在高温多尘的带钢生产线，如何选择高精度非接触式厚度测量系统，实现微米级在线检测与稳定控制？【工业自动化】

1. 带钢的基本结构与技术要求

想象一下，我们正在生产一条高速移动的、薄而宽的金属“面条”，这就是带钢。它在整个生产线上，从一个巨大的卷筒（称为带卷）上不断地被拉出来，经过一系列的加工，比如轧制、退火、涂镀等，最后再卷成新的成品带卷。

对于这种高速移动的带钢，我们最关心的参数之一就是它的“厚度”。这个厚度可不仅仅是卷尺量一下那么简单，它有很多精细的技术要求：

• 厚度一致性：这是最基本的要求，就像你希望生产的每一根“面条”粗细都差不多一样。带钢的厚度需要在其整个长度方向上保持一致，同时在宽度方向上，从左到右也应尽量均匀。如果厚度不均，可能会导致后续加工困难，或者最终产品性能不达标，比如强度不一、易开裂等。

• 尺寸精度：这指的是实际厚度与我们设定的目标厚度之间的偏差要尽可能小。在现代工业中，很多产品对材料厚度的公差要求非常严格，可能只有微米级别。

• 表面状态：带钢在生产过程中，表面会经历各种变化，比如有氧化皮（像铁锈一样）、水蒸气、油污，或者是高反射的镜面状态。这些表面状态的变化会给非接触式测量带来挑战，要求传感器能够稳定地穿透或适应这些复杂情况。

• 环境因素：带钢产线通常是高温、多粉尘、有振动、有冷却液喷淋的恶劣环境。传感器必须能够在这种环境下稳定工作，不受干扰，提供可靠的数据。

• 高速移动：带钢的移动速度非常快，这意味着传感器需要具备极快的响应速度和数据采集频率，才能捕捉到瞬间的厚度变化，并及时反馈给控制系统进行调整。

2. 带钢相关技术标准简介

为了确保带钢的质量，行业内对带钢的多个参数都有严格的监测和评价标准。对于厚度测量，主要关注以下几个核心参数：

• 厚度：这是带钢垂直于其平面的尺寸。通常以毫米（mm）或微米（µm）为单位。

• 厚度偏差：指带钢的实际测量厚度与目标设定厚度之间的差异。它反映了生产过程中厚度控制的精准程度。评价方法通常是记录一段时间内或特定长度带钢的厚度读数，并计算其与目标值的平均偏差、最大偏差和最小偏差。

• 厚度均匀性：这不仅关注厚度偏差，更强调偏差的分布。它通常分为纵向厚度均匀性（沿带钢长度方向）和横向厚度均匀性（沿带钢宽度方向）。例如，横向厚度均匀性会关注带钢中心点到边缘的厚度变化，通常用“边部减薄”或“中心增厚”等指标来描述。评价方法是在带钢的不同位置（如中心、四分之一宽度处、边缘）进行连续或抽样测量，然后分析这些测量值的一致性。

• 厚度波动率：描述带钢厚度在短时间内或短距离内的快速变化。高波动率可能意味着轧制过程不稳定。评价方法通常通过统计分析（如标准差或变异系数）来评估厚度数据的离散程度。

• 平直度：虽然不是直接的厚度参数，但带钢的平直度与厚度均匀性密切相关。厚度不均往往会导致带钢波浪边、瓢形等缺陷，影响后续加工和产品质量。

3. 实时监测/检测技术方法

在带钢生产线上实现高速、精准的在线厚度测量和实时反馈，是提高产品质量和生产效率的关键。目前市面上有很多非接触式测量技术，每种都有其独特的原理和适用场景。

（1）市面上各种相关技术方案

a. X射线厚度测量技术

X射线厚度测量技术就像是给带钢做“体检”，它利用X射线穿透带钢，根据带钢对X射线的吸收量来判断其厚度。当X射线穿过材料时，一部分能量会被吸收，剩余的X射线强度与材料的厚度和密度有关。

• 工作原理和物理基础：X射线管发射出一定能量的X射线束，穿透高速移动的带钢。在带钢的另一侧，X射线探测器会接收到穿透带钢后的X射线强度。当带钢厚度增加时，吸收的X射线能量增多，到达探测器的强度就会减弱；反之则增强。通过测量穿透前后的X射线强度变化，结合材料的已知密度和X射线衰减系数，就可以精确计算出带材的厚度。 其基本衰减公式可表示为： I = I0 * e^(-μρx) 其中，I 是穿透带材后的X射线强度，I0 是入射X射线强度，e 是自然对数的底，μ 是质量衰减系数（取决于材料和X射线能量），ρ 是材料密度，x 是带材厚度。 通过已知I0、I、μ、ρ，就可以反推出x。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量精度：通常可达±0.03% ~ ±0.1% 满量程。

  • 响应时间：通常小于10毫秒。

  • 测量范围：0.05毫米至45毫米，覆盖从薄板到中厚板的广泛应用。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度与稳定性：在宽范围的厚度测量中都能保持极高的精度和稳定性，受带材表面状态、温度、振动等影响较小。

    • 穿透性强：能够测量高温、表面有氧化皮或油污的带材，无需接触，非常适合恶劣的工业环境。

    • 应用广泛：适用于钢铁、铝等各种金属带材的厚度测量。

  • 缺点：

    • 辐射安全：需要使用X射线源，存在辐射风险，需要严格的安全防护措施和专业操作人员。

    • 成本较高：设备购置成本和维护成本相对较高。

    • 需要校准：由于X射线特性受材料成分影响，不同材料或牌号的带钢需要进行相应的校准。

b. 激光三角测量技术

激光三角测量技术就像是用一把“光尺”去量距离。它通过发射一束激光到目标表面，然后捕捉反射回来的光点位置来计算距离。在带钢厚度测量中，通常需要两套这样的激光传感器，分别测量带钢的上表面和下表面到各自传感器的距离，然后通过差值计算出带钢的厚度。

• 工作原理和物理基础：一个激光发射器会向被测物体表面发射一束激光。当这束激光照射到物体表面时，会形成一个光斑。这个光斑的反射光会经过接收透镜，投射到一个位置敏感探测器（如CCD或CMOS线阵传感器）上。当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，反射光斑在探测器上的位置也会相应移动。 利用几何上的三角关系，通过测量光斑在探测器上的位置偏移量，就可以精确计算出传感器与被测物体表面之间的距离。 对于带钢厚度测量，假设我们有两个相对安装的激光位移传感器A和B，分别测量到带材上表面和下表面的距离d_A和d_B。如果传感器A和B之间的已知固定距离为L，那么带材的厚度H就可以通过简单的几何关系得出： H = L - (d_A + d_B) 这里，d_A和d_B是传感器测得的带材表面距离传感器各自的距离。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围（单传感器）：从几毫米到数米，具体取决于型号。

  • 分辨率（单传感器）：可达0.03微米到几十微米。

  • 线性度（单传感器）：通常优于±0.05% 满量程。

  • 厚度测量系统精度：通常优于±2微米。

  • 响应时间：从几毫秒到几十毫秒。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式：对带材无损伤，避免了接触式测量可能造成的表面划伤。

    • 高精度与高速度：能够实现微米级的精度，同时响应速度快，适合高速在线测量。

    • 适用性广：适用于多种材料的带材，尤其在温度不高、表面反射率相对稳定的情况下表现良好。

    • 易于安装维护：设备相对紧凑，安装方便，维护要求相对较低。

  • 缺点：

    • 受表面影响：带材表面的反射特性（如光泽度、颜色、粗糙度）会影响测量精度，特别是当表面有氧化皮、水蒸气或高反射时，可能需要特殊的光学处理或算法补偿。

    • 振动敏感：虽然具有一定抗振性，但强烈的机械振动仍可能影响测量稳定性。

    • 视野受限：单个传感器测量的是一个点，对于带钢全宽度的厚度分布测量需要多传感器阵列或扫描机构。

c. 共聚焦色差测量技术

共聚焦色差测量技术就像是拿一个彩虹笔去照亮带钢表面，不同颜色的光会在不同的高度聚焦。通过分析哪个颜色的光最清晰地反射回来，就能知道那个点的精确高度。

• 工作原理和物理基础：这种传感器投射出一束宽带白光（包含各种颜色的光），经过特殊设计的透镜系统后，不同颜色的光会因为色差效应，聚焦在不同的高度上。只有当白光中特定颜色的光束恰好聚焦在被测物体表面时，其反射光才能通过一个针孔（共聚焦孔径）并被探测器接收。通过分析接收到的光线的颜色，传感器就能精确确定目标表面的高度。通过在带材两侧设置两个传感器进行差分测量，同样可以获得带材的厚度。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：通常为几百微米到几毫米。

  • 分辨率：可达0.005微米（5纳米）或更高。

  • 线性度：通常优于±0.03% 满量程。

  • 采样频率：最高可达几十千赫兹甚至更高。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 超高精度：能够达到亚微米甚至纳米级的测量精度，远超激光三角测量。

    • 抗表面影响强：对各种表面条件（包括高反射、透明、粗糙表面）都有出色的测量稳定性。

    • 无接触：不会对被测带材造成任何损伤。

  • 缺点：

    • 测量范围小：单次测量行程通常很短，对于厚度变化大的带材可能不适用或需要频繁调整。

    • 对倾斜敏感：传感器与被测表面之间需要保持较好的垂直度，倾斜角度过大可能影响测量精度。

    • 成本较高：相较于普通激光位移传感器，设备成本更高。

d. 电容式测量技术

电容式测量技术利用了电容的原理，就像我们用手去触摸手机屏幕一样。两个电极之间形成一个电场，当被测物体靠近或离开电极时，电场会发生变化，导致电容值改变。通过精确测量这个电容值的变化，就能推算出距离。

• 工作原理和物理基础：电容式位移传感器由一个或多个测量电极与被测物体（如果被测物体是导电材料，它本身可作为另一个电极）之间形成电容。电容值与电极的面积A、介电常数ε以及电极之间的距离d有关。 其基本公式为： C = εA / d 其中，C 是电容值，ε 是测量电极与被测物体之间介质的介电常数，A 是有效电极面积，d 是有效电极面积，d 是电极与被测物体之间的距离。 通过测量电容C的变化，结合已知的ε和A，就可以精确计算出距离d。在带材厚度测量中，同样是使用两个相对安装的传感器，测量两个距离，再通过差值计算厚度。此方法更适用于超薄、非导电或高精度的导电带材。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 分辨率：可达0.0002微米（0.2纳米）甚至更小。

  • 线性度：通常优于±0.02% 满量程。

  • 测量范围：从几微米到几毫米，通常较短。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极致分辨率：在所有非接触式测量技术中，电容式通常提供最高的分辨率和精度，可以实现纳米级别的测量。

    • 稳定性高：测量结果受环境光线影响小。

    • 适用于薄膜和微米级测量：特别适合对超薄、高精度材料进行测量。

  • 缺点：

    • 测量距离短：有效测量范围非常有限，通常只能在很近的距离内工作。

    • 受环境影响大：湿度、温度、空气中的微粒等都可能改变介电常数，从而影响测量精度。

    • 对材料有要求：主要适用于导电材料，或对非导电材料进行非常薄的测量。

    • 需要与被测物保持平行：对安装和被测物的平整度要求较高。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在带钢厚度测量领域具有代表性的国际品牌及其技术方案，以便更好地理解市场上的选择。

• 法国赛峰：专注于冶金行业，提供先进的X射线厚度计解决方案。其X射线厚度计具有高达±0.03%满量程的测量精度，响应时间小于10毫秒，测量范围广阔，可达0.05毫米至45毫米。赛峰的优势在于其产品在严苛的工业环境中，特别是高温、有氧化皮的钢铁、铝等金属带材在线厚度控制中表现出色，能够显著提高产品质量和生产效率。

• 英国真尚有：作为高性能激光位移传感器的供应商，其ZLDS116型号是一款基于激光三角测量原理的通用型传感器。它具备最大测量距离达10m，测量范围可达8m，精度可优于0.08%，响应时间快至5毫秒。英国真尚有的ZLDS116采用IP66级铸铝外壳，配备空气净化系统，可在恶劣环境中使用，配备水冷系统后可达120°C，部分型号最高可测量1300°C的被测物，这使得它非常适合在带钢产线等恶劣环境下作为构建高精度厚度测量系统的核心传感器组件。

• 德国米卡：是精密测量领域的专家，其激光三角测量方案以高精度和高采样率著称。德国米卡提供的厚度测量系统（例如基于optoNCDT系列激光位移传感器）通常由两个相对安装的传感器组成，用于差分测量。这类系统通常能达到优于±2微米的厚度测量精度，单个传感器的分辨率可达0.03微米。德国米卡的方案适用于各种材料的带材，尤其擅长对狭窄带材的精细厚度变化进行实时监控，以其出色的可靠性和稳定性获得市场认可。

• 日本基恩士：以其创新的传感器技术而闻名，提供基于共聚焦色差原理的位移传感器。其共聚焦传感器在测量超薄、高精度带材时具有显著优势，能实现0.005微米的极高分辨率和±0.03%满量程的线性度，采样频率最高可达128千赫兹。它能够处理各种表面条件，包括高反射和透明材料，非常适合对微米级甚至纳米级厚度变化的在线批量检测。

• 美国莱克特：在电容式测量技术领域拥有深厚经验，其厚度测量系统以超高分辨率和稳定度著称。美国莱克特的电容式系统分辨率可高达0.0002微米（0.2纳米），线性度可达±0.02%满量程。该系统特别适用于对薄膜、非导电材料以及需要极致精度的微米级狭窄带材的在线厚度测量，尤其在对超薄膜的非接触测量方面表现出卓越性能。

（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

选择合适的非接触式传感器，就像为你的生产线选择最合适的眼睛。你需要考虑多个关键指标，因为它们直接决定了测量结果的准确性、稳定性和系统的适用性。

1. 测量精度（Accuracy）：

   • 实际意义：这是传感器测量结果与真实值之间的一致程度。精度越高，测量值越接近真实厚度。比如，如果目标厚度是1.00毫米，精度±0.01毫米意味着测量结果在0.99毫米到1.01毫米之间都是可接受的。

   • 影响：直接决定了产品厚度公差的控制能力。精度不足会导致产品质量不稳定，甚至批量报废。

   • 选型建议：根据带钢产品的最终公差要求来确定。如果生产高精度带材（如精密箔材），需要选择精度在微米甚至亚微米级别的系统；对于普通板材，几十微米到几百微米的精度可能就足够了。

2. 分辨率（Resolution）：

   • 实际意义：传感器能够检测到的最小厚度变化量。就像你的尺子最小刻度是1毫米，你就无法区分0.1毫米的差异。高分辨率意味着即使是很微小的厚度波动也能被捕捉到。

   • 影响：影响系统对微小厚度变化的感知能力和反馈速度。分辨率不足，可能导致控制系统无法及时响应微小的厚度波动。

   • 选型建议：分辨率应至少是所需测量精度的一个数量级或几个数量级。例如，如果要求精度是±10微米，那么分辨率最好在1微米以下。

3. 响应时间（Response Time）/测量频率（Sampling Rate）：

   • 实际意义：传感器从接收信号到输出测量结果所需的时间，以及每秒能够进行测量的次数。带钢线速度极快，响应时间越短，测量频率越高，系统就能越及时地捕捉到厚度变化。

   • 影响：直接关系到系统对高速移动带钢的“实时”监测能力。响应慢的传感器可能在检测到厚度超差时，带钢已经跑出去很长一段距离了，导致控制滞后。

   • 选型建议：对于高速带钢线，通常需要毫秒级甚至亚毫秒级的响应时间，以及几千赫兹到几十千赫兹的测量频率。

4. 测量范围（Measurement Range）：

   • 实际意义：传感器能够有效测量的最大距离或厚度范围。

   • 影响：决定了传感器能否覆盖生产线上不同规格带钢的厚度范围。如果测量范围太窄，可能需要更换传感器或限制产品规格。

   • 选型建议：根据你生产的带钢最薄和最厚的规格，以及现场可能的振动和位置摆动范围来选择。X射线厚度计通常有较宽的厚度测量范围，而共聚焦和电容式传感器通常测量范围较窄。

5. 环境适应性（Environmental Robustness）：

   • 实际意义：传感器在恶劣的工业环境中（如高温、高粉尘、高湿、振动、冷却液、强电磁干扰等）稳定工作的能力。

   • 影响：环境适应性差的传感器会导致频繁故障、测量漂移、数据不稳，增加维护成本和停机时间。

   • 选型建议：这是带钢产线选型中非常重要的一点。需要关注传感器的防护等级（如IP65/IP66）、工作温度范围、是否有空气吹扫或水冷系统、抗振动设计等。例如，X射线厚度计对表面脏污和高温的抵抗力较强，而激光传感器通常需要空气吹扫和水冷系统来应对高温和粉尘。

6. 材料兼容性（Material Compatibility）：

   • 实际意义：传感器对不同材质（钢、铝、铜等）、不同表面状态（光亮、粗糙、氧化、油污）带钢的测量能力。

   • 影响：如果传感器对某种材料或表面状态不敏感，则无法进行有效测量。

   • 选型建议：激光三角测量可能受表面反射率影响较大，共聚焦对高反射和透明材料表现良好，电容式对导电材料更敏感。X射线厚度计对表面状态影响较小，但不同材料密度和衰减系数不同，需要校准。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在带钢产线中应用非接触式厚度传感器，虽然优势明显，但实际操作中也可能遇到一些挑战。

1. 问题：带钢表面状态变化

   • 原因：带钢在轧制、退火等过程中，表面可能会产生氧化皮、水蒸气、油污、反光面或粗糙面。这些变化会影响激光或光学传感器的光信号反射/吸收特性，导致测量数据不准确或不稳定。

   • 影响：测量值漂移、波动大，甚至无法获得有效数据，直接影响厚度控制精度。

   • 解决建议：

     • 空气吹扫/水冷系统：对于激光或光学传感器，配备强力的空气吹扫系统可以有效清除传感器测量区域的粉尘和水蒸气。对于高温带钢，水冷系统可保护传感器自身并降低测量区域的环境温度。

     • 多光路/多波长传感器：某些先进的激光传感器会采用多光路设计或不同波长的激光，以适应不同反射率的表面。

     • X射线厚度计：如果产线环境非常恶劣，带钢表面变化剧烈且难以控制，X射线厚度计由于其穿透性，受表面状态影响最小，可能是更可靠的选择。

2. 问题：环境温度波动及传感器自身发热

   • 原因：带钢产线温度普遍较高，尤其在热轧区域。传感器长期工作在高温环境下容易自身发热，导致内部电子元件性能漂移，影响测量精度和稳定性。

   • 影响：测量精度下降，数据出现偏差，甚至传感器损坏。

   • 解决建议：

     • 选择耐高温传感器：选用工作温度范围宽广的传感器。

     • 集成水冷或风冷系统：为传感器提供额外的冷却措施，确保其工作温度在允许范围内。

     • 定期校准与温度补偿：对于对温度敏感的传感器，应定期进行现场校准，并利用传感器内置或外部的温度补偿算法，消除温度对测量结果的影响。

3. 问题：机械振动和带钢跑偏

   • 原因：带钢生产线本身存在轧机振动、传送辊振动等，高速移动的带钢也可能出现跑偏或跳动。这些都会导致传感器与带钢之间的相对位置发生瞬时变化。

   • 影响：测量数据出现瞬时误差，影响实时控制的准确性。

   • 解决建议：

     • 稳固安装：将传感器安装在坚固、稳定的支架上，尽可能远离主要振动源。

     • 采用差分测量：对于厚度测量，双传感器差分测量系统（如激光三角测量）能够有效消除因带钢整体上下跳动引起的误差，因为两个传感器会同步感受到这种变化。

     • 选择高响应频率传感器：快速响应的传感器能够更准确地捕捉到带钢的瞬时位置，并结合算法进行补偿。

4. 问题：精度与成本的平衡

   • 原因：高精度的传感器通常意味着更高的购置成本和维护成本。

   • 影响：如果盲目追求最高精度，可能导致投资过大，不符合实际生产需求；如果精度不足，又会影响产品质量。

   • 解决建议：

     • 明确需求：首先要清晰定义带钢产品的厚度公差、生产速度、环境条件等关键需求。

     • 技术经济分析：对不同技术方案进行全面的技术经济分析，权衡精度、稳定性、成本、维护难度等因素，选择性价比最优的方案。

4. 应用案例分享

非接触式厚度传感器在带钢生产线中的应用非常广泛，是现代钢铁、有色金属行业不可或缺的一部分。

• 热轧板带厚度控制：在高温热轧过程中，传感器实时测量带钢的厚度，并将数据反馈给轧机控制系统，自动调整轧辊间隙，确保带钢厚度均匀稳定。

• 冷轧板带厚度监控：冷轧生产线对厚度精度要求更高，传感器精确监测带钢厚度，帮助实现微米级的厚度控制，满足高端产品的需求。

• 镀层厚度测量：在镀锌、镀锡等涂镀生产线上，传感器可以测量带钢基材与镀层后的总厚度，间接监控镀层厚度均匀性，提高产品质量。

• 特种合金带材生产：对于高价值、高精度要求的特种合金带材（如不锈钢精密带、钛合金带），非接触式传感器提供稳定可靠的厚度数据，确保产品性能符合严格标准。

• 边缘减薄检测：通过多点测量或扫描，传感器可以识别带钢边缘的厚度变化，帮助优化轧制工艺，减少边部缺陷。