在高达1000℃的热轧环境下，如何利用非接触激光传感器实现钢坯尺寸毫米级精准监测？【智能质检】

在热轧产线，对高温钢坯进行精确的尺寸检测，是确保产品质量、优化生产工艺和提高成品率的关键一环。由于钢坯在热轧过程中温度高达数百度甚至上千度，并且伴随着高速运动、表面氧化皮、蒸汽和振动等复杂环境因素，传统的接触式测量方法几乎无法应用，这使得非接触式测量方案成为解决这一难题的必然选择。

基于钢坯的基本结构与技术要求

热轧钢坯，顾名思义，是经过高温轧制初步成型的钢材。它就像一块刚刚从熔炉里取出、还带着火红余温的“巨型积木”，是后续轧制成型材、线材或板材的半成品。在热轧产线上，钢坯通常以板坯、方坯或圆坯的形式出现。

我们对钢坯的尺寸检测，不仅仅是关注它的长度、宽度和厚度，这些是基础的几何尺寸。更深层次的技术要求还包括：

• 截面尺寸一致性： 想象一下，如果一块钢坯的截面不是标准的矩形，而是某个角有点塌陷或者变形，那么它在后续的精轧过程中就很难被均匀轧制，最终产品可能会出现宽度不均、厚度偏差，甚至造成废品。

• 表面轮廓与平整度： 钢坯表面不能有明显的凹凸、鼓包或波浪形变形。这些缺陷不仅影响后续的加工质量，还可能隐藏内部缺陷。

• 端部形状： 钢坯的头部和尾部形状是否整齐、是否符合切割要求，这直接关系到材料的利用率。

• 弯曲度（镰刀弯/侧弯）和扭曲度： 钢坯在输送过程中，如果出现非直线运动或者自身发生扭转，都可能导致生产线卡料、设备磨损，甚至严重的安全事故。

这些尺寸和形状参数的精确控制，就像是给这块“巨型积木”做“体检”，确保它符合下一道工序的“入场标准”，是保证最终产品质量、提高生产效率的基础。

针对钢坯的相关技术标准简介

针对钢坯的尺寸监测，行业内有一系列技术标准来定义和评价这些参数。这些标准就像是“体检报告”的解读指南，告诉我们各项数值代表什么，以及如何测量和判断是否合格。

• 长度测量： 通常指钢坯沿轧制方向的总长度。评价方法通常是在钢坯运动过程中，通过非接触传感器监测其首尾位置来确定，或者在静止时进行多点测量。

• 宽度测量： 指钢坯垂直于轧制方向的尺寸。由于钢坯可能存在边缘不规则或变形，宽度评价通常会定义在特定高度或多个点进行测量，并取平均值或最大/最小值。

• 厚度测量： 指钢坯垂直于其宽度和长度方向的尺寸。厚度测量往往需要多组传感器对上下表面同时进行，并计算两者距离差。由于钢坯在轧制过程中可能出现“鼓肚”或“压扁”，因此会在不同位置进行测量，以评估整体均匀性。

• 镰刀弯（侧弯）： 描述钢坯沿长度方向的弯曲程度。其评价通常是通过测量钢坯中心线与一条理论直线的最大偏离距离来量化。

• 扭曲度： 衡量钢坯沿其长度方向的扭转变形。这通常通过测量钢坯不同横截面上对应点（如四个角点）的高度差来间接评估。

• 表面平整度/轮廓： 评估钢坯表面的凹凸和波浪形程度。这通常通过对钢坯表面进行多点或线扫描，构建出三维轮廓数据，然后与标准模型进行比较来分析。

这些参数的监测和评价，都需要一套可靠的非接触式测量系统在高温、高速的恶劣环境中稳定运行。

实时监测/检测技术方法

在热轧产线上，由于钢坯处于高温状态且快速移动，传统接触式测量方式无法使用，我们必须依赖非接触技术。市面上有多种成熟的非接触式测量技术可以应对这一挑战，它们各有特点，就像医生为病人选择不同的检查设备一样，需要根据具体的需求和环境来选择最合适的方案。

1. 激光三角测量法

想象一下，你站在一个房间的角落，用手电筒照亮对面的墙壁。如果你再从另一个稍微偏一点的位置观察手电筒照在墙上的光斑，当墙壁离你近一点或远一点时，你观察到的光斑位置就会有所偏移。激光三角测量法就是利用了这种几何三角关系来测量距离。

工作原理和物理基础：激光三角测量传感器通常包含一个激光发射器和一个接收器（通常是CMOS或PSD位置敏感探测器）。传感器发射一束集中的激光，投射到被测钢坯表面形成一个光斑。钢坯表面反射回来的漫反射光，被传感器内部的接收光学系统（如透镜）汇聚，成像到探测器上。

当钢坯与传感器的距离发生变化时，由于发射激光和接收光路之间存在一个固定角度（基线），反射光点在接收器上的成像位置也会随之移动。探测器能够精确地感知光点位置的微小变化，并通过内置的微处理器，结合预先标定好的几何三角关系，计算出钢坯与传感器的精确距离。

用数学公式来描述这个关系，可以简化为：D = L * (sin(α) * cos(β)) / sin(α + β)这里，D是被测物体到传感器的垂直距离，L是激光发射器和接收器之间的基线距离，α是激光发射角，β是反射光进入接收器的角度（这个角度会随D的变化而变化）。通过测量β的变化，就能精确计算出D。

在高温钢坯测量中，由于钢坯自身会发出强烈的红外辐射（像一个发光的炉子），传统的红色激光容易被其“背景光”淹没，导致测量精度下降甚至失效。因此，许多针对高温应用设计的激光三角测量传感器会采用蓝光或UV（紫外）激光。蓝光/UV激光的波长更短，不易受高温钢坯自身辐射的影响，穿透烟雾和蒸汽的能力也更强，能提供更稳定的测量结果。

核心性能参数：* 测量范围： 通常从几毫米到数百毫米不等，例如10毫米到750毫米。* 线性度： 衡量测量结果与真实值之间偏差的程度，通常为±0.02%FSO至±0.1%FSO。* 分辨率： 指传感器能够识别的最小距离变化，通常能达到微米级别。* 测量频率： 传感器每秒能进行测量的次数，范围从几百赫兹到数千赫兹，确保对高速移动物体的实时监测。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度高，响应速度快，适用于中短距离测量。通过采用特定波长的激光（如蓝光/UV）和配合水冷/气冷防护罩，能够有效应对高温、烟尘、蒸汽等恶劣工业环境。成本相对适中。* 缺点： 传统红光激光易受物体表面颜色、光泽度变化及倾斜角度影响。对于极端恶劣的环境，如极浓厚的蒸汽或飞溅物，仍需额外防护。

2. 共焦色谱法

共焦色谱法是一种光学干涉测量技术，它的精髓在于利用光的色散效应来实现超高精度的距离测量。这就像一个拥有“颜色感应”功能的聚焦系统。

工作原理和物理基础：传感器发射一个包含所有颜色（白光）的宽谱光源。这束白光通过一个特殊的透镜系统（例如，色散补偿透镜），使得不同波长的光在空间中聚焦在不同的深度上。换句话说，红色光可能在某个距离聚焦最清晰，绿色光在稍近的距离聚焦，蓝色光则在更近的距离。

当这束光投射到被测物体表面时，只有恰好聚焦在物体表面的特定波长的光，才能被物体反射回来。反射光会通过一个共焦针孔，只有那个特定波长的光能穿过针孔并被探测器接收。通过分析接收到的光的波长，传感器就能精确地判断物体与传感器的距离。这个原理确保了测量结果对物体表面的颜色、材质和透明度不敏感。

核心性能参数：* 测量范围： 通常非常短，在几百微米到几毫米之间。* 分辨率： 达到纳米级。* 测量频率： 高达几十到上百千赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的测量精度和分辨率，几乎不受物体表面颜色、材质、倾斜角度或透明度的影响。光斑尺寸极小，适合检测微小形变或精细结构。* 缺点： 测量范围非常有限，通常不适合测量大型钢坯的整体尺寸；设备成本较高；对安装的稳定性要求极高。

3. 激光脉冲测距法 (Time-of-Flight, TOF)

激光脉冲测距法，通常称为TOF（Time-of-Flight）技术，其原理简单而直观，类似于声纳测距，但使用的是光波。你可以把它想象成对着远处大喊一声，然后测量声音从发出到听到回声所需的时间来估算距离。

工作原理和物理基础：传感器发射一个非常短促的激光脉冲，这个脉冲以光速（c）向目标物体传播。当激光脉冲击中物体表面后，一部分光会被反射回来，并被传感器中的接收器捕捉。传感器内部的计时电路会精确测量从激光脉冲发射到接收到反射光所需的时间（t）。

由于光速是已知常数（约3 x 10^8 米/秒），传感器与物体之间的距离（D）可以通过以下简单公式计算得出：D = (c * t) / 2这里的除以2是因为光走了来回两趟的距离。这种方法对物体表面的特性（如颜色、光泽度）不敏感，因为主要关注的是光的往返时间，而不是反射光的强度或角度。

核心性能参数：* 测量范围： 通常较远，从数米到数百米。* 重复精度： 相对较低，通常在毫米级别。* 响应时间： 几毫秒到几十毫秒。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量距离远，抗环境光干扰能力强，在恶劣工业环境（如户外、灰尘、蒸汽较多的场合）下表现稳定可靠。对大型高温物体（如炉料高度、大型设备定位）的距离监控非常适用。* 缺点： 精度相对较低，光斑通常较大，不适合需要微米级或亚毫米级精度的尺寸测量。

市场主流品牌/产品对比

在高温钢坯尺寸检测领域，国际上有多家知名厂商提供了高性能的非接触式测量解决方案。

• 日本基恩士： 作为精密测量领域的领导者，日本基恩士提供基于共焦色谱法的CL-3000系列传感器。其产品优势在于纳米级的超高精度测量，对各种复杂表面（包括镜面、透明体、黑色橡胶等）都具有极强的适应性，并且不受表面颜色和倾斜角度的影响。这使得它非常适合对微小变形或精细尺寸进行在线、非接触式批量检测，但其测量范围通常仅为几毫米。

• 德国微米公司： 德国微米公司专注于高分辨率激光位移传感器，其optoNCDT系列采用激光三角测量法，并针对高温工业环境进行了专门设计。这些传感器具备较高的测量精度和稳定性，响应速度快，测量范围可达数百毫米，配合专用防护罩可承受高温。其线性度可达±0.03% FSO，分辨率0.02% FSO，测量频率最高2.5千赫兹。

• 英国真尚有： 英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器是一款性能卓越的超小型设备，尺寸仅为45*30.5*17mm，采用激光三角测量法。该传感器线性度达到±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），测量频率最高可达9400赫兹。提供10/25/50/100/250/500mm等多种量程选择，并可选配蓝光或UV半导体激光器（405纳米或450纳米波长），适用于高温物体测量，有效减少高温辐射和蒸汽干扰的影响。其防护等级达IP67，工作温度范围为-10°C至+60°C，保证了在恶劣环境下的可靠性。

• 美国康耐视： 美国康耐视通过DSMax系列3D激光轮廓传感器，提供了基于3D激光轮廓测量的解决方案。这种方案实质上是激光三角测量原理的扩展应用，通过投射一条激光线并快速扫描，能够获取物体表面的完整3D轮廓数据。其优势在于提供完整、高分辨率的3D几何信息，强大的视觉处理算法能够应对复杂的在线检测任务，不受物体对比度或环境光变化影响。这使得它特别适用于对高温部件的尺寸、形状、缺陷进行快速、非接触式批量检测，每秒可采集高达18000个轮廓，Z轴重复精度可达亚微米级别。

• 瑞士堡盟： 瑞士堡盟的OADM 25000系列激光脉冲测距传感器采用激光脉冲测距法（TOF）。该系列产品具备出色的远距离测量能力，测量范围可达数十米，重复精度在毫米级别。它对抗环境光干扰能力强，在恶劣工业环境下表现稳定可靠，因此适合对大型高温物体进行在线距离监控。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为热轧产线选择非接触式尺寸检测设备时，需要综合考虑多个关键技术指标。

• 1. 测量精度（包括线性度、重复精度、分辨率）：

  • 实际意义： 精度是衡量传感器测量结果与真实值接近程度的指标。线性度反映了传感器在整个量程内测量结果的准确性；重复精度则表示在相同条件下多次测量的结果一致性；分辨率是传感器能检测到的最小距离变化。

  • 影响： 高精度意味着能更准确地获取钢坯的真实尺寸，对发现微小尺寸偏差和形状缺陷至关重要。

  • 选型建议： 对于钢坯的整体尺寸（长、宽、高）测量，通常需要毫米级甚至亚毫米级的精度；对于表面平整度、边缘缺陷等高要求检测，则可能需要微米级的精度。选择时应根据实际检测需求，避免盲目追求过高精度而增加不必要的成本。

• 2. 测量范围：

  • 实际意义： 传感器能够有效测量距离的范围。

  • 影响： 范围过小可能无法覆盖钢坯尺寸变化或安装距离需求；范围过大则可能牺牲测量精度。

  • 选型建议： 考虑到热轧产线钢坯的尺寸范围较大，以及需要一定的安装避让空间，通常需要选择测量范围在数十毫米到数百毫米的传感器。例如，对于宽度测量，可能需要传感器能够覆盖从钢坯边缘到中心的最大距离。

• 3. 测量频率（响应速度）：

  • 实际意义： 传感器每秒能进行测量的次数，也称为采样率。

  • 影响： 热轧钢坯通常以高速通过，测量频率不足会导致数据点稀疏，无法捕捉到钢坯在高速运动中的瞬时尺寸变化或细节轮廓。

  • 选型建议： 对于高速移动的钢坯，需要至少几千赫兹（kHz）甚至更高的测量频率，以确保在钢坯经过传感器时能采集到足够多的数据点，形成连续、准确的尺寸曲线。

• 4. 激光波长：

  • 实际意义： 激光的颜色，会影响其在不同表面和环境下的表现。

  • 影响： 高温钢坯会发出强烈的红色/橙色光，称为“背景辐射”。传统红色激光很容易被这种辐射“淹没”，导致信噪比降低，测量困难。

  • 选型建议： 对于高温钢坯，优先选择蓝光或UV（紫外）激光传感器。这些短波长激光不易受高温辐射干扰，且在穿透蒸汽和烟尘方面表现更优，能提供更稳定的测量结果。

• 5. 防护等级与环境适应性：

  • 实际意义： 防护等级（如IP67）表示设备防尘和防水的能力；环境适应性指设备在特定温度、振动、冲击等条件下正常工作的能力。

  • 影响： 热轧产线环境恶劣，高温、高湿、粉尘、蒸汽、振动和水花飞溅是常态。传感器如果防护不足，易损坏或性能下降。

  • 选型建议： 必须选择IP67或更高防护等级的传感器。同时，要关注其工作温度范围、抗振动和抗冲击能力，确保能在产线恶劣环境中长期稳定运行。可能还需要配合额外的水冷/气冷防护罩和吹扫装置。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的传感器，在热轧产线实际应用中，我们仍然会遇到一些挑战。

• 1. 高温环境对传感器的影响：

  • 问题： 传感器内部的电子元件和光学部件对高温敏感，长时间工作可能导致性能漂移、精度下降，甚至设备损坏。

  • 原因： 产线环境温度高，以及钢坯自身辐射的热量。

  • 影响： 测量结果不稳定，设备寿命缩短。

  • 解决建议：

    • 水冷/气冷防护罩： 这是最常见的解决方案。通过循环冷却水或压缩空气，将传感器与外部高温环境隔离开来，保持传感器内部温度在安全范围内。

    • 选择耐高温传感器： 选用本身工作温度范围更宽的传感器。

    • 优化安装位置： 尽量将传感器安装在相对温度较低、远离高温热源的位置，并优化其散热条件。

• 2. 蒸汽、烟尘、水雾对光路的干扰：

  • 问题： 产线常见的蒸汽、烟尘、水雾会阻挡或散射激光束，导致信号衰减，测量误差增大或无法测量。

  • 原因： 轧制过程中的冷却水蒸发，钢材氧化产生的烟尘，以及设备喷淋产生的水雾。

  • 影响： 测量结果不稳定、不准确，甚至中断。

  • 解决建议：

    • 空气吹扫装置： 在传感器光路出射端和接收端安装气刀或喷嘴，持续吹出洁净压缩空气，在镜头前方形成“气帘”，有效吹散蒸汽、烟尘和水雾。

    • 蓝光/UV激光： 如前所述，短波长激光在穿透这些介质时表现更好。

    • 优化光路设计： 尽量缩短传感器与钢坯之间的测量距离，减少光程中介质的干扰。

    • 多传感器冗余： 在关键测量点设置多个传感器，即使一个传感器受干扰，也能通过其他传感器的数据进行补充或校验。

• 3. 钢坯表面特性变化（氧化皮、反射率、振动）：

  • 问题： 钢坯表面通常覆盖有氧化皮，其厚度、颜色和反射率会不均匀，且钢坯在输送过程中可能存在轻微振动和晃动。

  • 原因： 高温氧化，表面粗糙度不均，设备振动或传输不稳定。

  • 影响： 激光反射信号强度不稳定，导致测量结果跳动，或无法获取稳定数据。

  • 解决建议：

    • 高动态范围传感器： 选择能够处理宽范围反射率变化的传感器，或者具有自动增益调节功能的传感器。

    • 多点测量与数据融合： 在多个点进行测量，并对数据进行统计处理（如取平均值、中值滤波），以消除局部表面异常和振动带来的影响。

    • 软件滤波算法： 采用平滑滤波、卡尔曼滤波等算法对原始测量数据进行处理，提高数据稳定性。

    • 机械减振： 确保传感器安装基座牢固，并采取减振措施，减少外部振动对传感器的影响。

应用案例分享

非接触式尺寸检测技术在热轧产线中有着广泛的应用，有效地提升了生产效率和产品质量。例如，采用激光三角测量法的传感器，能够对高速移动的钢坯进行实时监测。

• 钢坯几何尺寸控制： 在钢坯进入轧机前，通过多组激光位移传感器测量其宽度、厚度和头部/尾部尺寸，确保其符合轧制要求，避免因尺寸不合格导致的后续问题。

• 热轧带钢宽度/厚度在线监测： 在高速轧制过程中，传感器实时监测带钢的宽度和厚度，及时反馈给控制系统进行调整，保证产品尺寸精度和均匀性。

• 连铸板坯表面轮廓检测： 在连铸区域，使用3D激光轮廓传感器对刚出炉的板坯表面进行扫描，检测是否存在鼓包、凹陷或裂纹等表面缺陷，为后续处理提供依据。

• 型钢弯曲度与扭曲度测量： 对于H型钢、工字钢等型钢产品，通过多点激光测量系统，实时评估其弯曲度和扭曲度，确保产品笔直、无扭曲，满足建筑和工程需求。

• 炉内料位及物体定位： 利用激光脉冲测距传感器，在高温炉内非接触式地测量炉料的高度，或用于大型高温部件的精确位置定位。