在高速金属带材轧制中，如何实现微米级在线厚度精准检测，并有效应对高温、振动和复杂表面等恶劣工况的挑战？【非接触测量技术选型】

1. 金属带材的基本结构与技术要求

金属带材，就像我们日常生活中看到的铝箔、钢卷或铜片，是在冶金工业中经过轧制等工艺制成的、具有一定宽度和厚度的连续金属产品。它的“身材”通常是扁平细长的。在生产线上，这些带材以高速连续地移动，想象一下，就像一条没有尽头的金属“面条”在高速公路上飞驰。

对于金属带材来说，最重要的几何尺寸参数之一就是它的厚度。这个厚度不是随意设定的，而是有严格的技术要求的。因为厚度直接关系到带材的重量、强度、延展性等物理性能，进而影响到下游产品的质量和性能。比如，用于汽车制造的薄板，如果厚度不均，可能会影响车身强度；用于食品包装的铝箔，厚度太薄可能容易破裂，太厚则增加成本。

在高速生产线上，对厚度测量的主要技术要求包括：

• 精度和分辨率： 这是对测量“有多准”和“能区分多小的变化”的要求。高精度意味着测量结果与真实值非常接近，高分辨率则意味着即使是极其微小的厚度变化也能被捕捉到。对于精密带材，可能需要达到微米（µm）甚至亚微米级别。

• 测量速度： 产线速度非常快，传感器必须能以足够快的频率进行测量，才能实现对整个带材的连续、实时监控，避免“漏检”或滞后。

• 稳定性： 产线环境通常比较恶劣，温度、湿度、震动、粉尘等因素都可能影响传感器的性能。传感器需要能在这些条件下长期稳定工作，测量结果不受干扰。

• 非接触性： 金属带材在高速运动，而且可能处于高温状态。任何接触式的测量都可能磨损带材表面，影响产品质量，甚至带来安全隐患。因此，非接触式测量是首选。

• 环境适应性： 高温、高湿、粉尘、蒸汽、电磁干扰等都是金属加工现场的常态，传感器必须具备相应的防护等级和环境适应能力。

2. 金属带材相关技术标准简介

为了确保金属带材的质量和使用性能，行业内对带材的多种监测参数都有明确的定义和评价方法。这些参数和方法构成了我们进行在线厚度检测时的基本依据。

• 名义厚度（Nominal Thickness）： 这是带材设计或订单要求的理想厚度值。所有的在线测量都是以这个名义厚度为基准进行偏差控制。

• 厚度偏差（Thickness Deviation）： 指实际测得的厚度与名义厚度之间的差异。这个偏差越小，带材的质量控制越好。在测量中，我们通常关注正负偏差，即实际值可能比名义值厚，也可能薄。

• 厚度公差（Thickness Tolerance）： 这是允许的厚度偏差范围。如果实际厚度值落在公差范围之内，则认为产品合格。公差范围的设定与材料类型、用途和工艺能力有关，是衡量产品质量的关键指标。

• 带材厚度波动（Thickness Variation）： 指带材在长度方向或宽度方向上厚度的不均匀性。在生产过程中，由于轧机调整、温度变化或材料本身的特性，厚度可能会发生周期性或随机性波动。

• 带材横向厚度差（Wedge）： 指带材在宽度方向上，两侧厚度不一致的现象，就像一个楔形。这通常是由于轧辊磨损不均或轧制压力分布不合理造成的。

• 带材凸度（Crown）： 指带材在宽度方向上，中间厚度大于两侧厚度的现象。这通常是为了提高带材的平直度而人为控制的一种厚度分布。

这些参数的评价方法通常涉及：

• 连续监测： 传感器在带材运动过程中进行连续、高频率的实时测量，获取大量的厚度数据。

• 统计过程控制（SPC）： 对连续测量数据进行统计分析，计算平均值、标准差、CPK等指标，实时评估生产过程的稳定性和能力，并对潜在的质量问题进行预警。

• 趋势分析： 通过绘制厚度变化曲线，观察厚度随时间或位置的变化趋势，从而指导操作人员进行工艺调整。

• 报警与反馈： 当厚度超出预设公差范围时，系统会自动报警，并可能通过闭环控制系统自动调整轧制参数，将厚度恢复到目标值。

3. 实时监测/检测技术方法

在金属带材在线厚度检测领域，为了兼顾精度和速度，市面上发展出了多种先进的非接触式测量技术。每种技术都有其独特的工作原理、适用场景和优缺点。

（1）市面上各种相关技术方案

a. X射线透射测量技术

想象一下，你拿着一个手电筒去照一块薄板，光线穿透薄板后会变暗。X射线透射测量技术就是利用了类似的原理，但它使用的是能量更高的X射线。

• 工作原理和物理基础： 该技术的核心是X射线衰减定律。一个X射线发生器向移动的金属带材发射X射线束。当X射线穿透带材时，其强度会因为带材的厚度和材料密度而发生衰减。带材另一侧的探测器接收穿透后的X射线强度。如果带材变厚了，穿透的X射线强度就会减弱；如果变薄了，强度就会增强。通过测量穿透前后的X射线强度，系统可以精确计算出带材的实时厚度。

  其物理基础是朗伯-比尔定律（Lambert-Beer Law）的变种，描述了X射线通过物质时的衰减：I = I0 * e^(-μ * ρ * t)其中：* I 是穿透带材后的X射线强度。* I0 是入射的X射线强度。* e 是自然对数的底。* μ 是材料的质量衰减系数（取决于材料原子序数和X射线能量）。* ρ 是材料的密度。* t 是带材的厚度。

  通过对公式进行变换，并结合已知的I0、μ、ρ，以及测量到的I，就可以解算出厚度 t。这种方法是非接触、非破坏性的。

• 核心性能参数：

  • 测量范围: 通常覆盖从几十微米到数毫米，适用于多种厚度的金属带材。

  • 测量精度: 读数的±0.1%至±0.5%左右。

  • 测量速度: 响应快速，采样率高，适合高速生产线。

  • 适用材料: 钢、铝、铜、钛等各类金属带材。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量精度高，对各种金属材料都适用，能穿透较厚的材料进行测量。非接触测量，不会损伤带材。稳定性好，环境适应性强，对带材表面状态（如油污、氧化皮）不敏感。

  • 局限性： X射线设备成本较高，需要严格的辐射防护措施，安装和维护比较复杂。

  • 成本考量： 初期投资大，但长期运行成本相对稳定。

b. 同位素射线透射测量技术

同位素射线透射测量技术与X射线透射有异曲同工之妙，只不过它使用的是放射性同位素发射的射线，而非X射线管产生的X射线。

• 工作原理和物理基础： 该系统采用稳定且经过屏蔽的放射性同位素源（如锶-90或镅-241），这些同位素源会持续发射β射线或γ射线。这些射线穿透金属带材后，同样会因为带材的厚度和材料密度而发生衰减。位于带材另一侧的探测器测量衰减后的射线强度，并将其与没有带材时的基准强度进行比较，从而计算出带材的精确厚度。这种方法的优势在于同位素源的能量是固定的，因此具有极高的长期稳定性。

  其物理原理同样基于辐射衰减定律，与X射线类似：I = I0 * e^(-μ * t)其中，μ 是材料的线性衰减系数，它与材料密度和质量衰减系数相关。

• 核心性能参数：

  • 测量范围: 可根据选择的同位素源覆盖广阔的厚度范围。

  • 测量精度: 通常可达读数的±0.1%或更高。

  • 测量速度: 快速在线连续测量，响应时间快。

  • 适用材料: 黑色金属和有色金属，如钢、铝、铜等。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 长期稳定性极佳，校准周期长，维护需求低，运行成本相对较低。非接触测量，适用于高温、高速和恶劣的工业环境，对表面状态不敏感。

  • 局限性： 存在放射性物质，需要严格的安全许可和辐射防护管理。响应速度可能略低于X射线，且对于极薄或极厚材料的选择有限。

  • 成本考量： 初期投资较高，但由于其极佳的稳定性，长期运行和维护成本较低。

c. 双激光三角测量技术

双激光三角测量技术是非接触式厚度测量中非常常见且灵活的一种。可以想象成用两把“尺子”分别量带材的上面和下面到各自“尺子”头的距离，然后用两把“尺子”的总长减去两个测得的距离，剩下的就是带材的厚度。

• 工作原理和物理基础： 这种方案由两个高性能激光三角测量传感器组成，它们分别安装在金属带材的上方和下方，并且相互正对。每个传感器都独立地工作，发射一束激光束到带材表面。当激光束照射到带材表面时，会形成一个光斑。一部分光线会从光斑处反射回来，被传感器内部的CCD或CMOS阵列接收。 根据光学三角测量原理，当被测物体表面发生位移时，反射光斑在接收器上的位置也会随之移动。通过精确测量光斑在接收器上的位置变化，传感器就能计算出自身到带材表面的精确距离。

  其物理基础是几何三角原理：L = H - P其中：* L是传感器到目标表面的距离。* H是传感器基准点到接收器焦点的已知距离。* P是反射光在接收器上成像点相对于基准点的位移。通过精确的几何关系和校准，可以建立L与P的函数关系。

  对于厚度测量，假设上传感器到上表面的距离为 d_上，下传感器到下表面的距离为 d_下。如果两个传感器之间的固定距离（校准值）是 D_总，那么带材的厚度 T 就可以通过以下公式计算得到：T = D_总 - d_上 - d_下这个方法非常巧妙，因为它通过测量两个相对距离的差值来获取厚度，可以有效补偿金属带材在生产过程中可能出现的垂直方向跳动、颤动或轻微倾斜，极大地提高了测量的稳定性和精度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围: 通常为0.5毫米到几百毫米，具体取决于传感器型号和配置。

  • 测量精度: 一般在±0.02mm~±0.1mm，优质的系统可以达到±0.015mm，特别适合高精度薄带材测量。

  • 测量速率: 高达几千赫兹（kHz），满足高速产线的实时测量需求。

  • 适用材料: 各种不透明材料，包括金属、塑料、陶瓷等。

  • 温度适应性：部分高端产品可适应高温环境测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和重复性，非接触式测量，无磨损，对被测物无损伤。通过差分测量可以有效抑制带材抖动带来的误差，保证测量稳定性。结构紧凑，易于集成，维护相对简单。

  • 局限性： 对带材表面的光泽度、颜色、粗糙度有一定要求。例如，对于镜面或极粗糙的表面，激光束可能发生强反射或散射，影响测量精度。高温带材的表面辐射也可能对传感器造成干扰，需要特殊版本或防护措施。

  • 成本考量： 初期投资中等，但运行维护成本较低。

d. 共焦激光位移测量技术

共焦激光位移测量技术是一种更精密的激光测量方法，它专注于获取物体表面最清晰的焦点信息，就像使用一个极高精度的相机去找到物体最清晰的成像点一样。

• 工作原理和物理基础： 共焦激光传感器发射一束宽光谱或单色激光束。这束光线通过特殊设计的光学系统（如物镜），被聚焦到一个非常小的光斑上。只有当被测物体表面精确地处于物镜的焦平面上时，从物体表面反射回来的光线才能通过一个称为“共焦针孔”的小孔，并被光电探测器接收。如果物体表面不在焦平面上，反射光线就会在针孔处发散或会聚，无法通过针孔，从而被阻挡。 系统通过精确地扫描或调整物镜的焦点位置（通常是利用压电陶瓷驱动），找到反射光强度最大的位置，这个位置就是物体的真实表面。通过记录此时物镜的位置，即可高精度地测量物体表面的距离。 对于厚度测量，通常配置两个相对的共焦传感器，分别测量带材的上下表面位置，然后通过差值计算获得实时厚度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围: 通常从亚毫米到几十毫米，取决于传感器头型号。

  • 重复精度: 可达亚微米级甚至纳米级（如0.005 µm）。

  • 测量速度: 极高，可达几十千赫兹（如64 kHz）。

  • 光斑直径: 极小，可达微米级（如2 µm），实现微小细节的测量。

  • 适用材料: 具有极强的表面适应性，包括镜面、粗糙面、透明材料，甚至多层透明材料的层间厚度。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 业界领先的超高精度和分辨率，可实现纳米级测量。对不同表面条件（如镜面、粗糙、透明）具有极强的适应性，克服了普通激光三角测量的部分局限性。非接触式测量，响应速度快，适用于高速生产线。

  • 局限性： 传感器结构相对复杂，成本较高。测量范围相对较小，需要根据具体应用选择合适的传感器头。

  • 成本考量： 初期投资成本高，主要用于对精度有极致要求的应用。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将重点对比几种主流的非接触式厚度测量解决方案，帮助您更好地理解市场上的选择。

1. 美国赛默飞世尔

   • 采用技术： X射线透射测量法。

   • 核心性能参数： 测量精度通常可达读数的±0.1%至±0.5%，响应快速，高采样率，适用于高速产线。

   • 应用特点： 广泛应用于钢铁、有色金属等重工业领域，对较厚金属带材的测量表现出色。对带材表面状态不敏感，能在恶劣的工业环境下稳定工作。

   • 独特优势： 在工业测量领域拥有丰富的经验和广泛的客户基础。X射线技术成熟可靠，测量精度高，稳定性好，可穿透较厚金属材料。

2. 英国NDC科技

   • 采用技术： 同位素射线透射测量法。

   • 核心性能参数： 测量精度通常达到读数的±0.1%或更高，在线连续测量速度快。

   • 应用特点： 适用于黑色金属和有色金属的厚度测量，尤其适合对长期稳定性有高要求的场合。

   • 独特优势： 同位素技术稳定可靠，具有极佳的长期校准稳定性，维护需求低，运行成本相对较低。英国NDC科技在在线测量和控制领域拥有超过60年的专业经验。

3. 英国真尚有

   • 采用技术： 双激光三角测量法（通过配对ZLDS115传感器）。

   • 核心性能参数： 单个ZLDS115传感器分辨率最高0.01mm，线性度最优±0.03mm，更新频率1kHz。在配对进行厚度测量时，可以达到较高的复合精度。支持高达1500°C以上的高温目标测量，其温度偏差仅为±0.03% FS/°C。

   • 应用特点： 适用于对精度和速度有较高要求、且带材表面条件相对适中的应用场景。特别适合需要灵活配置和适应不同测量范围的场合，其高温版本能满足热轧线的需求。

   • 独特优势： 紧凑设计（尺寸为255 x 205 x 70 mm，重量仅4.5kg，不含线缆），易于安装集成。两个传感器可自动配对进行厚度测量，无需额外控制盒或特殊校准，简化了系统复杂性。内置多种滤波器，数据处理灵活。防护等级达到IEC IP65标准，适合在恶劣环境中使用。

4. 德国傲发

   • 采用技术： 双激光三角测量法。

   • 核心性能参数： 测量范围0.5 – 50 mm，测量精度可达±2 µm，重复精度可达 0.1 µm，测量速率高达 4 kHz。

   • 应用特点： 极高的测量精度和重复性，特别适用于高精度薄带材测量。能够有效补偿带材垂直跳动和振动。

   • 独特优势： 在精密传感器和测量系统领域拥有强大的技术实力。其产品对精度和稳定性有极高要求，适用于科研和工业高端应用。

5. 日本基恩士

   • 采用技术： 共焦激光位移测量法。

   • 核心性能参数： 测量范围0.3 mm至30 mm，重复精度可达0.005 µm，测量速度高达64 kHz，光斑直径最小2 µm。

   • 应用特点： 适用于对精度有极致要求、同时对表面条件（如镜面、粗糙、透明）有极强适应性的场合，如半导体、显示屏、精密金属件等。

   • 独特优势： 业界领先的超高精度和分辨率，可实现纳米级测量。对多种表面条件具有极强的适应性，响应速度快。

（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

在选择在线厚度检测设备时，我们需要像挑选工具箱里的专用工具一样，根据任务的轻重缓急和精细程度，仔细比对各项指标。

1. 精度、分辨率与重复性：

   • 实际意义： 精度代表测量结果与真实值的接近程度；分辨率是传感器能识别的最小变化量；重复性则衡量传感器在相同条件下多次测量同一位置结果的一致性。

   • 影响： 如果精度不足，生产出的带材可能整体偏厚或偏薄；分辨率不够高，微小的质量问题可能被忽略；重复性差则会导致测量数据“忽高忽低”，难以判断真实情况，给生产控制带来困扰。

   • 选型建议： 对于高精密带材（如电池箔、精密合金），需要选择纳米级或亚微米级重复精度的共焦激光或高端双激光三角传感器。对于普通钢带，微米级甚至0.01mm精度的传感器即可满足要求。

2. 测量范围：

   • 实际意义： 传感器能测量到的厚度最小值和最大值。

   • 影响： 测量范围过小，可能无法覆盖所有产品规格；过大则可能牺牲部分测量精度（因为测量范围越广，通常分辨率会相对降低）。

   • 选型建议： 根据生产线上带材的实际厚度范围进行选择。如果产品种类多，厚度跨度大，X射线或同位素透射法通常有更广的适用范围；激光位移法则需要根据具体型号来选择。

3. 响应速度（更新频率）：

   • 实际意义： 传感器每秒能进行多少次测量。

   • 影响： 高速产线上，如果响应速度不够快，传感器可能无法捕捉到带材上的局部厚度变化，导致“漏检”，无法实现实时控制。

   • 选型建议： 衡量产线的速度和对实时性的要求。通常，冷轧线速度较快，需要数千赫兹（kHz）甚至更高的响应速度。对于低速或间歇性产线，数百赫兹的传感器也可能适用。激光技术（三角、共焦）普遍能达到kHz级响应。

4. 环境适应性（温度稳定性、防护等级、耐受干扰）：

   • 实际意义： 传感器在恶劣工业环境（高温、粉尘、潮湿、震动、电磁干扰）下保持性能的能力。

   • 影响： 环境适应性差的传感器，在高温下可能产生漂移，粉尘可能污染光学部件，震动可能影响内部精密结构，最终导致测量数据不准确或设备损坏。

   • 选型建议：

     • 高温环境： 如热轧线，需选择带有高温防护罩或特殊高温版本（如英国真尚有ZLDS115的HT/VHT/VVHT版本），并考虑X射线或同位素方案，因为它们对表面温度相对不敏感。

     • 粉尘/水汽： 选择IP65或更高防护等级的传感器。

     • 电磁干扰： 考虑传感器本身的抗干扰能力和安装时的屏蔽措施。

5. 被测材料特性：

   • 实际意义： 带材的材质、表面光洁度、颜色、温度等。

   • 影响： 镜面反射可能导致激光传感器测量不稳定；高温带材的红外辐射可能干扰激光接收；不同密度材料对X射线/同位素的衰减特性不同。

   • 选型建议：

     • 多种合金： X射线或同位素测量因其基于密度衰减的原理，对材料类型有良好适应性，但需要针对不同材料进行校准。

     • 镜面/高反光表面： 共焦激光传感器表现优异。

     • 高温带材： X射线、同位素以及具有高温版本的激光传感器是可选方案。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最合适的传感器，在实际应用中，也可能遇到一些意想不到的问题。

1. 问题：金属带材在运动中出现颤动或垂直跳动。

   • 原因及影响： 尤其是高速产线上，带材无法保持绝对平稳，上下抖动或左右晃动是常态。这会导致单点位移传感器测得的距离持续变化，直接影响厚度测量的准确性，就像一把不停晃动的尺子无法准确测量高度。

   • 解决建议：

     • 技术方案选择： 优先采用双传感器差分测量原理的方案（如双激光三角测量或双共焦激光测量），它们通过同时测量上下表面，再取差值，能有效补偿整体的垂直跳动。

     • 机械稳定： 传感器安装在坚固稳定的支架上，远离振动源。必要时在产线适当位置增加导向辊或张力控制，以减少带材自身的抖动。

     • 数据滤波： 传感器或上位机系统中内置中值滤波、滑动平均等算法，可以平滑掉部分随机抖动带来的测量噪声。

2. 问题：带材表面条件复杂，如油污、氧化皮、反光、划痕等。

   • 原因及影响： 热轧带材表面常有氧化皮和温度不均；冷轧带材可能有油污、乳化液或镜面反光。这些都会影响激光束的反射特性，导致激光传感器接收到的光信号不稳定、信号强度不足或光斑畸变，进而影响测量精度。

   • 解决建议：

     • 技术方案选择： 对于表面条件极其恶劣的场合，X射线或同位素透射法由于其穿透性，受表面影响较小，是更可靠的选择。对于激光测量，共焦激光技术对镜面和粗糙表面的适应性更强。

     • 环境清洁： 在传感器测量点附近安装气刀或除尘装置，吹掉油污、水汽和粉尘。

     • 传感器选型： 选择具有高动态范围或特殊算法（如英国真尚有ZLDS115的内置滤波器）来处理复杂表面反射的传感器。

3. 问题：环境温度变化导致传感器性能漂移。

   • 原因及影响： 温度变化会引起传感器内部光学元件、机械结构或电子部件的热膨胀和收缩，改变光路或电路参数，导致测量零点漂移或测量结果不准确。

   • 解决建议：

     • 传感器选型： 选择具有良好温度稳定性的传感器，其技术参数中会注明温度偏差。

     • 安装环境控制： 如果条件允许，为传感器安装防护罩或冷却系统，使其工作在相对恒定的温度环境中。

     • 定期校准： 建立严格的校准周期和程序，使用标准样块对传感器进行定期校准，及时修正因环境变化造成的漂移。

4. 问题：数据采集和处理的实时性与准确性不足。

   • 原因及影响： 传感器采样率不足、数据传输速度慢、或上位机处理能力有限，都可能导致无法及时获取和处理最新的厚度数据，造成控制滞后，无法有效进行实时反馈调节。

   • 解决建议：

     • 传感器选型： 选择具有高更新频率和快速数据输出接口（如RS422）的传感器。

     • 优化系统架构： 采用高性能的工业控制器或数据采集卡，确保数据能高速传输和处理。

     • 算法优化： 采用高效的滤波和数据处理算法，如在传感器内部完成部分预处理。

4. 应用案例分享

• 热轧生产线： 在钢板或铝板的热轧过程中，金属带材处于极高温度和高速运动状态。X射线或同位素厚度计，以及带高温防护的激光位移传感器（如英国真尚有ZLDS115的VVHT版本），能够在此恶劣环境下实现对带材厚度的实时、非接触监测，确保产品厚度均匀性，优化轧制工艺。

• 冷轧生产线： 冷轧过程对带材厚度精度要求更高，通常需要达到微米级。双激光三角测量系统或共焦激光测量系统因其高精度、高速度和对表面抖动的补偿能力，成为冷轧线厚度控制的理想选择，帮助工厂生产出高品质的精密带材。

• 涂镀生产线： 在金属带材表面进行镀锌、镀锡、彩涂等工艺后，膜层的厚度也需要精确控制。激光位移传感器可以通过测量镀层前后带材总厚度的微小变化，来间接或直接评估涂镀层的厚度均匀性，保证产品质量和材料消耗的经济性。