面对1000°C高温连铸钢坯，如何选择非接触式激光传感器实现毫米级长度测量与切割精度？【工业自动化、质量控制】

1. 基于高温钢坯的基本结构与技术要求

连铸生产线上的钢坯，通常是指经过铸造、凝固后，但尚未经过轧制或锻造的半成品钢材。这些钢坯在离开结晶器后，会持续处于高达上千摄氏度的高温状态，表面伴随着氧化皮的生成，并可能受到水雾、蒸汽、灰尘等复杂环境因素的影响。

对于钢坯的长度测量，其核心要求不仅是获取一个准确的数值，更是为了保障后续轧制工艺的顺畅以及最终产品的质量。想象一下，如果钢坯的长度测量不准，就好像制作一件家具时，木板的裁剪尺寸不精确，最终会导致零件无法完美匹配，甚至需要返工。在连铸生产中，长度测量的精度直接关系到：

• 切割精度：确保钢坯能按照预设长度进行精确切割，避免浪费，提高材料利用率。

• 工艺控制：为后续的加热、轧制过程提供准确的起始尺寸，优化生产节奏和参数。

• 质量追溯：精确记录每一段钢坯的尺寸信息，便于质量问题的追溯和分析。

• 设备保护：不正确的长度信息可能导致切割设备或输送设备出现故障。

因此，对高温钢坯进行非接触式长度测量时，技术方案需要能应对高温热辐射、表面状况不均一（如氧化皮、光亮度变化）、以及恶劣工业环境的挑战，同时还要保证测量结果的快速性和高精度。

2. 针对高温钢坯的相关技术标准简介

在钢坯的生产和检测过程中，有多种参数需要严格监控和评价，以确保其符合产品标准和后续加工要求。这些参数的定义和评价方法，是衡量钢坯质量的重要依据。

• 钢坯长度：指钢坯切割后，两端面之间的实际距离。评价方法通常是采用高精度测量设备在指定位置进行多点测量，取平均值或比较其与标称值的偏差。在生产线上，实时监测其与设定长度的偏差是关键。

• 断面尺寸：指钢坯垂直于长度方向的横截面尺寸，如方坯的边长、板坯的厚度和宽度。评价方法包括通过视觉或激光测量系统获取其横截面轮廓，计算并比较实际尺寸与设计尺寸的差异。

• 表面质量：指钢坯表面有无裂纹、气孔、凹坑、夹杂等缺陷。评价通常通过肉眼检查、无损探伤（如涡流、超声波）或机器视觉系统进行，以确保表面无影响后续加工和产品性能的缺陷。

• 直线度与扭转：指钢坯沿其轴线方向的弯曲程度和扭转变形。评价方法通常通过激光跟踪、三维扫描等方式，获取钢坯的空间姿态数据，计算其直线度误差和扭转角度。

• 端面质量：指钢坯切割后的端面是否平整、垂直于轴线，有无毛刺、飞边等。评价通常通过目视检查或图像处理技术，检查端面的平整度和垂直度。

这些监测参数共同构成了钢坯质量控制体系，确保每一步生产都能满足严格的技术要求。

3. 实时监测/检测技术方法

连铸高温钢坯的长度测量，因其特殊的工作环境，对传感器的选择提出了极高的要求。目前市面上，非接触式测量方案主要集中在光学和电磁感应两大类，其中激光技术因其独特优势，占据了主导地位。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光三角测量技术（点测量）

激光三角测量技术是工业领域中应用非常广泛的一种非接触式位移和距离测量方法。它的工作原理就像我们用眼睛看物体一样，通过感知物体反射光线的角度变化来判断距离。

工作原理与物理基础：传感器内部会发射一束高度聚焦的激光光束，打到被测物体表面上形成一个光点。当物体的位置发生变化时，这个光点在空间中的反射角度也会随之改变。传感器内部的高分辨率图像传感器（例如CCD或CMOS阵列）会捕捉这个反射回来的光点图像。通过光点在图像传感器上的位置变化，结合传感器内部激光发射器、接收透镜和图像传感器之间精确的几何关系（形成一个固定的“三角”），就可以计算出被测物体与传感器之间的距离。

这个原理可以用一个简单的几何公式来表示：假设激光器与图像传感器之间的距离为基线L，激光发射角度为α，接收角度为β。当物体位于某距离D时，光点在图像传感器上的位置为x。则有：D = L * tan(beta) / (tan(alpha) + tan(beta))或者更简化地，在小角度近似下，物体位移ΔD与光点在图像传感器上的位移Δx成正比。

核心性能参数：* 测量范围：通常在几毫米到数米之间，例如，远距离可达8米甚至更长。* 精度：激光测量精度一般为±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达更高精度。* 分辨率：可达到亚微米级别。* 响应时间：通常为毫秒级，例如5毫秒，非常适合动态测量。* 可测高温物体：部分设计优良的传感器，配合冷却系统，可以直接测量高达1300°C的物体。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高分辨率：尤其在近距离测量时表现出色。 * 快速响应：能够实时跟踪高速运动的物体。 * 非接触式：避免了对高温钢坯的物理接触，保护了传感器，也避免了对钢坯表面的损伤。 * 适应性强：通过调整激光功率和接收增益，可以适应不同表面特性（如光泽度、颜色）的物体。在高温环境下，对钢坯表面氧化层或光亮度的变化有一定的容忍度。* 局限性： * 受环境影响：测量路径上的蒸汽、水雾、粉尘等会散射激光，影响测量精度甚至导致失效。需要配合空气净化系统。 * 对表面倾斜敏感：当被测表面相对于传感器倾斜角度过大时，反射光可能无法被图像传感器有效接收。 * 测量范围与精度权衡：测量范围越大，通常精度会相对下降。* 成本考量：中等到偏高，但考虑到其精度和适用性，在工业应用中具有较高的性价比。

3.1.2 共焦色散技术

共焦色散技术，就像一个“光谱侦探”，它不依赖单一波长的激光束，而是利用白光中不同颜色（波长）的光在光学系统中聚焦深度不同的特性来测量距离。

工作原理与物理基础：传感器发射出包含各种颜色的白光束，这束光经过一个特殊的物镜。这个物镜有一个神奇的特性，它能让白光中不同波长的光聚焦在不同的空间深度上。想象一下，就像彩虹一样，红光可能聚焦在远一点，蓝光聚焦在近一点。当光束打到被测物体表面并反射回来时，只有聚焦在物体表面的那个特定波长的光会以最强的信号强度通过传感器内部的共焦孔径。这个孔径就像一个“守门员”，只允许特定深度的光通过。通过分析反射光中最强的那个波长的光，传感器就能精确计算出物体表面的距离。

核心性能参数：* 测量范围：通常非常短，例如2毫米到28毫米，专注于微小距离的高精度测量。* 线性度：极高，例如在2毫米量程内可达±0.06微米。* 分辨率：极高，例如0.003微米。* 测量速率：可达70 kHz。* 工作温度：传感器探头通常可达200°C，通过冷却附件可进一步提高。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和分辨率：适用于对微观尺寸要求极高的应用。 * 对表面特性不敏感：无论是高光泽、漫反射，甚至透明或半透明的表面，都能提供稳定可靠的测量结果。 * 对倾斜角容忍度高：受表面倾斜角度影响较小。* 局限性： * 测量范围非常有限：不适合大尺寸、长距离的测量。 * 成本极高：通常是所有非接触式传感器中最昂贵的一种。* 成本考量：极高，主要应用于精密制造、半导体等高端领域。

3.1.3 激光飞行时间（Time-of-Flight, TOF）技术

激光飞行时间技术，就像是利用回声定位的原理，它通过测量光线从发出到返回所需的时间来计算距离。

工作原理与物理基础：传感器会发射一个短促的激光脉冲。这个激光脉冲以光速（c）向被测物体传播，打到物体表面后反射回来，被传感器接收。传感器内部会精确测量从激光脉冲发出到接收到反射脉冲所花费的时间（t）。由于光速是已知且恒定的，那么传感器到物体的距离D就可以通过简单的公式计算出来。

公式为：D = (c * t) / 2这里的除以2是因为光线走的是一个来回的路程。

核心性能参数：* 测量范围：通常较长，例如50毫米到1000毫米，甚至更远。* 线性度：例如在1000毫米量程内为±1% FS (±10 mm)。* 重复精度：通常在毫米级别，例如0.5毫米。* 测量速率：可达1000 Hz。* 工作温度：传感器本体通常为-10°C至+60°C，需要额外防护以适应高温。

技术方案的优缺点：* 优点： * 测量距离远：适合需要较大安装距离的应用场景。 * 对物体表面特性不敏感：不像三角测量那样容易受到表面反射率或颜色的影响，因为主要测量的是时间。 * 安装灵活：由于测量距离长，安装位置的选择更宽松。* 局限性： * 精度相对较低：与激光三角测量和共焦色散技术相比，TOF的精度通常较低，难以达到微米级。 * 响应速度适中：虽然比某些传统测量快，但不如高性能三角测量或激光轮廓测量系统。 * 不适合高精度微小位移测量。* 成本考量：中等，适合对精度要求不高但需要长距离测量的场景。

3.1.4 激光轮廓测量（线扫描）与结构光3D扫描技术

这两种技术都旨在获取物体的三维形状和轮廓信息，它们是激光三角测量原理的更高级应用。

工作原理与物理基础：* 激光轮廓测量：传感器不再是发射一个点，而是投射一条激光线到被测物体表面。当这条激光线落在物体表面时，如果表面不平整，激光线就会发生弯曲和变形。传感器内部的高分辨率相机以一定的角度捕捉这条变形的激光线图像。通过对这条激光线在图像中的位置和形状进行分析，并结合激光器、相机之间的精确几何关系（同样是三角测量原理），系统能够同时计算出激光线上数百甚至数千个点的X、Z坐标数据，从而快速重建物体的二维轮廓。当物体沿输送方向移动时，通过连续扫描，可以构建出完整的三维形状。* 结构光3D扫描：更进一步，传感器会投射一个具有已知几何图案（例如多条线、点阵或编码图案）的光线到物体表面。通过内置的一个或多个相机系统捕捉这些图案在物体表面上的畸变图像。利用更复杂的三角测量原理和图像处理算法，传感器分析这些畸变，计算出物体表面每个点的精确三维坐标，生成高密度的3D点云或表面轮廓。

对于激光轮廓测量，其基本原理仍是三角测量，但由于是线扫描，其在Z轴方向的精度和X轴（宽度）的分辨率会共同影响测量效果。

核心性能参数：* 测量范围（Z轴）：从几十毫米到数百毫米不等。* 测量宽度（X轴）：从几十毫米到一米以上。* Z轴重复精度：可达微米级别，例如最低0.5微米。* X轴分辨率：可达亚微米级别，例如最低0.05微米。* 扫描速度：非常快，例如每秒可达数千到数万个轮廓。

技术方案的优缺点：* 优点： * 获取三维信息：能够全面获取物体的轮廓、尺寸、形状，甚至检测缺陷。 * 高速扫描：特别适合高速移动的生产线上的在线检测。 * 非接触：同样适用于高温、易损物体。 * 数据量大：提供丰富的表面信息，可用于复杂分析。* 局限性： * 数据处理复杂：需要强大的处理器和复杂的算法来处理海量的三维数据。 * 成本较高：系统通常更复杂，价格也更高。 * 受表面反射率和环境光影响：某些情况下可能需要特定的光源颜色或滤波技术。* 成本考量：高，但对于需要全面三维检测的应用场景，其价值无可替代。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在高温钢坯长度测量领域，激光传感器因其非接触、高精度、高速度的特点，成为主流选择。以下是一些行业内知名的品牌及其代表性技术和产品特点。

• 德国微埃普西隆 (共焦色散原理) 德国微埃普西隆以其超高精度的共焦色散传感器optoNCDT 2407系列而闻名。这类传感器能够发射多色白光，通过光学系统将不同波长的光聚焦在物体表面的不同深度，并检测反射光中最强的特定波长来精确测量距离。它的测量范围通常较短，例如2毫米到28毫米，但在如此短的范围内能达到惊人的±0.06微米线性度和0.003微米分辨率。其探头可承受高达200°C的温度。微埃普西隆的优势在于对各种表面（包括高光泽、漫反射甚至透明材料）的极强适应性和测量稳定性，即使在炽热的钢坯表面也能提供可靠的微米级数据。

• 英国真尚有 (光学三角测量原理) 英国真尚有ZLDS116激光位移传感器采用了成熟可靠的光学三角测量原理。它通过激光点在物体表面的反射光斑在接收器上的位置变化来计算距离。这款传感器具有较宽的测量范围，最大测量距离达10m，测量范围可达8m，同时能保持优于0.08%的高精度，具体精度取决于测量范围。其响应时间仅为5毫秒，适合动态测量。ZLDS116的显著特点是其耐高温能力，根据型号不同，最高可测量1300°C的被测物，并且采用IP66级铸铝外壳，配备空气净化系统，可在恶劣环境中使用。它提供了2mW、5mW和10mW三种激光功率选项，以及模拟、数字和视频等多种输出方式，灵活性强，是高温钢坯长度测量的有力选择。

• 日本基恩士 (激光轮廓测量) 日本基恩士的LJ-V7000系列采用超高速多点激光位移测量技术，本质上是激光三角测量原理的扩展应用。它投射一条激光线到物体表面，并利用高分辨率CMOS图像传感器以高达 64 kHz 的速度捕捉反射激光线的轮廓。这种方式能够同时获取激光线上数百个点的X、Z坐标数据，快速重建物体的三维形状和精确尺寸。其Z轴重复精度低至0.5微米，X轴分辨率最低0.05微米，能够对移动中的高温钢坯进行高精度三维轮廓和尺寸测量，弥补了传统点激光测量在表面形貌获取上的不足。

• 瑞士堡盟 (激光飞行时间原理) 瑞士堡盟的OADM 250I系列传感器采用了激光飞行时间（TOF）原理。它通过发射激光脉冲并测量脉冲从发射到反射回传感器所需的时间来计算距离。该技术主要优势在于其较长的测量距离，范围可达50毫米至1000毫米，且对物体表面的颜色和材料特性变化不敏感。其重复精度为0.5毫米，测量速率可达1000 Hz。虽然精度不如三角测量或共焦色散，但其长距离测量的能力使得安装位置更加灵活，在某些对精度要求略低但需要远距离操作的场景中表现优异。

• 加拿大LMI科技 (结构光3D扫描) 加拿大LMI科技的Gocator 2600系列采用结构光3D扫描技术，通过投射已知几何图案的光线（例如蓝色或红色LED/激光）到物体表面，并利用内置双相机捕捉图案畸变，从而精确计算出物体表面每个点的三维坐标，生成高密度的3D点云。该系列提供高质量的3D数据，测量范围Z轴30毫米至400毫米，X轴30毫米至1000毫米，Z轴重复精度低至1.5微米。其优势在于能够获取高分辨率的完整表面三维信息，对物体表面纹理和颜色变化具有鲁棒性，特别适用于在线批量检测，如尺寸、缺陷、体积和表面粗糙度测量，在连铸坯的全面质量控制中发挥重要作用。

综合来看，对于高温钢坯的长度测量，选择合适的激光位移传感器需要综合考虑测量范围、精度、环境适应性等因素。

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

选择适合高温钢坯长度测量的传感器，就像挑选一把称手的工具，需要根据具体任务（测量场景）来定。有几个关键指标，是我们必须仔细考量的：

1. 测量范围：这指的是传感器能测量的最短和最远距离。

   • 实际意义：在连铸线上，传感器通常需要安装在距离钢坯一定高度的位置，以避免高温辐射和机械损伤。因此，传感器的测量范围必须能够覆盖从安装位置到钢坯表面的距离，并且留有足够的裕量来应对钢坯可能出现的跳动或位置偏差。

   • 选型建议：如果传感器需要安装在远离钢坯的位置（例如为了方便维护或避免高温），则应选择测量范围较大的传感器（如几米），但这通常会牺牲一些精度。反之，如果能靠近安装，则可选择范围较小但精度更高的产品。

2. 精度与重复精度：精度是指测量值与真实值之间的接近程度，重复精度是指多次测量同一位置时结果的一致性。

   • 实际意义：这直接决定了你测量的长度有多准，误差有多大。在连铸中，如果切割精度要求高（例如毫米级甚至亚毫米级），那么传感器必须具备更高的精度。重复精度则保障了测量的稳定性，避免因随机误差导致误判。

   • 选型建议：对于钢坯长度测量，通常要求达到毫米级甚至更高的精度，所以要选择线性度好、重复精度高的传感器。

3. 响应时间：指传感器从接收到信号到输出测量结果所需的时间。

   • 实际意义：连铸钢坯是连续运动的，如果传感器响应太慢，就无法实时捕捉钢坯的实际位置，可能导致滞后性误差，甚至影响切割设备的联动。

   • 选型建议：钢坯通常以每分钟数米的速度移动，因此选择响应时间在毫秒级别的传感器是必要的。

4. 最高可测物体温度：传感器能够直接测量高温物体的能力。

   • 实际意义：连铸钢坯温度高达1000°C以上，传感器必须能够承受这种极端热辐射而正常工作，或者通过防护措施有效隔离高温。

   • 选型建议：优先选择那些明确标示支持高温测量，并配备了水冷系统或空气净化系统以应对高温热辐射的传感器。如果传感器本身不耐高温，则必须设计严密的隔热和冷却方案，这会增加系统复杂性。

5. 防护等级（IP等级）与环境适应性：传感器抵抗灰尘、水汽和其他污染物的能力。

   • 实际意义：连铸车间环境恶劣，粉尘、水雾、蒸汽、油污等非常普遍。低防护等级的传感器很容易受损或失效。

   • 选型建议：至少选择IP65或IP66防护等级的传感器。同时，考虑传感器是否配备了空气吹扫功能，以保持镜头清洁，避免测量光路被污染。

6. 输出方式：传感器将测量数据传输给控制系统的方式。

   • 实际意义：需要与现场的PLC或DCS系统兼容。模拟输出（如4-20mA）简单可靠，数字输出（如RS485、Profibus DP）则能传输更多数据，抗干扰能力更强。

   • 选型建议：根据现场控制系统的接口类型选择匹配的输出方式，数字输出通常更适合工业自动化集成。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在连铸生产中应用非接触式长度测量传感器，虽然优势明显，但也可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前做好准备，能够有效保障测量的稳定性和准确性。

1. 高温热辐射与传感器过热

   • 原因及影响：高温钢坯会产生强烈的红外热辐射，长时间照射可能导致传感器内部电子元件过热，影响测量精度，甚至造成设备损坏。

   • 解决建议：

     • 主动冷却：为传感器配备水冷系统或强力风冷系统，将传感器本体的工作温度控制在允许范围内。

     • 隔热防护罩：在传感器外部加装隔热材料制成的防护罩，减少热辐射的直接影响。

     • 优化安装距离：在满足测量范围和精度的前提下，尽量将传感器安装在距离钢坯稍远的位置。

2. 测量光路受污染（蒸汽、水雾、粉尘、氧化皮）

   • 原因及影响：连铸现场常有大量蒸汽、冷却水雾、金属粉尘、氧化皮等悬浮物，它们会遮挡或散射激光光束，导致测量信号衰减、不稳定，甚至丢失。

   • 解决建议：

     • 空气吹扫/净化系统：在传感器镜头前加装空气吹扫装置，用洁净压缩空气形成气帘，防止污染物附着在镜头上，并清除测量光路中的悬浮物。

     • 选择合适波长：某些特定波长的激光对水蒸气或烟雾的穿透性更好。

     • 定期清洁维护：安排专人定期检查和清洁传感器镜头及防护罩。

3. 钢坯表面状态变化（氧化皮、粗糙度、亮度）

   • 原因及影响：钢坯在高温下表面会形成氧化皮，颜色、反射率和粗糙度会不断变化。这可能影响激光的反射效果，导致接收信号不稳定，进而影响测量精度。

   • 解决建议：

     • 高功率激光器：选择具有更高激光功率的传感器，以确保即使在低反射率表面也能获得足够强的反射信号。

     • 自适应增益控制：传感器应具备自动调整接收器增益的功能，以适应不同反射率的表面。

     • 多点平均或高级算法：对于激光轮廓传感器，可以对激光线上的多个点进行测量和平均，减少单点表面不均一性带来的误差。

4. 环境振动与机械冲击

   • 原因及影响：连铸车间设备众多，如振动台、切割机等，运行时产生的振动和机械冲击可能导致传感器位置发生轻微偏移，影响测量基准，甚至造成传感器内部元件松动。

   • 解决建议：

     • 坚固的安装支架：采用抗振性能好的重型支架，并确保安装牢固，减少振动传递。

     • 减震措施：在传感器与支架之间加装减震垫，吸收部分振动能量。

     • 定期校准：即使安装牢固，也应定期检查和校准传感器位置，确保其测量基准不变。

5. 测量盲区与安装死角

   • 原因及影响：由于传感器安装位置、测量原理或钢坯形状的限制，可能存在无法完全覆盖的测量盲区或死角，导致某些区域的长度信息缺失或不准确。

   • 解决建议：

     • 多传感器协同：在关键测量点安装多个传感器，通过数据融合来弥补单一传感器的不足。

     • 优化安装角度：仔细规划传感器安装位置和角度，确保激光能够有效覆盖需要测量的区域。

4. 应用案例分享

非接触式激光测长技术在连铸生产中有着广泛的应用，有效地提升了生产自动化水平和产品质量。

• 钢坯定尺切割控制：在连铸线上，激光测长传感器能够实时监测移动中钢坯的长度，当钢坯达到预设切割长度时，系统会精准触发剪切机，确保每一段钢坯都符合定尺要求，显著减少材料浪费。

• 铸坯长度及速度同步检测：通过在不同位置安装多个激光传感器，不仅可以测量钢坯的准确长度，还能通过跟踪钢坯首尾经过传感器的时间差来精确计算其运行速度，为拉坯速度控制提供实时反馈。

• 铸坯入库及堆垛管理：在钢坯切割后输送至堆垛区时，激光传感器可用于检测钢坯的准确长度，确保入库信息与实物一致，并协助机器人或堆垛机进行精准定位和整齐堆垛。例如，英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器，可以胜任此类应用。

• 表面缺陷长度定位：结合机器视觉系统，激光测长技术可以对钢坯表面的缺陷（如裂纹、夹杂等）进行精确定位和长度测量，为后续的缺陷修磨或报废提供数据支持。

相关的技术标准通常涉及钢坯的尺寸偏差、表面质量要求以及非接触式测量设备的性能规范等。