如何在高速高温钢铁加工线中，实现±0.05%长度精度的非接触式测速测长，有效减少废品与停机？【工业自动化、质量控制】

在钢铁加工过程中，确保材料切割速度的稳定性和准确性，是减少废料、提高生产效率的关键。这不仅仅关乎最终产品的尺寸精度，更直接影响到整个生产线的顺畅运行和成本控制。

1. 钢铁材料的基本特性与加工技术要求

钢铁材料，无论是板材、型材还是线材，其加工过程都伴随着高速、高温和重载。想象一下，一整卷沉重的钢带在生产线上以每秒数米的速度飞驰，要在这高速运动中精准地进行切割、冲压或卷取，就像在高速公路上驾驶一辆重型卡车，既要保证速度，又要精确控制到毫米级的停车点。

在钢铁加工中，被测物的特点非常突出：* 表面复杂性： 钢铁材料表面可能存在氧化皮、油污、水渍、反光或粗糙不平的区域，这些都会给光学测量带来挑战。* 极端环境： 加工现场往往伴随高温、大量粉尘、水蒸气、振动和电磁干扰，这对传感器的防护等级和稳定性提出了极高要求。* 高速运动与大惯量： 钢材的运动速度快，且由于质量大，启动和停止时的惯性也大，要求传感器具有极高的响应速度和测量带宽，才能及时捕捉到速度变化。

因此，对材料速度和长度的精确控制，是实现高质量切割、减少“跑偏”或“短尺长料”现象，进而提升整体生产效率和产品合格率的基础。

2. 钢铁加工速度与长度监测参数及评价方法简介

在钢铁加工中，对材料运动的监测主要围绕以下几个关键参数：

• 线速度： 这是指材料在生产线上移动的瞬时速度，通常以米/分钟（m/min）或米/秒（m/s）表示。线速度的稳定是切割同步、材料均匀送进的基础。评价方法是实时测量并与设定值进行比较，计算速度波动范围和偏差。

• 累积长度： 指材料从某个起点开始累计通过的长度，通常以米（m）或毫米（mm）表示。这是定长切割、分卷计米等操作的核心参数。评价方法是比较实际累积长度与目标长度的差异，计算长度测量精度和重复性。

• 加速度/减速度： 材料速度变化的快慢。在启动、停止或调速过程中，加速度的准确控制可以避免冲击、保证材料平稳过渡。评价方法是根据线速度的变化率来计算，观察其平稳性和瞬时响应能力。

• 方向： 在某些卷取或倒带过程中，材料运动方向可能会改变。传感器需要能准确识别正向或反向运动，这对于控制系统进行正确的逻辑判断至关重要。

这些参数的监测和评价，就像给高速行驶的列车安装了精确的里程表和速度计，让操作员和自动化系统能够实时掌握列车的状态，确保其按照既定路线和速度平稳运行。

3. 实时监测/检测技术方法

要在严苛的钢铁加工环境中实现对材料切割速度的稳定性和准确性控制，需要依赖先进的实时监测技术。目前市面上主流的解决方案各具特色，可以分为接触式和非接触式两大类。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光多普勒测速原理（Laser Doppler Velocimetry, LDV）

想象一下，当一列火车鸣着汽笛从你身边驶过时，你会听到汽笛声由高变低，这就是“多普勒效应”。激光多普勒测速仪就是利用了光的这种效应。它通常发射两束相干的激光束，这两束激光在被测材料表面会形成一个非常精密的“干涉条纹区”，就像一个由明暗相间的光栅。当运动的钢材表面通过这个光栅时，它会散射出带有速度信息的激光。

具体来说，当被测材料以速度 $v$ 运动时，散射光会发生频率偏移，这个偏移量（多普勒频移 $f_d$）与材料的速度成正比。传感器接收这些散射光，并通过检测和分析其频率变化来计算速度。

其物理基础公式可表示为：$f_d = frac{2 cdot v cdot sin( heta)}{lambda}$

其中：* $f_d$ 是多普勒频移，即接收到的光频率与原始光频率的差值。* $v$ 是被测材料的速度。* $ heta$ 是入射激光束与被测材料表面法线之间的夹角（或者通常是两束激光夹角的一半）。* $lambda$ 是激光波长。

核心性能参数（典型范围）：* 速度测量范围： 从静止（0 m/s）到高速（可达 100 m/s 或 6000 m/min）。* 长度测量精度： 优于 ±0.05%。* 重复性： 优于 ±0.02%。* 响应时间： 极快，内部测量速率可达数百 kHz，输出更新率数百 Hz。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式： 避免了与材料的直接接触，因此不会磨损传感器本身，也不会划伤或污染被测材料，尤其适合高温、柔软或有涂层的材料。 * 高精度与高重复性： 基于物理常数（激光波长）进行测量，受环境因素影响小，能提供极高的测量精度和稳定性。 * 不受表面特性影响： 对材料的颜色、光泽、粗糙度、温度等表面变化不敏感，即使是高温、反光或表面不均匀的钢铁也能准确测量。 * 宽速度范围： 能够从静止开始测量，并准确识别运动方向，适用范围广。* 缺点： * 对安装精度有一定要求： 传感器的安装距离和角度需要相对准确，以保证测量光束精确落在目标区域。 * 成本相对较高： 由于技术复杂性和高精度要求，其初始投入成本通常高于接触式或一些简单的非接触式方案。* 适用场景： 尤其适合钢铁轧制、纵剪、定长切割、线缆拉丝等需要高精度、非接触式测速测长的工业应用。

3.1.2 雷达测速原理

雷达测速的原理与激光多普勒类似，也是基于“多普勒效应”，但它使用的是微波信号而非激光。想象一下交警使用的测速枪，它发出一束微波，当微波碰到移动的车辆后反射回来，反射波的频率会发生变化，通过检测这个频率变化就能计算出车速。

具体来说，传感器发射连续的微波信号到移动的材料表面，并接收反射回来的信号。由于材料的移动，反射信号的频率会发生多普勒频移。传感器通过测量并分析这种频率偏移，精确计算出材料的非接触式线速度。

其物理基础公式与激光多普勒类似，简化后可表示为：$f_d = frac{2 cdot v}{lambda}$

其中：* $f_d$ 是多普勒频移。* $v$ 是被测材料的速度。* $$lambda$$ 是微波波长。

核心性能参数（典型范围）：* 速度测量范围： 通常在 0.01 m/s 到 20 m/s 之间。* 精度： 约 ±0.1% 的读数。* 防护等级： 通常较高，可达 IP66-IP68。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极强的环境适应性： 微波信号穿透能力强，不易受烟雾、灰尘、水蒸气、高温等恶劣环境影响，特别适合钢铁、矿山等极端工业现场。 * 非接触式： 避免了磨损和维护。 * 安装和维护简便： 对安装精度要求相对较低。* 缺点： * 精度相对激光多普勒略低： 在追求极致精度（如百分之几甚至千分之几）的应用中，可能不如激光多普勒。 * 空间分辨率较低： 微波束通常比激光束宽，可能不适合检测非常精细或狭窄的目标。* 适用场景： 高温、多尘、高湿等恶劣环境下的粗犷型测速，如连铸线、矿石皮带运输机等。

3.1.3 激光三角测量原理（推导速度）

激光三角测量，主要是用来测量距离，但通过连续的距离变化，我们可以推算出速度。想象一下，你用手电筒照着一面墙，如果你的手电筒位置不变，而墙上的光点左右移动，你就能知道墙在朝着哪个方向运动，并且能根据光点移动的快慢来判断速度。

具体来说，传感器发射一束激光到被测材料表面。反射光不是直接返回，而是通过一个接收透镜，投射到一个高分辨率的CMOS传感器上。当被测材料移动时，反射光点在CMOS传感器上的位置会发生变化。传感器根据光点位置的变化，精确计算出材料与传感器之间的距离。通过超高速、连续地采样这些位移数据，并计算单位时间内的位移量，就可以高精度地推算出材料的线速度。

速度 $v = frac{Delta L}{Delta t}$

其中：* $f_d$0 是在时间 $f_d$1 内测量到的长度变化（位移）。* $f_d$1 是测量时间间隔。

核心性能参数（典型范围）：* 位移测量范围： 通常在 ±数毫米到数十毫米。* 重复精度： 可达微米甚至亚微米级别（如 0.005 μm）。* 采样周期： 极快，可达数百 kHz。* 线性度： 优于 ±0.02% F.S.（满量程）。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高位移测量精度： 对于需要捕捉极其细微的位移和速度变化的应用非常有利。 * 超高速响应： 能够以非常快的速度进行采样，适用于高速运动材料的精密测量。 * 非接触式： 对材料无损伤。* 缺点： * 测速是间接推导： 并非直接测量速度，需要积分或微分计算，可能会累积误差，且对测量距离的稳定性要求高。 * 受表面特性影响： 材料表面的颜色、光泽度、粗糙度变化会影响反射光的质量，进而影响测量精度。 * 测量范围相对较小： 通常用于短距离、高精度的位移测量，不适合大范围测速。* 适用场景： 对微小位移变化极其敏感的精密加工、厚度检测、振动分析等，也可以作为高精度测速的辅助手段。

3.1.4 接触式机械测量（旋转编码器）

这是最传统但也最广泛使用的测速方式之一。想象一下，一辆自行车前轮上的码表，通过齿轮带动一个传感器转动来计算速度和里程。

旋转编码器通常与一个测量轮配合使用。测量轮与被测材料表面直接接触。当材料线性移动时，会带动测量轮旋转，测量轮的旋转再驱动编码器轴。编码器内部的光电传感器通过检测码盘的旋转角度，输出与旋转角度成比例的电脉冲信号。根据测量轮的精确周长和编码器发出的脉冲数，就可以计算出材料的线速度和长度。

线速度 $f_d$3 或 $f_d$4

其中：* $f_d$5 是测量轮的直径。* $f_d$6 是单位时间内（如 1 秒）编码器发出的脉冲数。* $f_d$7 是编码器每转一圈发出的脉冲数（分辨率）。* $f_d$8 是时间（或 $f_d$1 是脉冲计数的时间间隔）。

核心性能参数（典型范围）：* 分辨率： 从几十到数万 PPR。* 最高响应频率： 可达数百 kHz。* 防护等级： 常见 IP54-IP67。

技术方案的优缺点：* 优点： * 技术成熟，成本效益高： 市场上有大量成熟产品，价格相对经济。 * 直接测量： 结构相对简单，易于理解和维护。 * 适用性广： 适用于多种非光滑或粗糙表面，只要接触良好即可。* 缺点： * 磨损和打滑： 测量轮与材料直接接触，长期使用会有磨损，且在高速、高加速度或潮湿/油污环境下容易发生打滑，导致测量误差。 * 需要定期维护： 测量轮磨损后需要更换，影响生产连续性。 * 对材料有影响： 接触压力可能对柔软或精密材料表面造成压痕。* 适用场景： 成本敏感、对精度要求相对不高或材料表面摩擦力较大的应用，如普通板材、型材的粗略测速。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在工业测速测长领域表现突出的国际品牌，它们分别采用了不同的技术方案，以适应不同的工业需求。

• 德国微视

  • 采用技术： 激光多普勒测速仪（LDV）。

  • 核心性能： 速度测量范围宽泛，长度测量精度高，工作距离稳定。

  • 应用特点与优势： 德国微视的产品以其卓越的非接触式高精度测量能力著称，适用于需要高精度控制的高速运动材料加工。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光多普勒测量原理。

  • 核心性能： 精度优于 0.05%，重复性达 0.02%。速度测量范围极广，从静止到最高可测速度达 10,000 m/min。内部测量速率高达 200 kHz，每 20 微秒一次测量输出。AJS102 系列适用于高温钢铁等极端环境，最远安装距离可达 2000 mm，景深最大可达250mm。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有的产品在激光多普勒技术上具备高度专业性，其卓越的精度和极宽的速度测量范围使其能胜任严苛的工业应用。其产品具备丰富的通信接口和良好的环境适应性，可选配冷却外壳用于高温环境，IP67防护等级也增强了其在钢铁行业的适用性。

• 美国因特克

  • 采用技术： 多普勒雷达原理。

  • 核心性能： 速度测量范围较宽，精度较高，防护等级较高，工作温度范围广。

  • 应用特点与优势： 美国因特克的产品以其极高的环境耐受性而闻名，专为严苛工业环境设计。它采用非接触式雷达测量，避免了磨损，且安装维护简便，是在环境恶劣但对精度要求略低的钢铁行业应用中的选择。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 激光三角测量原理。

  • 核心性能： 测量范围适中，重复精度高，采样周期快，线性度好。

  • 应用特点与优势： 日本基恩士在自动化传感器领域具有领先地位，其产品以极高的测量精度和超高速响应能力见长，适用于需要捕捉细微速度变化，并可能同时进行表面缺陷检测、位置对准等多种质量控制任务的场景。

• 意大利意尔创

  • 采用技术： 接触式机械测量（旋转编码器）。

  • 核心性能： 分辨率适中，最高响应频率较高，供电电压范围较宽，防护等级一般。

  • 应用特点与优势： 意大利意尔创专注于编码器制造，其产品技术成熟，成本效益高，在工业领域应用广泛，适用于对成本敏感、对精度要求不高、且材料表面允许接触磨损或摩擦力较大的场景。

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

在为钢铁加工过程选择测速测长设备时，不能只看宣传，要深入理解每个技术指标的实际意义，并结合自身需求进行考量。

1. 测量精度与重复性：

   • 实际意义： 精度决定了测量结果与真实值之间的接近程度，重复性则反映了多次测量同一数值时结果的一致性。

   • 选型建议： 对于定长切割、收卷长度控制等对尺寸要求极高的应用，应优先选择高精度的激光多普勒传感器。如果只是粗略监控，如连铸或炉前测速，精度要求可以适当降低。

2. 速度测量范围与响应时间：

   • 实际意义： 速度范围要覆盖生产线从启动到最高运行速度的全部区间。响应时间越短，传感器对速度变化的捕捉越及时，能更快地将数据反馈给控制系统，避免控制滞后。

   • 选型建议： 钢铁加工线速度范围较广，选择能覆盖全范围且具备 0 速度测量和方向识别功能的传感器至关重要。

3. 工作距离与景深：

   • 实际意义： 工作距离是指传感器到被测材料表面的最佳距离。景深则是在此工作距离上下允许的距离波动范围。

   • 选型建议： 考虑到钢铁产线设备的布局限制，选择具有较大工作距离和足够景深的传感器，可以提高安装灵活性和抗现场振动能力。

4. 环境适应性（防护等级、工作温度）：

   • 实际意义： 钢铁加工现场环境恶劣，粉尘、水蒸气、油污、高温、振动等常见。IP防护等级和工作温度范围直接决定了传感器能否稳定长期运行。

   • 选型建议： 必须选择至少IP65或IP67防护等级的传感器。对于高温区域，需要特别关注传感器是否支持宽温操作，或是否可配置冷却外壳。

5. 通信接口与集成能力：

   • 实际意义： 传感器需要将测量数据可靠地传输给上位机、PLC或DCS等控制系统。

   • 选型建议： 选择支持产线主流通信协议的传感器，方便与现有控制系统无缝对接。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁加工中应用测速测长传感器，尽管技术先进，仍可能遇到一些实际问题：

1. 问题：材料表面变化导致测量不稳定。

   • 原因： 钢铁材料表面可能存在氧化皮、水蒸气、油污、局部粗糙度不均、或高温下产生的反射光变化，这些都可能干扰光学传感器的光信号。接触式传感器则可能因为表面粗糙导致磨损或打滑。

   • 影响： 测量数据波动大，控制系统无法准确判断材料速度，导致切割不准或长度误差。

   • 解决方案：

     • 对于光学传感器： 优先选用对表面特性不敏感的激光多普勒传感器。

     • 对于接触式传感器： 定期检查测量轮磨损情况并更换。

2. 问题：环境恶劣导致传感器故障或性能下降。

   • 原因： 现场高温、高粉尘、强振动、电磁干扰等超出传感器设计的工作范围，可能导致内部元器件损坏、光路污染或信号干扰。

   • 影响： 传感器寿命缩短，测量精度和稳定性下降，甚至完全失效，影响生产。

   • 解决方案：

     • 选型阶段： 优先选择具有高IP防护等级、宽工作温度范围、并支持冷却外壳等环境适应性附件的传感器。

     • 安装阶段： 采取隔振措施，避开强振源。加装防护罩，防止飞溅物和重度粉尘。确保良好的接地，减少电磁干扰。

     • 维护阶段： 定期清洁传感器光学窗口，检查连接线路，确保紧固。

3. 问题：控制系统响应滞后，无法及时纠正速度偏差。

   • 原因： 传感器数据更新率不够快，或者控制系统处理速度慢，导致从测量到反馈执行存在时间延迟。

   • 影响： 在高速切割中，即使传感器测量准确，但控制响应慢，依然可能导致实际切割点偏离目标位置，产生废料。

   • 解决方案：

     • 选择数据更新率高的传感器，以提供更实时的反馈。

     • 优化控制算法，采用前馈控制或更先进的预测控制策略，减少滞后影响。

     • 确保传感器与控制器之间的通信链路快速稳定，避免网络延迟。

4. 问题：传感器安装位置或角度不准确。

   • 原因： 初次安装时未严格按照说明进行，或长期运行中因振动、碰撞导致位置偏移。

   • 影响： 光束无法精准对准被测材料，导致测量不准或无数据输出。

   • 解决方案：

     • 严格遵循产品安装指南，使用专用安装支架。

     • 定期进行校准和检查，使用水平仪、角度尺等工具确保传感器位置和角度正确。

     • 对于激光多普勒传感器，确保测量区域聚焦在材料表面上。

4. 应用案例分享

• 钢板定尺切割线： 在大型钢板剪切线上，激光测速测长传感器实时监测钢板的行进速度和累计长度，确保每块钢板的尺寸精度，减少边角料浪费。例如，英国真尚有的激光测速传感器可以提供精确的速度数据，实现精准切割。

• 连铸生产线： 在高温的连铸车间，激光多普勒传感器非接触式地测量新铸钢坯的拉出速度，有助于精确控制拉坯机与切割设备的同步，提高生产效率和产品质量。

• 高速纵剪分条线： 在将宽钢卷分切成窄钢带的纵剪线上，传感器监测钢带的入料速度和各分条的出料速度。通过速度同步控制，可以避免不同钢带张力不均导致的“跑偏”或“波浪边”现象，保证分条的直线度和最终产品的收卷质量。

• 线缆和管材生产： 虽然不完全是钢铁加工，但原理相通。在钢丝绳、钢管的挤出或拉拔过程中，激光测速测长传感器可以精确测量其生产速度和累计长度，确保产品的尺寸符合要求，减少因长度不足或过长而造成的废品。