中板轧制线如何在高温、多尘等恶劣工况下，实现亚毫米级边缘定位与宽度实时监测？【工业非接触测量】

1. 中板的基本结构与技术要求

中板，顾名思义，是厚度介于薄板和厚板之间的钢板产品。在中板生产线上，这些热轧或冷轧的钢板在经过一系列加工工序（如轧制、剪切、矫直等）后，最终形成符合特定尺寸和性能要求的成品。

想象一下，中板在产线上，就像一条长长的、有时还冒着热气的“钢铁河流”。这条河流需要非常精准地流过每一个加工站点，比如剪切机、矫直机。如果这条“河流”偏离了预设的中心线，或者左右摆动不定，就会导致一系列问题：

• 尺寸偏差： 剪切出来的板材可能一边宽一边窄，甚至出现报废。就像裁缝剪布料，尺子没放准，剪出来的衣服尺寸就错了。

• 设备损坏： 板材边缘与加工设备发生刮擦甚至碰撞，导致设备磨损加剧，增加维修成本和停机时间。

• 效率低下： 为了避免定位不准带来的问题，操作人员可能需要频繁调整，或者降低生产速度，直接影响了整个产线的产能。

• 安全隐患： 高温、高速运行的中板一旦失控，可能对生产人员造成安全威胁。

因此，对中板在生产线上的横向位置、中心线偏差、边缘位置等关键参数进行实时、高精度的监测和控制，是确保产品质量、提升生产效率和保障生产安全的核心技术要求。特别是对于宽度较大、长度较长的中板，其在传输过程中的微小偏差都可能被放大，需要更精确的定位技术来解决。

2. 针对中板的相关技术标准简介

在中板生产线上，为了确保板材的精确加工和最终产品的质量，通常需要监测以下几个核心参数：

• 横向位置 (Lateral Position)： 这是指中板在输送方向上，相对于产线中心线或某个基准点的左右偏移量。它的定义是中板的实际几何中心与理论中心线的距离。评价方法通常是通过测量板材两侧边缘到固定参照点的距离，然后计算其中心位置，再与预设的中心线进行比较。如果横向位置偏差过大，板材可能无法正确进入下一道工序，甚至损坏设备。

• 边缘位置 (Edge Position)： 指中板两侧边缘相对于产线宽度方向上某个固定点的距离。它的定义是单侧边缘或双侧边缘与产线两侧理论边缘的距离。评价方法是直接测量边缘的实际坐标值。精确监测边缘位置是计算横向位置和板材宽度的基础。在很多场合，直接控制边缘位置比控制中心位置更直接有效，例如在轧制过程中，需要精确控制两侧边缘的咬入深度。

• 板材宽度 (Width)： 这是中板在横向方向上的尺寸。它的定义是板材两侧边缘之间的距离。评价方法是测量两侧边缘的位置，然后将两者之差作为板材的宽度。宽度的稳定性和准确性是产品质量的关键指标之一，尤其是在需要精确剪切尺寸的环节。

• 平整度 (Flatness)： 虽然不是直接的位置参数，但中板的平整度会影响其在产线上的稳定传输和精确位置测量。它的定义是板材表面相对于一个理想平面的最大高低起伏。评价方法通常是通过多点测量板材表面高度，然后分析这些高度数据来评估平整度。不平整的板材在输送过程中容易产生晃动，导致位置测量不准，或者影响后续的加工质量。

• 偏斜角度 (Skew Angle)： 指中板在输送过程中，其纵向轴线与产线输送方向（或理论中心线）的夹角。它的定义是板材运动方向与产线理论输送方向的不一致性。评价方法通常是通过测量板材前端或后端两侧边缘在同一输送方向上的位置差异来计算。偏斜会导致板材在产线中“斜着走”，可能引起刮擦、卡板等问题。

通过对这些参数的实时监测，生产线可以及时发现并纠正中板的定位偏差，确保每块板材都能在正确的位置上进行加工，从而提升整个产线的生产效率和产品合格率。

3. 实时监测/检测技术方法

中板生产线上的板材定位，如同指挥一场复杂的工业芭蕾舞，需要舞者（中板）在舞台（产线）上精准无误地移动。实现这一目标，离不开各种先进的非接触式测量技术。

（1）市面上各种相关技术方案

市面上针对中板位置测量的技术方案多种多样，它们各具特点，适用于不同的工况和精度要求。以下将详细解析几种主流技术：

a. 激光飞行时间法 (ToF) 或相位法测距

这种技术就像用声波测量距离一样，不过这里用的是速度更快的激光。传感器发射一束激光，激光遇到中板表面后反射回来，传感器接收反射光。通过精确测量激光从发射到接收所花费的时间（飞行时间ToF）或者发射波和接收波之间的相位差，就能计算出传感器到中板的距离。

• 工作原理与物理基础：

  • 飞行时间法 (ToF)： 传感器发出一纳秒级的短激光脉冲，然后测量该脉冲到达目标表面并反射回传感器所需的时间 t。由于激光在空气中以光速 c 传播，距离 D 可以通过简单的公式计算： D = (c * t) / 2 这里除以2是因为激光走了去和回两次行程。这种方法简单直观，但要达到毫米级精度，需要非常精确地测量微秒甚至纳秒级别的时间。

  • 相位法 (Phase Shift)： 为了实现更高的精度，尤其是在中长距离测量中，更常采用相位法。传感器会发射一束被特定频率 f 调制的激光，当这束激光碰到中板表面反射回来时，它的相位会发生改变。传感器通过比较发射信号和接收信号之间的相位差 Δφ，来计算距离。 激光的波长 λ 与调制频率 f 和光速 c 有关：λ = c / f。 相位差 Δφ 对应着光走的距离 2D。因此，距离 D 可以表示为： D = (Δφ / (2π)) * (c / (2 * f)) 这个公式表明，通过测量相位差 Δφ，可以非常精确地计算出距离。然而，单一频率的相位法会存在“周期模糊”问题（即不知道激光到底走了多少个完整波长），因此通常会结合多种调制频率或采用ToF作为粗测手段来解决这个问题，以确保绝对距离的准确性。 相位法测距因其对微小相位变化的敏感性，能够实现极高的测量精度，是长距离、高精度工业测距中广泛应用的技术。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量范围：可从几厘米到数百米，甚至上千米。

  • 精度：一般在±1毫米至几厘米，高端系统精度更高，具体取决于传感器质量、测量距离和环境条件。

  • 测量速度：可达数百赫兹 (Hz)，一些高速系统甚至可达千赫兹。

  • 分辨率：通常与精度相当。

  • 响应时间：毫秒级。

• 技术方案优缺点：

  • 优点： 测量距离远，非接触，响应速度快，对目标表面颜色、反射率变化具有较好的适应性。特别是相位法，能提供很高的测量精度。由于是单点测量，系统结构相对简单，成本适中。对高温物体表面也能进行测量。

  • 局限性： 无法直接获取板材的完整轮廓信息，需要多个传感器组合才能测量宽度或平整度。在强粉尘、水雾等恶劣环境下，激光信号可能衰减，影响测量精度和稳定性。中板表面如果非常粗糙或反光不均匀，也可能对测量造成干扰。

  • 成本考量： 相对于线激光扫描和机器视觉系统，单点激光测距传感器的初始投入成本较低。

b. 线激光三角测量

这种方法就好比用一把带“激光尺”的照相机来给中板拍照，只不过拍的是它某一个横截面的轮廓。传感器投射一条细长的激光线到中板表面，然后一个高分辨率的摄像头（或光学传感器）以一个特定角度去“看”这条激光线在中板上的投影。

• 工作原理与物理基础： 基于光学三角测量原理。激光发射器发出的激光线照射到被测物体表面，形成一个光斑（线）。接收器（如CCD或CMOS阵列）从一个固定角度观察这个光斑。当被测物体表面高度发生变化时，光斑在接收器上的位置也会发生变化。通过简单的三角几何关系，传感器能够计算出物体表面上激光线各点的高度信息，从而重建出该横截面的二维轮廓。 假设激光发射器、接收器和被测点构成一个三角形。如果已知发射器到接收器的距离 L、激光发射角度 α 和接收角度 β，通过测量接收器上光斑的位置变化 Δx，就可以计算出被测点的高度变化 Δh。 Δh = (L * tan(α)) / (1 + (tan(α) * Δx) / L) （简化版，实际公式更复杂，考虑透镜畸变等） 通过这种方式，传感器可以实时获取板材横截面的精确轮廓数据。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量范围：通常为几十毫米到数百毫米（Z轴方向），X轴（宽度）测量范围也在此范围内。

  • 精度：Z轴分辨率可达微米级，X轴分辨率可达几微米。

  • 测量速度：轮廓频率可达几千赫兹 (kHz)，即每秒获取数千条轮廓。

  • 线性度：通常为±几微米。

• 技术方案优缺点：

  • 优点： 能够一次性获取板材的完整横截面轮廓数据，从而精确计算出宽度、边缘位置、中心位置甚至平整度。精度高、分辨率好，适合对尺寸和形状要求严格的场合。

  • 局限性： 测量范围相对较短，通常适用于近距离测量。对目标表面的反射率、颜色和角度变化较为敏感，可能需要额外的算法进行补偿。价格通常较高。

  • 成本考量： 相对于单点激光测距，线激光扫描仪的初始投入成本较高，但其提供的信息量也更丰富。

c. 机器视觉 (智能相机)

机器视觉系统就像给中板产线配备了“智能之眼”，它不仅能看清板材，还能“思考”和分析。这种技术通常由工业相机、光源、图像采集卡和图像处理软件组成。

• 工作原理与物理基础： 智能相机捕捉中板的二维图像，然后通过内部集成的高级算法对图像进行处理和分析。首先进行图像预处理（如去噪、增强对比度），然后通过边缘检测、特征提取等算法（如Sobel、Canny算子）精确识别出中板的边缘、形状等关键特征。 边缘检测是其核心。例如，一个简单的边缘检测算法可以通过计算图像像素灰度值的梯度来找到边缘： Gradient(x,y) = sqrt((Gx)^2 + (Gy)^2) 其中 Gx 和 Gy 分别是x和y方向的灰度变化率。通过设定阈值，即可识别出图像中的边缘。 然后，根据预设的校准和测量程序，系统能够精确计算出中板的横向位置、宽度、偏斜角度等信息，甚至可以进行表面缺陷检测。

• 核心性能参数典型范围：

  • 图像传感器：通常为百万像素级别，可彩色或单色。

  • 处理速度：高速图像处理能力，通常在毫秒级以内（取决于具体任务复杂性）。

  • 测量精度：可达亚像素级边缘检测精度，具体取决于镜头、照明、工作距离和相机分辨率。

  • 灵活性：可同时进行多项检测任务。

• 技术方案优缺点：

  • 优点： 提供的信息最为全面，不仅能测量位置、尺寸，还能进行表面缺陷检测、形状识别等。系统集成度高，灵活性强，能适应不同尺寸和表面条件的中板。

  • 局限性： 对照明条件要求高，环境光变化、中板表面反光或灰尘堆积会影响测量效果。系统配置和调试相对复杂，对专业技术人员要求高。高温环境下可能需要额外的防护和冷却措施。

  • 成本考量： 智能相机系统的初始投入成本通常较高，包括相机、镜头、光源和软件。

d. 电磁感应原理

这种技术就像给中板戴上了一个无形的“磁场手环”，通过感应它对磁场的影响来确定它的位置。它不使用光，而是利用电磁场来感知金属板材的存在和位置。

• 工作原理与物理基础： 系统利用安装在中板两侧或上方/下方的传感器，发射特定频率的交流电磁波。当金属中板进入电磁场时，根据法拉第电磁感应定律，会在中板内部产生涡流。这些涡流反过来会影响传感器的电磁场，导致传感器接收到的信号的相位和幅度发生变化。通过精确测量这些信号的变化，系统能够计算出中板的横向偏移量和边缘位置。 这个原理与金属探测器类似，但更精细。通过多个传感器阵列，并分析各个传感器的信号强度和相位，可以高精度地重建板材的横向位置。 例如，当板材靠近某一侧传感器时，该传感器的信号变化会更明显，通过比较两侧传感器的信号差异，就能判断板材的偏移方向和大小。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量范围：从几十毫米到数百毫米（取决于配置）。

  • 测量精度：通常达到毫米级或亚毫米级，满足轧钢行业高精度要求。

  • 测量速度：实时在线测量。

  • 环境适应性：对高温、多尘、水雾、蒸汽等恶劣工业环境具有极强的适应性和抗干扰能力。

• 技术方案优缺点：

  • 优点： 对环境光、灰尘、水雾等极端工况不敏感，特别适用于轧钢厂等恶劣环境。非接触、免维护，运行稳定可靠，寿命长。

  • 局限性： 只能测量金属材料，不能测量非金属。主要用于横向位置和边缘测量，无法提供板材的完整轮廓或表面缺陷信息。

  • 成本考量： 专为重工业设计的电磁感应系统通常初始投入成本较高。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在非接触式测量领域具有代表性的国际品牌及其技术特点：

1. 德国米铱

   • 采用技术： 线激光三角测量

   • 核心参数： 其scanCONTROL系列线激光扫描仪，如scanCONTROL 2900-50，具有高达12.8 kHz的轮廓频率，X轴分辨率可达 6.5 微米，Z轴分辨率可达 1.5 微米。测量范围通常在几十毫米级别。

   • 应用特点： 以高精度、高速度和坚固耐用性著称，特别适用于恶劣工业环境下的中板在线宽度和位置测量。能够提供详细的轮廓数据，帮助实现生产线的精确控制，例如精确的边缘跟踪、宽度测量和平整度评估。

   • 独特优势： 在线激光扫描领域技术领先，产品稳定可靠，提供详细的二维轮廓数据。

2. 英国真尚有

   • 采用技术： 激光飞行时间法 / 相位法测距

   • 核心参数： LCJ系列激光测距传感器测量范围0.05至500米，最高精度±1毫米，测量速度高达250赫兹。能够在-40℃至+60℃的环境温度下正常使用，并能测量实测最高表面温度达1550℃的高温物体。提供多种串行接口（RS232、RS485、RS422、SSI、USB）和高精度模拟输出。

   • 应用特点： 适用于需要长距离、高精度非接触测距的重工业和户外应用。尤其擅长测量高温物体表面距离和在低反射率深色表面进行测量，即使在有太阳辐射的户外环境也能保持准确性。

   • 独特优势： 优异的超长距离测量能力与高精度并存，突出的高温测量能力和宽泛的环境适应性，以及对复杂表面（如深色、户外强光）的良好适应性。

3. 日本欧姆龙

   • 采用技术： 机器视觉 (智能相机)

   • 核心参数： 其FQ-M系列智能相机，具有高速图像处理能力和百万像素级别的高分辨率图像传感器。测量精度可达亚像素级。

   • 应用特点： 提供高度集成的图像采集、处理和分析功能。能够同时处理复杂检测任务，如中板的横向位置、宽度、偏斜角度以及表面缺陷等。具有高度的灵活性，适应不同尺寸和表面条件的中板。

   • 独特优势： 集成度高、部署便捷，强大的软件功能和图像处理算法，能够提供全面的板材信息和多功能检测能力。

4. 瑞士ABB

   • 采用技术： 电磁感应原理

   • 核心参数： Millmate 带钢位置测量系统 (SMPM) 专为轧钢厂设计，测量范围可达数百毫米，提供高精度实时在线测量。

   • 应用特点： 专为高温、多尘、潮湿等极端轧钢环境设计，具有极强的环境适应性、抗干扰能力和免维护特性。能够提供稳定可靠的带钢横向位置控制，提高产品质量和生产效率。

   • 独特优势： 卓越的环境适应性和抗干扰能力，完全非接触且对环境条件（如光线、灰尘）不敏感，特别适用于最恶劣的重工业场合。

（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

选择合适的测量设备，就像给产线挑选一双合适的“眼睛”，需要根据“眼睛”的各项指标和“看”什么来决定。

• 测量范围： 指传感器能够准确测量的最小到最大距离。

  • 实际意义： 如果传感器需要安装在距离中板较远的位置，比如几十米甚至数百米，那么就需要选择测量范围大的传感器。如果只需要近距离测量边缘，几十厘米的范围就足够了。

  • 选型建议： 对于中板整体定位，特别是长距离输送段的板头/板尾追踪，应优先考虑长量程传感器（如激光相位法/ToF）。对于局部精确边缘测量，短量程但高分辨率的传感器（如线激光三角测量）可能更合适。

• 测量精度 (Accuracy)： 指测量结果与真实值之间的符合程度，通常用一个“±值”来表示。

  • 实际意义： 精度直接决定了板材定位的准确性。如果中板要求定位误差在1毫米以内，那么传感器的精度就必须达到甚至优于1毫米。精度不高会导致定位不准，进而影响剪切尺寸或加工质量。

  • 选型建议： 根据产线对中板定位的严格程度来选择。例如，精剪线可能需要亚毫米级甚至微米级精度，而粗加工或大尺寸板材可能允许毫米级精度。精度越高，通常成本也越高。

• 测量速度 (Sampling Rate / Frequency)： 指传感器每秒能进行多少次测量。

  • 实际意义： 在中板生产线上，板材通常是高速运动的。如果测量速度过慢，传感器可能无法及时捕捉到板材的实时位置变化，导致控制系统滞后，无法及时纠正偏差。

  • 选型建议： 针对高速运行的产线，应选择测量速度高的传感器（例如，数百赫兹甚至千赫兹），确保每次测量都能反映板材的瞬时状态。对于运动缓慢或静态定位的场景，较低的测量速度也可以接受。

• 环境适应性 (Temperature, IP Rating, Anti-interference)： 包括传感器的工作温度范围、防尘防水等级 (IP Rating) 以及抗干扰能力。

  • 实际意义： 中板生产线环境通常恶劣，高温、高湿、粉尘、蒸汽、振动和电磁干扰等都是常态。传感器必须能够在这些严苛条件下稳定工作，否则会频繁故障，影响生产。

  • 选型建议：

    • 温度： 如果测量高温中板，传感器需具备高温测量能力或配备冷却防护罩。例如，英国真尚有的激光测距传感器，实测最高可测量1550℃的物体表面温度。

    • IP等级： 至少应选择IP65或更高等级的传感器，以防粉尘和水溅。

    • 抗干扰： 考虑产线是否有强电磁干扰源，选择抗干扰能力强的产品（如电磁感应类传感器在这方面有优势）。

• 输出接口与集成能力： 传感器提供的数据输出方式（如模拟量、数字量、RS485、以太网等）以及与现有控制系统（PLC、DCS）的集成难易程度。

  • 实际意义： 传感器的数据需要能够无缝传输到产线的控制系统，才能实现实时反馈和调节。

  • 选型建议： 确认传感器的输出接口与现有控制系统兼容，便于数据传输和系统集成。具有可编程数字输出的传感器，还能直接触发报警或控制动作。

在选择时，没有“最好的”传感器，只有“最适合的”。需要综合考虑产线具体需求（如中板温度、运动速度、所需精度、环境条件）和预算，进行权衡。例如，如果要求极高精度和完整轮廓信息，线激光扫描或机器视觉更优；如果距离远、高温且需要高精度，激光相位法/ToF可能是首选；如果环境极其恶劣且只关注位置，电磁感应方案可能更稳健。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，在实际应用中仍可能遇到各种挑战，就像车辆在不同路况下行驶会遇到颠簸。

1. 中板表面状态变化：

   • 问题现象： 中板表面可能存在氧化皮、水渍、油污、颜色不均、反光度差异大（尤其是在高温轧制过程中），这些都会影响激光或视觉传感器的信号接收和图像质量，导致测量数据波动或不准确。

   • 原因和影响： 氧化皮和水渍会散射激光，降低反射信号强度；不同颜色或光泽度会导致反射率变化，影响传感器对距离或边缘的判断。就像在镜子前用手电筒，镜子亮，水泥墙就暗。

   • 解决建议：

     • 优化传感器选型： 选择对表面反射率不敏感的传感器（如某些ToF激光传感器或电磁感应传感器）。

     • 调整安装角度： 避免激光束垂直入射到镜面反射较强的表面，采用一定的倾斜角度，减少镜面反射的干扰。

     • 智能算法补偿： 使用具备自适应能力或高级滤波算法的传感器，或在上位机软件中加入数据处理算法，对异常数据进行平滑或剔除。

     • 辅助设备： 对于视觉系统，可考虑使用专门的工业光源（如环形光、背光）和滤光片，提高图像对比度。

2. 恶劣环境影响：

   • 问题现象： 产线上的粉尘、蒸汽、水雾、高温、振动等因素会干扰传感器工作。例如，粉尘会遮挡激光路径，导致信号衰减；高温可能使传感器过热，影响电子元件性能。

   • 原因和影响： 粉尘和水雾会吸收或散射激光，降低信噪比。高温会加速传感器老化，甚至造成损坏。振动可能导致传感器位置偏移，引入测量误差。

   • 解决建议：

     • 加强防护： 为传感器安装防护罩（如气帘罩、冷却水套、隔热罩），阻挡粉尘、水雾和高温辐射。

     • 气源净化： 确保气帘使用的压缩空气清洁干燥，防止二次污染。

     • 选型考虑： 优先选择IP65或更高防护等级、宽温度范围的传感器。对于极恶劣环境，电磁感应类传感器因其非光学原理，抗干扰能力更强。

     • 减振措施： 传感器支架应坚固稳定，并采取减振措施，如安装橡胶垫或减振器。

3. 安装与校准复杂性：

   • 问题现象： 传感器安装位置不当，或者校准过程不准确，会导致测量数据存在系统性误差。

   • 原因和影响： 错误的安装角度、距离或未精确校准的基准点，都会使得测量结果偏离真实值。

   • 解决建议：

     • 专业安装： 严格按照厂商说明书进行安装，确保传感器轴线与测量基准线的几何关系正确。

     • 定期校准： 使用标准量具或已知尺寸的参考物，定期对传感器进行校准和线性度检查。

     • 引入多传感器冗余： 在关键测量点部署多个传感器，通过数据融合提高测量可靠性，并对单个传感器故障或漂移进行诊断。

     • 预设基准： 在产线设计阶段就考虑测量基准点的设定，方便后续的安装和校准。

4. 数据传输与处理延迟：

   • 问题现象： 传感器测量数据传输到控制系统存在延迟，或者控制系统对数据的处理速度不够快，导致控制滞后。

   • 原因和影响： 传输介质质量不佳、网络拥堵或PLC/DCS处理能力不足，都可能导致实时性下降，影响对中板位置偏差的及时纠正。

   • 解决建议：

     • 优化通信： 选用高速、可靠的通信接口（如Ethernet/IP、Profinet、光纤等），确保数据实时传输。

     • 边缘计算： 在传感器端或靠近传感器的地方增加边缘计算单元，对数据进行预处理和初步分析，减轻上位机负担。

     • 控制系统升级： 评估并升级现有控制系统硬件和软件，提升数据处理能力。

4. 应用案例分享

非接触式激光测量技术在中板生产线上的应用非常广泛，不仅限于中板，在其他重工业领域也发挥着关键作用。

• 钢板轧制线定位： 在热轧或冷轧过程中，传感器安装在轧机前后，实时监测钢板的横向位置和宽度。当发现板材偏离中心时，控制系统会立即调整导卫装置或轧辊压力，确保钢板精确通过轧机，避免“跑偏”导致产品缺陷或设备损坏。例如，英国真尚有的激光测距传感器，凭借其对高温环境的适应性，可以胜任轧制线的高温测量任务。

• 剪切线板材对中： 在中板剪切工序前，激光测距传感器或线激光扫描仪精确测量板材的两侧边缘位置，计算出中心线。然后通过联动控制系统调整剪切刀具或板材输送辊道，使板材精确对中，保证剪切尺寸的准确性，减少材料浪费。

• 堆垛与料仓管理： 激光测距传感器可用于检测中板堆垛的高度和位置，避免超高或偏斜。在自动化料仓中，它们可以实时监测料位，确保物料的正确存取和库存管理，提升仓储效率。

• 卷材直径测量： 在钢卷生产线上，激光测距传感器可以非接触地测量钢卷的直径，用于计算剩余长度或控制卷取过程，确保卷材的紧密性和一致性。