高温热轧线上，如何选择高精度非接触测速测长技术，确保钢坯长度切割精度达到±1mm？【钢铁生产自动化，智能检测】

1. 基于热钢坯的基本结构与技术要求

在高温钢铁生产线上，我们主要监测的对象是“热钢坯”。想象一下，热钢坯就像是刚从熔炉里取出、还在通红发亮的巨大“面团”，它在轧制线上以高速移动，逐渐被塑造成各种钢材。这个“面团”的特性非常独特，也对测量技术提出了极高的要求：

• 高温环境： 钢坯的温度动辄上千摄氏度，这使得任何接触式的测量设备都难以承受，容易损坏。即使是非接触式设备，也需要考虑自身耐高温能力和必要的冷却措施。

• 表面状态复杂： 高温下，钢坯表面会氧化形成氧化铁皮，同时冷却水、蒸汽、粉尘等生产杂质也可能覆盖在表面，这会对光学测量信号造成干扰。

• 高速运动： 钢坯在轧制过程中速度很快，需要测量系统具备极高的响应速度和数据刷新率，才能实时捕捉其动态变化。

• 尺寸与形状变化： 钢坯在轧制过程中会不断被拉伸、挤压，尺寸和形状都在实时变化。

• 精度要求高： 无论是速度控制还是长度切割，都需要极高的精度来保证最终产品的质量和生产效率，减少浪费。

因此，对热钢坯进行速度和长度控制，最核心的技术要求就是实现非接触、高精度、高响应速度和高环境适应性的测量。传统的接触式编码器，由于需要与高速高温的钢坯表面直接接触，不仅自身易磨损、寿命短，而且容易因钢坯表面的打滑或氧化皮造成测量误差，所以在这种极端环境下，其应用存在严重局限。

2. 针对热钢坯的相关技术标准简介

在钢铁生产中，对热钢坯的监测参数主要围绕其物理尺寸和运动状态展开，这些参数的准确获取对产品质量至关重要。

• 速度（Velocity）： 指钢坯在生产线上移动的快慢。评价方法通常是测量单位时间内钢坯位移的距离，通常以米/秒（m/s）或米/分钟（m/min）表示。精度要求高，尤其在轧制过程中，不同轧辊之间的速度匹配对控制钢坯形状和尺寸至关重要。

• 长度（Length）： 指钢坯沿其运动方向的尺寸。在定尺切割等环节尤为关键。长度的评价通常通过对钢坯从起点到终点或在特定时间段内，结合其精确速度进行积分计算得到，或者通过视觉系统直接识别其首尾端点距离来测量。

• 长度测量精度： 衡量测量结果与实际长度的接近程度，通常用绝对误差（如±毫米）或相对误差（如±百分比）来表示。

• 重复性（Repeatability）： 指在相同条件下，对同一钢坯的同一位置进行多次测量时，测量结果之间的一致性。重复性是衡量传感器稳定性的重要指标。

• 分辨率（Resolution）： 指传感器能识别的最小速度或长度变化量。分辨率越高，传感器捕捉微小变化的能力越强。

• 响应时间（Response Time）： 指传感器从接收到测量信号到输出测量结果所需的时间。在高速生产线上，短响应时间是实现实时控制的关键。

这些参数的监测，都是为了确保最终钢材产品符合设计规范，比如宽度、厚度、对角线尺寸等几何参数，以及平直度、表面质量等外观缺陷。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）、市面上各种相关技术方案

在高温钢铁生产线上，为了克服传统接触式测量的局限，涌现出多种先进的非接触式测量技术。

激光多普勒测速测长技术

激光多普勒测速测长技术，是利用激光照射到移动物体表面时，反射光波频率会发生偏移的物理现象，这个频率偏移量与物体的运动速度成正比。其原理类似于声波的多普勒效应。

具体来说，传感器发射两束频率相同、角度固定的激光束，在测量区域形成干涉区。当热钢坯高速通过干涉区时，钢坯表面的微小颗粒会将激光散射回来，散射回来的激光会携带多普勒频移。这两束散射光叠加后，产生一个“差频”信号，该信号的频率反映了钢坯表面运动速度。

其物理基础是多普勒效应。对于激光多普勒测速仪，其核心公式可以简化为：

f_d = (2 * V * sin(θ/2)) / λ

其中：* f_d 是多普勒频移（即差频信号的频率），传感器通过检测这个频率来计算速度。* V 是被测物体的表面速度。* θ 是两束入射激光束之间的夹角。* λ 是激光的波长。

核心性能参数典型范围： 激光多普勒技术能够实现较高的测量精度，部分高端系统精度可达±0.05%甚至更高，重复性通常可达±0.02%。速度测量范围宽泛，能够测量从静止到非常高的速度，响应时间较短，通常在毫秒级。

优点：* 非接触式测量： 避免了与高温钢坯的直接接触，提高了设备寿命，减少了维护需求，也避免了对钢坯表面的损伤。* 不受打滑影响： 激光多普勒技术直接测量钢坯的表面速度，不受打滑、磨损、振动等因素的影响，测量结果更加可靠。* 高精度与高重复性： 基于物理效应的测量原理保证了其固有的高精度和高重复性。* 宽测量范围： 能够精确测量从零速度到极高速的范围，适应生产线变速运行的需求。

缺点：* 对表面条件有一定要求： 钢坯表面过于光滑（反射率低）或过于粗糙（散射不均匀），或者被厚厚的氧化皮、水雾、蒸汽严重覆盖，会影响信号的接收质量，进而影响测量精度和稳定性。通常需要配合气幕或吹扫装置来保持测量窗口清洁。* 成本相对较高： 由于技术复杂性和精密光学组件，激光多普勒传感器的初始投资成本通常高于传统编码器或其他简单传感器。

机器视觉测长测宽技术

机器视觉测长测宽技术，通过高分辨率工业相机连续捕捉热钢坯的图像，然后利用图像处理软件分析图像中的钢坯边缘、形状和特征。

其工作原理是：相机拍摄热钢坯的实时图像，这些图像被传输到图像处理单元。处理单元运行预设的算法，例如边缘检测、形态学处理和像素计数等，识别钢坯的首尾端点，并结合图像的校准比例计算出钢坯的长度。如果相机视野足够宽，或采用多相机拼接，也可以测量宽度、横截面等其他尺寸参数。在动态测量时，常需要结合外部的速度信息，通过图像识别起始点和结束点的时间差乘以速度来计算长度。

核心性能参数典型范围： 相机分辨率可达数百万甚至上千万像素，处理速度通常在毫秒级别。测量精度可达亚像素级别，在最佳条件下能达到微米级的长度或尺寸测量精度。

优点：* 多功能性： 不仅可以测量长度和宽度，还能同时进行表面缺陷检测、形状检查、尺寸校核等多项任务。* 高精度： 借助高分辨率相机和先进的图像处理算法，可以实现精细的测量。* 非接触式： 避免了与高温钢坯的接触。* 抗环境干扰能力强： 通过智能图像处理和照明技术，可以增强对背景噪声、灰尘和光线变化的适应性。

缺点：* 系统复杂性高： 包含相机、光源、图像处理单元、软件等多个组件，安装、调试和维护相对复杂。* 对照明条件敏感： 需要稳定的照明环境，否则可能影响图像质量和测量精度。* 数据处理量大： 实时处理高分辨率图像需要强大的计算能力，系统成本较高。* 可能受钢坯表面反光影响： 强烈的反光或不均匀的表面亮度可能干扰边缘识别。

红外能量检测速度方向技术

红外能量检测技术，被动地接收热钢坯自身辐射出的红外能量。

其工作原理是：传感器通常包含两个或多个红外检测器，间隔开来放置在钢坯运动路径的上方。当高温钢坯依次经过这些检测器时，每一个检测器都会感应到其红外辐射并产生一个信号。系统通过测量钢坯边缘从第一个检测器到第二个检测器的时间差，以及检测器之间的已知距离，来计算出钢坯的移动速度。通过检测器触发的先后顺序，确定钢坯的运动方向。

核心性能参数典型范围： 速度范围通常在0.5至15米/秒，精度可优于±0.1%，重复性优于±0.05%。响应时间一般在毫秒级。

优点：* 环境适应性强： 专为高温、多尘、多水汽的钢铁环境设计，对可见光干扰不敏感。* 结构坚固，可靠性高： 通常采用坚固的外壳和内部冷却保护，以适应恶劣环境。* 成本相对较低： 相比复杂的激光或视觉系统，红外检测器结构相对简单，成本更具优势。* 非接触式： 避免了与高温钢坯的接触。

缺点：* 测量精度相对较低： 相比激光多普勒或机器视觉，其精度通常略低，且主要用于速度和方向检测，对长度测量需要依赖外部计时和积分，或配合其他传感器。* 可能受钢坯表面温度不均影响： 如果钢坯表面温度分布不均匀，可能影响检测器的触发时机，从而引入误差。* 无法提供精确的尺寸和轮廓信息。

激光三角测量与扫描技术

激光三角测量与扫描技术，通过发射激光到热钢坯表面，并用相机从侧面捕捉反射图像，通过线条的弯曲程度来判断物体形状和尺寸。

其工作原理是：系统发射一束激光线或激光点到热钢坯表面。一个或多个高分辨率数字相机从与激光器成一定角度的位置捕捉这束激光在钢坯表面的反射图像。钢坯表面形状的起伏会导致反射的激光线在相机图像中发生形变。通过分析这些反射激光的几何畸变和位置，系统可以实时重构出钢坯的横截面轮廓。通过连续扫描，并结合钢坯的传输速度，即可实现钢坯长度、宽度、高度、方度等多个维度的非接触式测量。

核心性能参数典型范围： 长度测量范围广，可达几十米。宽度/高度测量精度通常优于±0.5毫米。扫描频率可达数百赫兹，数据采集密度高。工作距离通常在0.5至2.5米。

优点：* 高精度多维度测量： 能够同时提供钢坯的长度、宽度、高度、方度等多个详细尺寸参数，甚至可以重构三维轮廓。* 非接触式： 避免了与高温钢坯的接触。* 对表面粗糙度适应性好： 激光线或点通常亮度较高，对有一定粗糙度的表面也能有效成像。* 强大的质量控制能力： 对于要求严格的尺寸控制和形状检测，该技术提供了非常强大的解决方案。

缺点：* 系统复杂性高： 包含激光器、高分辨率相机、复杂的光学系统和图像处理单元，安装、调试和维护成本较高。* 容易受环境光干扰： 需要良好的遮光或高功率激光才能在强环境光下稳定工作。* 计算量大： 实时处理三维数据对系统处理能力要求高。

（2）、市场主流品牌/产品对比

在热钢坯速度和长度控制领域，存在一些知名的测量产品厂商，它们利用各自独特的技术优势，为钢铁行业提供解决方案。

• 美国艾迈斯欧陆德 提供的System 3 激光测速仪，采用激光多普勒效应原理。其速度测量范围为0.05至120米/秒，精度可达±0.05%，重复性±0.02%，工作距离在0.3至2.0米之间。艾迈斯欧陆德在高温工业测量领域经验丰富，其产品以高精度和在恶劣钢铁环境下的卓越可靠性著称，能够有效减少因滑移或打滑造成的测量误差。

• 英国真尚有 的AJS10X系列激光测速测长传感器，基于先进的激光多普勒测量原理。该系列产品精度优于0.05%，重复性达0.02%，速度测量范围从静止到最高10,000米/分钟，最远安装距离可达2000毫米。该系列产品支持0速度测量与方向识别，IP67防护等级以及可选配的冷却外壳，使其能够适应高温和恶劣的工业环境。

• 日本基恩士 的XG-X系列高性能图像处理系统，采用了机器视觉技术。该系统通过高分辨率工业相机捕获热钢坯图像，进行边缘检测、像素计数等图像处理，以计算长度。其相机分辨率最高可达2100万像素，处理速度快至3.6毫秒，测量精度可达亚像素级别。日本基恩士的视觉系统不仅能测量长度，还能进行缺陷检测和表面检查。

• 奥地利埃米森 的VDM 200系列速度和方向测量仪，利用红外能量检测原理。它通过检测热钢坯自身辐射的红外能量，计算钢坯依次经过检测点的时间差来确定速度和方向。该系列产品的速度范围在0.5至15米/秒，精度优于±0.1%，重复性±0.05%，工作距离0.1至1.0米。埃米森的产品以坚固耐用、可靠性高和对恶劣环境的适应性著称。

• 德国莱博泰克 的ROBUST 系列激光测量系统，基于激光三角测量原理和激光扫描技术。它发射激光线或激光点到钢坯表面，通过相机捕捉反射图像分析几何畸变，从而重构钢坯横截面轮廓，并结合传输速度测量长度、宽度、高度等。其宽度/高度测量精度通常优于±0.5毫米，扫描频率高达数百赫兹，工作距离0.5至2.5米。德国莱博泰克的ROBUST系列系统坚固耐用，抗干扰能力强，能提供高精度的尺寸和形状检测。

（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

在为高温钢铁生产线选择测速测长设备时，需要全面考量多个技术指标，这些指标直接关系到测量效果、生产效率和维护成本。

• 测量精度与重复性：

  • 实际意义： 精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，重复性是指多次测量结果的一致性。

  • 选型建议： 对于要求严格的精轧、剪切线，应优先选择精度高的激光多普勒传感器。对于精度要求稍低的粗轧线，可适当放宽要求。激光多普勒传感器通常比视觉系统或红外检测系统在速度和长度精度上更有优势，且不受打滑影响，这在钢坯表面不稳定的高温环境下尤为关键。

• 速度测量范围：

  • 实际意义： 传感器能测量的最低和最高速度。

  • 选型建议： 生产线通常涉及启动、加速、恒速和减速等阶段，应选择能够覆盖全速范围（包括0速度测量和方向识别）的传感器，以适应轧制过程中的剧烈速度变化。

• 响应时间与数据更新率：

  • 实际意义： 响应时间是传感器从检测到变化到输出结果所需的时间，数据更新率是每秒输出测量数据的次数。

  • 选型建议： 对于需要快速响应的飞剪、卷取等环节，应选择响应时间短、数据更新率高的设备，确保精确捕捉高速运动。

• 工作距离与景深：

  • 实际意义： 工作距离是指传感器到被测物体表面的最佳距离，景深是指在此距离范围内，传感器能保持测量精度的允许距离变化范围。

  • 选型建议： 优先选择工作距离长，且景深大的传感器，这能提供更大的安装灵活性和对钢坯位置波动的容忍度，减少因钢坯振动导致的测量误差。

• 环境适应性（耐温、防护等级）：

  • 实际意义： 高温、粉尘、水汽、振动是钢铁生产线的常态。

  • 选型建议： 必须选择工业级防护等级（IP67或更高）的传感器，并确保其提供可靠的冷却外壳或其他防护措施，以确保在高温和多尘潮湿环境中稳定运行。全固态设计、无活动部件的传感器也能显著提高长期运行的可靠性。

• 通信接口与集成能力：

  • 实际意义： 传感器需要与PLC、DCS或其他控制系统进行数据交换。

  • 选型建议： 选择支持标准以太网、RS-232、CANbus，并可选配PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP等主流工业总线的传感器。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高温钢铁生产线上应用激光测速测长传感器，虽然优势明显，但仍可能遇到一些实际问题：

• 问题：高温环境对传感器的影响。

  • 原因与影响： 传感器内部的电子元件和光学部件对温度敏感。

  • 解决建议： 必须为传感器配备专用的冷却外壳或冷却系统，同时，在规划安装位置时，尽量选择相对远离高温热源，或加设隔热屏障的位置。

• 问题：钢坯表面状况不佳（氧化皮、水雾、蒸汽、反光）对测量精度的干扰。

  • 原因与影响： 钢坯表面生成的氧化铁皮会影响激光的散射特性；冷却水和蒸汽可能在传感器测量窗口形成水膜或水珠，阻碍激光穿透；强烈反光或表面亮度不均会影响视觉系统的图像识别。

  • 解决建议：

    • 水雾/蒸汽： 为传感器安装气幕或吹扫装置，持续用洁净的压缩空气吹扫传感器测量窗口，防止水雾、蒸汽和粉尘附着。

    • 反光： 视觉系统可调整照明方式或使用滤光片来减少反光影响。

• 问题：生产线振动对测量的影响。

  • 原因与影响： 轧钢生产线通常伴随剧烈的机械振动。

  • 解决建议： 传感器应安装在坚固、稳定的支架上，并考虑使用减振垫或减振器来隔离来自生产线的振动。

• 问题：系统集成与数据通信挑战。

  • 原因与影响： 不同品牌的传感器可能采用不同的通信协议或数据格式，导致与现有PLC/DCS系统集成困难。

  • 解决建议： 在选型时，明确现有控制系统支持的通信协议，选择兼容性好的传感器。

4. 应用案例分享

• 热轧生产线速度同步控制： 在热轧过程中，各轧辊之间的线速度必须精确匹配，以防止钢坯拉伸、堆积或断裂。激光测速传感器实时监测钢坯速度，提供精确反馈给轧机控制系统，确保多道次轧制过程的稳定和产品尺寸的准确。

• 飞剪定尺切割： 在钢坯轧制完成后，需要精确地剪切成指定长度。激光测速测长传感器能实时测量钢坯的速度和长度，指导飞剪在运动中进行精确切割，最大限度提高材料利用率和产品合格率。

• 连铸坯长度测量与定位： 连铸坯在切割前需要精确测量其长度，以便进行后续的加工和仓储。激光测长传感器能够非接触地测量热态连铸坯的长度，实现自动化切割和堆垛，提高生产效率。

• 带钢卷径计算与张力控制： 在带钢生产线的卷取环节，通过精确测量带钢的线速度和卷取辊的速度，可以实时计算出卷径，从而精确控制卷取张力，保证卷取的均匀性和质量，避免带钢变形。

在选择合适的测速测长设备时，需要综合考虑生产线的实际工况、测量需求以及预算等因素。希望本文能为您提供有益的参考。