1300°C高温粗轧如何实现±10微米级的尺寸精度与形状实时检测？【非接触式测量】

1. 高温粗轧材料的基本结构与技术要求

在钢铁、有色金属等行业的高温粗轧过程中，被测物主要是处于高温（通常高达800°C至1300°C）状态的金属坯料或半成品。这些材料在经过轧机初步塑性变形后，其横截面尺寸、形状等会发生显著变化。粗轧阶段是整个生产线的开端，其尺寸精度直接影响后续精轧、成品质量乃至生产效率。

想象一下，高温的金属坯料就像一根烧得通红的巨大黏土棒，它在轧辊之间被挤压、拉长，逐步塑形。在这个过程中，如果“黏土棒”的宽度、高度或者圆形度出现偏差，那么后续的每一次挤压都会把这个偏差放大，最终导致成品不合格。因此，在粗轧阶段对尺寸进行实时、精准的控制至关重要。

高温粗轧材料的技术要求主要集中在以下几个方面：

• 尺寸精度： 这是核心要求。通常需要精确控制材料的宽度、高度（对于方坯或板坯）或直径（对于棒材、线材）。例如，±10微米的精度要求意味着在测量过程中，允许的误差范围非常小，这对于后续的加工和产品公差控制至关重要。

• 形状控制： 除了基本尺寸，还需要监控材料的横截面形状，例如棒材的椭圆度（圆形度）或方坯的对角线差异。不规则的形状会增加后续轧制的难度，甚至导致产品报废。

• 表面状态： 高温物体表面常伴有氧化皮、水蒸气、反射光斑等，这些都会对传统测量方法造成干扰。传感器必须能够穿透或适应这些复杂环境。

• 运动特性： 材料通常以高速通过轧机，并伴有振动和摆动。传感器需要具备高采样率和良好的抗振性能，才能捕捉到瞬态变化并保持测量稳定性。

• 环境适应性： 轧钢车间是典型的恶劣工业环境，高温、高湿、粉尘、冲击、强磁场等都会考验传感器的坚固性和可靠性。

2. 高温粗轧尺寸监测参数与评价方法

针对高温粗轧材料的尺寸控制，我们需要监测一系列关键参数，并有相应的方法来评价它们。

• 直径/宽度： 这是最基本的尺寸参数。对于圆形截面的棒材或线材，测量其直径；对于矩形截面的板材或型材，测量其宽度和高度。评价方法通常是直接测量多个点的距离，或者扫描整个截面轮廓后计算最大、最小或平均尺寸。

• 椭圆度/圆形度： 用于评价圆形截面材料的几何形状偏差。计算方式通常是测量横截面上最大直径和最小直径的差值，再除以平均直径。例如，如果一个棒材的横截面不是完美的圆形，而是有些扁，那么它的椭圆度就会超标。

• 厚度： 对于板材或扁钢，其厚度是关键参数。通常通过测量上下两个相对表面的距离来获取。

• 位置偏差： 监测材料在轧制过程中相对于理想中心线的位置偏移，这对于确保材料均匀受力、避免“跑偏”非常重要。

• 直线度/弯曲度： 评估长条形材料的整体直度。例如，通过在多个点测量材料的横向位置，然后计算这些点相对于一条理想直线（或曲线）的最大偏差。

• 扭转： 对于型材，尤其是H型钢或工字钢，需要监测其在长度方向上是否发生扭转。

这些参数的评价并非孤立进行，而是通过连续的实时测量数据进行统计分析，与预设的公差范围进行比较，一旦超出，系统就会发出警报或自动调整轧机参数。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在高温粗轧的尺寸实时控制中，主要依赖非接触式光学测量技术。这里我们将详细介绍几种主流技术。

激光线光斑法（激光三角测量轮廓法）

工作原理和物理基础： 激光线光斑法，也被称为激光三角测量轮廓法，是目前工业中获取物体横截面轮廓信息最常用的技术之一。它的核心思想是利用光学三角测量原理。

想象一下，你拿着一个激光笔，在墙上画出一条线。如果墙面是平的，这条线就是直的；如果墙面凹凸不平，这条激光线也会跟着墙面的形状发生弯曲。激光线光斑法就是利用这个现象。传感器内部会发射一条高强度的激光线，将其投射到被测高温物体的表面。当这条激光线落在物体表面时，由于物体表面的形状起伏，被照射的激光线就会产生相应的形变。

接着，传感器内部的一个高分辨率工业相机（或CMOS/PSD阵列）会从一个与激光发射器有一定夹角的特定视角，去“看”这条被物体表面形变的激光线。就像我们从侧面观察一样。由于激光发射器、被测物体上的激光点以及相机接收器形成一个固定的“三角关系”，当物体表面高度发生变化时，相机接收到的激光线图像在成像芯片上的位置就会发生偏移。

通过精确测量这个偏移量，并结合传感器内部固定的几何参数（如激光器与相机的距离L，以及它们相对于测量基准面的夹角α和β），传感器就能通过三角函数关系计算出物体表面上每个点的三维坐标（X, Z）。

关键公式：

假设激光发射器与接收器基线距离为 L，激光器发射角为 α，接收器接收角为 β。当物体表面某点发生高度变化 ΔZ 时，反射光斑在接收器上的位置偏移为 Δx。一个简化但核心的几何关系可以表达为：

Z = L * sin(α) * sin(β) / sin(α + β) (这是一个简化模型，实际计算会更复杂，涉及到多个点和坐标系转换)。

更常见的三角测量位移公式，用于计算点的高度 Z：

Z = b * tan(theta) / (tan(alpha) + tan(theta))

其中，b 是激光器和探测器之间的基线距离，alpha 是激光器发射角度，theta 是接收透镜的中心线与探测器之间的角度，随着测量点高度的变化，探测器上光点位置改变，导致 theta 改变，从而计算出 Z 值。

核心性能参数的典型范围：* 精度： 激光线光斑法的测量精度通常可达到±0.01毫米至±0.5毫米，某些优化型号在特定量程内可达±0.015毫米甚至更高。* 分辨率： 0.01%满量程或更高，X轴可达数千点/轮廓。* 扫描速度： 数十到数千个轮廓/秒（Hz），在感兴趣区域(ROI)模式下可达上万个轮廓/秒。* 适用温度： 传感器本体通常有工作温度范围，但通过专用冷却和防护装置，可用于测量高达1200°C甚至1300°C的高温物体。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够一次性获取物体完整的横截面轮廓信息，不仅仅是简单尺寸，还能检测复杂形状、异形件的几何尺寸、表面缺陷等。非接触式测量，对恶劣工业环境有良好适应性，能提供丰富的实时数据。采用短波长激光源（如蓝光450nm）对高温、闪亮金属表面有更好的适应性，可以有效抑制物体自身辐射的干扰。* 缺点： 测量精度可能受物体表面颜色、粗糙度、反射率变化（尤其是高温物体表面发光）以及光学路径上水蒸气、氧化皮等干扰的影响。相比点激光测量，其单点精度可能略低，但提供的是面信息。系统相对复杂，成本较高。

激光扫描测微仪

工作原理和物理基础： 激光扫描测微仪的工作原理与激光三角测量不同，它更像是光学卡尺。传感器内部有一束高速旋转的平行激光束，这束激光像一把“光刀”一样，以极高的速度扫描一个预设的测量区域。当被测物体进入这个扫描区域并阻挡了激光束时，接收器就会检测到光线的“中断”。

系统通过精确测量激光束被阻挡的时间，并结合激光束的扫描速度以及传感器内部编码器提供的角度数据，就能精确计算出被阻挡区域的尺寸，从而得到物体的直径或宽度。

核心性能参数的典型范围：* 精度： 极高，部分型号可达±0.5微米甚至更高。* 分辨率： 0.1微米。* 测量速度： 最高可达4000次扫描/秒。* 适用温度： 专为高温设计，通过特殊冷却和保护装置，可用于测量高达1300°C的物体。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度极高，重复性好，对物体表面特性（如颜色、亮度）变化不敏感。适用于测量圆形、棒材、线材等简单形状的外径或宽度。抗恶劣环境干扰能力强。* 缺点： 只能测量物体最大外形尺寸（如直径、宽度），无法获取完整的截面轮廓信息，不能用于检测复杂形状。对于形状不规则的物体，其测量结果可能无法全面反映实际情况。

多点激光测距

工作原理和物理基础： 多点激光测距系统通常由多个独立的点激光位移传感器组成。每个传感器发射一束激光点到被测物体表面，并测量从传感器到物体表面的距离。这些独立的激光测距点从不同方向或位置同时作用于物体。

系统将这些单点的距离数据汇集起来，通过内置的算法进行计算，从而实时得出物体的直径、宽度、厚度或特定点的尺寸。例如，测量直径时，通常会采用对称布置的两个或多个激光点，通过测量每个点到物体边缘的距离来计算直径。

核心性能参数的典型范围：* 精度： ±0.05毫米至±0.2毫米，取决于传感器数量和型号。* 测量速度： 高达1000次测量/秒。* 适用温度： 通过工业级设计和防护，适用于高达1200°C的热轧环境。

技术方案的优缺点：* 优点： 结构相对简单，易于配置和扩展。坚固耐用，抗冲击、抗振动、抗粉尘能力较强。响应速度快。可以针对性地测量物体上的关键点。* 缺点： 只能获取有限的离散点数据，无法提供完整的轮廓信息。对于需要全面形状检测的应用，可能力不从心。测量精度受单点传感器自身性能和布置方式影响。

机器视觉

工作原理和物理基础： 机器视觉技术利用高分辨率、高帧率的工业相机作为“眼睛”，结合强大的图像处理软件作为“大脑”。它不像激光传感器那样主动发射激光来测量距离，而是通过捕捉被测物体在特定照明条件下的高清图像。

相机拍摄到物体图像后，图像数据被传输到专业的图像处理系统（通常是高性能计算机或智能相机内置的处理单元）。软件会运行一系列复杂的图像处理算法，例如边缘检测、模式匹配、几何测量等，来识别物体轮廓、计算尺寸、检测缺陷。对于高温物体，需要特殊的远距离光学镜头、滤光片和冷却防护措施，以减少高温物体自身辐射的干扰。

核心性能参数的典型范围：* 分辨率： 高达900万像素或更高。* 帧率： 数十到数百帧/秒。* 测量精度： 可达亚像素级，通过精确标定可实现微米级测量精度。* 适用温度： 相机本体需在适宜温度工作，但可通过专用冷却箱、隔热罩和远距离光学系统适应高温环境。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的灵活性和可定制性，能够处理复杂的测量和检测任务。除了尺寸测量，还能进行表面缺陷检测、位置跟踪等。可以获得全面的图像信息，为后续分析提供依据。* 缺点： 系统相对复杂，对照明条件要求高。易受环境光、水蒸气、灰尘等干扰，可能需要额外的清洁和防护。计算量大，实时性可能受到限制，且初期投入成本较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选几个在高温粗轧尺寸控制领域具有代表性的国际品牌进行对比。

瑞士宗巴赫瑞士宗巴赫在棒材、线材、管材等领域尺寸测量技术处于领导地位。其产品采用激光扫描测微仪原理，通过高速旋转的激光束扫描物体，测量光束被遮挡的时间来计算尺寸。例如，其ODAC 180J-HOT系列产品，测量范围可达0.1 – 180毫米，分辨率高达0.1微米，典型精度为±0.5微米，测量速度最高可达4000扫描/秒，可用于测量高达1300°C的热轧钢材。宗巴赫的产品以其极高的测量精度和稳定性著称，特别适合对简单圆形或矩形截面物体进行高精度直径/宽度测量。

德国奥德福德国奥德福在热轧领域拥有丰富的经验，其PROFILER系列产品采用激光线光斑法（或称激光三角测量轮廓法）。该系统投射一条高功率激光线到高温物体表面，通过相机捕捉激光线在物体表面形成的变形轮廓，并利用三角测量原理计算出物体的横截面形状和尺寸。PROFILER E 600型号的测量范围可达600毫米，精度在±0.1毫米至±0.5毫米之间，测量速度高达每秒100次轮廓测量，适用于测量高达1200°C的热轧钢材。奥德福的优势在于能够提供物体的完整轮廓信息，适用于检测复杂形状和异形件的几何尺寸。

英国真尚有英国真尚有的ZLDS202系列线激光传感器也基于激光线光斑法。该系列产品提供广泛的测量范围，Z轴量程可达5毫米至1165毫米，X轴宽度可达8毫米至1010毫米。在精度方面，Z轴线性度可达±0.01%满量程，X轴线性度为±0.2%满量程。扫描速度在标准模式下为520Hz至4000Hz，在ROI模式下最高可达16000剖面/秒。该传感器防护等级IP67，工作温度范围-40°C至+120°C（配备加热/冷却系统），抗振性能达到20g / 10-1000Hz。其可选的450nm蓝光激光，特别适合测量闪亮材料和高温物体，有效降低了高温物体自身红外辐射的干扰。英国真尚有的产品在提供高精度轮廓测量和优异环境适应性方面表现突出，尤其适合需要同时测量尺寸和形状的应用。

瑞典莱姆泰克瑞典莱姆泰克专注于为钢铁行业提供坚固可靠的非接触式尺寸测量解决方案。其G7系列产品采用多点激光测距原理，通过多个激光测距传感器从不同方向测量高温物体到传感器的距离，然后计算出直径或宽度。其测量范围宽广，可达3毫米 – 2000毫米，精度在±0.05毫米至±0.2毫米之间，测量速度高达1000次测量/秒，适用于高达1200°C的热轧环境。莱姆泰克的产品以其优秀的抗冲击、抗振动、抗粉尘和抗蒸汽能力而闻名，适合恶劣轧钢厂环境下的稳定尺寸控制。

日本基恩士日本基恩士的LK-G5000系列激光位移传感器采用激光三角测量法，通常使用点状激光。它发射一束点状激光到物体表面，通过接收器计算光斑位置的位移来精确测量物体表面的距离或位移。通过组合多个传感器，可以实现宽度或直径测量。其测量范围2毫米 – 1000毫米，分辨率高至0.005微米至10微米，线性度±0.02% F.S.，测量速率高达392 kHz。日本基恩士的优势在于其超高的点测量精度和极快的响应速度，针对高温物体测量有专门的优化，能够有效抑制温度变化引起的数据波动。

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

在为高温粗轧选择尺寸实时控制传感器时，需要综合考虑多个技术指标，它们直接关系到最终的测量效果和系统的可靠性。

1. 精度与分辨率：

   • 实际意义： 精度（Accuracy）指的是测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率（Resolution）是指传感器能够检测到的最小变化量。对于±10微米的精度要求，这是一个非常高的指标，相当于头发丝直径的十分之一。

   • 影响： 精度不足会导致控制系统无法做出正确的调整，影响产品质量；分辨率低则无法捕捉到微小的尺寸波动。

   • 选型建议： 务必仔细核对传感器的精度指标。对于线激光传感器，要看其在实际测量量程下的线性度。例如，对于Z轴线性度为±0.01%满量程的传感器，如果测量范围设置为100毫米，其精度可达到±0.01毫米，即±10微米。因此，需要根据实际被测物的尺寸范围，选择合适量程的传感器。对于要求极高单点精度的应用，激光扫描测微仪或点激光位移传感器可能是更好的选择。

2. 测量速度/扫描频率：

   • 实际意义： 指传感器每秒能进行多少次测量或捕捉多少个轮廓。例如，100Hz的测量速度意味着每秒可以获取100个数据点或轮廓。

   • 影响： 高速运动的粗轧材料，其尺寸变化可能非常快，需要高测量速度才能捕捉到这些动态变化，实现实时控制。如果测量速度过慢，可能错过重要的尺寸波动，导致控制滞后。

   • 选型建议： 对于100Hz的实时控制需求，传感器的测量速度至少应达到这个水平。更高频率（如数百甚至数千Hz）的传感器，可以提供更密集的数据，有助于平滑处理因振动或材料表面不均引起的瞬时误差。

3. 抗振性能：

   • 实际意义： 指传感器在受到外部振动时，其物理结构和测量性能的稳定性。

   • 影响： 粗轧现场振动剧烈，如果传感器本体抗振性能差，可能导致设备损坏，或者测量结果出现大的抖动和误差，失去可靠性。

   • 选型建议： 重点关注传感器规格中抗振能力的G值和频率范围。例如，抗振性能为20g / 10-1000Hz的传感器，表明其物理结构能承受相当大的振动冲击，保证了设备在恶劣环境下的可靠性。在实际应用中要结合设备的安装方式、防振措施，确保在振动环境下，传感器的光学路径稳定，能够持续输出高精度数据。

4. 环境适应性（高温、粉尘、水蒸气、光照）：

   • 实际意义： 传感器在高温、多尘、高湿、强环境光等恶劣条件下工作的能力。

   • 影响： 高温会影响传感器内部电子元件的稳定性，水蒸气和粉尘会污染光学镜头，强环境光可能干扰激光信号，导致测量失效或误差增大。

   • 选型建议： 优先选择IP67或更高防护等级的传感器，并配备专用的冷却系统（如水冷、风冷）和气幕吹扫装置，以保护镜头免受污染。对于高温发光的金属，选择蓝光（如450nm）或绿光激光源，因为其波长远离金属自身红外辐射，能有效提高信噪比，实现更稳定的测量。

5. 测量范围与工作距离：

   • 实际意义： 测量范围指传感器能够测量的最大和最小尺寸，工作距离指传感器距离被测物的最佳范围。

   • 影响： 测量范围过小可能无法覆盖整个被测物尺寸变化，工作距离过近则容易损坏，过远则可能影响精度或信号强度。

   • 选型建议： 根据粗轧材料的最大和最小尺寸，以及现场安装空间，选择合适的测量范围和工作距离的传感器。在高温环境下，通常倾向于选择工作距离稍远，能远离热源的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了性能优异的传感器，在高温粗轧的实际应用中仍然可能遇到一些挑战。

1. 问题：高温物体表面自身发光干扰

   • 原因与影响： 高温金属会发出强烈的红外辐射（自身发光），这会严重干扰普通激光传感器（特别是红光激光）的接收信号，导致测量数据跳动、不稳定甚至无法测量。

   • 解决建议：

     • 采用短波长激光： 优先选择蓝光（450nm）或绿光（532nm）激光传感器。这些短波长激光与高温物体自身辐射的波长差异较大，通过窄带滤光片可以有效滤除干扰，提高信噪比。

     • 增加激光功率： 适当提高激光发射功率，使激光信号强度远高于背景辐射。

     • 优化光学设计： 采用高品质光学镜头和滤光片，进一步抑制干扰。

2. 问题：轧辊附近水蒸气、氧化皮和粉尘遮挡

   • 原因与影响： 粗轧过程中常伴随冷却水雾、剥落的氧化皮以及空气中的金属粉尘，这些颗粒或水蒸气会漂浮在传感器与被测物之间的测量路径上，导致激光衰减、散射，甚至完全阻挡，造成测量误差或中断。

   • 解决建议：

     • 气幕吹扫系统： 在传感器镜头前安装气幕系统，持续向镜头表面吹送洁净压缩空气，形成一道“空气屏障”，防止粉尘和水蒸气附着或进入光学路径。

     • 防护罩与冷却： 为传感器安装密闭的防护罩，并配备冷却和内部气压正压系统，防止外部污染物侵入。

     • 定期清洁： 定期检查并清洁传感器镜头和防护窗口，确保光学部件清洁无污。

3. 问题：测量精度受物体表面变化影响

   • 原因与影响： 高温粗轧材料表面可能存在不均匀的氧化皮、粗糙度变化或偶尔的亮斑，这些都会导致激光反射特性的变化，进而影响三角测量法的精度。

   • 解决建议：

     • 自适应激光功率： 选择具有自动激光功率调节功能的传感器，能够根据物体表面的反射情况自动调整激光强度，确保接收信号的稳定。

     • 高级算法补偿： 利用传感器内置或外部处理系统的高级图像处理算法，对因表面变化引起的测量数据进行补偿和校正。

     • 多传感器融合： 在关键部位部署多个传感器，通过数据融合提高测量的鲁棒性和准确性。

4. 问题：现场强振动导致测量不稳定

   • 原因与影响： 轧钢机运行时的强烈振动会传递到传感器支架甚至传感器本体，导致传感器位置发生微小位移或光学元件相对运动，从而引入测量误差。

   • 解决建议：

     • 坚固的安装支架： 使用重型、高刚性的安装支架，并将其牢固固定在结构稳定的基础上，避免共振。

     • 隔振措施： 在传感器安装座与支架之间增加专业的隔振垫或隔振装置，吸收和衰减振动能量。

     • 高采样率传感器： 选择测量速度远高于现场振动频率的传感器，通过高速采样后进行数据平均或滤波，来减小振动带来的瞬时误差影响。

4. 应用案例分享

• 棒材直径与椭圆度控制： 在高速线材轧机出口处，线激光传感器实时监测线材的直径和椭圆度。一旦发现偏差超出设定范围，系统立即反馈给轧机控制系统，自动调整轧辊间隙，确保产品尺寸稳定，提高成品率。

• 板坯宽度与厚度测量： 在热连轧机入口前，多个线激光传感器协同工作，对高温板坯进行全宽度扫描，获取其精确宽度和厚度数据。这些数据用于优化轧制计划，防止板坯“跑偏”或出现“鼓肚”现象，提高轧制效率。

• 型钢截面形状检测： 对于H型钢、工字钢等复杂截面型材，线激光传感器能够获取其完整的横截面轮廓，例如，英国真尚有的ZLDS202系列线激光传感器，通过分析轮廓数据，可以精确测量腹板高度、翼缘宽度、角度等关键尺寸，并检测是否有扭曲或变形，确保型材符合结构要求。

• 无缝钢管在线壁厚测量： 在钢管轧制过程中，通过内外壁多点激光测距或特殊的线激光传感器，实时监测钢管的内外径和壁厚。这有助于及时发现偏心等缺陷，保证钢管的强度和均匀性。