在1000℃+高温下，如何用光学位移传感器实现金属部件微米级非接触式尺寸与形变实时监测，并有效克服热辐射及气流扰动？【工业精密测量】

在高温环境下，对金属部件进行非接触式精准测量并有效降低热变形影响，是许多工业领域面临的重要技术挑战。这不仅关乎产品的质量控制，更直接影响设备运行的安全性与可靠性。

基于金属部件的基本结构与技术要求

想象一下，我们所说的金属部件，可能是在几百度甚至上千度高温下工作的机器零件，比如炼钢炉中传输的炽热钢板、航空发动机内高速旋转的涡轮叶片、核反应堆中的结构件，或是汽车发动机中的关键传动部件。这些部件在高温下，其“体态”会发生变化。

我们需要关注它们几个重要的“身体指标”：

• 尺寸精度与形变：金属在高温下会发生热膨胀，冷却时会收缩，这就像我们平时看到铁轨在夏天会变长一样。这种随温度变化的尺寸改变和局部弯曲、翘起等形变，必须被精确测量和控制。如果变形超出了允许范围，可能会导致部件卡死、配合失效，甚至引发结构性故障。

• 位置稳定性：部件在高温环境下运行时，可能会因热应力、振动等因素而发生整体或局部的位移。监测这些位移对于确保设备正常运转，防止部件相互干涉或脱落至关重要。

• 表面特性：高温还会引起金属表面的氧化、熔融或变色，这会改变其对光的反射和吸收特性。对于依赖光学原理进行测量的传感器来说，这些表面变化可能会干扰测量信号，就像在阳光下看东西会有些晃眼一样。

因此，在高温环境下对金属部件进行非接触式精准测量，不仅要能够准确捕捉这些微小的尺寸、形变和位置变化，还要想办法“看透”高温带来的“发光发热”和“空气扰动”等干扰，确保测量数据真实且可靠。

针对金属部件的相关技术标准简介

在高温金属部件的测量与监测中，为保证数据的一致性和可比性，行业内通常会参照一些标准来定义和评价各项参数。这些参数的准确获取是评估部件性能和可靠性的关键。

• 几何尺寸参数：指部件在特定高温状态下的长度、宽度、厚度、直径等基础尺寸。评价方法包括与设计基准尺寸进行比较，计算偏差，以及通过统计学方法分析尺寸的均匀性和稳定性。

• 位移与形变参数：描述部件在受热或受力过程中，相对于初始位置的移动距离，或其几何形状的变化程度（如弯曲、扭曲、膨胀量等）。评价通常涉及设定参考点，并测量特定点或区域在不同时间或温度下的相对位置变化。

• 表面粗糙度与轮廓度：用于描述部件表面的微观不平度和宏观几何形状偏差。在高温下，表面可能会氧化或熔融，改变这些特性。评价方法通常通过扫描表面，获取三维点云数据，然后进行数学模型拟合和偏差分析。

• 热膨胀系数/热变形率：衡量材料每升高单位温度时，其尺寸发生相对变化的比例。这是评估材料高温稳定性的重要参数。通过在不同温度梯度下测量尺寸，计算出线膨胀系数或体膨胀系数。

• 测量不确定度与重复性：这些参数用于评估测量系统的可靠性。不确定度反映了测量结果可能存在的误差范围，而重复性则指在相同条件下多次测量同一参数时结果的离散程度。评价方法通常涉及多次测量数据的统计分析，如标准差等。

实时监测/检测技术方法

1. 实时监测/检测技术方案概述

在高温环境下进行非接触式位移测量，技术方案需要克服高温发光、热辐射、空气扰动等难题。以下是几种主流且各有特色的测量技术。

激光三角测量法

激光三角测量法是工业领域中应用最为广泛的非接触式位移测量技术之一。它的原理就像我们小时候用手电筒照墙壁，然后从侧面看光斑。当手电筒离墙壁的距离发生变化时，光斑在我们视角中的位置也会相应改变。

工作原理与物理基础：传感器内部有一个激光发射器和一个接收镜头，两者之间存在一个固定的距离，我们称之为基线（B）。激光器发射一束激光，以一个特定的角度（θ_L）照射到被测物体表面，形成一个清晰的光斑。这个光斑会将被测物体表面反射，反射光束经过接收镜头聚焦，落到传感器内部的位置敏感探测器（如CCD或CMOS传感器）上。当被测物体表面与传感器的距离（Z）发生变化时，根据几何三角关系，光斑在探测器上的位置（X_d）也会随之移动。传感器通过预先标定的数学模型，将探测器上的光斑位置变化精确地转换成被测物体的距离或位移量。

其核心几何关系可以表示为： Z = B * sin(θ_L) / sin(θ_L + θ_R) 其中，Z是被测物体到接收镜头焦点的距离，B是激光发射器与接收镜头之间的基线距离，θ_L是激光发射角度，θ_R是反射光束相对于接收镜头光轴的角度。θ_R的值会随着Z的变化而改变，进而影响光斑在探测器上的位置X_d。

核心性能参数的典型范围： * 测量范围：通常在几毫米到数百毫米之间。 * 测量精度：可达微米甚至亚微米级别。 * 分辨率：通常能达到满量程的0.01%或更高。 * 采样速度：从几百赫兹到数十千赫兹，能够捕捉快速运动或高频振动。

技术方案的优缺点： * 优点： * 精度高、响应快：能够实现高速、高精度的实时在线测量。 * 非接触式：对被测物体无磨损、无损伤。 * 适应性强：通过优化设计，如选用短波长激光（蓝光或UV光）和高级信号处理算法，可以有效抑制高温物体自身发光（主要是红外光）的干扰，提升在红热金属表面的测量稳定性。短波长激光在高温粗糙金属表面散射效果更好，信噪比高。 * 结构紧凑：一些产品体积非常小巧，便于集成到空间受限的设备中。 * 缺点： * 对表面特性敏感：物体的颜色、光泽度、粗糙度变化可能影响测量效果，需要针对性优化。 * 可能受蒸汽、烟尘影响：测量路径上的介质（如水蒸气、烟尘）可能散射激光，影响测量精度。 * 存在测量盲区：由于三角测量原理，在某些角度或特殊几何形状上可能存在无法测量的区域。 * 成本考量：通常为中等到高，高性能传感器因其精密光学和电子元件成本较高。

激光跟踪测量法

激光跟踪测量法常用于大型工件或结构的三维高精度测量，你可以把它想象成在工厂里给一个巨大的设备进行三维“体检”。

工作原理与物理基础：激光跟踪仪是一种高精度的三维坐标测量设备。它发射一束高度准直的激光，追踪一个安装在被测物体关键点上的“靶点”——通常是微小的球面安装反射镜（SMR）。传感器通过测量激光束从发射到反射回来的精确距离（采用绝对距离测量ADM）和角度变化（结合激光干涉测量IFM），实时计算出反射镜在三维空间中的X、Y、Z坐标。在高温应用中，将耐高温的反射镜固定在被测高温物体上，跟踪仪本身则放置在较远的常温区域，从而实现对高温大型结构的三维位移和形变进行非接触式监测。

核心性能参数的典型范围： * 测量范围：可达数十米甚至上百米半径。 * 绝对距离测量精度：通常在微米级别。 * 干涉测量精度：亚微米到微米级别。 * 最大测量速度：每秒数百到数千点。

技术方案的优缺点： * 优点： * 超高精度与超大测量范围：适用于大型、高精度部件的三维位移和形变测量。 * 非接触式：传感器本体远离高温区域，降低了热影响。 * 缺点： * 需要安装反射镜：必须在被测点固定反射镜，对于不易触及或运动中的部件有局限性。 * 单点测量：一次通常只能追踪一个反射镜，多点测量效率相对低。 * 对环境要求较高：空气折射、振动等可能影响精度。 * 成本考量：非常高，属于高端精密测量设备。

机器视觉/图像处理法

机器视觉法就像给高温部件拍“写真集”并进行对比分析，它能一次性捕捉部件的整体信息。

工作原理与物理基础：该方案通过工业高分辨率相机捕获被测物体在不同时间点或不同状态下的二维图像。利用内置的图像处理算法（包括传统特征提取、边缘检测或先进的深度学习算法），系统能识别图像中物体上的特定特征点、几何形状或区域。通过对比这些特征点在不同图像帧中的像素位置变化，并结合预先标定的相机参数，就能精确计算出这些特征点在实际物理空间中的相对位移、尺寸变化或形变。在高温环境下，需配备合适的滤光片（如红外截止滤光片）和强光源，以克服高温物体自身发光对图像质量的干扰。

核心性能参数的典型范围： * 图像分辨率：从数十万像素到数千万像素。 * 图像采集速度：每秒数帧到数百帧。 * 测量精度：取决于像素分辨率和标定精度，可达亚像素级。

技术方案的优缺点： * 优点： * 信息量丰富：一次性获取物体表面的二维整体信息，可同时监测多个点或区域的位移和形变，甚至进行缺陷检测。 * 灵活性高：适应复杂形状和不规则表面。 * 非接触式：传感器本体远离高温物体。 * 缺点： * 精度相对有限：在微米级单点距离测量上可能不如激光三角或干涉测量。 * 环境光线敏感：需要严格控制光源和环境光，高温物体的自身辐射是主要挑战，需要专业的光学方案。 * 计算资源需求大：高分辨率图像和复杂算法需要强大的处理能力。 * 成本考量：中等到高，涉及相机、镜头、光源和图像处理软件。

光纤法布里-珀罗干涉测量法

光纤法布里-珀罗干涉测量法是一种非常适合极端高温和电磁干扰环境的测量技术，其探头可以像一根“不怕热的触手”伸入高温区域。

工作原理与物理基础：这种传感器采用光纤作为传输介质，其探头部分设计成一个微小的光学谐振腔，即法布里-珀罗腔。腔体的一端是光纤端面，另一端是被测物体表面。当宽带光通过光纤传输到腔体时，在两个反射面之间会发生多次反射和干涉，形成特定的干涉光谱。当探头与被测物体之间距离（即腔长）发生微小变化时，干涉光谱图样也会随之改变。通过精确分析反射光的干涉光谱，系统能够计算出腔长的变化量，从而实现对位移的超高精度测量。由于探头是纯光学的，不含电子元件，因此具有卓越的耐高温性、抗电磁干扰能力和体积小巧的特点。

核心性能参数的典型范围： * 测量范围：通常在几十微米到几毫米。 * 分辨率：精度极高，可达纳米级。 * 工作温度（探头）：可在极高温度下工作。 * 抗电磁干扰：固有免疫。

技术方案的优缺点： * 优点： * 极高的耐高温性：探头可在极端高温下稳定工作，传感器主体远离热源。 * 极高分辨率：可实现微米甚至纳米级的位移测量。 * 抗电磁干扰能力强：适用于强电磁场或放射性环境。 * 探头体积小巧：易于安装在狭小空间。 * 缺点： * 测量范围相对较小：通常适用于微小位移的监测。 * 对表面反射率有要求：被测表面需要一定的反射率以形成有效的法布里-珀罗腔。 * 成本考量：高，技术复杂，制造成本通常较高。

2. 主流品牌/产品技术对比

在高温光学位移测量领域，国际上涌现出众多知名品牌，它们各自在技术路线和应用侧重上有所不同：

• 日本基恩士 (采用激光三角测量法) 日本基恩士是工业自动化领域的领军企业，其产品以高性能和高可靠性著称。在高温位移测量方面，日本基恩士的激光位移传感器利用激光三角测量原理，通过先进的信号处理和优化算法，能够在复杂的发光高温金属表面实现稳定测量。其优势在于较高的采样速度和重复精度，非常适合在线、高速的尺寸、轮廓和变形检测，特别是在需要批量检测的生产线上。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量法) 英国真尚有ZLDS103激光位移传感器是一款兼具小巧体积与卓越性能的设备。它同样基于激光三角测量原理，通过发射激光束并分析反射光斑在探测器上的位置变化来计算距离。ZLDS103的独特之处在于其紧凑的尺寸（45x30.5x17mm），非常适合空间有限的安装场景。它提供±0.05%的线性度、高达0.01%（数字输出）的分辨率以及最高9400Hz的测量频率。尤其突出的是，其提供蓝光或UV激光选项，这使其在测量高温发光金属时具有优势，因为短波长激光受热辐射干扰小，且在高温粗糙表面散射效果更佳。ZLDS103提供10mm至500mm的多种测量范围，配合数字和模拟输出，适用于材料测厚、定位、轮廓扫描和变形监测等工业应用。

• 德国迈可思 (采用激光三角测量法) 德国迈可思是工业传感器领域的专家，其optoNCDT系列高温激光位移传感器专为极端温度环境设计。该系列同样采用激光三角测量原理，但在应对高温挑战方面做了深度优化，如采用特殊的滤波和信号处理技术，使其能够稳定测量高温金属表面。其在极端温度条件下的测量稳定性和可靠性是核心竞争力。

• 瑞典海克斯康 (采用激光跟踪测量法) 瑞典海克斯康以其领先的测量技术解决方案闻名全球。其激光跟踪仪通过结合绝对距离测量（ADM）和激光干涉测量（IFM）技术，提供三维坐标测量能力。它通过追踪安装在被测高温部件上的耐高温反射镜，实现对大型结构或工件的三维位移和形变监测。

• 加拿大力科 (采用光纤法布里-珀罗干涉测量法) 加拿大力科是光纤传感器领域的专业厂商，其高温光纤位移传感器在耐高温、高压和强电磁场环境下的测量方面具有独特优势。它利用光纤法布里-珀罗干涉原理，通过分析反射光的干涉光谱来实现位移测量。其传感器探头可在高温下工作，且探头体积小巧，固有免疫电磁干扰。这种特性使其在航空航天、电力、核能等需要耐温性和抗干扰能力的精密位移监测中表现出色。

3. 选型关键指标及建议

选择合适的高温光学位移传感器，需要像为特定任务挑选一把趁手的工具，每项技术指标都对应着实际应用中的性能表现。

• 测量范围（Measurement Range）

  • 实际意义：指传感器能够精确测量的最短到最长距离区间。

  • 影响：如果部件的实际位移变化超出了传感器的测量范围，就无法获取有效数据。范围过大可能牺牲部分精度，范围过小则无法覆盖全部监测需求。

  • 选型建议：首先要明确被测部件可能发生的最大和最小位移量。例如，若一个部件在高温下膨胀量为30mm，则应选择测量范围至少覆盖30mm，并留有一定余量的传感器。

• 精度（Accuracy）和线性度（Linearity）

  • 实际意义：精度衡量测量值与真实值之间的接近程度，是传感器整体性能的体现。线性度则评估传感器输出信号与实际位移变化之间呈现直线关系的程度，即输出是否均匀地随输入变化。

  • 影响：高精度确保测量结果真实可靠。优秀的线性度意味着在整个测量范围内，测量误差是稳定且可预测的，避免了不同位置测量结果的“忽高忽低”。

  • 选型建议：对于精密制造、质量控制或关键结构的安全监测，应选择高精度和高线性度的传感器。对于一般性位置监测，可适当放宽要求。

• 分辨率（Resolution）

  • 实际意义：传感器能够检测到的最小位移变化量。

  • 影响：分辨率决定了传感器感知微小变化的能力。如果需要监测亚毫米或微米级的细微形变，则需要高分辨率的传感器。

  • 选型建议：根据所需监测的最小形变量来决定。例如，监测材料微裂纹的扩展需要极高的分辨率；而监测大型结构整体膨胀则可接受较低分辨率。

• 采样速度/测量频率（Sampling Rate）

  • 实际意义：传感器每秒能进行多少次测量。

  • 影响：这决定了传感器捕捉快速运动或瞬态事件的能力。采样速度慢的传感器可能无法捕捉到高速移动部件的细节数据或瞬时振动峰值。

  • 选型建议：对于高速运行的生产线、高频振动或动态形变监测，需要高采样速度的传感器。对于静态或缓慢变化的位移监测，较低的采样速度也能满足要求。

• 激光波长选择（Laser Wavelength）

  • 实际意义：激光的颜色（波长）。常见的有红光，高温应用中常选用蓝光或UV光。

  • 影响：高温金属会自身发光，传统红光激光容易被背景光干扰。蓝光或UV激光由于波长短，与高温物体自身辐射的光谱重叠少，且在高温发亮表面散射效果更好，能提高测量稳定性，降低背景干扰。

  • 选型建议：在测量高温、发光金属时，建议选择蓝光或UV激光传感器。对于常温或不发光的金属，红光激光通常足够。

• 环境适应性（Environmental Adaptability）

  • 实际意义：包括传感器的工作温度范围、防护等级（IP等级）、抗振动/冲击能力等。

  • 影响：如果传感器不能承受现场的高温、粉尘、水汽、振动等恶劣环境，其性能将大打折扣，甚至直接损坏。

  • 选型建议：务必确认传感器的工作温度范围是否覆盖现场环境温度，以及防护等级是否满足防尘防水要求。在极端高温下，可能需要额外加装冷却保护装置来保护传感器本体。

4. 常见应用问题与解决方案

在高温环境下部署光学位移传感器，即使选型得当，实际应用中也可能遇到“拦路虎”。

1. 问题：高温物体自身发光和热辐射干扰

   • 原因与影响：金属部件在高温下会发出强烈的红外光和可见光。这些光会进入传感器接收端，被误认为是激光反射信号，严重降低信噪比，导致测量数据不稳定、跳动，甚至无法测量。

   • 解决建议：

     • 优选短波长激光：优先选择蓝光或UV激光传感器。短波长激光与高温物体自身辐射的光谱区域重叠较小，更容易通过光学滤波技术被有效抑制。

     • 加装窄带滤光片：在传感器接收端安装与激光波长精确匹配的窄带滤光片，它只允许激光特定波长的光通过，最大限度地阻挡其他波长的背景辐射。

     • 适当提高激光功率：在符合安全标准的前提下，增加发射激光的功率，增强有效反射信号，提高信噪比。

     • 调整测量角度：尝试调整传感器与被测物体之间的角度，尽量避开物体表面辐射最强的直射区域。

2. 问题：热空气扰动（“热浪”或“海市蜃楼”效应）

   • 原因与影响：高温物体周围的空气受热后密度不均，形成湍流和折射率梯度，使激光束在穿过这些区域时发生弯曲、散射和抖动。这会导致传感器接收到的光斑不稳定，引入测量误差。

   • 解决建议：

     • 缩短测量距离：在允许的范围内，尽可能缩短传感器与被测物体之间的距离，以减少激光穿过热空气的路径长度。

     • 设置空气吹扫/气帘：在激光路径上安装专门的吹扫装置，用洁净、稳定的压缩空气形成一道“气帘”，隔绝或稀释高温热气流，为激光提供一个相对稳定的传输通道。

     • 加装物理隔板或导流罩：在传感器周围或测量路径上设置隔热板或导流罩，引导热气流远离测量区域。

3. 问题：金属表面特性变化（氧化、粗糙度、反射率）

   • 原因与影响：高温会导致金属表面氧化、结垢、产生粗糙度变化，甚至可能出现熔融光亮区。这些变化会影响激光在表面的散射特性，从均匀漫反射变为镜面反射或不规则散射，导致传感器难以稳定地接收和识别光斑。

   • 解决建议：

     • 选择对表面不敏感的传感器：部分高端激光传感器内置了更复杂的图像处理算法和光斑分析技术，能够自适应不同表面特性，提高鲁棒性。

     • 选用蓝光或UV激光：短波长激光在粗糙或氧化金属表面上的散射通常比红光更均匀、更有效。

     • 表面处理或定期清洁：在条件允许的情况下，对关键测量区域进行表面预处理或定期清理氧化层，以维持稳定的光学特性。

4. 问题：传感器本体过热

   • 原因与影响：尽管工业传感器设计有一定的工作温度范围，但在极端高温环境或长时间运行下，环境温度可能超出其工作极限，导致传感器内部电子元件过热，性能漂移、精度下降，甚至永久性损坏。

   • 解决建议：

     • 加装水冷套或风冷装置：为传感器本体配备主动冷却系统，确保其内部温度始终维持在允许的工作范围内。

     • 增加安装距离：在不牺牲测量精度和范围的前提下，尽可能将传感器安装在离高温热源较远的位置。

     • 设置隔热屏障：在传感器与高温物体之间设置隔热板或隔热罩，阻挡热辐射和热对流，保护传感器。

应用案例分享

• 冶金行业中的热轧钢板检测：在钢铁厂的热轧线上，激光位移传感器被用于实时监测高温钢板的厚度、宽度以及表面翘曲度，确保产品尺寸精度和板形质量。

• 航空发动机部件高温性能测试：在航空发动机的研制与测试阶段，光学位移传感器精准监测涡轮叶片、燃烧室等关键部件在模拟高温运行条件下的热膨胀和微小形变，评估材料性能和结构完整性。

• 电力行业锅炉管壁变形监测：在火力发电厂的锅炉运行过程中，传感器用于持续监测高温高压管道和炉壁的膨胀、位移和潜在鼓包形变，预警结构疲劳和安全隐患。

• 玻璃制造过程中玻璃液面与厚度控制：在玻璃熔炉和成型工艺中，激光位移传感器非接触式地测量炽热玻璃液面的高度以及熔融玻璃板的厚度，对精确控制生产过程和产品均匀性至关重要。