力更强的技术，如红外热成像技术，它对可见光范围的烟雾和蒸汽具有天然的抵抗力。

     • 信号处理： 采用先进的信号处理算法，对受干扰的信号进行滤波、去噪和补偿，提高数据稳定性。

2. 问题：高温影响设备寿命和稳定性

   • 原因和影响： 连铸坯表面温度极高，传感器即使是非接触测量，也长时间暴露在高温辐射和周围高温气体环境中。这会导致传感器内部电子元件过热，加速老化，降低测量精度，甚至损坏设备。

   • 解决建议：

     • 外部冷却装置： 必须为传感器配备高效的水冷或强力风冷防护罩。冷却水或冷却风持续流经防护罩，带走热量，将传感器内部温度保持在正常工作范围。

     • 选择耐高温传感器： 选用本身就具有宽工作温度范围（如-40℃至+60℃或更高）和抗高温辐射能力的工业级传感器。

     • 优化安装位置： 尽可能将传感器安装在离热源稍远，或有遮挡，受高温影响相对较小的位置。

3. 问题：钢坯表面状态变化

   • 原因和影响： 连铸坯表面可能存在氧化皮、粗糙不平整、甚至局部有裂纹或凹坑。这些表面状况会影响激光的反射特性，例如漫反射或镜面反射不均匀，从而导致测量误差。

   • 解决建议：

     • 选择抗表面变化的技术： 激光测距和激光三角测量对表面粗糙度或反射率有一定要求，而热成像技术则不依赖表面光学特性，只要有足够的温差即可，因此对表面状态不敏感。

     • 多点测量与数据平均： 对于表面不平整，可以通过在宽度方向进行多点测量，然后对数据进行平均或滤波处理，以获得更稳定的宽度值。

     • 提高激光功率或优化接收端： 对于反射率低的深色表面，提高激光发射功率或优化接收端灵敏度可以增强信号，确保测量。

4. 问题：振动和机械位移

   • 原因和影响： 连铸生产线在运行过程中，由于机械传动、钢坯移动等因素，可能会产生振动。传感器支架的微小位移或振动都会引入额外的测量误差。

   • 解决建议：

     • 加固安装支架： 使用坚固、抗震的支架，并确保其牢固地安装在稳定结构上，减少外部振动的影响。

     • 减震措施： 在传感器安装座与支架之间增加减震垫或减震结构。

     • 软件补偿： 如果存在周期性的机械振动，可以通过在控制系统中引入振动补偿算法，或对测量数据进行数字滤波来削弱其影响。

4. 应用案例分享

• 连铸钢坯宽度在线监测： 在连铸机冷却段出口处，安装激光宽度测量系统，实时监测钢坯宽度，并将数据反馈至连铸控制系统，实现铸型宽度的自动调整，确保产品尺寸精度。例如，英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，凭借其在高温环境下的稳定性和高精度，能够胜任此类应用。

• 热轧板带材宽度控制： 在热轧生产线上，激光测量系统用于在线监测板带材的宽度，为轧制参数调整提供实时依据，确保成品板带材宽度符合标准，减少切边量，提高收得率。

• 管材生产中异形管外径测量： 激光测量技术也被应用于各种异形管材的生产中，通过多角度激光扫描，精确获取管材的几何轮廓和外径尺寸，保障产品质量。

• 汽车制造部件尺寸检测： 在汽车零部件加工线上，激光传感器可以对车身冲压件、结构件等进行高精度尺寸检测，确保部件符合设计要求，提升整车装配质量。