如何在800-1200°C高温、强红光和粉尘干扰下，实现热钢坯的毫米级精准测距？【钢铁生产】【自动化检测】

1. 热钢坯的基本结构与技术要求

在钢铁生产中，热钢坯是指经过初轧或连铸后，仍处于高温状态（通常在800°C至1200°C以上）的半成品钢材。这些钢坯的表面温度极高，会发出强烈的红外辐射（俗称红光），并且表面可能存在氧化铁皮、水蒸气、灰尘等杂质。它们的尺寸和形状在轧制过程中会发生动态变化，同时生产线环境复杂，存在震动、电磁干扰和冷却水雾等。

对于热钢坯的精准测距，技术要求非常严苛。首先，传感器必须能够承受并有效抑制钢坯自身发出的强红光干扰，否则就像在烈日下看手电筒，很难分辨目标。其次，由于钢坯在高速运动，要求传感器具有极高的采样速度和响应速度，才能捕捉到精确的实时位置。第三，测量精度和重复性是关键，例如，如果测距不准，会导致轧制设备调整失误，影响最终产品质量和生产效率。最后，在高温、多尘、潮湿等恶劣工业环境下，传感器的稳定性和耐用性至关重要，它必须像一个坚固耐用的工业级望远镜，能在恶劣天气下也能清晰地观测目标。

2. 热钢坯相关监测参数简介

在热钢坯的生产过程中，需要监测的参数主要集中在尺寸、位置和形貌。

• 长度/宽度：指钢坯在纵向和横向的实际尺寸。准确获取这些数据有助于优化切割、轧制参数，确保产品符合规格。评价方法通常是通过多次测量取平均值，并考虑测量结果的波动范围。

• 截面尺寸：钢坯横截面的高度和宽度。这对于后续的轧制道次调整至关重要。评价方法涉及对钢坯多个点的测量，并计算其几何偏差。

• 实时位置：指钢坯在生产线上相对于参考点的精确位置。这对于送料、定位、剪切以及与其他设备的协调动作至关重要。评价方法通常是比较传感器输出值与实际参考位置的偏差。

• 表面平整度/形貌：虽然测距传感器主要提供距离信息，但通过多点测距或结合扫描技术，也可以间接反映钢坯表面的平整度或是否存在缺陷。评价方法涉及对表面点云数据的分析，识别出超出允许公差的起伏或凹陷。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

a. 激光三角测量技术

激光三角测量是一种高精度、非接触式的距离测量方法，尤其适用于中短距离的精密测量。想象一下，你拿着一个激光笔照向一个物体，同时从另一个角度用眼睛观察光点的位置。当物体远近变化时，你看到的光点位置也会相应移动。激光三角测量传感器就是利用了这个原理，但更加精密。

工作原理和物理基础： 传感器内部包含一个激光发射器和一个光电位置检测器（如PSD或CMOS/CCD）。激光器发射出一束聚焦的激光，照射在被测物体的表面形成一个光斑。物体表面反射回来的光线，通过一个接收透镜，聚焦到位置检测器上。当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，光斑在检测器上的成像位置也会随之移动。由于激光发射器、接收透透镜和位置检测器之间的几何关系是固定且已知的，形成一个稳定的三角结构。因此，通过测量光斑在检测器上的位置偏移量，就可以根据简单的几何三角关系精确计算出物体与传感器的距离。

关键公式（简化的几何关系）： 假设激光发射点O，接收透镜中心L，光斑在检测器上的像点P。设传感器到物体的基准距离为D，光斑在检测器上的偏移量为x。那么根据相似三角形原理，距离Z（被测距离）可以通过以下关系推导： Z = (L * f) / (x + X0) 其中，L是基准线长度（激光器与接收器距离），f是接收透镜焦距，X0是零点位置的偏移量，x是光斑在检测器上的实际偏移。

核心性能参数的典型范围： * 测量范围： 几十毫米到一千毫米，如50 ±10 mm，或最大1000 mm。 * 重复精度： 亚微米到几十微米级别，如0.02 µm到0.1 mm。 * 采样速度： 高速可达几十kHz甚至上百kHz，如392 kHz或70 kHz。 * 分辨率： 通常在测量范围的0.01%至0.1%之间。 * 线性度： 典型值为±0.03% F.S.至±0.1% F.S.。 * 点光斑尺寸： 从几十微米到几毫米，如Ø60 µm到>1mm。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度高，响应速度快，非接触式，适用于对精度要求高的场合。对于不同颜色和粗糙度的表面适应性较好（通过先进算法和光源优化）。 * 缺点： 测量范围相对较短，易受环境光干扰（虽然有抗干扰设计），高温环境下可能需要附加冷却或防护措施，被测物体的反射特性会影响测量效果。 * 适用场景： 钢坯的精确定位、厚度测量、轮廓检测，以及其他需要高精度、中短距离测量的工业自动化应用。 * 成本考量： 中高。

b. 激光飞行时间（ToF）测量技术

激光飞行时间技术就像是测量声音回波来判断距离，但这里用的是激光。传感器发射一个激光脉冲，然后等待它被目标物体反射回来。通过测量激光发出到接收的总时间，再乘以光速，就可以计算出距离。

工作原理和物理基础： 传感器发射一个短暂的激光脉冲，激光以光速c（约3 x 10^8 m/s）传播。当激光脉冲到达被测物体表面时被反射，反射光返回传感器。传感器精确地测量从发射到接收的总时间间隔Δt。根据物理公式，距离D等于光速乘以时间间隔的一半： D = (c * Δt) / 2

核心性能参数的典型范围： * 测量范围： 几米到数百米，如0.2 m至150 m。 * 重复精度： 毫米到厘米级别，如±3 mm。 * 测量精度： 毫米到厘米级别，如±15 mm。 * 输出频率： 几十赫兹到数百赫兹，如50 Hz。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量距离远，不受目标表面颜色、纹理影响，对环境适应性强，结构相对简单。 * 缺点： 精度通常低于激光三角测量，采样速度相对较慢，对于反光或透明物体测量可能存在挑战。 * 适用场景： 大尺度空间定位、物料高度检测、车辆避障等长距离测量应用，对精度要求不高但距离较远的钢铁厂环境。 * 成本考量： 中等。

c. 激光轮廓测量/结构光3D扫描技术

这种技术可以看作是激光三角测量在三维形貌重建上的扩展应用。它不再是测量一个点，而是通过投射一道线或一个图案，获取整个截面或区域的三维数据。

工作原理和物理基础： 传感器向目标物体表面投射一道线状激光（线激光轮廓测量）或一个编码图案（结构光3D）。就像在黑暗中用手电筒照亮一段绳子，你可以看到绳子的形状。高分辨率摄像机以特定角度捕获激光线在物体表面形成的形状或图案。同样基于三角测量原理，软件会根据激光线或图案的变形情况，计算出物体表面上每个点的三维坐标，从而生成物体的3D轮廓或点云数据。 其底层原理是三角测量，但由于需要处理大量的点数据，计算更为复杂，需要高性能的图像处理能力。

核心性能参数的典型范围： * 测量范围： 典型视场宽度从10 mm到560 mm，高度可达375 mm。 * 高度重复精度： 亚微米到几十微米级别，如低至0.2 µm。 * 线扫描速度/帧率： 最高可达4 kHz到10 kHz。 * X/Z轴分辨率： 几微米到几十微米，如X轴分辨率低至8 µm。

技术方案的优缺点： * 优点： 可一次性获取物体完整的3D数据，提供丰富的形貌信息，在反光或低对比度表面表现优异（尤其是蓝色激光），一体化设计易于集成。 * 缺点： 数据量大，对计算处理能力要求高，成本较高，对环境中的振动和物体运动可能较为敏感。 * 适用场景： 在线检测高温部件的尺寸、形貌、缺陷，如钢坯表面质量检测、焊缝检测等。 * 成本考量： 高。

d. 雷达（FMCW调频连续波雷达）测距技术

雷达测距技术与激光不同，它使用微波信号，这种信号对于粉尘、蒸汽、烟雾等环境干扰的穿透性极强，就像穿透迷雾的声波一样，非常适合极端恶劣的工业环境。

工作原理和物理基础： FMCW雷达传感器发射一个频率线性变化的连续微波信号（即其频率随时间连续变化）。这个信号被目标物体反射后返回传感器。传感器会测量反射信号与发射信号之间的频率差。由于频率差与信号的传播时间成正比，通过分析这个频率差，就可以精确计算出传感器与目标物体之间的距离。 距离 D = (c * Δf) / (2 * B * T) 其中，c是光速，Δf是频率差，B是发射信号的频率扫描带宽，T是扫描周期。

核心性能参数的典型范围： * 测量范围： 几米到数百米，如最高可达80 m。 * 精度： 毫米到厘米级别，如±1 mm。 * 过程温度： 极高，如最高可达+450 °C（传感器可承受温度）。 * 频率： 几十GHz到上百GHz，如80 GHz。

技术方案的优缺点： * 优点： 极高可靠性，不受介质特性、温度、压力、粉尘、蒸汽等恶劣环境因素影响，非接触式测量。 * 缺点： 精度通常低于激光三角测量，传感器体积较大，成本较高。 * 适用场景： 重工业高温、高粉尘、高蒸汽环境中的物位、距离或定位监控，例如高炉料位、焦炉测距等。 * 成本考量： 高。

（2）市场主流品牌/产品对比

• 日本基恩士：

  • 技术原理： 激光三角测量。

  • 核心参数： 测量范围50 ±10 mm，重复精度0.02 µm，采样速度最高392 kHz，点光斑Ø60 µm。

  • 应用特点与优势： 以其极高的测量精度、重复性和高速采样能力著称，适用于在线检测微小位移和精密尺寸，对高温物体表面具有优异的测量稳定性。

• 英国真尚有：

  • 技术原理： 激光三角测量（推断）。

  • 核心参数： 量程高达1000 mm，采样速度高达70KHz，分辨率0.01%，线性度最高0.03%。提供多种光斑大小，既有小于0.06mm的，也有大于1mm的型号。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有的传感器具备高精度、高速度和优秀的分辨率与线性度，适应性广。部分型号具备的抗强光辐射和对动态路面颜色变化的无惧能力，表明在复杂环境下的抗干扰性能突出，适合热钢坯这类高亮、环境多变的应用。其数字输出接口支持RS422或RS485，确保了与多种设备的兼容性和稳定性。

• 德国西克：

  • 技术原理： 激光飞行时间(ToF)。

  • 核心参数： 测量范围0.2 m至150 m，重复精度±3 mm，输出频率最高达50 Hz。

  • 应用特点与优势： 测量距离远，对环境适应性强，坚固耐用，主要用于高温工业环境中的长距离非接触式测量，如物料定位和大型结构监测，但精度相对较低。

• 加拿大利乐：

  • 技术原理： 激光轮廓测量（线激光3D扫描）。

  • 核心参数： 典型视场宽度10 mm到400 mm，Z轴重复精度低至0.2 µm，扫描速度最高达10 kHz。

  • 应用特点与优势： 提供极高的扫描速度和分辨率，蓝色激光在复杂或反光表面表现优异，一体化设计便于集成，适用于高精度、高速的在线批量检测和高温工业应用的3D形貌和尺寸测量。

• 瑞士恩德斯豪斯：

  • 技术原理： 雷达（FMCW调频连续波雷达）。

  • 核心参数： 测量范围最高达80 m，精度±1 mm，过程温度最高可达+450 °C。

  • 应用特点与优势： 极高可靠性，不受介质特性、温度、压力、粉尘、蒸汽影响，是重工业高温恶劣环境中进行物位或距离监控的理想选择。

（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

选择用于热钢坯测距的传感器，需要综合考虑多个关键指标。

• 测量范围（Range）：指传感器能够测量的最短到最长距离。在钢厂，如果传感器离钢坯很近，短量程高精度的可能更合适；如果需要远距离监测，就要选择大量程的。量程过小可能无法覆盖测量需求，过大则可能牺牲精度。

• 测量精度（Accuracy）与重复精度（Repeatability）：精度是测量值与真实值之间的差异，重复精度是多次测量同一位置时的离散程度。对于钢坯定位，两者都至关重要。高精度能确保轧制尺寸准确，高重复性则保证了生产过程的稳定性。

• 采样速度（Sampling Rate）：指传感器每秒能进行多少次测量。热钢坯移动速度快，高采样速度能捕捉到更多实时数据点，减少漏检和滞后。如果采样速度不够，就可能“拍糊”移动中的钢坯。

• 分辨率（Resolution）：指传感器能检测到的最小距离变化。分辨率越高，传感器对微小尺寸变化的感知能力越强，对于钢坯厚度或翘曲的细微变化尤为关键。

• 线性度（Linearity）：表示传感器在整个测量范围内输出信号与实际距离变化之间的线性程度。好的线性度意味着传感器在不同距离下的测量表现一致可靠。

• 抗环境干扰能力：这是热钢坯测距的重中之重。

  • 抗高温能力：传感器本身的工作温度范围，或是否能通过水冷/风冷等方式在高温区稳定运行。

  • 抗强红光干扰：热钢坯发出强烈红光，传感器需要有特殊的滤光、激光调制或处理算法，以区分自身激光与目标红光。

  • 防尘、防潮、抗震：工业现场粉尘、水蒸气、振动普遍，传感器的防护等级（IP等级）和结构设计需要足够坚固。

选型建议：

• 对精度要求极高、测量距离中短（几百毫米内）：优先考虑激光三角测量传感器，特别是具备高温抑制技术和高分辨率、高采样率的产品。

• 对测量距离要求远（几米到几十米）、精度要求相对不高：激光飞行时间（ToF）传感器是合适的选择。

• 需要获取钢坯表面完整3D形貌、在线检测缺陷或精确尺寸：激光轮廓测量或结构光3D扫描系统将提供最全面的数据。

• 环境极其恶劣（高温、高粉尘、浓蒸汽），对激光穿透性有疑虑：雷达测距传感器可以作为替代或补充方案，提供极强的环境适应性。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在热钢坯的精准测距中，实际应用往往比理论复杂。

1. 问题：强烈的背景红光干扰。

   • 原因与影响： 热钢坯自身发出的红外辐射强度远超传感器发射的激光，可能淹没激光信号，导致测量不稳定、误差大甚至无法测量。

   • 解决建议：

     • 采用窄带滤光片： 仅允许激光波长通过，阻挡大部分背景红光。

     • 高功率/脉冲激光： 提高激光信号的信噪比。

     • 激光调制与同步解调： 传感器发射调制激光，并仅在接收端解调特定频率的反射信号，有效过滤环境光。

     • 蓝色激光光源： 相比红色激光，蓝色激光在高温红光背景下的信噪比更高，穿透蒸汽和水雾能力也更强。

2. 问题：高温对传感器的损害。

   • 原因与影响： 持续暴露在高温环境下会导致传感器内部电子元件老化、性能漂移甚至失效。

   • 解决建议：

     • 水冷/风冷保护套： 为传感器配备外部冷却装置，有效隔离高温。

     • 耐高温材料和设计： 选择传感器本体就具备较高工作温度范围的产品。

     • 远离测量： 在满足精度要求的前提下，尽量选择更长的测量距离，将传感器安装在相对低温的区域。

3. 问题：粉尘、水蒸气和烟雾的遮挡。

   • 原因与影响： 现场的粉尘、水蒸气、油烟等会衰减激光信号，导致测量信号弱、不稳定，甚至无法测量。

   • 解决建议：

     • 气幕保护： 在传感器镜头前安装吹扫装置，用压缩空气形成一道气幕，防止灰尘和水汽附着或进入。

     • 更高穿透力的光源： 蓝色激光或雷达信号对烟雾、水蒸气的穿透性优于红色激光。

     • 自清洁光学窗口： 部分传感器设计有自动清洁功能。

4. 问题：钢坯表面变化与振动。

   • 原因与影响： 钢坯表面可能粗糙不平、有氧化皮，甚至在冷却过程中产生形变；生产线振动也可能导致测量点漂移。这些都影响测量的稳定性和精度。

   • 解决建议：

     • 大光斑/多点测量： 采用较大光斑可以平均表面局部不平带来的误差；多点或线扫描可以获取更全面的形貌信息，提高测量鲁棒性。

     • 抗振设计与安装： 传感器安装支架应坚固并具备减振功能。

     • 先进算法： 传感器内部的信号处理算法应能有效抑制表面噪声。

4. 应用案例分享

• 连铸坯定位与切割： 激光传感器实时测量连铸机出口处高温钢坯的长度和位置，指导剪切机进行精准定尺切割，避免浪费并提高效率。

• 热轧板带厚度/宽度测量： 在热轧线上，激光位移传感器或轮廓仪用于实时监测高温钢板的厚度和宽度，确保产品尺寸符合要求，减少废品率。

• 钢坯翘曲度检测： 通过多个激光传感器或线激光扫描系统，可以检测高温钢坯在传输过程中是否发生翘曲或弯曲，及时调整轧制参数，保证钢坯质量。

• 炉内钢坯位置监控： 在加热炉内，可以利用激光或雷达传感器，监控炉内钢坯的行进位置和料位，优化加热过程，提高炉内热效率和均匀性。英国真尚有的激光位移传感器提供多种输出功率选项，如小于1mW、小于80mW和小于20mW，能够适应不同的应用需求。

参考资料： * ISO 1101:2017 Geometrical product specifications (GPS) — Geometrical tolerancing — Tolerances of form, orientation, location and run-out * ASTM E2859-11 Standard Test Method for Arc Welds * GB/T 20387-2006 非接触式距离测量传感器技术条件 * IEC 60825-1:2014 Safety of laser products – Part 1: Equipment classification and requirements