重工业龙门吊在强光粉尘环境下，如何选择兼具百米级防撞距离与毫米级精度的工业传感器？【防撞预警】

龙门吊在重工业生产中扮演着重要的角色，它们像巨大的机械臂，在工厂、港口、货场等地方搬运重物。由于龙门吊的体型庞大，移动速度快，而且往往需要在复杂的环境中作业，比如有强烈的阳光、大量的粉尘，甚至其他设备和人员同时存在，这就要求它们的运行必须高度安全，避免任何形式的碰撞事故。

龙门吊的基本结构与技术要求

龙门吊，顾名思义，因为其主梁下方有支腿，支撑在地面轨道上，形成一个“门”字形结构。它主要由金属结构（主梁、支腿等）、起升机构、运行机构和电气控制系统组成。龙门吊通常沿着固定轨道直线运行，或在一定范围内进行多方向移动。

在防撞预警方面，龙门吊需要一套稳定可靠的“眼睛”和“大脑”来感知周围环境。对这个“眼睛”来说，它有几个关键的技术要求：

• 广阔的“视野”：能够探测到足够的防撞距离，比如几十米甚至数百米，以便在发生潜在碰撞前有足够的时间做出反应。

• 精准的“判断”：能准确知道障碍物离自己有多远，误差越小越好，哪怕是毫米级的误差，也能提高预警的可靠性。

• 快速的“反应”：龙门吊移动速度较快，传感器必须能快速地刷新测量数据，及时提供最新的距离信息。如果传感器反应慢，可能等它测出障碍物时，龙门吊已经离得很近了。

• “身强体壮”：传感器本身要耐用，能够经受住工业现场的严酷考验，比如高低温、震动、雨水、以及我们这次重点关注的强光和粉尘。

• “聪明”的输出：传感器需要能够把距离信息转换成控制系统能理解的信号，比如模拟量（代表距离的电压或电流）或者数字量（直接的距离数值），最好还能有可编程的开关量输出，方便直接控制警报或减速。

针对龙门吊的相关技术标准简介

为了确保龙门吊的安全运行，行业内对它的防撞系统有一系列的技术要求和评估方法。这些要求主要围绕以下几个关键参数：

• 距离（Distance）监测：这是防撞预警最核心的参数。它指的是传感器到潜在障碍物之间的直线距离。评估距离监测的性能，主要看传感器的测量范围（能测多远）和测量精度（测得准不准，误差有多大）。例如，一台龙门吊在高速运行时，需要至少几十米的预警距离，确保在发现障碍物后，有足够的回应时间和制动距离来避免碰撞。

• 速度（Speed）监测：不仅仅是知道障碍物有多远，更重要的是知道障碍物或者龙门吊本身相对于障碍物的相对速度。通过监测相对速度，控制系统可以更智能地判断碰撞风险等级。评估速度监测，主要看传感器能否提供速度信息，以及其速度测量的准确性。

• 区域（Zone）划分：在防撞系统中，通常会把龙门吊周围的空间划分为不同的安全区域。

  • 警告区域：离龙门吊较远，当障碍物进入这个区域时，系统会发出预警信号，比如蜂鸣器响起，提醒操作人员注意。

  • 保护区域：离龙门吊更近，当障碍物进入这个区域时，系统会触发更高级别的响应，比如自动减速、甚至紧急停车。

  • 这些区域的定义和范围需要根据龙门吊的运行速度、制动距离以及实际工况来确定。

• 响应时间（Response Time）：传感器从检测到障碍物到输出信号所需要的时间。在高速运行的龙门吊场景下，这个时间越短越好。想象一下，如果传感器反应迟钝，当它终于“看到”障碍物时，龙门吊可能已经冲过去了。评价响应时间，通常以毫秒（ms）为单位，越小的数值代表越快的响应速度，对安全至关重要。

实时监测/检测技术方法

龙门吊的防撞预警，就像给它装上“眼睛”来观察周围环境。市面上有很多种技术方案，每种都有自己的“看家本领”和适用场景。

市面上各种相关技术方案

飞行时间（TOF）激光测距技术

这种技术就像对着目标打出一束非常快的“光子子弹”，然后精确地计时，看看这束光从发出到碰到目标再反射回来，一共花了多长时间。光速是恒定不变的，所以只要知道光走了多长时间，我们就能计算出它走了多远，再除以二（因为是往返距离），就是传感器到目标的实际距离。

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，约 3 x 10^8 米/秒）传播。当激光脉冲遇到目标物体表面时，一部分光会反射回来被传感器接收。传感器内部的精密计时电路会精确测量从激光发射到接收到反射光之间的时间间隔 t。 距离 D 的计算公式为： D = (c * t) / 2 其中： D 代表传感器到目标物体的距离（米） c 代表光速（米/秒） t 代表激光脉冲从发射到接收的总时间（秒）

核心性能参数的典型范围： 飞行时间激光测距传感器通常能提供非常高的测量精度，在±1mm到±几毫米的范围内；测量范围可以从几厘米到数百米，甚至超过一公里；响应速度非常快，刷新频率可以达到几百赫兹（Hz），这意味着每秒可以进行几百次测量。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度极高，可以达到毫米级别，这对于需要精准定位和防撞的龙门吊来说非常重要；测量范围广，能够应对长距离的防撞预警需求；响应速度快，能及时捕捉到龙门吊与障碍物之间的距离变化。它对目标物体的颜色和表面纹理不敏感，即使是深色或反射率低的物体也能较好地测量。 * 缺点： 价格相对较高；在强烈的环境光（如太阳光直射）或极端粉尘、烟雾、水汽等恶劣环境下，激光信号可能会被削弱或散射，影响测量稳定性和准确性。为了应对这些挑战，高端的飞行时间激光传感器会采用特定的滤波技术、抗背景光算法或更强的激光功率。

调频连续波（FMCW）雷达技术

这种技术就像一艘船不断发出不同音调的声呐，通过比较发出和接收到的声呐“音调”差异，来判断目标有多远，甚至它在向哪个方向移动、速度有多快。雷达传感器发射的是连续变化的无线电波（电磁波），而不是光。

工作原理和物理基础： FMCW雷达传感器发射一个频率随时间线性变化的连续波（Chirp信号）。当这个信号遇到物体并反射回来时，接收到的信号会与当前发射的信号之间存在一个频率差（Beat Frequency），这个频率差与距离成正比。同时，如果目标在移动，还会产生一个多普勒频率差，通过分析这两个频率差，可以精确计算出目标距离 D 和相对速度 v。 对于距离 D 的计算，基本原理是基于发射信号的频率变化率（slope）和频率差 Δf： D = (c * Δf) / (2 * slope) 其中： D 代表距离 c 代表电磁波在介质中的传播速度（接近光速） Δf 代表接收信号与发射信号之间的频率差 slope 代表发射信号的频率变化率（Hz/s）

核心性能参数的典型范围： FMCW雷达的检测范围通常在中短距离，比如几米到几十米；测量精度在厘米到分米级别；响应速度通常在几十到几百毫秒。

技术方案的优缺点： * 优点： 最大的优势在于其卓越的穿透能力，几乎不受灰尘、雾气、雨雪、强光和温度变化的显著影响，非常适合在户外或高污染等极端恶劣环境中长期稳定工作。能同时测量距离和相对速度。 * 缺点： 测量精度通常不如激光测距传感器，在毫米级精度要求下难以满足；波束角度相对较宽，可能会检测到一些非目标区域的物体，导致误报；成本相对较高。

超声波测距技术

这种技术就像蝙蝠的回声定位。传感器发出人耳听不到的超声波，当声波碰到障碍物后反弹回来，传感器接收到回声，通过计算声波往返的时间，就能知道障碍物有多远。

工作原理和物理基础： 超声波传感器通过内部的压电陶瓷晶体，将电能转换为高频声波（超声波）发射出去。这些声波以声速 v_s（约 343 米/秒在20℃空气中）在介质中传播。当声波遇到障碍物时，会被反射回传感器。传感器测量从发射声波到接收到反射声波之间的时间间隔 t。 距离 D 的计算公式为： D = (v_s * t) / 2 其中： D 代表传感器到目标物体的距离（米） v_s 代表声波在介质中的传播速度（米/秒），它会受温度、湿度等环境因素影响 t 代表声波往返的总时间（秒）

核心性能参数的典型范围： 超声波传感器通常适用于短距离检测，范围从几厘米到几米（常见为0.3米到5米）；测量精度一般在毫米到厘米级别；响应频率相对较低，通常在几赫兹到几十赫兹。

技术方案的优缺点： * 优点： 成本低廉，安装和使用简单；不受目标颜色、透明度和表面光泽度影响；对粉尘、烟雾、蒸汽等环境有较强的适应性。 * 缺点： 测量距离较短，不适用于龙门吊长距离防撞预警；声速受环境温度、湿度、气流等因素影响较大，可能导致测量误差；波束角相对较宽，空间分辨率较低，容易受到旁侧物体干扰。

漫反射型光电传感技术

这是一种非常基础的传感器，它的工作方式就像手电筒。传感器发射一道光束，如果光束打到物体并反射回来被它接收到，它就知道前面有东西了。它通常只能告诉你有或没有，不能精确测量距离。

工作原理和物理基础： 漫反射型光电传感器集发射器和接收器于一体。发射器发出的光束（通常是红外光或可见红光）在空气中传播。当光束遇到待检测物体表面时，一部分光线会发生漫反射，并散射到各个方向。如果足够强的反射光线能够返回并被传感器的接收器接收到，传感器内部的电路就会触发，输出一个开关信号（通常是“有物体”或“无物体”的二值信号）。 它主要依赖反射光的强度来判断物体存在，而不是精确测量光线往返时间。

核心性能参数的典型范围： 检测距离极短，通常在几十毫米到几百毫米（例如100毫米）；主要提供开关量输出，没有连续距离测量功能；响应频率快，可达数百赫兹。

技术方案的优缺点： * 优点： 成本非常低，体积小巧，易于集成；响应速度快。适用于简单的有无检测，如限位开关、小区域防撞。 * 缺点： 测量距离极短，不适合龙门吊长距离防撞预警；易受环境光干扰，尤其是在强光下表现不稳定；受目标物体颜色和表面反射率影响大，深色或镜面物体难以检测；只能提供“有/无”信息，无法提供精确距离。

市场主流品牌/产品对比

在龙门吊的防撞预警领域，国际上有很多知名的传感器品牌，它们提供了基于不同技术的解决方案。

1. 德国西克

   • 采用技术： 安全激光扫描仪（飞行时间TOF原理）。它通过扫描一个区域，实时生成环境点云数据，并根据预设的安全区域进行防撞判断。

   • 核心性能： 保护区域最大可达5.5米，警告区域最大可达40米；扫描角度275°；响应时间60毫秒至2000毫秒（可配置）；防护等级IP65；安全等级符合IEC 61496-3 PL d, Category 3。

   • 应用特点和独特优势： 德国西克在工业安全领域享有盛誉，其安全激光扫描仪具备高安全等级和灵活的区域配置能力。它能有效抗环境光和粉尘干扰，非常适合户外和恶劣工业环境下的龙门吊防撞保护，尤其是在需要区域监控和多点检测的场合。

2. 英国真尚有

   • 采用技术： 激光测距（飞行时间TOF原理）。其LCJ系列产品以高精度和长距离测量为特点。

   • 核心性能： 测量范围0.05米至500米；精度±1毫米；测量速度高达 250 赫兹；可在-40℃至+60℃的环境温度下使用，并能测量最高1550℃的高温物体表面距离；提供RS232、RS485、RS422、SSI、USB等多种串行接口，以及高精度模拟输出（0.1%）和两个可编程数字输出。

   • 应用特点和独特优势： 该系列产品以其超长的测量范围和极高的测量精度脱颖而出，特别适合龙门吊在大型场地进行远距离、高精度的防撞和定位。其坚固的金属外壳提供IP65级保护，配合扩展温度范围，使其能够在恶劣工况下稳定工作。此外，该系列产品还具备测量高温物体表面距离的能力，并针对深色表面和强太阳辐射环境进行了优化。多种输出接口也方便与各类工业控制系统集成。

3. 意大利迪比

   • 采用技术： 激光测距（飞行时间TOF原理）。

   • 核心性能： 测量范围0.2米至200米；测量精度±15毫米（在10米范围内）；重复性±5毫米（在10米范围内）；响应时间最快2毫秒；输出接口支持以太网、串行RS-422/485；防护等级IP67；激光等级1级（人眼安全）。

   • 应用特点和独特优势： 意大利迪比的激光测距传感器同样具备长距离测量能力和较好的精度，响应速度快，且对环境光不敏感。其IP67防护等级确保在多尘、潮湿环境下稳定运行，适用于龙门吊在较远距离进行精确位置控制或避免与大型结构、其他设备发生碰撞。

4. 美国邦纳

   • 采用技术： 调频连续波（FMCW）雷达技术。

   • 核心性能： 检测范围0.2米至12米；工作频率24吉赫兹；波束角度水平和垂直方向均为±8°；输出类型为双开关量输出；防护等级IP67。

   • 应用特点和独特优势： 美国邦纳的雷达传感器最大亮点在于其极强的环境穿透能力。它在灰尘、雾、雨、光照和温度变化等恶劣条件下仍能保持稳定的检测性能，尤其适合那些光线变化大、粉尘浓度高、甚至有雾气的户外或室内重污染环境中的龙门吊进行中短距离防撞检测。

5. 韩国奥托尼克斯

   • 采用技术： 超声波测距原理。

   • 核心性能： 检测距离300毫米至3000毫米（可调）；输出类型为双开关量输出（NPN常开）；响应频率5赫兹；防护等级IP67。

   • 应用特点和独特优势： 韩国奥托尼克斯的超声波传感器以其高可靠性和对目标颜色、透明度不敏感的特点受到欢迎。它在中短距离内提供稳定的检测，成本低廉，适用于龙门吊局部区域的防撞，比如吊钩与地面物体间的距离监测，或者作为其他防撞系统的辅助检测。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为龙门吊选择防撞预警传感器时，我们需要像挑选工具一样，根据实际需求来匹配最合适的“工具”。

• 测量范围： 这个指标决定了传感器能“看”多远。龙门吊通常体积大、惯性大，需要足够的制动距离。如果龙门吊移动速度快，或者工作区域宽广，就需要选择测量范围更远的传感器，比如数百米的激光测距。反之，如果是近距离限位或局部防撞，几十米甚至几米的范围就足够了。

• 测量精度： 这是指传感器测量距离的准确性，误差越小越好。高精度（如毫米级）能提供更精确的定位和更可靠的预警，减少误报或漏报的风险。在龙门吊需要精准对位、精细操作时，高精度尤为重要。对于只要求判断“有无”的简单防撞，厘米级或分米级的精度也勉强可以接受。

• 响应速度/频率： 传感器每秒能进行多少次测量。龙门吊在移动，障碍物可能也在移动，如果传感器响应慢，它给出的距离信息就可能滞后，导致预警不及时。因此，选择刷新频率高的传感器非常关键，能确保控制系统获得实时、最新的距离数据。

• 环境适应性： 这一点对于强光和粉尘环境下的龙门吊尤为重要。

  • 强光：特别是在户外，太阳光直射可能干扰激光或光电传感器。选择具有强大背景光抑制能力、采用调制激光或特殊滤光技术的传感器是关键。

  • 粉尘：大量粉尘会散射激光束或吸收超声波，影响测量。雷达传感器在这方面表现最佳，其次是具有自清洁功能或高功率激光的传感器。

  • 温度：龙门吊工作环境温度可能变化大，选择工作温度范围宽广的传感器（如-40℃到+60℃），或考虑加装防护罩、加热/冷却装置。

• 防护等级（IP Rating）： 表示传感器防尘防水的能力。龙门吊工作环境复杂，IP65（防尘、防喷水）或IP67（防尘、可短时浸泡）是基本要求，确保传感器在恶劣天气或清洁冲洗时也能正常工作。

• 输出接口： 传感器需要把测量到的数据传给龙门吊的控制系统。常见的有RS232、RS485、RS422、以太网等数字接口，以及4-20mA、0-10V等模拟量输出。选择与现有控制系统兼容的接口，能够简化集成和调试。带有可编程开关量输出的传感器还能直接驱动警报或制动，简化控制逻辑。

选型建议： 针对强光、粉尘环境下龙门吊的精准防撞预警，飞行时间（TOF）激光测距传感器是首选，特别是那些强调抗环境光和能在低反射率表面工作的型号。它们兼顾了长距离、高精度和快速响应，是实现精准防撞预警的核心。如果环境粉尘或雾气特别严重，对精度要求略有放宽但要求极强穿透性，FMCW雷达传感器会是很好的补充或替代方案。超声波和漫反射光电传感器则更适用于短距离、低成本的辅助性检测或限位功能。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，在实际应用中，龙门吊防撞预警系统仍然可能遇到一些“小麻烦”。

1. 强光干扰导致测量不稳定：

   • 原因： 尤其是在户外，强烈的太阳光（特别是红外波段）与传感器的发射光波长相近，会淹没反射信号，导致测量数据跳变或无法测量。

   • 影响： 预警系统可能频繁误报或漏报，降低可靠性。

   • 解决建议：

     • 选择具备高抗环境光能力的传感器，它们通常采用窄带滤光片、调制激光技术和先进的信号处理算法，能有效区分激光信号和背景光。

     • 调整传感器安装位置，避免阳光直射传感器接收窗口。

     • 在传感器上加装遮阳罩，减少直射光的影响。

2. 粉尘/烟雾导致测量误差或失效：

   • 原因： 密集的粉尘颗粒、烟雾或水汽会吸收、散射激光束或声波，使得回波信号减弱，甚至无法返回传感器。

   • 影响： 测量距离偏大（因为信号衰减，传感器可能认为目标更远）、数据不稳或完全失去检测能力。

   • 解决建议：

     • 对于激光传感器，选择功率更强、具备自清洁功能（如气吹除尘）或更长波长（穿透性略好）的型号。

     • 考虑使用FMCW雷达传感器作为补充或替代方案，雷达波对粉尘和水汽的穿透力远优于激光和超声波。

     • 定期对传感器接收窗口进行清洁维护，确保其表面无遮挡。

3. 目标反射率不一致或镜面反射：

   • 原因： 龙门吊可能需要检测各种不同表面材质的障碍物，例如深色吸光材料、光滑的金属表面等。深色物体反射光少，镜面物体可能将光线反射到其他方向，导致传感器接收不到有效信号。

   • 影响： 测量困难，数据不稳定，甚至无法检测。

   • 解决建议：

     • 选择说明其具备在低反射率表面测量能力的激光传感器，这类传感器通常有更高的发射功率和更灵敏的接收器。

     • 对于某些关键检测点，可以在目标表面贴附反射片，增强回波信号。

     • 雷达传感器和超声波传感器在这方面受影响较小，可作为备选或补充。

4. 安装位置或校准不当：

   • 原因： 传感器安装角度倾斜，或者安装位置不合理，可能导致检测区域偏移，或者受到结构件的遮挡。

   • 影响： 测量盲区、误报（检测到不相关物体）或漏报（未检测到关键障碍物）。

   • 解决建议：

     • 严格遵循传感器厂家提供的安装指南，确保安装位置和角度符合要求。

     • 进行现场调试和校准，通过示教或软件配置，精确定义警告区和保护区。

     • 定期检查传感器固定件，防止因震动等原因导致安装松动或移位。

5. 多传感器之间的相互干扰：

   • 原因： 如果在同一区域安装了多个同类型传感器，它们发射的信号可能相互影响，导致各自的测量数据不准确。

   • 影响： 数据混乱，预警系统失效。

   • 解决建议：

     • 错开工作频率：对于雷达或超声波传感器，选择不同工作频率的型号。

     • 时间分割多路复用：让不同传感器在不同的时间段内依次进行测量，避免同时发射信号。

     • 调整传感器的安装角度和检测区域，避免它们之间检测区域的重叠。

应用案例分享

• 港口集装箱龙门吊防撞： 在大型港口，多台龙门吊同时作业，需要精确检测相邻龙门吊之间的距离，避免相互碰撞，保障码头作业的安全性和效率。

• 冶金行业桥式起重机防撞： 钢铁厂、铸造车间等高温、粉尘环境中的桥式起重机，用于吊运高温钢水包或钢卷，传感器需耐高温且能在恶劣环境下精准测距，例如，英国真尚有生产的高温激光测距传感器，可以测量高达1550℃的物体表面，防止起重机与厂房结构或其他设备相撞。

• 自动化仓库堆垛机防撞与定位： 自动化立体仓库中的堆垛机需要高速、精准地存取货物，激光测距传感器可提供厘米级甚至毫米级的定位精度，同时实现区域防撞，确保堆垛机安全高效运行。

• 物料堆场料位监测： 在露天煤场、矿石堆场等恶劣环境下，龙门吊需要实时监测料堆的高度和位置，激光测距传感器或雷达传感器可提供可靠的料位数据，指导龙门吊进行精准抓取。