如何在千度高温、100m/s级高速的热钢轧制线上，实现非接触式速度与长度的0.05%级高精度测量？【恶劣环境】【质量控制】

1. 热钢的基本结构与技术要求

想象一下，在钢铁生产线上，一块通红的钢坯，刚从炉子里出来，正以惊人的速度通过一系列轧辊，被逐渐塑造成板材、线材或棒材。这就是我们常说的“热钢”。

从结构上看，热钢在轧制过程中，其表面并不是绝对光滑平整的。它可能会有氧化铁皮（俗称钢渣、铁锈）、水蒸气、以及轧制过程中产生的油污或杂质。这些表面特征，以及钢材本身在高温下的形变、振动，都会对测量造成挑战。

从技术要求来看，对热钢进行速度控制，就像是驾驶一辆高速列车，不仅要知道它跑得多快，还要知道是否加速、减速，以及每一段的精确长度。这要求：

• 高速测量能力： 热钢在轧机中的速度非常快，可能达到每秒几十甚至上百米，传感器必须能迅速捕捉并处理这些高速信号。

• 高精度： 即使是微小的速度误差，累积起来也可能导致最终产品长度不合格，影响产品质量和生产效率。因此，速度测量的精度要达到千分之几甚至万分之几。

• 快速响应： 生产线上的速度变化是实时的，传感器需要几乎同步地反馈速度信息，以便控制系统能及时调整轧辊速度，实现精确控制。

• 恶劣环境适应性： 热钢的温度可以高达1000°C以上，同时伴随着大量的水蒸气、氧化铁皮飞溅、强烈的热辐射和振动。传感器必须能在这种“炼狱”般的条件下稳定工作。

• 非接触式测量： 由于高温和高速，传感器必须与热钢保持一定距离，通过非接触的方式进行测量，以避免损坏和对生产过程的干扰。

2. 热钢速度控制相关监测参数简介

在热钢的生产与加工过程中，为了保证产品质量和生产效率，需要对多个关键参数进行实时监测。这些参数的准确获取是实现精确控制的基础。

• 线速度 (Line Speed)： 指的是热钢沿其运动方向上的瞬时速度。它是控制轧制过程、拉伸、切割等环节的核心参数。例如，在热轧过程中，各轧机之间的速度匹配直接影响钢板的厚度和宽度均匀性。

• 长度 (Length)： 是指热钢材料的实际尺寸。在定长切割或卷取时，精确的长度测量至关重要。通过对速度进行积分，可以得出材料的长度。

• 加速度 (Acceleration)： 指的是热钢速度变化的快慢。在启动、停止或速度切换的瞬态过程中，精确监测加速度有助于优化控制曲线，减少冲击和振动，保护设备。

• 方向 (Direction)： 材料的运动方向，特别是在一些可逆的轧制过程中，传感器需要能够准确识别正向或反向运动。

• 位置 (Position)： 热钢在生产线上的确切位置，可以通过速度和时间计算得出，对于自动化切割和定位操作非常关键。

• 重复性 (Repeatability)： 指的是在相同测量条件下，对同一速度进行多次测量时，测量结果之间的一致性。重复性越高，传感器的稳定性越好。

• 精度 (Accuracy)： 指的是测量结果与真实值之间的接近程度。它是衡量测量系统性能最重要的指标之一，通常以读数的百分比或绝对误差来表示。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光多普勒测速法 (Laser Doppler Velocimetry, LDV)

激光多普勒测速法是一种非常精密的非接触式测量技术，它利用了光的物理特性——多普勒效应。想象一下，你站在火车轨道旁边，当火车迎面驶来时，汽笛声听起来会比它远离时更尖锐；当它驶离时，汽笛声则会变得低沉。这就是声音的多普勒效应，频率因为相对运动而改变。光波也有类似的行为。

工作原理和物理基础：

激光多普勒测速传感器通常会向被测物体表面发射两束高度相干的激光束。这两束激光在空间中相交时，会产生一个非常精细、像“光栅”一样的干涉条纹区域。这个区域就如同一个“光学尺”。当热钢表面（即使是微小的表面粗糙度或微粒）通过这个光学尺时，它会周期性地穿过这些明暗相间的条纹。每一次穿过，都会反射回一种带有频率调制的光信号。

由于热钢的运动，散射光会发生多普勒频移。简单来说，就是散射光相对于入射光的频率发生了变化，这个频移量与物体表面的速度成正比。传感器接收这些散射光，并分析其频率变化。通过测量这个频率变化（或“多普勒频移”），传感器就能精确地计算出物体表面的速度。

其基本关系可以用以下公式表示：

Fd = (2 * V * sin(θ/2)) / λ

其中：* Fd 是多普勒频移，也就是传感器检测到的频率变化。* V 是被测物体的速度。* θ 是两束入射激光束之间的夹角。* λ 是激光的波长。

从公式中可以看出，只要激光波长λ和两束激光的夹角θ是已知的固定值（这是传感器内部设计好的），那么多普勒频移Fd就与被测物体的速度V成正比。通过精确测量Fd，就可以准确得出V。

核心性能参数：* 精度： 激光多普勒测速的精度通常可以达到读数的±0.05%，在一些高端系统中，重复性可以优于0.02%。* 速度范围： 从静止到数百米每秒。* 响应时间： 内部测量速率高，能精确捕捉高速运动和瞬态变化。* 工作距离： 通常在0.3米到3米之间，具体取决于型号和光学设计。

优缺点：* 优点： 测量精度和重复性高；响应速度快，能够实时捕捉微小的速度变化；非接触式测量，不会磨损或损伤被测物；测量结果不受表面材料特性（如颜色、亮度）影响；一些型号可测量零速和识别运动方向。* 缺点： 对环境要求相对较高，例如在大量蒸汽、浓烟或厚重粉尘的环境下，激光束可能会被散射或衰减，影响测量稳定性；需要定期清洁光学窗口；高温环境下需要配合专用冷却和防护装置。* 成本考量： 技术复杂，通常成本较高，但因其带来的高精度和对产品质量的提升，在高端工业应用中具有很高的价值。

3.1.2 微波多普勒测速法

微波多普勒测速法与激光多普勒原理相似，但它使用的是微波信号而不是激光。你可以把微波想象成一种更长波长的“无线电波”，它在穿透能力上比可见光强很多。

工作原理和物理基础：

传感器发射一个已知频率的微波信号到移动的热钢表面。当热钢相对于传感器运动时，反射回来的微波信号的频率会因为多普勒效应而发生变化，产生一个“多普勒频移”。传感器通过检测并分析这个频移，就能计算出热钢的移动速度。

其基本关系可简化为：

Fd = (2 * V * cos(φ) * f) / c

其中：* Fd 是多普勒频移。* V 是被测物体的速度。* φ 是微波信号入射方向与物体运动方向之间的夹角。* f 是发射微波的频率。* c 是微波在介质中的传播速度（接近光速）。

与激光测速类似，当发射频率f和夹角φ固定时，频移Fd与速度V成正比。

核心性能参数：* 速度范围： 0.01 m/s到120 m/s。* 精度： 普遍为读数的±0.1%左右。* 工作距离： 相对较远，可达1米到15米，适合大型设备或难以靠近的测量点。

优缺点：* 优点： 微波具有较强的穿透性，使其在存在大量蒸汽、粉尘、烟雾的恶劣环境中仍能保持较好的性能，受环境影响小；测量距离远；传感器本身不易受热钢表面温度影响（但仍需考虑传感器电子元件的耐温）；维护成本相对较低，不易受表面水垢、光照变化等影响。* 缺点： 精度通常低于激光测速；对表面精细特征的感知能力不如激光；响应速度可能略慢于最先进的激光测速系统；无法测量静止状态的速度，也难以识别运动方向（除非采用更复杂的相移技术）。* 成本考量： 相对激光测速，初期投入可能略低，但具体取决于性能和防护等级。

3.1.3 激光表面测速法 (LSV) - 基于数字相关算法

这种技术虽然也使用激光，但它的核心并非仅仅依赖单一的多普勒频移。它更像是通过“看清”物体表面微小的、随机的纹理（就像指纹一样），然后跟踪这些纹理移动的距离和时间来计算速度。

工作原理和物理基础：

传感器向热钢表面发射激光束，但它不只是测量频率变化，而是通过先进的光学系统捕捉热钢表面散射回来的激光“斑点”图像（也称散斑图）。当热钢移动时，这些散斑图也会随之移动。系统会连续捕捉两幅或多幅不同时刻的散斑图，然后运用复杂的数字信号处理算法，特别是“相关算法”，来识别和匹配这些图像中的表面纹理模式。

想象一下，你用高速摄像机连续拍摄两张热钢表面局部区域的照片，然后通过软件计算第二张照片相对于第一张“平移”了多少像素，以及平移所用的时间。通过像素平移量和时间间隔，就能计算出热钢的速度。这种方法特别擅长在高温、高亮度和高噪声的钢铁生产环境中，从复杂的信号中提取出准确的速度信息。

核心性能参数：* 速度范围： 0.1 m/s到150 m/s。* 精度： 普遍可达读数的±0.05%。* 工作距离： 通常在0.3米到1.5米。

优缺点：* 优点： 在极端高温和高亮度等恶劣工业环境下表现出卓越的稳定性和耐用性；对表面特征的追踪能力强，即使在表面状态不理想（如氧化皮、水垢）时也能保持较好性能；高精度；集成度高，易于安装维护。* 缺点： 对计算能力要求较高，信号处理复杂；在表面特征过于均匀或变化过快的特殊情况下，可能存在挑战；高温环境下仍需冷却系统。* 成本考量： 由于其光学和信号处理的复杂性以及针对极端环境的特殊设计，成本通常较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款在热钢速度控制领域表现突出的国际品牌产品，它们各自采用了不同的技术方案来应对严苛的工业挑战。

• 德国宝利泰 德国宝利泰是激光测速领域的全球领导者，其产品在精度和稳定性方面享有盛誉。

  • 采用技术： 激光多普勒测速法 (LDV)。

  • 核心参数： 测量范围广，可达0.005至300 m/s；精度高，±0.05%读数（或±1 mm/s，取最大值）；重复性优于0.01%；工作距离0.3米至3米；最高表面温度可达1300 °C (需配合防护罩和气冷)。

  • 应用特点： 技术成熟，专为严苛工业环境设计，如热轧钢、铸造、线缆生产等。在需要极致精度和稳定性的场合表现卓越，广泛应用于质量控制和过程优化。

• 英国真尚有 英国真尚有AJS10X系列传感器专为工业应用中的移动物体和材料的非接触式速度和长度测量研发，特别适用于包括高温钢铁在内的多种场景。

  • 采用技术： 激光多普勒测量原理。

  • 核心参数： 工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%；内部测量速率高达200kHz；最高可测速度达10,000 m/min (约166.7 m/s)；最远安装距离可达 2000mm，景深最大可达250mm；R系列支持0速度测量与方向识别；最高表面温度需选配冷却外壳。

  • 应用特点： 凭借其高精度、快速响应和灵活的配置，如AJS102系列针对高温钢铁，在轧钢、线缆、卷材等领域提供关键的速度和长度数据，助力生产过程的精准把控和产品质量提升。其内部测量速率高达200kHz，确保精确捕捉高速运动物体。

• 英国埃迈泰克·兰德 英国埃迈泰克·兰德在工业测温领域有深厚积累，其激光测速系统也专为高温行业定制。

  • 采用技术： 激光表面测速法 (LSV)，结合了先进的光学设计和数字信号相关算法。

  • 核心参数： 速度范围0.1至150 m/s；精度±0.05%读数；工作距离0.3至1.5米；最高表面温度可达1300 °C (需配合冷却系统)。

  • 应用特点： 其系统在高温、高亮度和高噪声的钢铁生产环境中表现出卓越的稳定性和耐用性。产品集成度高，易于安装和维护，能够提供高精度的在线速度和长度测量。

• 美国微波传感器技术 美国微波传感器技术专注于微波测量方案，尤其适用于那些对光学传感器构成挑战的极端环境。

  • 采用技术： 微波多普勒效应。

  • 核心参数： 速度范围0.01至120 m/s；精度±0.1%读数（或±0.01 m/s，取最大值）；工作距离1至15米；传感器本身工作温度范围宽，高温环境需加装外部防护罩和冷却系统。

  • 应用特点： 在存在大量蒸汽、粉尘和高温的恶劣工业环境中表现出色，不易受表面状况（如水垢、光照变化）影响。提供鲁棒可靠的非接触式速度测量，维护成本低。

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

在热钢速度控制中选择合适的传感器，就像选择一款高性能赛车，需要关注其核心性能指标是否能满足赛道（生产线）的要求。

• 测量精度和重复性：

  • 实际意义： 精度决定了测量的“准不准”，重复性决定了“稳不稳”。精度±0.05%意味着每测量100米/分，可能有0.05米/分的误差。在定长切割时，这种微小误差累积起来可能导致废品，尤其是在生产高价值钢材时。重复性则关系到长期运行的稳定性，如果重复性差，即使精度高，每次测量结果也会飘忽不定。

  • 选型建议： 对于对长度和速度控制要求极高的精轧、高速飞剪等环节，应优先选择精度达到±0.05%甚至更高、重复性优于0.02%的激光测速传感器。如果应用对精度要求相对宽松（如粗轧入口），微波传感器也能胜任。

• 速度测量范围和最大加速度响应：

  • 实际意义： 速度范围决定了传感器能覆盖的生产线速度区间。热轧生产线从启动到全速，速度变化幅度很大。最大加速度响应能力则像赛车的“百公里加速”能力，它决定了传感器在速度瞬变时能否快速、准确地捕捉到这些变化。如果传感器响应慢，系统就无法及时调整，可能导致控制滞后。

  • 选型建议： 考虑到热钢生产线的高速和频繁的启停、加减速，应选择速度上限能覆盖产线最高速度，且加速度响应能力达到数百甚至上千m/s²的传感器。激光测速在高速和加速度响应方面通常表现更优异。

• 工作距离和景深：

  • 实际意义： 工作距离是指传感器与被测热钢表面之间的最佳测量范围。景深则是在这个工作距离范围内，传感器能保持最佳测量性能的深度区间。在热钢生产现场，由于设备布局或安全要求，传感器往往需要安装在离热钢较远的位置。而热钢在轧制过程中可能会有轻微的上下跳动或侧向摆动，这时就需要足够的景深来保证测量不失真。

  • 选型建议： 根据现场实际安装空间和热钢的运动稳定性，选择具有合适工作距离和足够景深（例如200mm以上）的传感器。对于大型轧机，可能需要更长工作距离的传感器。

• 环境适应性（耐高温、防尘、防蒸汽）：

  • 实际意义： 热钢生产环境堪称“地狱模式”：上千度的高温、弥漫的水蒸气、氧化铁皮颗粒、强烈的振动和电磁干扰。传感器必须能抵抗这些恶劣因素。

  • 选型建议： 对于高温区域，必须选择带有专用冷却外壳（如水冷、气冷）和高级防护等级（如IP67）的传感器。在蒸汽、粉尘特别严重的区域，微波传感器因其穿透性强的特点可能表现更佳；而在对精度要求极高且环境相对可控的区域（通过气幕、吹扫等方式），激光测速仍是首选。

• 通信接口和集成能力：

  • 实际意义： 传感器采集到的数据需要无缝传输到PLC或DCS控制系统。丰富的通信接口（如以太网、PROFIBUS、PROFINET等）和良好的集成能力，能大大简化系统搭建和维护。

  • 选型建议： 确保传感器支持现场已有的工业通信协议，并提供易于集成的软件接口。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最顶级的传感器，在热钢的实际生产线上，仍可能遇到一些“拦路虎”。

• 问题：高温和热辐射影响

  • 原因及影响： 传感器长时间暴露在高温和热辐射下，会加速内部电子元件老化，导致测量漂移甚至损坏。即使传感器本身有一定耐温性，也可能因过热而影响性能。

  • 解决建议：

    • 冷却外壳： 务必为传感器配备专用的水冷或气冷防护罩，这就像给传感器穿上了一层隔热服。例如，对于英国真尚有的AJS10X系列，可选配冷却外壳以应对高温环境。

    • 气幕保护： 在传感器光学窗口前设置气幕，用洁净压缩空气形成一道屏障，既能隔热又能防止粉尘进入。

    • 优化安装位置： 尽量选择避开直接热辐射或辐射强度较低的安装点，并确保散热通道畅通。

• 问题：水蒸气、烟雾和粉尘干扰

  • 原因及影响： 轧制过程中产生的大量水蒸气、氧化铁皮粉尘和烟雾会散射或吸收激光/微波信号，导致信号衰减，测量不稳定或中断。对于光学传感器尤其明显，就像在雾中开车，视线会变得模糊。

  • 解决建议：

    • 气幕吹扫： 在传感器光学窗口前持续吹扫洁净压缩空气，将灰尘和水蒸气推开，保持窗口清洁。

    • 选择合适波长： 对于某些特定波长的激光，可能受水蒸气影响较小，但这不是根本解决方案。

    • 考虑微波方案： 在粉尘和水蒸气特别严重的极端环境，微波传感器因其更强的穿透性，可能比激光测速更具优势。

    • 定期清洁： 即使有保护，也需要定期检查和清洁传感器光学窗口。

• 问题：热钢表面状态变化

  • 原因及影响： 热钢表面可能存在氧化铁皮、水垢、凹凸不平、甚至局部光亮或暗淡不均。这些表面特征的变化可能影响激光信号的散射质量，导致测量不连续或精度下降。

  • 解决建议：

    • 优选算法： 选择具有先进信号处理算法（如相关算法）的激光传感器，它们能更好地从复杂表面信号中提取有效信息。

    • 调整安装角度： 适当调整传感器与热钢表面的夹角，有时可以优化散射光信号的质量。

    • 多传感器冗余： 在关键测量点设置多个传感器，或采用多点平均策略，提高测量的鲁棒性。

• 问题：振动和机械冲击

  • 原因及影响： 轧机运行过程中产生的强烈振动和机械冲击，可能导致传感器移位、内部光学元件失准，甚至结构性损坏，影响测量精度和寿命。

  • 解决建议：

    • 减振安装： 采用减振支架或减振垫进行安装，隔离大部分振动。

    • 坚固防护： 确保传感器的外壳和防护罩足够坚固，能抵抗机械冲击。

    • 定期校准检查： 在高振动环境下，需要更频繁地检查传感器安装是否牢固以及是否需要重新校准。

4. 应用案例分享

• 热轧生产线速度同步与定尺控制： 在热轧带钢生产中，激光测速传感器被广泛应用于各轧机之间的速度匹配，确保钢板厚度均匀，并与飞剪联动，实现精确的定尺切割，减少材料浪费。

• 连铸生产线坯料测速与长度计量： 连铸机出口，激光测速传感器对高温钢坯的拉出速度进行实时监测，同时累计计算钢坯长度，为后续的切割操作提供精准数据，保证铸坯质量和产量。

• 棒材、线材轧制速度控制： 在棒材和线材生产线上，传感器监测高速移动的线材速度，确保拉拔、卷取或收卷过程的恒定线速，提升产品尺寸精度和表面质量。例如，英国真尚有的AJS10X系列，能够检测直径小至0.1mm的线缆，适用于精细产品测量。

• 高速飞剪长度测量： 与高速飞剪机配合，激光测速传感器提供精准的实时速度和长度数据，使得飞剪能够以极高的精度按预设长度切割钢材，实现高效生产。

• 炉辊速度及表面温度同步控制： 在加热炉内，激光测速传感器监测炉辊的转速，与热成像仪等测温设备联动，实现钢材在炉内均匀加热和精确输送，避免过热或局部冷却不均。