如何在千度高温、高速轧制环境下，实现热钢毫米级定尺切割的非接触长度测量与控制？【钢铁生产，自动化】

1. 热钢的基本结构与技术要求

在钢铁生产线上，热钢并非一个简单的“物件”，它通常指的是在高温轧制过程中形成的钢坯、钢板、型材或线材。想象一下，它们就像刚刚出炉的“巨型面条”或“滚烫的豆腐块”，在高速移动中需要被精确地切割成预设的长度。

对热钢进行长度测量，不仅仅是为了知道它有多长，更核心的目的是为了满足后续加工和客户的严格公差要求。这就好比我们去裁缝店量体裁衣，哪怕是几毫米的误差，都可能导致衣服不合身。在钢铁行业，长度的微小偏差可能导致以下问题：

• 材料浪费： 如果切割过长，多余的部分就成了废料；切割过短，则可能导致整批产品报废。这就像你切钢管，如果一根切短了，就得扔掉，损失很大。

• 产品质量不达标： 很多下游加工（如冲压、焊接）对原材料的长度有严格要求，不合格的长度会影响后续产品的性能。

• 生产效率降低： 不准确的测量会导致频繁调整设备，甚至需要人工复检或返工，拖慢整个生产节奏。

• 安全隐患： 在高速运转的生产线上，不准确的切割可能导致材料堆积、冲击甚至设备损坏。

所以，对热钢长度的精确控制，是确保产品质量、提高生产效率和降低成本的关键环节。然而，热钢的测量环境非常恶劣，这给测量带来了巨大的挑战：

• 高温环境： 热钢表面温度极高，可达数百甚至上千摄氏度，这会影响传感器的稳定性和寿命，同时钢材本身会因热胀冷缩而变形。

• 高速运动： 钢材在生产线上往往以非常高的速度移动，这就要求测量系统有极快的响应速度和数据处理能力。

• 恶劣表面： 热钢表面通常覆盖着氧化皮、水蒸气、油污或冷却水，这些都会干扰传统传感器的测量。

• 振动与粉尘： 轧钢过程中的巨大机械力会引起剧烈振动，同时产生大量金属粉尘和烟雾，对光学测量设备造成污染和干扰。

在这样的极端条件下，传统的接触式测量方法（比如用尺子量，或者用滚轮接触测量）几乎不可能实现，因为滚轮会在高温下磨损，且容易打滑，导致误差。因此，非接触式的激光测量技术成为了解决这些挑战的理想方案。

2. 针对热钢的相关技术标准简介

在热钢生产中，为了确保产品质量和满足客户需求，需要对多种参数进行持续监测和精确评估。这些参数的定义和评价方法通常遵循行业内约定俗成的标准，以保证测量的准确性和一致性。

长度监测参数：

• 静态长度： 指钢材在完全静止状态下，从一端到另一端的实际尺寸。在实际生产中，由于钢材通常是动态的，因此这更多是作为理论参考或最终检验的依据。

• 动态长度： 指钢材在移动过程中，通过实时监测其起点和终点，并结合其运动速度计算出的长度。这在轧钢线上是最常用的长度定义。

• 定尺长度： 生产计划或客户订单中规定的，需要将钢材切割成的目标长度。所有测量和切割活动都围绕这个目标进行。

• 长度公差： 指钢材实际长度与定尺长度之间允许的最大偏差范围，通常以毫米或长度百分比表示。例如，要求误差在±5mm以内，或者±0.1%以内。这个范围是衡量产品是否合格的关键标准。

相关监测参数的评价方法：

• 测量精度（Accuracy）： 衡量测量结果与真值（或者说实际值）之间的一致性。比如，如果一根钢材实际长100米，传感器测出99.98米，那么0.02米的偏差就是衡量精度的一个方面。高精度意味着测量值更接近真实值。

• 重复性（Repeatability）： 指在相同条件下，多次测量同一位置或同一段钢材时，测量结果之间的一致性。好的重复性意味着每次测量结果都非常接近，没有大的波动，这反映了测量设备的稳定性。

• 分辨率（Resolution）： 指测量系统能够识别的最小长度或速度变化。分辨率越高，意味着系统能捕捉到更精细的变化，例如能够区分0.1毫米的长度差异，而不是只能区分1毫米的差异。

• 响应时间（Response Time）/更新率（Update Rate）： 衡量传感器从接收到信号到输出测量结果所需的时间，以及每秒更新数据的次数。对于高速移动的热钢，响应时间越快、更新率越高，就能越及时地捕捉到长度变化，确保切割点的精确控制。

• 温度补偿： 由于热钢在冷却过程中会发生热胀冷缩，其在高温下的长度会比冷却后的实际长度要长。因此，在进行长度测量时，常常需要结合钢材的实时温度数据，通过预设的材料热膨胀系数进行长度补偿计算，才能得到接近最终常温状态的准确长度。这就像我们给热咖啡称重，需要考虑杯子的重量，而且热胀冷缩也会影响体积，需要换算。

• 数据平滑与滤波： 由于现场环境复杂，测量信号可能会受到各种干扰。通过数据平滑和滤波算法，可以去除噪声，获得更稳定、可靠的测量数据，避免因瞬间波动引起的误判。

这些参数的精确定义和评价，是确保钢铁产品符合质量要求、实现精益生产的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

在严苛的钢铁生产线上对热钢进行精确的长度测量，需要依赖先进的非接触式技术。目前市面上常见的技术方案各有所长，我们可以通过了解它们的工作原理和特点，来更好地选择适合自身需求的解决方案。

(1) 市面上各种相关技术方案

激光多普勒测量技术

这种技术可以说是为钢铁行业的高速、高温环境量身定制的“高速巡警”。它的核心原理是激光多普勒效应，这和我们平时听到的救护车驶近时警笛声变尖，驶远时警笛声变钝是一个道理，只不过这里变化的是激光的频率。

具体来说，激光多普勒传感器会向热钢表面发射两束方向略有不同的激光束。这两束激光在热钢表面会形成一个非常精细的干涉区域，你可以想象成一个由明暗条纹组成的“光栅”。当热钢以一定的速度穿过这个“光栅”时，它表面上的微小颗粒（即使肉眼不可见，但在激光看来，任何表面都有微观结构）会散射激光。由于这些颗粒在移动，散射回来的激光频率就会发生变化，这就是多普勒频移。

传感器的接收器会捕捉这些散射回回来的激光，并分析其频率变化。通过测量这个频移，系统就能非常精确地计算出热钢的瞬时速度。它的物理基础可以简化为：

多普勒频移 f_D = 2 * v * sin(θ/2) / λ

其中：* f_D 是多普勒频移，也就是激光频率变化的大小。* v 是热钢的瞬时速度，这是我们想测量的量。* θ 是两束激光束之间的夹角，这是一个固定的几何参数。* λ 是激光的波长，也是一个已知常数。

从这个公式可以看出，在激光波长和夹角固定的情况下，多普勒频移与物体的速度成正比。传感器内部的高速处理器会实时计算出这个速度值。

那么，怎么得到长度呢？很简单，长度就是速度乘以时间。传感器会以极高的频率连续测量瞬时速度，然后将这些瞬时速度值在一段时间内进行累积积分。

长度 L = 积分(v dt)

这就像我们开车，里程表是根据车速和时间累积出来的。只要速度测得准，累积的时间也准确，最终的长度数据就非常精确。

• 核心性能参数（典型范围）： 激光多普勒测量技术长度测量精度通常优于0.05%至0.1%，重复性可达0.02%至0.05%。速度测量范围极广，从静止到最高可达10,000 m/min（甚至更高）。内部测量速率可达 200kHz，确保高速运动捕捉。

• 技术方案的优点：

  • 高精度与高重复性： 基于物理原理，测量精度极高且非常稳定。

  • 非接触式： 无需接触热钢，避免了传统滚轮编码器在高温、高速下磨损、打滑等问题，大大延长了设备寿命，减少了维护。

  • 不受表面条件影响： 对热钢表面的氧化皮、蒸汽、水雾、油污、振动不敏感，因为激光穿透力强，且测量的是微观散射，而不是依赖平整的表面。

  • 无打滑误差： 不像接触式编码器会因钢材与测量轮之间的相对滑动而产生误差。

  • 适应性强： 可以测量静止到高速的各种速度，并支持方向识别。

  • 低维护： 全固态设计，无活动部件，基本免维护。

• 技术方案的缺点：

  • 初始成本较高： 相较于一些简单的光电开关或机械编码器，激光多普勒传感器的前期投入成本相对较高。

  • 安装对齐要求： 对传感器的安装位置和角度有一定的要求，需要精确对齐以确保最佳测量效果。

机器视觉测量技术

想象一下，这就像给热钢“拍照”，然后通过分析照片来量尺寸。机器视觉系统通常由一台或多台高分辨率工业相机（如线扫描相机或面阵相机）和强大的图像处理软件组成。

• 工作原理： 当热钢在生产线上移动时，相机实时捕捉其图像。图像处理算法会智能地识别出热钢的头部和尾部边缘。然后，根据图像中头部和尾部在像素坐标上的距离，结合预先设定的图像比例尺（即每个像素代表的实际物理尺寸），系统就能计算出热钢的长度。有时，系统还会结合编码器数据来辅助长度计算，以提高精度和鲁棒性。

• 核心性能参数（典型范围）： 长度测量精度通常可达到亚毫米级甚至更高（取决于相机分辨率和镜头）。图像处理速度快，足以满足高速生产线的需求。

• 技术方案的优点：

  • 多维度检测： 除了长度，还能同时测量宽度、形状、表面缺陷（如裂纹、凹坑）等多种参数，实现全面的质量控制。

  • 高精度与灵活性： 尤其适合对测量精度要求极高的应用，且视野范围可灵活配置。

  • 非接触式： 同样避免了物理接触带来的磨损和干扰。

• 技术方案的缺点：

  • 受环境影响： 对热钢表面的蒸汽、烟雾、氧化皮、环境光线变化敏感，这些可能影响图像的清晰度和边缘识别的准确性。

  • 系统复杂性： 需要专业的图像处理知识和经验进行系统配置和算法优化。

  • 计算资源消耗： 高分辨率图像处理需要较强的计算能力。

3D激光线扫描测量技术

这种技术好比用一把“激光尺”在热钢表面上连续扫描，从而构建出钢材的三维模型，再从模型中提取长度信息。

• 工作原理： 传感器会向热钢表面投射一道细长的激光线。当这道激光线照射到物体表面时，会因为物体表面的起伏而发生弯曲。传感器内部的高速相机则会从一个特定角度捕获这条弯曲的激光线图像。通过三角测量原理（类似于人眼通过视差判断远近），系统可以实时计算出激光线上每一点的三维坐标，从而生成热钢的精确横截面轮廓数据。通过在生产线上对移动的热钢进行连续的线扫描，或者使用多个传感器组合，就可以构建出热钢的完整三维模型，然后从中精确测量出长度、宽度、厚度、翘曲等所有几何特征。

• 核心性能参数（典型范围）： 扫描速度可达数千赫兹。X轴（横向）分辨率和Z轴（高度）重复精度可达微米级。

• 技术方案的优点：

  • 完整几何信息： 提供钢材的全三维数据，不仅能测长度，还能同时检测宽度、厚度、截面形状、翘曲等，实现全面的质量控制。

  • 高精度与高速度： 能在微米级精度下进行高速扫描。

  • 非接触式： 无需接触，减少磨损和维护。

  • 对表面纹理鲁棒： 相较于纯视觉，对表面颜色和纹理变化不敏感。

• 技术方案的缺点：

  • 成本较高： 通常是所有方案中投入最大的，因为涉及精密的光学和复杂的算法。

  • 数据处理量大： 生成的三维数据量庞大，需要强大的计算和存储能力。

  • 可能存在阴影效应： 特定角度的突起可能在激光照射下产生阴影，影响数据完整性。

红外热成像测量技术

这是一种利用热钢自身发光（红外辐射）来“看”和“量”的技术，就像在漆黑的屋子里，我们能看到发光的灯泡一样。

• 工作原理： 热钢在高温下会发出强烈的红外辐射。红外热成像仪能够捕捉这些肉眼不可见的红外线，并将其转换为可视的热图像，图像中不同温度的区域会显示出不同的颜色或亮度。系统通过分析热图像中热钢与周围温度较低的背景（如辊道、环境空气）之间形成的清晰温差界限，精确识别出热钢的头部和尾部位置。结合成像仪的安装距离和像素与实际尺寸的对应关系，就可以计算出热钢的实际长度。

• 核心性能参数（典型范围）： 图像分辨率可达640x480像素。测量帧率可达 50 Hz。可测量温度范围覆盖热钢典型温度（如500℃至1800℃），测温精度±1%或±2℃。

• 技术方案的优点：

  • 专为高温设计： 非常适合在极端高温环境下对热钢进行测量，能够“透过”部分蒸汽和灰尘。

  • 同时获取温度信息： 不仅能测量长度，还能提供钢材表面的温度分布信息，有助于发现热点、冷却不均等问题，实现全面的过程监控。

  • 非接触式： 安全且无磨损。

• 技术方案的缺点：

  • 长度测量分辨率相对较低： 相较于激光多普勒或3D激光扫描，其长度测量的空间分辨率通常较低，尤其是在远距离测量时。

  • 受辐射率影响： 测量精度可能受钢材表面辐射率变化的影响。

  • 图像清晰度： 在极其浓厚的蒸汽或粉尘环境下，图像清晰度仍可能受影响。

(2) 市场主流品牌/产品对比

德国康采 (激光多普勒测量技术)德国康采作为该领域的专家，其产品专注于极端工业环境下的非接触式测量。其LM2000系列利用先进的激光多普勒效应，发射两束激光形成干涉区，通过分析热钢表面散射激光的频移来精确计算速度，再积分得到长度。该技术对于热钢表面的氧化皮、水蒸气、振动等干扰具有强大的鲁棒性，基本无需校准，维护成本极低。其长度测量精度优于0.1%，速度测量精度优于0.05%，最高可测速度达1500米/分钟，传感器探头可在高达1200℃的热钢表面上方稳定工作。

英国真尚有 (激光多普勒测量技术)英国真尚有的AJS10X系列传感器采用激光多普勒测量原理，专门用于工业环境中移动物体的非接触式速度和长度测量。该系列产品精度优于0.05%，重复性可达0.02%，内部测量速率高达 200kHz，能够精确捕捉高速运动物体，最大加速度响应能力达1000m/s²。其速度测量范围广泛，从静止状态到最高10,000 m/min，最远安装距离可达2000mm。为适应工业环境，AJS10X系列具有IP67防护等级，采用全固态无活动部件设计，从而提高了长期使用的可靠性。AJS102系列针对高温钢铁等恶劣环境进行了优化，可提供更大的测量距离。

日本基恩士 (机器视觉测量技术)日本基恩士的CV-X400系列视觉系统，集成了高分辨率工业相机（如线扫描相机或面阵相机）和图像处理算法，来实现热钢的长度测量。该系统能够实时捕获热钢图像，智能识别其始末端位置，并结合像素信息计算长度。除了长度测量，该系统还可以同时进行宽度、形状和表面缺陷等多维度检测，具有通用性和灵活性。其相机像素最高可达2100万，测量精度取决于配置，通常可达到亚毫米级甚至更高。主要优势在于其编程和集成能力，可以适应复杂多变的生产环境。

加拿大莱茵 (3D激光线扫描测量技术)加拿大莱茵的Gocator 2100/2300系列采用3D激光线扫描技术，向热钢表面投射激光线，通过高速相机捕获被扭曲的激光线轮廓，并利用三角测量算法生成热钢的精确三维轮廓数据。通过连续扫描，可以构建热钢的完整三维模型，从而精确测量长度、宽度、厚度等多个参数。其扫描速度高达数千赫兹，X轴分辨率和Z轴重复精度可达微米级。该技术可提供全面的3D几何信息，集成度高，易于集成。

英国艾美特 (红外热成像测量技术)英国艾美特的IMAGEPro系列热成像仪基于红外热成像技术，通过捕捉热钢发出的红外辐射来转换为可视的热图像。系统分析图像中热钢与背景的温差，识别钢材的始末端位置，进而计算长度。该技术适用于高温工业环境，对蒸汽、灰尘和氧化皮具有一定的穿透能力。除了长度，它可以同时提供温度分布信息，有助于过程监控。其图像分辨率最高可达640x480像素，测量帧率高达 50 Hz，可测量500℃至1800℃的温度，测温精度为±1%读数或±2℃。

(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

在为热钢长度测量选择合适的设备或传感器时，我们需要仔细审视每一个关键指标，因为它们直接影响到最终的测量效果和生产效率。

• 精度、重复性与分辨率：

  • 实际意义： 精度决定了测量结果的准确性；重复性保证测量结果的一致性；分辨率表明传感器能识别的最小变化。例如，如果你的公差要求是±1毫米，那么传感器至少需要达到亚毫米级的精度和分辨率。

  • 对测量效果的影响： 如果精度不够，产品就会超出公差；重复性差，意味着测量值不稳定；分辨率低，则无法捕捉微小的长度变化。

  • 选型建议： 对于对切割长度有严格公差要求的下游加工（如汽车板、航空材料），应优先选择精度和重复性都较高，分辨率达到微米级的激光多普勒或3D激光扫描系统。对于一般粗轧或尺寸要求不那么高的场合，机器视觉或热成像也能满足。

• 测量范围（速度与长度）：

  • 实际意义： 速度测量范围是指传感器能处理的最小和最大移动速度；长度测量能力则与安装距离、测量距离和景深有关。

  • 对测量效果的影响： 生产线上的钢材速度变化可能很大，如果传感器无法覆盖全范围，就会导致部分时间段无法测量或测量不准。同时，传感器的安装距离和景深要与实际生产线空间匹配，确保激光束能稳定覆盖到被测热钢。

  • 选型建议： 务必根据轧钢线的实际最高和最低速度来选择传感器，并确保其安装距离和景深能覆盖所有可能的钢材尺寸和振动范围。

• 工作温度与环境防护等级（IP Code）：

  • 实际意义： 热钢环境的高温、水蒸气、氧化皮和粉尘对传感器是巨大的考验。工作温度范围决定了传感器能否在高温下长期稳定运行；IP防护等级则表示其防尘和防水能力。

  • 对测量效果的影响： 如果传感器不耐高温，内部电子元件会迅速老化损坏；防护等级不足，粉尘和水汽会进入传感器内部，污染光学元件，导致测量漂移甚至故障。

  • 选型建议： 优先选择设计用于高温环境并具备IP67或更高防护等级的传感器。对于传感器本身无法承受的超高温区域，必须考虑加装冷却外壳、水冷或风冷系统。同时，定期对防护玻璃进行清洁也至关重要。

• 响应时间与数据更新率：

  • 实际意义： 响应时间是指从钢材移动到传感器输出测量值所需的时间；数据更新率是每秒输出多少次测量数据。

  • 对测量效果的影响： 在高速生产线上，如果传感器响应慢或更新率低，会导致测量值滞后，无法及时反馈真实的长度变化，从而影响切割的精确性。

  • 选型建议： 对于高速切割和闭环控制系统，应选择响应时间较短、数据更新率较高的传感器，如高频激光多普勒或高速视觉系统。

• 通信与集成功能：

  • 实际意义： 指传感器如何与工厂的PLC、DCS或其他控制系统进行数据交互。

  • 对测量效果的影响： 接口不兼容或通信速率慢，会导致数据传输瓶颈，影响系统集成和数据利用效率。

  • 选型建议： 优先选择支持工业以太网（如Profinet, EtherNet/IP）、PROFIBUS或CANbus等主流工业总线接口的传感器，确保与现有自动化系统的无缝对接。具备远程配置和诊断功能（如无线连接）也能方便调试和维护。

• 维护要求与可靠性：

  • 实际意义： 传感器在恶劣环境下能否长期稳定运行，是否需要频繁校准或更换部件。

  • 对测量效果的影响： 频繁的维护意味着停机时间增加，生产效率下降，运营成本上升。

  • 选型建议： 倾向于选择全固态、无活动部件、低维护量的传感器，如激光多普勒系统。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了激光测量设备，在热钢生产的复杂环境中，也可能遇到各种问题。了解这些常见问题及其解决方案，能帮助我们更好地规划和应对。

• 问题1：高温对传感器的影响

  • 原因： 传感器暴露在高温环境下，内部电子元件和光学部件会过热，导致性能漂移、测量不稳定，甚至损坏。

  • 影响： 测量精度下降，传感器寿命缩短，系统故障率增加。

  • 解决建议：

    • 冷却保护： 这是最直接有效的方法。为传感器配备水冷或风冷保护罩，形成一个隔离层，将传感器本体温度控制在允许范围内。

    • 空气吹扫： 在光学窗口前安装空气吹扫装置，形成气幕，既能冷却传感器表面，又能防止高温烟尘和蒸汽附着在光学镜头上。

    • 耐高温设计： 优先选择本身就具备宽工作温度范围的工业级传感器，这些传感器在设计时就考虑了高温的挑战。

• 问题2：热钢表面条件复杂（氧化皮、水蒸气、黑体辐射）

  • 原因： 热钢表面在轧制过程中会形成厚薄不均的氧化皮，冷却水喷淋会产生大量水蒸气，同时高温钢材会发出强烈的黑体辐射，这些都可能干扰激光或视觉信号。

  • 影响： 激光束被散射或吸收，信号强度减弱，导致测量不稳定、数据跳变或无法测量。视觉系统可能因图像模糊、对比度差而无法准确识别边缘。

  • 解决建议：

    • 传感器选型： 优先选择对表面条件不敏感的测量原理，如激光多普勒技术。热成像技术则直接利用钢材自身的红外辐射，对蒸汽和粉尘有一定穿透能力。

    • 光学优化： 使用具有高功率激光器和特殊光学滤光片的传感器，以增强穿透力并滤除环境光和黑体辐射干扰。

    • 现场清理： 在测量区域上方安装强力空气刀或喷水装置，及时吹除或冲刷掉表面的氧化皮和多余水汽，保持测量区域相对清洁。

• 问题3：钢材自身热胀冷缩引起的长度变化

  • 原因： 热钢在生产线上从高温到逐渐冷却，其长度会因热膨胀系数而发生收缩。传感器测量的是高温下的瞬时长度。

  • 影响： 如果不进行补偿，测量到的高温长度将比最终冷却后的实际长度要长，导致最终产品尺寸不符合公差。

  • 解决建议：

    • 温度补偿： 在测量方案中集成红外测温仪，实时测量热钢的表面温度。然后，通过控制系统内置的热膨胀补偿算法，根据钢材的材质和实时温度，将高温下的测量长度换算成常温下的理论长度。

    • 多点测量： 在钢材冷却过程的不同阶段设置多个测量点，获取不同温度下的长度数据，从而更精确地掌握其收缩规律。

• 问题4：生产线振动与机械冲击

  • 原因： 轧钢过程中的巨大冲击和机械振动，可能导致传感器安装结构松动、传感器内部元件受损或光学路径偏离。

  • 影响： 测量数据波动大，精度下降，传感器寿命缩短。

  • 解决建议：

    • 稳固安装： 传感器应安装在独立、坚固且减振的支架上，避免直接与振动源连接。必要时采用弹性连接或减振垫。

    • 坚固传感器设计： 优先选择工业级、全固态设计且抗冲击性能强的传感器。

    • 定期检查： 定期检查传感器安装支架的紧固性，以及光学窗口是否清洁和对齐。

4. 应用案例分享

• 高速飞剪定尺： 在热轧生产线上，激光测长系统实时监测高速移动的钢板或钢带的长度，并在达到预设定尺长度时，精确触发飞剪进行切割，极大地提高了切割精度和材料利用率，减少了边角料浪费。例如，英国真尚有的AJS10X系列可以应用于此场景，实现精确的速度和长度控制。

• 连续铸造坯料切割： 在连铸环节，激光传感器用于精确测量凝固后的钢坯长度，指导火焰切割机按标准长度进行分段切割，确保后续轧制环节的进料尺寸一致性，优化生产流程。

• 棒线材轧制长度控制： 在棒线材生产中，激光测速测长传感器可以精确测量棒材或线材的出炉速度和累计长度，用于控制收卷机或剪切机的动作，保证每盘线材或每根棒材的长度符合出厂标准。英国真尚有的传感器具有多种逻辑输入输出功能，支持长度复位等操作，可用于此类应用。