如何在1200℃加热炉内，克服粉尘蒸汽干扰实现钢坯毫米级非接触定位？【工业传感器选型】

1. 钢坯的基本结构与技术要求

钢坯，可以形象地理解为是炼钢过程中初步成型的“半成品钢材”，它通常是方、矩形或圆形截面的固体金属块。在进入轧钢等深加工环节之前，钢坯需要在加热炉内被加热到非常高的温度，比如1100℃到1300℃，以便后续塑性变形。

在加热炉这样极端的环境中对钢坯进行定位，面临着多重挑战：

• 高温环境： 炉内温度非常高，不仅钢坯表面温度极高，炉膛环境温度也远超一般工业传感器的耐受极限。传感器需要具备特殊的高温防护能力。

• 粉尘与蒸汽： 炉内燃烧过程会产生大量烟尘，同时钢坯表面的氧化皮脱落、冷却水蒸发等也会产生大量粉尘和蒸汽，这些悬浮物会严重干扰传统传感器的信号传输，就像在浓雾中看东西一样模糊。

• 辐射干扰： 高温钢坯本身会发出强烈红外辐射，这对于基于光学原理的传感器来说是一种强大的背景噪声，容易造成测量误差。

• 运动与定位精度： 钢坯在炉内通常是连续移动的，需要实时、高精度地监测其位置，包括前进方向的距离、横向的偏移甚至姿态，以确保其准确地进入下一工序，避免碰撞或卡炉，从而提升生产效率和产品质量。

• 非接触测量： 由于炉内环境恶劣且钢坯高温易损，必须采用非接触式测量，避免对钢坯或设备造成损伤。

因此，解决钢坯定位问题，核心在于找到一种能够穿透高温、粉尘、蒸汽等恶劣环境，并实现稳定、可靠、高精度非接触测量的技术方案。

2. 针对钢坯的相关技术标准简介

在钢坯生产线上，为了确保生产顺畅和产品质量，对钢坯的多个参数进行监测是必不可少的。这些参数的定义和评价方法通常有行业标准指导：

• 钢坯长度监测： 指测量钢坯在轧制前或加热过程中沿其主轴方向的尺寸。评价方法一般是利用传感器对钢坯的首尾位置进行检测，通过位置差计算得到。

• 钢坯宽度监测： 指测量钢坯垂直于主轴方向的横截面尺寸。评价方法通常是扫描钢坯的两个侧边，计算其间的距离。

• 钢坯位置偏移监测： 指钢坯在输送带或炉内相对于设定中心线或参照基准的横向或纵向偏差。评价方法是通过测量钢坯边缘到固定参考点的距离来判断。

• 钢坯姿态监测： 除了简单的位置，有时还需要了解钢坯的倾斜、扭转等三维姿态信息，这对于某些异形钢坯或高精度要求生产线尤为重要。评价方法通常需要多个传感器进行协同测量并进行三维数据重建。

• 表面温度监测： 监测钢坯在加热炉内的均匀温度分布和出口温度，对于确保钢坯加热质量和后续轧制工艺至关重要。评价方法是通过探测钢坯表面发出的红外辐射强度来推算温度。

这些参数的准确获取，直接关系到炉子的运行效率、能耗、后续轧制过程的稳定性和最终产品的几何尺寸精度。

3. 实时监测/检测技术方法

(1) 市面上各种相关技术方案

在解决钢坯加热炉内的高温、粉尘下定位问题时，市面上涌现了多种先进的测量技术。它们各有特点，适用于不同的工况和精度要求。

1. 激光测距技术

激光测距技术，就像我们用卷尺量距离一样，只不过它用的是一束激光，而且速度快得多，可以实现非接触测量。它主要有两种实现方式：脉冲时间飞行法（TOF）和相位差法。

• 工作原理及物理基础：

  • 脉冲时间飞行法 (Time-of-Flight, TOF)： 传感器发射一个短促的激光脉冲，激光束打到钢坯表面后反射回来，传感器接收到反射光。通过精确测量激光从发出到返回所经过的时间 t，结合光速 c，就可以计算出传感器到钢坯的距离 D。

    • 基本公式：D = (c * t) / 2

    • 这里的c是光在介质中的传播速度，近似为真空中的光速。

  • 相位差法： 这种方法不是测量单个脉冲的时间，而是发射一束经过调制的连续激光。当这束光往返于传感器和钢坯之间时，它的相位会发生变化。传感器比较发射光和接收光之间的相位差 Δφ。通过已知调制频率 f 和光速 c，就可以推算出距离。

    • 基本公式：D = (Δφ / (2 * π)) * (c / (2 * f))

    • 相位差法通常在较短到中等距离内能提供更高的精度，而脉冲法更适合长距离测量。

  • 在钢坯定位中，传感器发射的激光束会穿过炉内的粉尘和蒸汽，部分激光会被散射或吸收，但只要有足够强的反射光能返回到传感器，并且传感器具备强大的信号处理能力来滤除干扰，就能实现准确测量。高温下，钢坯表面会发光，但这对于特定波长的激光影响较小，传感器会采用滤光片等技术来增强信噪比。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：0.05米至数千米

  • 精度：激光测量精度通常在几毫米到数厘米之间，一些高精度系统可以达到亚毫米级别。

  • 测量速度（采样频率）：1赫兹至数千赫兹

  • 典型环境工作温度：-40°C至+60°C（通过冷却保护可达更高）

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量距离远，可以远离高温区安装；精度相对较高；非接触式测量，对钢坯无损伤；响应速度快，适合实时监测；对目标物体颜色变化不敏感；可以通过冷却防护适应高温环境。对于炉内一定程度的粉尘和蒸汽有较好的穿透能力。

  • 局限性： 强烈的粉尘、蒸汽或水雾团可能完全阻挡激光束，导致测量中断或误差；炉内高温钢坯表面的光泽度或反射特性变化会影响信号强度；传感器本身需要做好耐高温和防尘防护。

  • 成本考量： 中等偏高，但考虑到其精度和适用性，在长期运行中能带来显著的效益。

2. 红外热像技术

想象一下，我们戴上夜视镜，在漆黑的房间里能看到发热的物体。红外热像技术就是类似的工作原理，它能“看到”钢坯自身发出的红外热辐射，并将其转化为可视化的热图像。

• 工作原理及物理基础： 钢坯在高温状态下，会根据斯特凡-玻尔兹曼定律向外辐射红外能量。红外热像仪内部的焦平面阵列（FPA）传感器探测这些红外辐射，将不同强度的红外能量转化为电信号，进而生成一张热图像。通过分析热图像上不同区域的温度分布和边界，就可以识别钢坯的轮廓、尺寸和精确位置。这种技术最大的优势在于它利用了物体自身的“光芒”，无需外部光源，并且在一定程度上可以透过炉内烟尘（因为烟尘对红外波段的吸收和散射特性与可见光不同）。

  • 斯特凡-玻尔兹曼定律：E = ε * σ * T^4

    • E是物体单位表面积在单位时间内辐射的总能量。

    • ε是发射率（0到1之间），表示物体辐射能量的能力。

    • σ是斯特凡-玻尔兹曼常数。

    • T是物体的绝对温度。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测温范围：通常在200°C至1800°C以上

  • 空间分辨率：320x240像素到640x480像素或更高

  • 帧率：10赫兹至100赫兹

  • 光学分辨率：取决于镜头，可达数百比一

  • 光谱范围：通常为7-14微米或特定窄带

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 完全非接触，利用钢坯自身辐射，无需外部光源；能同时获取钢坯的位置、尺寸和表面温度分布，信息量大；对炉内部分烟尘和蒸汽具有较好的穿透能力；提供实时、直观的热图像。

  • 局限性： 对钢坯表面发射率的变化敏感，可能影响测温和边缘识别精度；分辨率受限于距离和传感器像素；设备成本较高；对传感器本体的散热防护要求高。

  • 成本考量： 较高。

3. 激光三角测量/轮廓技术

想象一把激光尺，它不仅能测一个点，还能把一条线上的所有点都测出来，描绘出物体的横截面形状。这就是激光三角测量/轮廓技术。

• 工作原理及物理基础： 传感器发射一条高强度的激光线束投射到钢坯表面。当激光线照射到钢坯时，由于钢坯表面的起伏或位置变化，反射的激光线会在传感器内部的CMOS或CCD摄像机上形成一个“偏移”的图像。传感器通过精确地识别激光线在传感器芯片上的位置，并根据预先校准好的几何三角关系（激光发射器、接收器和被测点形成一个三角形），高速计算出钢坯表面的二维轮廓数据。对于移动的钢坯，连续采集轮廓数据就能构建出其三维形状。

  • 三角测量原理：通过已知基线长度B（激光器与接收器之间的距离）和接收器捕捉到的激光点位置所对应的角度θ，结合激光器投射角度α，可以计算出距离D。

    • D = B * sin(α) / sin(θ) (简化示意，实际计算更复杂)

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围（Z轴，即距离方向）：数十毫米至数百毫米

  • 测量宽度（X轴，即轮廓线长度）：数十毫米至数百毫米

  • X轴分辨率：数百点至数千点/轮廓

  • 轮廓速率：数百赫兹至数万赫兹

  • 线性度/重复性：微米级

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 能够提供高精度、高速度的钢坯横截面轮廓数据，精确检测边缘、尺寸和变形；蓝色激光技术对高温发光金属表面有更好的适应性；可以集成到现有控制系统进行在线连续监测。

  • 局限性： 测量距离相对较短，通常需要近距离安装，对防护要求更高；对粉尘和蒸汽的穿透能力不如红外技术，可能受到更严重干扰；设备成本较高。

  • 成本考量： 较高。

4. 光电检测/热金属检测技术

这是一种相对简单的“有无”判断技术，就像一个“守门员”，只判断是否有高温物体经过。

• 工作原理及物理基础： 这类传感器专门设计用于探测高温物体自身发出的红外辐射。当炉内钢坯移动到检测器的视场范围内时，其高温表面辐射出的红外线被传感器内部的光敏元件（如光电二极管）接收。一旦接收到的红外信号强度达到预设的阈值，传感器就会输出一个开关信号（“有”或“无”），从而判断钢坯的存在或通过。这种传感器通常对背景热辐射有较好的抑制能力，能有效区分钢坯和炉壁的微弱温差。

  • 基于物体的黑体辐射特性和传感器对特定红外波段的响应。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 检测距离：数十毫米至数米

  • 最小检测温度：通常200°C至300°C（可调）

  • 响应时间：毫秒级

  • 防护等级：IP67

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 响应速度快，可靠性高；安装简便，维护成本低；对高温环境适应性好；主要用于判断钢坯的有无或通过位置，实现简单的逻辑控制。

  • 局限性： 只能提供开关量信号，无法提供具体的距离或尺寸数据；不适用于需要高精度定位或尺寸测量的场景；受强辐射和反射光干扰的风险相对较高。

  • 成本考量： 相对较低。

5. 红外线扫描技术

可以把它想象成一个拿着红外测温枪，快速地左右扫动，绘制出一条温度曲线。

• 工作原理及物理基础： 传感器内部包含一个高速旋转的扫描头，它带着一个窄带红外探测器沿预设路径扫描钢坯表面。探测器实时测量路径上的红外辐射强度，并将其转换为一系列离散的温度点数据。这些点数据连接起来，就形成了一个“温度分布线”或“伪图像”。通过分析这条线的温度梯度和高低温区域，就能精确识别钢坯的边缘、宽度和横向位置。

  • 基于普朗克辐射定律和维恩位移定律，通过红外辐射强度推算温度。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 扫描频率：数百赫兹

  • 测量点数：数百点至上千点/线

  • 测温范围：通常200°C至1300°C

  • 测量精度：±0.5%至±1%读数

  • 视场角度：可达90°

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 能提供宽幅钢坯的实时、高分辨率温度线分布，精确识别边缘和宽度，从而确定其横向位置；对烟尘和水蒸汽具有较好的穿透能力；适用于炉内或辊道上宽幅钢坯的监测。

  • 局限性： 主要侧重于横向位置和宽度，对纵向距离的测量能力有限；旋转部件可能存在磨损，维护需求相对高；成本较高。

  • 成本考量： 较高。

(2) 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在炉内钢坯监测领域具有代表性的国际品牌及其采用的技术方案。

• 美国先进能源

  • 技术方案： 红外热像技术。

  • 核心参数： 测温范围600至1800°C，空间分辨率382 x 288像素，帧率最高达80赫兹。

  • 应用特点与优势： 专为极端工业高温环境设计，能够提供钢坯的实时、完整热图像，不仅能用于高精度位置和尺寸检测，还能检测钢坯的温度分布和缺陷。其强大的抗炉内恶劣环境能力是主要亮点，易于集成到现有控制系统。

• 英国真尚有

  • 技术方案： 激光测距技术（推测为脉冲时间飞行或相位差法）。

  • 核心参数： 测量范围0.05至500m，最高精度±1mm，测量速度高达250Hz，实测最高表面温度为1550℃。可在-40 ... +60°C环境温度下正常使用，并提供IP65防护等级，能够满足工业环境的应用需求。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有的激光测距传感器，凭借其远距离测量能力和高精度，在钢坯加热炉前后的定位场景中表现出色。其坚固的金属外壳和宽泛的环境温度适应性，使其在恶劣的钢铁环境中也能稳定工作。同时，多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）以及可编程数字输出等特性，也为用户提供了灵活的应用方案。

• 德国米克罗埃普西隆

  • 技术方案： 激光三角测量/轮廓技术。

  • 核心参数： Z轴测量范围25毫米，X轴测量宽度24毫米，X轴分辨率1280点/轮廓，轮廓速率最高2000赫兹，线性度±6微米。

  • 应用特点与优势： 提供极高精度和速度的钢坯横截面轮廓数据，特别适用于需要精确检测钢坯边缘、尺寸和潜在变形的应用。蓝色激光技术使其在检测发光或高反射率的钢坯表面时性能卓越，是实现在线连续监测和质量控制的有力工具。

• 日本欧姆龙

  • 技术方案： 光电检测/热金属检测技术。

  • 核心参数： 检测距离100至1000毫米，最小检测温度250°C（典型），响应时间最快0.5毫秒，防护等级IP67。

  • 应用特点与优势： 专为检测高温热金属而优化，具有高速响应和高可靠性。这类传感器主要用于判断钢坯的存在或通过，例如在炉口、炉内特定区域或运输线上进行简单的位置触发，具有安装简便、维护成本低的优点。

• 加拿大路易德技术

  • 技术方案： 三维线激光扫描技术（本质上也是一种高级激光三角测量）。

  • 核心参数： Z轴测量范围60至300毫米，X轴分辨率0.015至0.05毫米，重复性可达0.2微米，测量速率最高可达10000赫兹。

  • 应用特点与优势： 提供高速、高精度的三维几何数据，能够实现钢坯复杂的形状、尺寸和精确三维空间位置的检测。作为智能传感器，它集成了测量、处理和控制功能，简化了系统集成，适用于炉前、炉后或炉内（配合冷却和防护）进行钢坯的精细三维位置和质量控制。

(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

选择合适的钢坯定位传感器，就像为你的“眼睛”选择合适的望远镜一样，需要根据实际需求和环境条件仔细斟酌。以下是一些关键的技术指标及其选型建议：

• 测量范围：

  • 实际意义： 指传感器能够有效测量距离的上限和下限。

  • 对测量效果的影响： 范围不足会导致无法覆盖整个监测区域，范围过大可能牺牲精度或增加成本。

  • 选型建议： 如果需要在炉外对炉内钢坯进行远距离监测（如炉口进出料定位），应选择测量范围大的激光测距传感器（如几米到数百米）。如果是在炉内近距离进行精细尺寸或轮廓检测，则可能更倾向于激光三角测量或三维扫描传感器，它们的有效测量距离通常较短。

• 测量精度与重复性：

  • 实际意义： 精度指测量值与真实值之间的符合程度（误差大小），重复性指多次测量同一目标时结果的一致性。

  • 对测量效果的影响： 精度直接决定了定位的准确性。如果精度不够，钢坯可能无法准确送入指定位置，导致碰撞或卡炉。重复性差会导致测量结果不稳定，难以进行有效控制。

  • 选型建议： 对于钢坯精确对中、送入轧机等关键工序，需要选择毫米级甚至亚毫米级高精度的传感器。例如，在炉口对中时，精度较高的激光测距传感器能有效避免钢坯与炉壁摩擦。而对于仅仅判断钢坯是否通过的场景，较低的精度也能接受。

• 测量速度（响应时间/采样频率）：

  • 实际意义： 传感器完成一次测量并输出结果所需的时间，或单位时间内能进行的测量次数。

  • 对测量效果的影响： 如果钢坯高速移动，测量速度慢的传感器可能无法及时捕捉其准确位置，导致“滞后”或漏测。

  • 选型建议： 钢坯在炉内或辊道上通常以一定速度移动，为了实现实时动态跟踪，需要选择测量速度高的传感器（例如，数百赫兹甚至更高）。对于静态定位或缓慢移动的场景，则无需过高的测量速度。

• 环境适应性（耐高温、防尘、防水）：

  • 实际意义： 传感器在恶劣工作环境下的生存和稳定工作能力。

  • 对测量效果的影响： 如果传感器不耐高温，会在炉内很快失效；不防尘防水则容易被粉尘堵塞光学窗口，被水汽腐蚀内部元件，导致测量失准或损坏。

  • 选型建议： 这是加热炉内应用的首要考量。传感器本体需具备高防护等级（如IP65/IP67），并必须配备专业的冷却和吹扫系统（如水冷套、压缩空气吹扫），以应对炉内上千度的高温和大量粉尘。传感器本体工作温度范围越宽泛越好。

• 抗干扰能力（抗粉尘、蒸汽、辐射）：

  • 实际意义： 传感器在受到炉内烟尘、水蒸气、高温辐射等干扰时，仍能保持测量准确性的能力。

  • 对测量效果的影响： 抗干扰能力弱的传感器在恶劣环境下会频繁出现误报、漏测或数据不稳定。

  • 选型建议： 不同的技术对此有不同表现。红外热像和红外扫描技术对部分烟尘有较好穿透性；激光测距传感器可选择特定波长激光或通过增强信号处理能力来提高抗干扰能力；光电检测器通常通过滤光和灵敏度调节来增强。具体选择时，要结合炉内实际的粉尘浓度、蒸汽量和辐射强度进行评估。

• 输出接口：

  • 实际意义： 传感器输出测量数据的方式。

  • 对测量效果的影响： 接口不匹配会增加系统集成难度和成本。

  • 选型建议： 确保传感器具备与现有控制系统（PLC/DCS）兼容的接口，如RS232/485/422、以太网、模拟量输出（4-20mA）、数字开关量等。多种接口选择能提供更大的灵活性。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢坯加热炉内应用测量传感器，即使选型再精细，实际运行时也可能遇到一些意想不到的问题。了解这些问题并提前准备解决方案至关重要。

1. 问题：传感器光学窗口被污染* 原因与影响： 炉内大量的氧化铁粉尘、蒸汽中的水垢或油污会附着在传感器的光学窗口上，就像眼镜片蒙上了一层灰。这会导致激光束或红外信号的发射和接收受阻，信号衰减，测量精度下降甚至完全失效。* 解决建议： * 空气吹扫系统： 这是最常用且有效的措施。通过持续向光学窗口吹送洁净、干燥的压缩空气，形成一道“气幕”来阻止粉尘和蒸汽靠近。气流强度和方向需要根据现场工况进行优化调整。 * 定期清洁： 即使有吹扫，也建议定期检查并清洁光学窗口。清洁时应使用专用擦拭布和清洁剂，避免刮伤。 * 防护罩： 安装带有吹扫功能的保护罩，将传感器本体进一步包裹起来，只露出测量所需的狭窄窗口。

2. 问题：高温导致传感器过热* 原因与影响： 即使传感器本身宣称耐高温，但炉内环境温度往往远超其设计上限，长时间工作可能导致内部电子元件损坏，精度漂移或寿命缩短。* 解决建议： * 水冷套/风冷套： 为传感器配备外部冷却装置，通过循环水或强制风冷带走传感器本体的热量，使其工作在允许的环境温度范围内。水冷套效果通常更好，但在钢铁厂需要考虑水质和管道维护。 * 隔热材料： 在传感器安装位置和炉壁之间填充或覆盖高效隔热材料，阻断热传导和辐射。 * 优化安装位置： 尽量选择炉膛相对温度较低的区域安装，或者通过延长安装支架，使传感器本体远离炉壁。

3. 问题：强辐射干扰影响测量* 原因与影响： 高温钢坯和炉壁发出的强烈红外辐射，对于某些依赖光信号的传感器（尤其是可见光或近红外波段）来说，就像是强烈的阳光直射，会淹没传感器自身发射的微弱信号或造成误判。* 解决建议： * 滤光片： 在传感器接收端加装特定波段的滤光片，只允许与传感器发射波长一致的信号通过，滤除背景辐射。 * 调制与解调技术： 激光测距传感器通常会发射经过调制的激光信号，通过只检测与自身调制频率相符的反射信号，有效区分背景辐射和目标信号。 * 加大发射功率： 提高传感器激光发射功率，增强信号强度，提升信噪比。 * 安装角度优化： 调整传感器安装角度，尽量避免接收来自炉壁或附近高温物体的强反射或直射辐射。

4. 问题：钢坯表面特性变化（如氧化皮、光泽度）影响测量* 原因与影响： 钢坯在炉内加热过程中，表面会生成氧化皮，颜色和粗糙度会变化；有些区域可能出现熔融或反光，这些都会影响激光或红外信号的反射特性，导致信号强度不稳定或测量误差。* 解决建议： * 选择对表面特性不敏感的技术： 例如，某些激光测距传感器通过算法优化，能较好地应对不同反射率的表面。蓝色激光轮廓传感器对发光金属表面表现更优。 * 多传感器冗余测量： 在关键测量点设置多个传感器，通过数据融合或比较来提高可靠性。 * 高级算法： 利用更复杂的信号处理算法，如自适应阈值、卡尔曼滤波等，对原始数据进行优化处理，提升在复杂表面下的测量稳定性。

4. 应用案例分享

• 加热炉进出口钢坯定长与对中： 在钢坯进入加热炉前，使用激光测距传感器精确测量其长度，例如，英国真尚有的激光测距传感器，测量范围可达500米，能够精确测量钢坯长度，并引导机械手或辊道将其准确对中送入炉内，确保钢坯不偏斜、不刮擦炉壁，提高炉子的利用率和安全性。

• 炉内钢坯位置跟踪与排队管理： 在连续式加热炉中，通过安装在炉壁上的高温传感器（如红外热像仪或激光测距传感器）实时监测炉内每块钢坯的纵向和横向位置，实现精确的炉内排队管理和步进控制，优化加热节奏和炉膛温度分布。

• 轧机前钢坯定位与尺寸检测： 钢坯从加热炉出来后，温度仍然很高，在进入轧机前，使用激光轮廓传感器或红外线扫描仪对其横截面尺寸、宽度和精确位置进行快速检测，确保钢坯以正确的姿态和尺寸进入轧机，防止“咬钢”不准或轧废。