如何在热轧活套控制中，确保在数米量程内实现±2mm精度和100Hz响应速度的活套高度监测？【恶劣环境传感器选型】

1. 基于活套的基本结构与技术要求

在热轧产线中，活套（Looper）是连接轧机机架之间钢带的弧形缓冲段，它的作用就像是轧机间的一个“弹性区域”。想象一下，钢带在轧机间高速穿梭，如果每个轧机的速度不能完全同步，钢带就会出现过松（堆积）或过紧（拉断）的情况。活套就是用来“吞吐”这些速度差异的，通过改变自身的弧度来补偿速度不匹配，同时还能稳定钢带的张力，确保整个轧制过程顺畅、产品质量稳定。

活套的控制核心就是对其高度和位置的精确测量。对高速热轧产线来说，活套的实时位置信息至关重要。例如，如果活套过高或过低，都会影响钢带张力，进而导致产品板形不佳甚至断带。因此，对传感器有以下几个核心技术要求：

• 高动态响应速度： 产线节拍快，活套高度变化频繁且迅速，传感器必须能够每秒多次甚至数百次地刷新数据，才能跟上活套的动态变化。本案例要求满足高速产线节拍。

• 高测量精度： 活套位置的微小偏差都会累积影响产品质量，因此需要高精度的测量。本案例明确要求精度达到±2mm，这意味着传感器必须能稳定提供优于此要求的数据。

• 高可靠性与环境适应性： 热轧车间环境极其恶劣，高温（钢带表面温度可达上千摄氏度）、水汽、灰尘、振动、强电磁干扰等都是常态。传感器必须具备坚固的防护等级、耐高温能力和抗干扰能力，才能保证长期稳定运行。

• 测量范围： 活套的升降幅度通常在数米范围内，传感器需要具备足够的测量范围来覆盖活套的全部运动行程。

2. 针对活套的相关技术标准简介

活套监测主要关注以下几个参数的定义和评价方法：

• 活套高度/位置： 指活套最低点或最高点相对于基准线的垂直距离。这是最直接反映活套状态的参数。评价方法通常通过在活套运动范围内多点测量，计算其平均值、波动范围和瞬时最大/最小值。

• 活套角度： 活套与水平面形成的夹角，可以反映活套的形状和张力分布。评价方法可能涉及多个距离传感器配合或使用图像处理技术，通过几何计算得出。

• 活套张力： 活套高度与张力之间存在直接的函数关系，活套高度通常作为张力控制的反馈信号。虽然传感器直接测量的是距离，但其最终目的是辅助控制钢带张力。评价方法通常是根据活套高度反馈值，结合经验公式或数学模型计算出张力值，并与设定值进行比较。

• 活套波动率： 指活套高度在一定时间内（如一个轧制周期）的变化幅度，是衡量活套控制稳定性的重要指标。评价方法是采集一段时间内的活套高度数据，计算其标准差或峰谷差。

• 响应时间： 传感器从接收到信号到输出有效测量数据所需的时间，这是衡量其能否满足高速产线节拍的关键指标。评价方法是通过实验测试，在已知距离变化时，传感器输出信号达到稳定值所需的时间。

这些参数的准确获取和精确控制，是确保热轧生产线高效、稳定运行的关键。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在活套控制领域，多种测量技术被广泛应用，每种技术都有其独特的原理、优势和局限性。

3.1.1 脉冲式飞行时间（TOF）激光测距

这种技术就像是测量声音的回声一样，但用的是光。传感器发射一个非常短的激光脉冲，然后等待这个激光脉冲碰到活套表面并反射回来。通过精确测量激光从发出到接收到的时间差，就可以计算出传感器到活套的距离。

工作原理和物理基础： 脉冲式飞行时间（Time-of-Flight, TOF）原理利用光速恒定这一基本物理定律。当一个激光脉冲被发射出去，并被目标表面反射回来时，其传播距离 D 可以通过以下公式计算：

D = (c * t) / 2

其中： * D 是传感器到目标的距离。 * c 是光在空气中的传播速度（约 3 x 10^8 米/秒）。 * t 是激光脉冲从发射到接收的总时间。

这个公式告诉我们，只要能精确测量光往返的时间，就能算出距离。由于光速非常快，即使是几百米的距离，往返时间也只有几微秒甚至纳秒级别，所以需要非常精密的计时电路。

核心性能参数： 典型的测量范围可以从几十米到几百米甚至更远，精度可达到±1mm，测量速度通常在几十赫兹到数百赫兹。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量距离远，可以实现非接触式测量；对目标表面的反射率要求相对较低，可以在一定程度上对深色、高温表面进行测量；响应速度快，适用于高速运动的活套检测。其光束发散角通常较小，不容易受到周围环境的干扰。 * 缺点： 在有强烟尘、水蒸气的环境中，激光信号可能会衰减，影响测量精度和稳定性；对传感器的计时电路和信号处理能力要求较高，成本相对较高。在极端阳光直射下，也可能受到环境光干扰。 * 适用场景： 活套高度控制、大型结构变形监测、自动化仓库尺寸测量等，特别适用于需要远距离、较高精度、较高速度测量的工业场合。

3.1.2 激光三角测量

想象你拿着一个手电筒照墙壁，从侧面用眼睛看光斑的位置。如果手电筒固定，但你移动眼睛，光斑在视线中的位置就会变。激光三角测量就是这个原理的精确版。传感器发射一道激光束照射到活套表面形成一个光点，然后一个高分辨率的摄像头（或位置敏感探测器）从另一个角度捕捉这个光点。当活套上下移动时，光点在摄像头图像上的位置会发生变化，通过简单的三角几何关系，就可以精确计算出距离。

工作原理和物理基础： 激光三角测量基于光学三角原理。激光器发射一束激光，照射到被测物体表面形成一个光点。反射光通过接收透镜聚焦到位置敏感探测器（如CMOS图像传感器）上。当被测物体移动时，光点在探测器上的位置 y 会发生变化。根据几何关系，可以得到以下简化公式：

D = (B * F) / (y + F * tan(theta))

其中： * D 是传感器到被测物体的距离。 * B 是激光发射器和接收器之间的基线距离。 * F 是接收透镜的焦距。 * y 是光点在探测器上的偏移量。 * theta 是激光束的发射角度。

核心性能参数： 测量范围通常较短，从几毫米到几米，但精度较高，部分产品可以达到微米甚至亚微米级别。测量速度非常快，可达数千赫兹甚至更高。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度较高，能捕捉到微小的位置变化；响应速度快，非常适合高速精密测量；抗环境干扰能力强，特别是针对烟尘和蒸汽，通常表现良好。 * 缺点： 测量距离相对较短，不适合大范围活套高度监测；容易受被测物表面颜色、反射率变化、角度变化的影响；传感器本身结构相对复杂，成本较高。 * 适用场景： 对活套边缘、表面轮廓等局部高精度测量，或用于辅助校准。不适用于活套整体高度的长距离监测。

3.1.3 FMCW毫米波雷达技术

这种技术与激光不同，它发射的是毫米波电磁波，而不是光。就像军事雷达探测飞机一样，但更小巧、更精确。FMCW雷达传感器发射一个频率不断变化的连续毫米波信号，当这个信号遇到活套表面并反射回来时，接收到的信号频率会与发射信号产生一个“差拍频率”。通过测量这个频率差，就能精确计算出距离。毫米波就像是拥有“穿透力”的隐形波，能较好地穿透烟尘和水汽。

工作原理和物理基础： FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波）雷达技术通过发射连续的、频率随时间线性调制的电磁波（毫米波）来测量距离。当发射波遇到目标反射回来时，接收到的回波与发射波之间会存在一个时间延迟 τ = 2D/c（D为距离，c为电磁波速度）。由于发射波的频率是线性调制的，这个时间延迟会转化为发射波和接收波之间的频率差 f_beat，即“差拍频率”。

f_beat = (2 * D / c) * (Δf / Δt)

其中： * f_beat 是差拍频率。 * D 是传感器到目标的距离。 * c 是电磁波在介质中的传播速度。 * Δf / Δt 是频率调制的斜率（即频率变化率）。

通过测量 f_beat，即可解算出距离 D。

核心性能参数： 测量范围通常在几十米以内，精度可达毫米级，响应速度一般在几十赫兹。

技术方案的优缺点： * 优点： 对烟尘、蒸汽、雨雪等恶劣环境具有极强的穿透能力和鲁棒性，环境适应性极佳；传感器本身结构简单，维护成本低；对目标表面反射率变化不敏感。 * 缺点： 测量精度和分辨率通常不如激光测距高；测量距离相对有限；波束角通常比激光大，可能会受到多个目标的干扰。 * 适用场景： 钢厂活套、起重机防撞、料位监测等需要极端恶劣环境下稳定测量的应用。

3.1.4 多回波激光扫描

这种技术可以看作是脉冲式TOF激光测距的升级版，它不仅能测量一个点，还能在一定区域内快速扫描，并识别多个反射回波。想象一个激光探照灯快速扫过一个区域，同时它还能分辨出哪个回波是从烟雾中反射的，哪个是从活套表面反射的。这在烟尘弥漫的钢厂环境中特别有用，因为它能“看穿”部分干扰。

工作原理和物理基础： 多回波激光扫描仪通常也采用脉冲式飞行时间（TOF）原理进行距离测量。与传统单回波传感器不同，它能在一个激光脉冲发射后，接收并处理来自不同障碍物的多个反射回波信号。例如，一个脉冲可能先被烟尘颗粒反射回来，紧接着被活套表面反射回来，再被背景墙反射回来。传感器通过复杂的信号处理算法，区分并解析这些不同的回波，从而获得更可靠的目标距离数据。同时，它通过内置的旋转扫描机构，使激光束在一个平面内进行高速扫描，生成被测物体的二维轮廓数据。

核心性能参数： 测量范围可达数百米，精度在几毫米到几十毫米之间，扫描频率一般在几十赫兹。

技术方案的优缺点： * 优点： 卓越的恶劣环境适应性，多回波技术有效对抗烟尘、水汽干扰；大范围测量能力，可以监测较大范围的活套区域；可提供活套的完整横截面轮廓数据，不仅仅是单点距离。 * 缺点： 相比单点激光测距，精度通常会略低；数据量大，需要更强的后端处理能力；设备成本较高。 * 适用场景： 活套的整体轮廓监测、车辆避障、区域安全防护等，特别是需要恶劣环境下获取二维轮廓数据的场合。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几个在活套控制领域表现出色的主流品牌，它们分别采用了上述不同的技术：

• 日本基恩士 (采用激光三角测量技术) 日本基恩士的LK-G5000系列传感器以其较高的速度和精度著称。它采用激光三角测量原理，结合高速CMOS传感器和专用光学系统，能够实现微米级的重复精度（典型值0.005 μm），采样速度高达130 kHz。测量范围相对较短，通常在50 ± 10 mm。其优势在于较高的测量速度和精度，在活套局部或需要较高精度的测量点表现出色，同时具有较强的抗环境干扰能力。

• 英国真尚有 (采用脉冲式飞行时间（TOF）激光测距技术) 英国真尚有的LCJ系列传感器是一款高性能的工业级激光测距仪。它通过激光束反射进行精确的非接触距离测量，最远可测500米，精度高达±1mm。其测量速度可达250Hz，并能测量表面温度达1550℃的高温物体。LCJ系列具备IP65防护等级，工作温度范围-40至+60°C，且可配备冷却外壳适应更高环境温度，提供RS232、RS485、RS422、SSI和USB等多种串行接口，以及高精度模拟输出和两个可编程数字输出。其在大范围、高温、高精度和高速测量方面表现突出，适合热轧活套的整体高度监测。

• 德国倍加福 (采用FMCW毫米波雷达技术) 德国倍加福的F99系列工业雷达传感器基于FMCW雷达技术，以其卓越的恶劣环境适应性而著称。它发射毫米波，能有效穿透钢厂常见的高温、高尘、高湿环境中的烟尘和蒸汽，测量范围0.2米至40米，重复精度可达±1 mm。该传感器具有IP67/IP69K防护等级，提供低维护的活套高度监控方案，在环境极端恶劣但对测量精度要求在毫米级时展现出独特优势。

• 德国西克 (采用多回波激光扫描技术) 德国西克的LD-MRS系列多回波激光扫描仪采用脉冲式飞行时间（TOF）原理，并结合了多回波技术，能够在有灰尘、蒸汽或雨雾的恶劣环境中获得数据。其测量范围最大可达300米，扫描频率25 Hz或50 Hz，可生成活套的2D轮廓。其优势在于大范围的监测能力和多回波技术带来的环境鲁棒性，能够提供活套的完整截面信息，而不仅仅是单点距离。

• 瑞士徕卡 (采用脉冲飞行时间或相位比较法) 瑞士徕卡的DMS系列工业距离测量传感器，例如DMS2000，通常采用相位比较法或脉冲飞行时间（TOF）法。该系列传感器专为工业环境设计，提供稳定可靠的距离数据。测量范围可达0.05米至300米，精度±1 mm，重复精度0.3 mm，测量速度高达20 Hz，工作温度范围-40 °C 至 +70 °C。其较高的精度和稳定性，以及坚固的工业级设计，使其成为活套高度控制的有力选择。

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

选择活套控制传感器时，不能只看单一参数，而是要综合考虑各个指标对实际应用的影响：

1. 测量精度与重复精度：

   • 实际意义： 精度（Accuracy）指的是测量值与真实值之间的接近程度，重复精度（Repeatability）则衡量在相同条件下多次测量结果的一致性。对于活套控制，±2mm的精度要求意味着传感器输出的数据必须稳定在这个误差范围内。重复精度高，能确保控制系统接收到稳定的反馈信号，避免因传感器自身波动而导致活套振荡。

   • 选型建议： 优先选择精度和重复精度优于2mm的产品。在同等精度下，重复精度越高越好。

2. 测量速度/响应频率：

   • 实际意义： 指传感器每秒能够完成多少次测量并输出数据。高速产线节拍快，活套位置可能快速变化，如果传感器响应慢，就好比你开快车看后视镜有延迟，等到你看到问题再反应，可能已经来不及了。足够高的测量速度能确保控制系统获得实时的活套状态，及时调整。

   • 选型建议： 鉴于高速产线，建议选择测量速度至少在100Hz以上的传感器。

3. 测量范围：

   • 实际意义： 指传感器能够有效测量的最短和最长距离。活套在轧制过程中有升降幅度，传感器需要能覆盖活套的所有可能位置。

   • 选型建议： 根据活套实际的最小高度和最大高度来确定，确保传感器的测量范围能够完全覆盖活套的工作区间，并留有一定余量。

4. 环境适应性（耐高温、抗尘、抗蒸汽）：

   • 实际意义： 热轧车间高温、多尘、蒸汽弥漫，这些都会直接影响传感器的寿命和测量稳定性。传感器如果不能承受高温，会过早失效；如果不能穿透或抵抗烟尘、蒸汽，就会频繁丢失信号或数据错误。

   • 选型建议： 必须选择工业级坚固外壳（如IP65或更高），具有耐高温能力，并考虑是否需要冷却外壳、吹扫气接口等防护措施。如果环境极端恶劣，FMCW毫米波雷达技术可能是更稳健的选择。激光测距传感器则可选择具备多回波技术或有抗环境光能力的产品。

5. 接口类型：

   • 实际意义： 传感器输出数据需要与产线控制系统（PLC/DCS）进行通信。常见的接口有RS232/RS485/RS422、以太网、模拟量输出（4-20mA）或数字量输出等。

   • 选型建议： 根据现有控制系统的接口类型进行匹配，确保能方便地集成到控制架构中。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

1. 高温导致传感器故障或性能漂移：

   • 原因分析： 传感器长时间工作在高温环境下，其内部电子元件会加速老化，导致测量精度下降，甚至直接损坏。

   • 解决建议：

     • 选择标称工作温度范围广的传感器，并确认其能测量高温物体表面。

     • 配备专业的冷却外壳，通过通水或通气（冷风）进行主动冷却。

     • 在传感器和热源之间设置隔热板，减少热辐射影响。

     • 定期检查传感器内部温度，确保在安全范围内运行。

2. 烟尘、水汽、蒸汽干扰测量：

   • 原因分析： 激光束在穿过烟尘、蒸汽时会发生散射和衰减，导致接收到的信号强度变弱，甚至无法识别，从而引起测量不准确或数据丢失。毫米波雷达虽然穿透性强，但在极端高密度干扰下也可能受影响。

   • 解决建议：

     • 安装空气吹扫装置，持续对传感器发射和接收窗口吹送洁净空气，形成“气帘”防止灰尘和水汽附着。

     • 优先选择具备多回波处理能力的激光传感器。

     • 考虑采用毫米波雷达技术，其穿透能力远超激光。

     • 优化传感器安装位置，尽量避开粉尘和蒸汽最集中的区域。

3. 活套表面反射率变化影响测量：

   • 原因分析： 热轧钢带表面颜色和粗糙度不均，氧化层、水膜等都可能导致反射率差异，使得传感器接收到的信号强度不稳定，影响测量精度。

   • 解决建议：

     • 选择对目标反射率变化不敏感的传感器，例如一些激光测距仪可以自动调节接收灵敏度。

     • 部分激光传感器能在深色（低反射率）表面上进行测量。

     • 对于激光三角测量，适当调整激光功率或接收增益。

     • 对于毫米波雷达，其本身对表面反射率变化不敏感。

4. 振动和冲击导致传感器移位或损坏：

   • 原因分析： 轧线运行过程中产生的剧烈振动，可能导致传感器安装支架松动，影响测量基准，甚至造成传感器内部元件损伤。

   • 解决建议：

     • 采用坚固的重型安装支架，并采取防松措施（如锁紧螺母、焊接固定）。

     • 在传感器安装座和支架之间加装减震垫或弹簧，吸收部分振动能量。

     • 选择结构坚固、抗冲击性能好的工业级传感器。

4. 应用案例分享

• 热轧活套高度控制： 激光测距传感器实时监测钢带活套的垂直位置，将数据反馈给轧机控制系统，确保活套高度稳定在设定范围内，从而稳定钢带张力，保证轧制过程平稳和产品板形质量。 英国真尚有的LCJ系列传感器由于其较远的测量范围和较高的测量速度，能够很好地应用于热轧活套的高度控制。

• 连铸坯尺寸测量： 在连铸过程中，激光测距传感器可用于测量铸坯的长度、宽度和厚度，确保铸坯尺寸符合后续轧制要求，提高生产效率和成品率。

• 冷轧带钢卷径测量： 激光传感器可以精确测量正在收卷或开卷的带钢卷径，为卷取机或开卷机的速度控制提供准确数据，实现稳定的卷取张力，避免带钢损伤。