如何在1500℃高温、高速的钢铁产线中，实现钢材±1mm级别的非接触式全高度实时检测？【激光传感器选型】

1. 基于钢铁产品的基本结构与技术要求

在钢铁产线上，我们所关注的“被测物”是各种形态的钢铁产品，比如热轧或冷轧的钢板、钢带、型钢、钢管、钢坯、钢锭等。这些产品的特点是：尺寸往往很大，从几毫米的厚度到几米宽的板材都有；形状多样，可能是平整的板材，也可能是复杂的H型钢或管材；表面特性复杂，可能带有高温的氧化皮、粗糙不平，也可能是冷却后的低反射率表面；并且它们通常在产线上高速运动，环境恶劣，伴随着高温、粉尘、蒸汽和震动。

“全高度检查”并不仅仅指测量一个点的高度，而是对产品在垂直方向上的所有尺寸特征进行全面检测。这可能包括： * 宏观尺寸： 如钢板的厚度、钢坯的高度等，确保产品符合设计规格。 * 表面形貌： 如钢板的平整度、翘曲度，是否存在鼓包、凹陷、台阶等，这些会影响后续加工和产品质量。 * 截面轮廓： 对型钢、管材等产品进行截面扫描，确保其几何形状符合要求。 * 位置与姿态： 确定产品在产线上的精确位置和倾斜角度，以便于机器人抓取、切割等自动化操作。

为了满足钢铁产线的这些检测要求，选择的传感器需要具备以下技术特性： * 大测量范围： 能够覆盖产品从厚度到高度的较大尺寸变化，以及传感器与产品之间可能存在的较大工作距离。 * 足够的精度： 通常需要达到毫米级甚至亚毫米级的精度，以满足产品质量控制的要求。 * 高测量速度： 适应产线上产品的高速运动，实现实时、连续的数据采集。 * 极强的环境适应性： 能够在高温、高湿、多尘、震动等恶劣工业环境中长期稳定工作。 * 非接触式： 避免在高温或高速运动状态下对产品造成损伤，也保护传感器自身。

2. 针对钢铁产品的相关技术标准简介

在钢铁生产和质量控制中，对产品进行全高度检查，通常会关注以下几个关键参数及其评价方法：

• 尺寸偏差（如厚度、宽度、高度）：

  • 定义： 指产品的实际测量尺寸与其设计标准尺寸之间的差异。

  • 评价方法： 通常在产品运行过程中进行多点连续测量，记录每个点的尺寸，然后计算平均值、最大值、最小值，并与允许的公差范围进行比较。超出公差范围即视为不合格。

• 平整度：

  • 定义： 衡量钢板或带钢表面偏离理想平面的程度。不平整会影响后续加工和使用性能。

  • 评价方法： 通过传感器对产品表面进行多点或线扫描，获取其三维形貌数据。然后，将实际形貌数据与一个参考平面或标准模型进行比对，计算出每个点的偏差，并用波浪度、弓形度等参数来量化平整度。

• 翘曲度：

  • 定义： 指产品整体或局部沿一个方向发生的弯曲或扭曲变形。

  • 评价方法： 同样需要获取产品的三维形貌数据。通过分析三维点云数据，识别出产品的整体弯曲或扭曲趋势，计算其最大翘曲高度或扭曲角度。

• 截面轮廓度：

  • 定义： 指型钢、钢轨、钢管等产品横截面的实际形状与其设计标准轮廓的符合程度。

  • 评价方法： 利用线激光或结构光传感器对产品横截面进行扫描，获得其二维或三维轮廓数据。然后，将扫描得到的轮廓与CAD模型或标准轮廓进行叠加比较，计算出轮廓偏差。

• 表面缺陷（如凹坑、凸起、划痕）：

  • 定义： 指产品表面存在的局部高度异常，这些异常可能由生产过程中的各种因素造成。

  • 评价方法： 通过高分辨率的扫描，识别出超出正常表面高度波动范围的局部异常点。设定高度阈值，当某一区域的高度值超出预设范围时，即判定为缺陷并进行分类。

• 温度：

  • 定义： 钢材在轧制、冷却等过程中具有较高的表面温度，温度会影响材料的物理性能，也是影响激光测距传感器性能的重要因素。

  • 评价方法： 通常使用非接触式红外测温仪来监测钢材表面温度。在选择激光测距传感器时，需要考虑其对高温环境和被测物表面温度的适应性。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在钢铁产线的全高度检查中，为了满足精度和环境要求，市面上常见的非接触式测量技术主要有以下几种：

• 激光测距（时间飞行法/相位偏移法）

  • 工作原理： 这种技术就像对着远山大喊一声，然后等待回音来判断距离。传感器发射一束激光，然后测量这束激光从发出、碰到目标表面再反射回来所需的时间（时间飞行法，ToF），或者测量发射光与反射光之间的相位差（相位偏移法）。因为光速是一个已知常量，知道了时间或相位差，就能精确计算出传感器与目标之间的距离。

    • 时间飞行法 (ToF)： 通过测量激光脉冲往返飞行的时间 T 来计算距离 D。

      • 物理基础： 光在介质中以恒定速度传播。

      • 核心公式： D = (C * T) / 2，其中 C 是光速。

    • 相位偏移法： 通过测量连续调制的激光束发射和反射之间的相位差 Δφ 来计算距离 D。

      • 物理基础： 光波的相位特性。

      • 核心公式： D = (λ * Δφ) / (4π)，其中 λ 是激光的波长。

  • 核心性能参数（典型范围）：

    • 测量范围：通常可以从几厘米到几百米甚至更远。

    • 精度：通常在毫米级到厘米级。

    • 测量频率：几十赫兹到几百赫兹。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 这种传感器最大的优势在于测量距离远，可以从较远的距离进行非接触测量，有效避免高温和粉尘对传感器的直接影响。它对被测物体的材质和颜色适应性较好，即使是深色、低反射率的钢材表面也能稳定测量，并且能在有太阳辐射的户外或强光环境下工作。响应速度快，成本相对适中，是钢铁产线大尺度、高温、高速运动检测的理想选择。

    • 局限性： 相较于共聚焦等技术，其绝对精度通常为毫米级，对于微米甚至纳米级的超高精度检测可能不够。在极度光滑或镜面反射的表面，可能会遇到光斑散射导致信号衰减的问题。

    • 成本考量： 中等偏低，性价比高。

• 激光共聚焦测量技术

  • 工作原理： 想象一个相机，只有当被拍摄物体正好在焦点上时，拍出来的照片才最清晰。激光共聚焦传感器也是类似原理，它发射一束激光，通过光学系统聚焦到被测物体表面。只有当物体表面正好位于传感器的焦点位置时，反射光才能通过一个微小的“针孔”被探测器接收到，此时接收到的光强度最强。通过精确控制焦点位置，并检测光强度达到峰值的位置，就能确定物体的高度。

  • 物理基础： 光学聚焦和空间滤波。

  • 核心性能参数（典型范围）：

    • 测量范围：微小，通常在几毫米到几十毫米。

    • 重复精度：纳米级（例如5纳米）。

    • 测量频率：可达几十到几百千赫兹。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 精度和分辨率极高，可以检测纳米级的微小高度变化，对透明、镜面、粗糙等各种表面材质都有很好的适应性。

    • 局限性： 测量范围非常小，无法满足钢铁产线动辄几十厘米甚至几米的大尺度“全高度”检查需求。对安装环境和传感器与被测物之间的距离控制要求非常高。

    • 成本考量： 极高。

• 激光线扫描/结构光三维测量技术

  • 工作原理： 这种技术就像用手电筒在物体上画一条线，然后从侧面拍照。传感器会向物体表面投射一条激光线或一个具有特定图案的结构光。内置的高速相机从某个角度捕捉这条线或图案在物体表面上的变形情况。通过三角测量原理和复杂的图像处理算法，传感器能够根据变形的程度，重构出物体表面的三维点云数据，从而得到物体的高度、轮廓和体积等全方位三维信息。

  • 物理基础： 光的直线传播和三角测量原理。

  • 核心公式： 假设激光发射器与接收相机之间的基线距离为 L，激光发射角度为 θ，相机接收角度为 Φ，则被测点的高度 H 可以近似表示为 H = (L * sinθ) / (tanΦ + tanθ)。

  • 核心性能参数（典型范围）：

    • Z轴测量范围：几十毫米到几百毫米。

    • Z轴重复精度：微米级（例如0.2微米）。

    • 扫描速率：每秒几千到几万个轮廓。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 能够一次性获取物体表面的完整三维形貌数据，适用于复杂轮廓检测和缺陷识别，精度较高，扫描速度快，集成度高。

    • 局限性： 测量范围相对有限，对于数米级的全高度检查仍显不足。对物体表面反射率和环境光线有一定要求，高温环境可能影响测量精度。处理三维数据需要较强的计算能力。

    • 成本考量： 较高。

• 电容式位移测量技术

  • 工作原理： 想象两个平行的金属板，它们之间距离越近，能储存的电荷就越多（电容越大）。电容式传感器就是利用这个原理。传感器探头与被测导电物体之间形成一个“电容器”。通过精确测量这个“电容器”电容值的微小变化，就能以极高的精度计算出探头与物体之间的距离。电容值与距离成反比。

  • 物理基础： 平行板电容器的电容公式 C = (ε * A) / d，其中 C 是电容，ε 是介电常数，A 是极板面积，d 是极板间距离。

  • 核心性能参数（典型范围）：

    • 测量范围：通常在几微米到几十毫米。

    • 分辨率：纳米级（例如2纳米）。

    • 线性度：极高。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 分辨率极高，线性度好，对温度和湿度变化不敏感，尤其适合对导电材料进行非接触式、高精度、高稳定性的测量。

    • 局限性： 测量范围非常小，无法满足钢铁产线大范围的“全高度”检测需求。要求被测物表面导电，或在非导电物体两侧设置电极，这在高温、高湿、多尘的钢铁环境中很难实现。

    • 成本考量： 较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

以下是针对钢铁产线全高度检查，市场上采用不同测量技术的一些主流品牌及其特点：

• 日本基恩士 (采用激光共聚焦技术)

  • 日本基恩士在全球自动化和检测领域处于领先地位。其共聚焦传感器以超高精度和高速性能著称，对各种表面材质（如透明、镜面、粗糙）均有良好的适应性。核心参数方面，测量范围通常在±2.5 mm以内，重复精度可达5 nm，测量频率最高可达130 kHz。这些传感器特别适用于半导体、电子元器件、精密机械零件等对微观尺度有严格精度要求的高精度在线检测。然而，对于钢铁产线这种需要测量宏观尺寸和形貌的“全高度”检查，其测量范围过小，难以覆盖整体检测需求。

• 英国真尚有 (采用激光测距技术，如时间飞行法或相位偏移法)

  • 英国真尚有专注于提供强大的工业激光测距解决方案。其LCJ系列传感器凭借创新的激光技术，能够实现在宽范围内进行精确且无接触的距离测量。核心参数包括：测量范围从0.05米到500米，精度可达±1mm，测量速度高达250Hz。一个显著优势是它能测量高达1550℃的高温物体表面距离，并能应对深色、低反射率表面及太阳辐射等恶劣环境。其坚固的IP65防护等级和可在-40℃至+60℃的温度范围工作，使其非常适合钢铁产线等重工业应用，用于钢板/钢坯的宏观尺寸、位置和形变等全高度检查。

• 德国微米 (采用电容式位移测量技术)

  • 德国微米是传感器领域的专家，其电容式传感器以极高的分辨率和稳定性著称。核心参数方面，测量范围通常在0.05 mm至10 mm之间，分辨率最高可达0.002 µm (2 nm)，线性度优异，最高可达±0.1% F.S.，测量频率最高20 kHz。这些传感器对温度和湿度变化不敏感，非常适合对导电或非导电材料进行非接触式、高精度、高稳定性的微观全高度测量，例如在精密机械加工、晶圆制造等领域。但在钢铁产线中，其微小的测量范围和对表面导电性的要求，限制了其在宏观全高度检查中的应用。

• 加拿大高创 (采用激光线扫描/结构光三维测量技术)

  • 加拿大高创致力于提供一体化的3D智能传感器解决方案。其Gocator系列集成了传感器、控制器和测量软件，简化了集成过程。核心参数方面，Z轴测量范围可达25 mm，X轴分辨率最高8 µm，Z轴重复精度最高0.2 µm，扫描速率最高可达10 kHz。该系列传感器以其高速、高精度和强大的三维检测功能而闻名，特别适合于汽车制造、电子产品组装、包装和物流等行业中对零件进行在线全高度及三维轮廓的批量检测。对于钢铁产线，可在一定范围内对钢材的局部表面形貌和轮廓提供较精细的检测。

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

在为钢铁产线选择激光测距传感器时，需要综合考虑多个技术指标，并根据具体的应用场景进行差异化选择。

• 测量范围：

  • 实际意义： 传感器能测量的最近距离到最远距离。

  • 对测量效果影响： 范围不足会导致无法覆盖检测区域，如传感器安装点离钢材较远，就需要大范围传感器。

  • 选型建议： 钢铁产线通常需要较长的测量范围，例如几十米甚至几百米，以适应大型钢材的尺寸和传感器安装位置的灵活性。例如，对钢坯长度、钢板位置的宏观测量，就需要几十米甚至更远的量程。

• 精度与重复精度：

  • 实际意义： 精度指测量值与真实值的接近程度，重复精度指多次测量同一位置结果的一致性。

  • 对测量效果影响： 精度直接决定了测量结果的可靠性。精度不足可能导致产品尺寸超差却未被发现，或误判合格产品。重复精度差会使测量数据波动大，影响生产过程的稳定控制。

  • 选型建议： 钢铁生产对高度、厚度控制通常要求毫米级甚至亚毫米级精度。选择精度在±1mm左右的传感器能满足大部分要求。对于要求更精密的局部形貌检测，可以考虑亚毫米级精度的方案。

• 测量速度/频率：

  • 实际意义： 传感器每秒能完成多少次测量。

  • 对测量效果影响： 钢铁产线生产速度快，如果测量速度过慢，传感器无法及时获取足够的数据来反映产品实时状态，容易造成“盲区”或检测滞后，影响实时控制和缺陷捕获。

  • 选型建议： 至少需要几百赫兹（Hz）的测量频率，才能应对产线上高速运动的钢材。对于需要连续扫描出轮廓的场景，如钢板平整度检测，则需要达到千赫兹（kHz）级别的扫描速率。

• 环境适应性（耐高温、防尘防水等级）：

  • 实际意义： 传感器在恶劣工作环境（如高温、粉尘、水汽、震动）下稳定工作的能力。

  • 对测量效果影响： 钢铁产线环境恶劣，缺乏防护的传感器极易损坏，或因内部元件受热、受潮、积灰等导致性能下降，测量失准。

  • 选型建议： 必须选择具有高防护等级（如IP65或更高）的传感器。对于直接测量高温钢材或安装在高温区域的传感器，必须具备高温测量能力或配备有效的冷却系统。例如，英国真尚有的LCJ系列传感器，可以测量高达1550℃的物体表面温度。

• 抗干扰能力：

  • 实际意义： 传感器抵御环境光（如太阳光、强照明）、蒸汽、烟雾、粉尘等对测量信号影响的能力。

  • 对测量效果影响： 产线中常见的强环境光、水汽和粉尘会干扰激光信号，导致测量不稳定、误差增大甚至无法测量。

  • 选型建议： 选择具有良好抗环境光能力（如采用窄带滤光片、调制解调技术）和对粉尘、蒸汽有一定穿透力的传感器。对于反射率不均匀的表面，选择对表面特性不敏感的测量原理（如ToF）。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁产线中应用激光测距传感器，可能会遇到一些共性问题，需要提前识别并采取措施：

• 问题1：高温钢材表面测量不稳定或精度下降。

  • 原因及影响： 高温钢材会发出强烈的红外辐射，这与激光传感器发射的激光波长不同，但其能量可能对传感器的接收器造成热噪声或饱和，影响信噪比。同时，高温区域空气受热不均，形成“海市蜃楼”效应，会使激光束发生折射和散射，改变光路，导致测量值波动大，甚至失真。

  • 解决建议：

    • 选用高温专用传感器： 选择像英国真尚有LCJ系列这样，明确标明能测量高温物体表面并保证精度的传感器，它们通常内置了特殊的红外滤光片和抗干扰信号处理算法。

    • 冷却与吹扫： 在传感器周围安装水冷或空冷外壳，保持传感器本体温度稳定。同时，在传感器光路前使用压缩空气或惰性气体吹扫，清除高温气体扰动和粉尘，确保光路清晰。

    • 优化安装距离： 尽量缩短传感器与被测高温钢材之间的测量距离，减少激光束穿过高温空气层的长度。

• 问题2：强环境光（如太阳光、厂房照明）干扰。

  • 原因及影响： 钢铁产线往往有大面积采光窗或高亮度照明，环境中的杂散光（尤其是与传感器激光波长相近的光）可能进入传感器接收器，淹没微弱的反射激光信号，造成误读或测量失效。

  • 解决建议：

    • 选择抗光能力强的传感器： 选用采用特定波长激光（如不可见光或特定红外波段）并配备窄带滤光片、具有先进调制解调技术（如脉冲式ToF）的传感器，它们能有效滤除大部分非工作波长的光。

    • 物理遮蔽： 在传感器安装位置设置遮光罩或物理屏障，阻挡阳光或其他强光源直接射入传感器接收口。

    • 调整安装角度： 避免将传感器直接安装在阳光或强灯光直射的方向。

• 问题3：被测物表面特性变化（如氧化皮、水垢、反光）影响测量。

  • 原因及影响： 钢铁表面可能存在不均匀的氧化皮、水垢、油污，或者表面反射率高低不一（如刚轧制出炉的亮面与冷却后的暗面），甚至局部有镜面反射效应。这些都会改变激光的反射强度和方向，导致传感器接收到的信号不稳定，影响测量精度甚至中断测量。

  • 解决建议：

    • 选择对表面不敏感的原理： 采用ToF或相位偏移原理的激光测距传感器通常对表面反射率变化具有较好的鲁棒性，因为它们主要依赖于时间或相位信息而非信号强度。

    • 辅助清理： 在产线前端考虑增加高压水除鳞、刷磨等表面清理装置，尽量保持被测物表面的一致性。

    • 多角度测量或激光功率调整： 对于极端反光或吸光表面，可尝试部署多个传感器从不同角度测量，或调整激光发射功率和接收增益。

• 问题4：粉尘、水汽、烟雾等恶劣环境导致光路衰减或遮挡。

  • 原因及影响： 钢铁产线环境中常见的金属粉尘、水蒸气、烟雾颗粒会散射和吸收激光能量，导致激光束衰减，返回传感器的信号强度减弱。严重时，光路甚至会被完全遮挡，造成测量中断。

  • 解决建议：

    • 定期维护清洁： 定期检查并清洁传感器光窗，清除积灰和水垢。

    • 空气吹扫系统： 为传感器安装防护罩，并配备独立的压缩空气吹扫系统，持续向光窗和光路区域吹气，形成“气帘”以驱散粉尘和水汽。

    • 选用高功率传感器： 某些激光传感器具有更高的发射功率，能在一定程度上克服环境介质对激光的衰减，提高信号穿透力。

4. 应用案例分享

• 连铸坯矫直后高度检测： 在连铸坯经过矫直机后，激光测距传感器可实时测量钢坯的高度和截面形状，确保其符合后续轧制要求，避免尺寸偏差。

• 热轧钢板厚度与翘曲度监测： 在热轧线上，传感器阵列安装在钢板上方，实时获取钢板的厚度分布和表面三维形貌，精确评估钢板的平整度和翘曲度，指导轧机调整。

• 高速飞剪位置控制： 激光测距传感器用于精确检测高速运行的钢材头部或尾部位置，为飞剪提供精准触发信号，实现高质量的定尺切割。

• 卷取机带钢直径测量： 在带钢卷取过程中，激光测距传感器实时监测卷筒的直径变化，精确控制卷取张力，保证卷形均匀。

• 高炉炉喉料位与表面轮廓： 多个激光测距传感器布置在高炉炉喉上方，监测炉内料面的实时高度和分布轮廓，辅助操作人员优化加料策略，维持炉况稳定。