如何在连铸1000℃以上高温恶劣环境下，选用非接触式传感器实现钢坯±1mm尺寸与位置的实时精准监测？【工业自动化，质量控制】

1. 连铸钢坯的基本结构与技术要求

在连铸生产线中，我们通常说的钢坯，它就像一条持续不断从结晶器里“生长”出来的炽热“面条”。根据截面形状，它可以是方坯、矩形坯（板坯）或者圆坯。这些钢坯在离开结晶器后，会经过冷却、矫直等工序，最终需要被精确切割成特定长度的产品。

由于刚出炉的钢坯表面温度极高，通常在900℃到1200℃甚至更高，就像一块滚烫的烙铁。它的表面还会伴随着蒸汽、水雾、氧化铁皮等复杂环境。同时，钢坯在生产线上是连续移动的，速度较快。为了确保切割后每块钢坯的长度都能达到标准，并且尽量减少因为长度不合格造成的废品，我们就需要像给面条量尺寸一样，实时、准确地知道它在生产线上每个时刻的精确位置。一旦位置测量不准，就可能导致切割点偏移，使得钢材长度不达标，造成材料浪费，增加生产成本。因此，对高温移动钢坯进行高精度、高频率的实时位置测量，是优化切割工艺、提高成品率的关键。

2. 针对连铸钢坯的相关技术标准简介

在连铸生产中，为了保证钢坯的质量和后续加工的顺利进行，需要对钢坯的多个参数进行监测和评价。这些参数的定义和评价方法通常都有行业或国家标准来规范。

• 长度： 指钢坯沿其纵向的尺寸。在切割环节，这是最重要的监测参数之一。评价方法是测量切割后的实际长度与目标长度的偏差。

• 宽度/厚度（或直径）： 指钢坯横截面的尺寸。板坯有宽度和厚度，方坯通常是边长，圆坯则是直径。评价方法是使用测量设备对横截面进行扫描，获得其几何尺寸，并与设计尺寸进行比较，以评估是否存在膨胀、收缩或不规则变形。

• 直线度/弯曲度： 指钢坯沿纵向是否笔直。在连铸过程中，由于冷却不均匀或重力作用，钢坯可能会出现弯曲。评价方法通常是测量钢坯中心线相对于理想直线轴线的最大偏差。

• 表面温度： 指钢坯表面的实际温度。这不仅是位置测量时的环境挑战，也是重要的工艺参数。温度过高或过低都会影响钢坯的机械性能和切割效果。评价方法是使用非接触式测温设备（如红外测温仪）获取其表面温度分布。

• 运动速度： 指钢坯在生产线上移动的速度。精确的速度数据对于协同切割设备至关重要。评价方法通常是通过连续的位置数据计算单位时间内的位移。

• 表面质量： 指钢坯表面是否有裂纹、气泡、夹杂物等缺陷。虽然这不是直接的位置参数，但表面缺陷可能会影响切割，并需要后续处理。评价方法通常是利用视觉或涡流探伤等技术检测表面异常。

对这些参数的精确监测和评价，是连铸生产实现智能化、高效化的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在连铸生产中，针对高温钢坯的位置测量，市面上有多种成熟的非接触式测量技术可供选择，它们各有特点和适用场景。

3.1.1 激光测距法 (Time-of-Flight / Phase Shift)

这种方法就像我们用回声来判断距离一样，只是把声音换成了激光。传感器发射一束激光脉冲或者一束经过调制的连续激光，光束到达钢坯表面后反射回来，传感器接收反射光并计算其飞行时间或相位差，从而得到距离。

工作原理和物理基础：

• 飞行时间法 (Time-of-Flight, TOF)： 传感器发出一束短暂的激光脉冲，这个脉冲以光速$c$传播。当它碰到钢坯表面时被反射，然后传感器接收到反射回来的光脉冲。通过精确测量从发出激光到接收反射光之间的时间差$t$，就可以计算出传感器到钢坯的距离$D$。

  其核心公式为： $D = frac{c imes t}{2}$

  其中，$c$是光速（约$3 imes 10^8$米/秒），$t$是激光的往返飞行时间。

  想象一下，你站在一个大山谷里喊一声，听到回声的时间越长，说明对面的山就越远。激光测距仪就是用光来做这个“喊话”和“听回声”的动作，由于光速非常快，所以需要非常精密的计时器。

• 相位差法 (Phase Shift)： 为了实现更高的精度，一些激光测距仪会采用相位差法。传感器发射一个连续的、被特定频率调制的激光束。当激光到达钢坯并反射回来时，其相位会相对于发射时的相位产生一个偏移。通过测量发射信号和接收信号之间的相位差$Deltaphi$，可以计算出激光传播的距离。

  其核心公式可以简化为： $D = frac{Deltaphi}{2pi} imes frac{c}{2f}$

  其中，$f$是激光的调制频率。通过测量一个完整波长范围内的相位差来获得亚毫米级的精度。这就像用一个带有刻度的尺子去量距离，相位差法能把尺子上的刻度做得更精细。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围：从几厘米到几百米。

• 精度：通常在毫米级到厘米级，一些高精度型号可以达到±1mm。

• 响应时间：通常为几十赫兹到数百赫兹，可以满足大多数高速移动物体的测量需求。

技术方案的优缺点：

• 优点： 测量距离远，可以远离高温物体，对环境适应性较强，适用于工业环境。测量速度快，精度较高。

• 缺点： 价格相对较高。测量精度可能受目标物表面反射率、环境光干扰的影响。在测量极短距离时，精度可能不如三角测量法。

3.1.2 激光三角测量法

这种方法有点像我们用两只眼睛看东西来判断远近，只不过这里用的是一个激光发射器和两个接收器，或者一个发射器和一个特殊的角度敏感接收器。

工作原理和物理基础： 传感器会向钢坯表面投射一个激光点或一条激光线。当钢坯表面发生距离变化时，反射回来的激光光斑在接收器（通常是CMOS或CCD图像传感器）上的位置会发生移动。根据这个位置的偏移量，结合传感器内部发射器、接收器和激光束之间的几何关系（一个固定的三角结构），就能精确计算出传感器到钢坯表面的距离。

假设激光发射器与接收器之间有一个固定的基线长度$t$0，发射器与接收器光轴之间有一个固定夹角。当激光点投射到物体表面并反射，反射光斑在接收器上的位置$t$1与物体到传感器的距离$D$之间存在几何关系。

一个简化版的距离计算公式（基于相似三角形原理）：$t$3其中，$t$0是基线距离，$t$5是接收透镜的焦距，$t$1是光斑在图像传感器上的偏移量。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围：通常在几毫米到几百毫米之间，属于中短距离测量。

• 重复精度：可达微米级，精度极高。

• 采样频率：可达几十千赫兹到数百千赫兹。

技术方案的优缺点：

• 优点： 极高的测量精度和重复性，速度快，对物体表面颜色和反射率变化有较好的适应性。

• 缺点： 测量距离较短，对传感器的安装位置和角度有较高要求。受限于视场角，容易受到钢坯表面蒸汽、水雾的干扰。

3.1.3 3D激光轮廓扫描

这种技术可以看作是激光三角测量法的升级版，它不是只测一个点，而是通过投射一条激光线来获取钢坯的整个横截面轮廓。

工作原理和物理基础： 传感器会向连铸坯表面投射一道激光线。内置的高分辨率CMOS图像传感器会捕捉这条激光线在钢坯表面反射形成的轮廓图像。当激光线照射到物体表面的不同高度时，反射回来的光线在图像传感器上的位置也不同，形成一个二维的轮廓。传感器内部的处理器利用高精度的三角测量算法，对这条激光线上的每一个点进行距离计算，最终重建出钢坯表面的完整3D点云数据或精确的二维轮廓。这样，我们就不仅仅知道一个点的位置，而是得到了钢坯某一截面的完整形状信息。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围：数十毫米至数百毫米。

• X轴分辨率：最小可达微米级。

• Z轴重复精度：最小可达微米级。

• 扫描速度：高达数千赫兹。

技术方案的优缺点：

• 优点： 提供高精度、高分辨率的完整3D轮廓数据，能够应对连铸坯复杂表面特征，可以检测钢坯的形状、尺寸、弯曲度和一些表面缺陷。

• 缺点： 测量距离相对较短，对环境中的蒸汽、灰尘敏感，可能需要更强的防护和清理措施。价格通常较高。

3.1.4 FMCW雷达 (调频连续波雷达)

FMCW雷达不同于激光，它使用的是微波信号，这种信号对钢厂的恶劣环境有着天生的抵抗力。

工作原理和物理基础： 传感器发射一个频率连续变化的微波信号（调频连续波）。这个信号遇到钢坯后反射回来，传感器接收反射回来的回波信号。由于发射的频率是连续变化的，当回波信号到达传感器时，它的频率会与当前发射信号的频率有一个差异。通过测量发射信号与接收信号之间的频率差$t$7，结合信号频率的变化率$t$8（即频率扫描斜率）和光速$c$，就可以计算出微波信号的飞行时间$t$，进而得出传感器与钢坯之间的距离$D$。

其核心公式为：$D$2$D = frac{c imes t}{2}$这就像用一个频率不断变化的哨子去探测物体，回声的频率与你当前吹的哨子频率差异越大，说明物体越远。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围：0.1米至几十米。

• 重复精度：通常在毫米级到厘米级。

• 测量精度：通常在毫米级到厘米级。

• 防护等级：普遍较高，如IP67。

技术方案的优缺点：

• 优点： 极其耐受钢厂高温、高湿、粉尘、蒸汽弥漫等恶劣环境，微波具有很强的穿透能力，不易受环境因素影响。测量距离相对较远。

• 缺点： 精度相对激光测距仪较低，通常在毫米级到厘米级。设备体积可能较大。

3.1.5 红外热成像

这种方法是利用钢坯自身散发的热量来进行位置检测，完全不需要主动发射任何信号。

工作原理和物理基础： 连铸钢坯是高温物体，它会不断向外辐射红外能量。红外热像仪就像一个能“看”到热量的特殊相机，它接收钢坯表面发出的红外辐射能量，并将其转化为可视的温度分布图像。通过分析热图像中高温区域的边缘、面积和质心，我们就可以准确地确定钢坯在生产线上的位置、姿态和尺寸变化。在可见光受限、烟雾或蒸汽环境中，热成像仍然能提供清晰的物体轮廓。

核心性能参数的典型范围：

• 探测器分辨率：可达640x480像素或更高。

• 热灵敏度：通常小于0.05°C。

• 测温范围：可覆盖-20°C至2000°C。

• 帧率：高达几十赫兹。

技术方案的优缺点：

• 优点： 完全非接触，对可见光、烟雾、蒸汽和灰尘不敏感，特别适用于检测高温连铸坯。除了位置信息，还能提供铸坯的温度分布数据，有助于工艺优化和质量控制。

• 缺点： 无法直接测量距离，需要通过图像处理间接推算位置，精度可能受限于图像分辨率和处理算法。价格较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在高温钢坯位置测量的领域，国际上有一些知名的品牌提供了多样化的解决方案。

• 日本基恩士

  • 技术原理: 激光三角测量法。该技术以其极高的精度闻名，尤其适用于对测量精度有严苛要求的应用场景。

  • 核心参数: 测量范围一般在10毫米至数百毫米，重复精度可达微米级，采样频率高达392千赫兹，线性度高达±0.03% F.S.。

  • 应用特点和独特优势: 日本基恩士的传感器在钢厂高温、蒸汽、灰尘等恶劣环境下仍能提供稳定可靠的在线测量结果。其高精度和快速响应能力，使其在需要精确尺寸检测和定位的场合表现出色。

• 英国真尚有

  • 技术原理: 激光测距法（很可能是飞行时间法或相位差法）。该系列传感器以其远距离测量能力和在恶劣环境下的稳定性见长。

  • 核心参数: 测量范围从0.05米至500米，测量速度高达250赫兹，精度可达±1毫米。其独特优势在于能够测量最高表面温度达1550℃的物体，并且扩展温度范围为-40℃至+60℃，防护等级为IP65。

  • 应用特点和独特优势: 英国真尚有LCJ系列特别适用于重工业和户外应用，即使在深色表面或有太阳辐射的室外也能进行测量。其高温测量能力和宽泛的工作温度范围，使其在连铸等极端高温环境中具有显著优势，同时提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）方便集成。

• 加拿大力达

  • 技术原理: 3D激光轮廓扫描。这种技术能提供物体表面的三维几何信息，适用于形状和尺寸的全面检测。

  • 核心参数: Z轴测量范围可达100毫米以上，X轴分辨率最小0.019毫米，Z轴重复精度最小0.003毫米，扫描速度高达10千赫兹。

  • 应用特点和独特优势: 加拿大力达的智能3D传感器能够提供高精度、高分辨率的完整3D轮廓数据，有效应对连铸坯复杂表面特征的检测需求。其内置的智能处理功能减少了对外部计算单元的依赖，易于集成和校准，特别适合高精度在线尺寸和位置的同步检测。

• 德国倍加福

  • 技术原理: FMCW雷达。该技术利用微波信号，具有极强的环境穿透力，尤其适合多尘、多雾、高温的极端工业环境。

  • 核心参数: 测量范围0.1米至30米，重复精度±2毫米，测量精度±5毫米（在23°C时），防护等级为IP67。

  • 应用特点和独特优势: 德国倍加福F99系列雷达传感器在钢厂高温、高湿、粉尘弥漫等恶劣环境下展现出卓越的耐受性。它测量距离远，不易受环境因素影响，适用于大型连铸坯的远距离、非接触式定位检测，为生产过程的稳定性和安全性提供保障。

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

在为连铸生产线选择合适的激光位移传感器时，仅仅了解技术原理是不够的，还需要结合实际应用场景，重点关注以下几个技术指标：

• 测量范围： 指传感器能精确测量到的最小和最大距离。

  • 实际意义: 决定了传感器能否安装在远离高温钢坯的安全位置，并覆盖钢坯在测量区域内的所有可能位置。如果测量范围太小，传感器可能需要安装得离钢坯过近，容易损坏；如果钢坯运动超出测量范围，则无法获取数据。

  • 选型建议: 对于连铸切割区，建议选择测量范围能覆盖钢坯可能移动路径的传感器，并留有一定余量。例如，选择像英国真尚有LCJ系列这样测量范围大的传感器，可以安装在远离高温的区域，增加设备寿命。

• 测量精度和重复精度： 测量精度指测量结果与真实值之间的接近程度；重复精度指在相同条件下，多次测量同一位置时，结果的一致性。

  • 实际意义: 这是决定切割质量的关键。±1mm的精度意味着每次测量都有可能存在1mm的误差。如果切割要求的长度公差是±5mm，那么1mm的测量误差是可接受的；但如果公差是±1mm，则1mm的测量误差将直接影响产品合格率。重复精度则确保了测量结果的稳定性。

  • 选型建议: 精度要求取决于最终切割长度的公差要求。对于优化切割，减少废品，通常需要毫米级甚至亚毫米级的精度。例如，日本基恩士的微米级重复精度在某些极致精确的场合会更具优势。

• 采样频率/测量速度： 指传感器每秒能进行多少次测量。

  • 实际意义: 连铸钢坯是高速移动的，采样频率越高，就能越及时地捕获钢坯的实时位置变化，避免因滞后而导致的测量误差。想象一列高速列车，如果拍照速度太慢，照片就会模糊。

  • 选型建议: 钢坯移动速度越快，所需的采样频率越高。通常需要几十赫兹到数百赫兹的采样频率。例如，英国真尚有LCJ系列高达250Hz的测量速度，能很好地捕捉钢坯的动态位置。

• 最高表面温度承受能力： 指传感器在测量高温物体时，能保证测量准确度的物体最高表面温度。

  • 实际意义: 连铸钢坯表面温度极高，如果传感器无法承受，要么无法正常工作，要么测量数据不准确。

  • 选型建议: 这是连铸环境下的重要指标。必须选择能测量高温物体的传感器，例如英国真尚有LCJ系列，其产品特性是实测最高表面温度可达1550℃，保证测量的准确度。

• 环境温度范围和防护等级 (IP Rating)： 环境温度范围指传感器正常工作的环境温度区间；防护等级指传感器防尘、防水的能力。

  • 实际意义: 连铸车间环境恶劣，高温、水蒸汽、粉尘是常态。传感器必须能够在这些极端条件下稳定运行，否则会频繁故障。

  • 选型建议: 优先选择宽环境温度范围和高防护等级的传感器。

• 接口类型： 传感器输出数据的方式。

  • 实际意义: 决定了传感器与上位机（PLC、DCS等）或控制系统连接的便捷性。

  • 选型建议: 选择与现有控制系统兼容的接口类型，如RS232/485/422、SSI、USB或模拟输出。

3.4 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，在连铸的实际应用中，我们仍然可能遇到一些挑战：

• 问题1：高温钢坯表面反射率不稳定。

  • 原因及影响： 钢坯在移动过程中，表面会形成氧化铁皮，或者被水雾、蒸汽覆盖，这些都会导致激光的反射率发生变化，从而影响测量稳定性，甚至导致测量中断。

  • 解决建议： 选择对反射率变化不敏感的传感器技术，例如激光测距法（TOF）通常比三角测量法在这方面表现更好。安装空气吹扫装置，用压缩空气吹掉钢坯表面的水雾和氧化铁皮。优化传感器的安装角度，避免镜面反射和强散射。

• 问题2：环境中蒸汽、粉尘、水雾的干扰。

  • 原因及影响： 连铸现场的冷却水和蒸汽会形成“烟雾”，粉尘飞扬，这些颗粒会阻挡或散射激光束，使得传感器接收到的反射信号减弱，影响测量精度甚至导致无法测量。

  • 解决建议：

    1. 物理防护： 为传感器安装防护罩和空气吹扫装置，保持传感器镜头清洁。

    2. 技术选择： 考虑使用抗干扰能力更强的技术，如FMCW雷达（微波穿透力强）或红外热成像（不依赖可见光或激光反射）。

    3. 安装位置优化： 将传感器安装在蒸汽和粉尘相对较少的区域，并确保光路不受阻碍。

• 问题3：钢坯表面振动和摇摆。

  • 原因及影响： 钢坯在输送过程中可能存在轻微的振动或晃动，尤其是在矫直机出口或切割区域，这会导致测量点发生快速位移，影响位置数据的准确性。

  • 解决建议：

    1. 高采样频率传感器： 选择采样频率高的传感器，能更密集地捕获振动中的钢坯位置，通过数据滤波处理，可以得到更平滑、更准确的位置趋势。

    2. 机械稳定性： 确保传感器安装支架的刚性，减少自身振动。

    3. 算法优化： 在软件层面引入滤波算法（如卡尔曼滤波），对原始数据进行平滑处理，消除高频抖动噪声。

• 问题4：环境温度过高对传感器的影响。

  • 原因及影响： 连铸车间环境温度远高于普通工业场所，持续的高温会加速传感器内部电子元件的老化，降低其寿命，甚至导致测量漂移或故障。

  • 解决建议：

    1. 选用耐高温传感器： 选择本身设计就具有宽环境温度范围的传感器，例如英国真尚有LCJ系列。

    2. 配备冷却装置： 为传感器加装水冷或空冷冷却套（冷却外壳），有效降低传感器工作温度，延长使用寿命。

    3. 隔热措施： 在传感器周围设置隔热板或防护罩，减少高温辐射对传感器的影响。

4. 应用案例分享

• 连铸定尺切割： 在连铸机的切割区域，激光位移传感器实时监测移动中高温钢坯的精确位置，并将数据传输给切割控制系统，确保按照设定长度进行精确切割，最大限度地减少长度偏差和废品产生。

• 连铸坯矫直和辊缝控制： 在钢坯通过矫直机和各道辊缝时，传感器可监测钢坯的中心线位置、偏斜和厚度变化，辅助调整辊缝间隙和矫直力，确保钢坯几何形状的精度。

• 热轧生产线坯料定位： 在热轧前，激光传感器用于精确测量加热后的钢坯在辊道上的位置和长度，为后续的送入轧机和粗轧定位提供准确数据，提高轧制效率和成品质量。