具有覆蓋層條件下中間包鋼水液位測(cè)量方法的創(chuàng)新與突破一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)流程中，連續(xù)鑄造（簡(jiǎn)稱連鑄）是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。連鑄過(guò)程中，中間包作為連接鋼包和結(jié)晶器的關(guān)鍵容器，起著穩(wěn)定鋼水流量、均勻鋼水溫度以及促進(jìn)夾雜物上浮等重要作用。而中間包鋼水液位的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)于保障連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行、提高鑄坯質(zhì)量以及降低生產(chǎn)成本具有不可或缺的意義。準(zhǔn)確控制中間包鋼水液位是確保連鑄生產(chǎn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素之一。液位過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致流入結(jié)晶器的鋼流壓強(qiáng)過(guò)大，鋼流難以整圓，進(jìn)而使鋼水在結(jié)晶器內(nèi)形成四向噴流。這不僅會(huì)造成結(jié)晶器覆蓋層失效，無(wú)法有效隔絕空氣，防止鋼水二次氧化，還會(huì)使鑄坯夾渣，嚴(yán)重影響鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量，增加后續(xù)加工過(guò)程中的廢品率。相反，若液位過(guò)低，在塞棒處極易形成旋渦，卷入爐渣和空氣，引發(fā)卷渣現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)夾雜物，降低鋼材的力學(xué)性能，甚至引發(fā)漏鋼事故，中斷生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，精確測(cè)量中間包鋼水液位，對(duì)于維持連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定，提高鑄坯質(zhì)量，減少生產(chǎn)事故，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，中間包鋼水液位的準(zhǔn)確測(cè)量面臨諸多挑戰(zhàn)，其中覆蓋層的存在是主要障礙之一。為了減少鋼水的熱損失、防止鋼水與空氣接觸而被氧化，中間包鋼水表面通常覆蓋一層保護(hù)渣或覆蓋劑。由于大包下渣量的不確定性，導(dǎo)致覆蓋層厚度呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)，難以準(zhǔn)確預(yù)估。同時(shí)，中間包內(nèi)的高溫環(huán)境（鋼水溫度通常在1500℃左右），會(huì)對(duì)測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾和損壞，增加了測(cè)量的難度和成本。高溫會(huì)使傳感器的性能下降，壽命縮短，信號(hào)傳輸受到干擾，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，保護(hù)渣或覆蓋劑的物理和化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，其成分、粘度、熔點(diǎn)等會(huì)隨著時(shí)間和溫度的變化而改變，進(jìn)一步增加了測(cè)量的復(fù)雜性。在這種情況下，傳統(tǒng)的液位測(cè)量方法往往難以滿足生產(chǎn)需求，如何在覆蓋層條件下實(shí)現(xiàn)中間包鋼水液位的準(zhǔn)確測(cè)量，成為了鋼鐵行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，雖然已經(jīng)有多種中間包鋼水液位測(cè)量方法被提出和應(yīng)用，如稱重法、渦流法、超聲波法、激光測(cè)距法等，但這些方法都存在一定的局限性。稱重法通過(guò)測(cè)量中間包整體重量的變化來(lái)推斷鋼水液位，但由于中間包結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量分布不均勻，以及受到設(shè)備振動(dòng)、鋼水流動(dòng)等因素的影響，測(cè)量準(zhǔn)確性較差。渦流法利用電磁感應(yīng)原理測(cè)量鋼水液位，然而在高溫環(huán)境下，傳感器的性能會(huì)受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致成本高昂、壽命短暫，難以在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。超聲波法在遇到高溫、多塵、蒸汽等惡劣環(huán)境時(shí)，聲波的傳播會(huì)受到干擾，測(cè)量精度難以保證。激光測(cè)距法雖然具有較高的測(cè)量精度，但在覆蓋層高溫強(qiáng)輻射背景下，激光目標(biāo)的識(shí)別和信號(hào)處理面臨諸多困難，容易受到熱輻射干擾，導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠有效克服覆蓋層影響、適應(yīng)高溫惡劣環(huán)境、具有高精度和高可靠性的中間包鋼水液位測(cè)量方法，對(duì)于推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。對(duì)具有覆蓋層條件下中間包鋼水液位測(cè)量方法的研究，不僅能夠解決連鑄生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能為相關(guān)領(lǐng)域的液位測(cè)量技術(shù)提供新的思路和方法，促進(jìn)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置學(xué)科的發(fā)展，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)向智能化、高效化方向邁進(jìn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著鋼鐵行業(yè)對(duì)連鑄生產(chǎn)質(zhì)量和效率要求的不斷提高，具有覆蓋層條件下中間包鋼水液位測(cè)量方法的研究受到了廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)投入了大量的精力進(jìn)行探索，取得了一系列的研究成果。國(guó)外在該領(lǐng)域的研究起步較早，一些國(guó)際知名的鋼鐵公司和科研機(jī)構(gòu)在早期就開(kāi)展了相關(guān)研究。例如，浦項(xiàng)制鐵等公司對(duì)渦流測(cè)量鋼水液位的方法進(jìn)行了深入研究。渦流法利用電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器靠近鋼水時(shí)，鋼水產(chǎn)生的渦流會(huì)對(duì)傳感器的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，通過(guò)檢測(cè)這種影響來(lái)測(cè)量鋼水液位。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，高溫環(huán)境對(duì)傳感器的性能影響極大。高溫會(huì)使傳感器的材料性能發(fā)生變化，導(dǎo)致其靈敏度下降、測(cè)量精度降低，而且傳感器的壽命也會(huì)大幅縮短，需要頻繁更換，這使得使用成本居高不下。因此，盡管該方法在理論上具有一定的可行性，但由于高溫帶來(lái)的諸多問(wèn)題，未能在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛推廣應(yīng)用。在激光測(cè)距法方面，國(guó)外也有不少研究成果。激光測(cè)距具有精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在一些相對(duì)理想的環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的液位測(cè)量。但在中間包鋼水液位測(cè)量中，覆蓋層的高溫強(qiáng)輻射背景成為了激光測(cè)距的一大障礙。高溫會(huì)使鋼水和覆蓋層表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射，這些熱輻射會(huì)干擾激光信號(hào)的接收和處理，使得激光目標(biāo)的識(shí)別變得困難，容易導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)外一些研究嘗試采用特殊的濾波技術(shù)和信號(hào)處理算法，來(lái)增強(qiáng)激光信號(hào)的抗干擾能力，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，但目前仍未取得十分理想的效果。國(guó)內(nèi)對(duì)于具有覆蓋層條件下中間包鋼水液位測(cè)量方法的研究也取得了顯著進(jìn)展。東北大學(xué)的謝植教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于激光三角測(cè)距和插拔測(cè)量棒的鋼水液位測(cè)量方法。該方法首先采用激光三角測(cè)距實(shí)時(shí)測(cè)量覆蓋層高度，通過(guò)分析激光與熱輻射的顏色差異，從CCD成像理論出發(fā)，優(yōu)化增強(qiáng)該顏色差異的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，使少量非激光工作波長(zhǎng)的干擾光進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)，并結(jié)合顏色差異與形態(tài)學(xué)濾波，有效濾除熱輻射干擾光，實(shí)現(xiàn)了覆蓋層高度的準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量誤差≤2mm。其次，采用插拔測(cè)量棒方法測(cè)量覆蓋層厚度，針對(duì)測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的不同情況，如測(cè)量棒拔出后黏附有覆蓋劑導(dǎo)致溫度梯度信息被掩蓋，或者黏附覆蓋劑在測(cè)量棒拔出后流動(dòng)使溫降特征被掩蓋等問(wèn)題，分別提出了基于溫度梯度、溫降特征和流動(dòng)速度特征的測(cè)量方法。通過(guò)采用插拔測(cè)量棒提取鋼水和覆蓋層分界面處溫度梯度來(lái)測(cè)量覆蓋層厚度，當(dāng)遇到測(cè)量棒部分區(qū)域黏著覆蓋劑遮擋溫度信息的情況時(shí)，提出基于溫度三段線性分布的模型匹配方法，獲得測(cè)量棒遮擋區(qū)域的溫度特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了覆蓋層厚度的準(zhǔn)確測(cè)量，具有較好的魯棒性，且測(cè)量誤差≤3mm。最后，通過(guò)所測(cè)得的覆蓋層高度和厚度做差求得鋼水液位，并研制出鋼水液位測(cè)量裝置，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。張達(dá)等人提出了一種通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)連鑄中間包內(nèi)鋼水層液位高度的方法。從中間包內(nèi)空氣層中穿過(guò)保護(hù)渣層向鋼水層中插入一個(gè)鋁碳質(zhì)的測(cè)量棒，通過(guò)安裝于測(cè)量棒側(cè)上方的攝像機(jī)采集測(cè)量棒圖像，進(jìn)而確定保護(hù)渣層的實(shí)時(shí)液位。當(dāng)測(cè)量棒與周圍介質(zhì)達(dá)到熱平衡后，升起測(cè)量棒，并通過(guò)攝像機(jī)采集測(cè)量棒外壁的溫場(chǎng)分布，根據(jù)保護(hù)渣層和鋼水層分界面處存在局部溫度梯度峰值的特征識(shí)別分界面位置及保護(hù)渣層厚度，從而確定中間包內(nèi)鋼水層液位。該方法對(duì)于液位測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成以及降溫、防塵等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，本方法能夠有效克服保護(hù)渣層影響，實(shí)現(xiàn)中間包內(nèi)鋼水層液位的可靠測(cè)量，測(cè)量偏差小于5mm。寶山鋼鐵股份有限公司在2023年6月申請(qǐng)了一項(xiàng)名為“一種中間包鋼水液位的檢測(cè)方法”的專利。該方法通過(guò)計(jì)算澆筑過(guò)程中結(jié)晶器的出口鋼液流量、入口鋼液流量，以及塞棒的開(kāi)口度和通鋼面積，基于前兩者相等聯(lián)立等式，推導(dǎo)出塞棒的開(kāi)口度與中間包高度的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)鋼水液位的檢測(cè)。該技術(shù)具有安裝和維護(hù)成本低、可重復(fù)使用、環(huán)保經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，甚至在中間包覆蓋劑結(jié)殼的狀態(tài)下也可以精準(zhǔn)檢測(cè)鋼水液位，對(duì)于提高鋼水液位檢測(cè)的準(zhǔn)確性具有重要意義。山東鋼鐵股份有限公司申請(qǐng)的“一種連鑄中間包液面測(cè)量裝置、方法和介質(zhì)”專利，利用中間包高度方向鋼水溫度變化規(guī)律，在中間包永久層內(nèi)沿高度方向布置多個(gè)測(cè)溫元件，通過(guò)測(cè)量不同高度位置的溫度，根據(jù)溫度變化趨勢(shì)和每個(gè)溫度對(duì)應(yīng)的高度確定中間包內(nèi)鋼水液面高度范圍。相比人工肉眼觀察、人工手動(dòng)測(cè)量和中間包稱重等傳統(tǒng)方法，該方法能夠提高中間包鋼水液面高度測(cè)量的便捷性和精度，降低測(cè)量過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外針對(duì)具有覆蓋層條件下中間包鋼水液位測(cè)量方法進(jìn)行了大量研究，提出了多種測(cè)量方法，這些方法在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)鋼水液位的測(cè)量，但也都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。稱重法雖然簡(jiǎn)單易行，但由于中間包結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量分布不均勻以及受到設(shè)備振動(dòng)、鋼水流動(dòng)等因素的影響，測(cè)量準(zhǔn)確性較差。渦流法受高溫影響嚴(yán)重，成本高、壽命短，限制了其實(shí)際應(yīng)用。超聲波法在高溫、多塵、蒸汽等惡劣環(huán)境下測(cè)量精度難以保證。激光測(cè)距法在覆蓋層高溫強(qiáng)輻射背景下，激光目標(biāo)識(shí)別和信號(hào)處理困難，測(cè)量誤差較大?；跍y(cè)量棒的方法，如東北大學(xué)提出的方法以及張達(dá)等人的方法，雖然在克服覆蓋層影響方面取得了一定的成果，但測(cè)量棒的插拔操作可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生一定的干擾，且測(cè)量過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。而寶山鋼鐵和山東鋼鐵的專利方法，從不同的角度提供了新的測(cè)量思路，但也需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證其穩(wěn)定性和可靠性。因此，開(kāi)發(fā)一種更加準(zhǔn)確、可靠、適應(yīng)惡劣環(huán)境的中間包鋼水液位測(cè)量方法，仍然是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。1.3研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)1.3.1研究?jī)?nèi)容多種測(cè)量方法的原理分析：對(duì)現(xiàn)有的中間包鋼水液位測(cè)量方法，如稱重法、渦流法、超聲波法、激光測(cè)距法、基于測(cè)量棒的方法（包括利用溫度梯度、溫降特征、流動(dòng)速度特征測(cè)量覆蓋層厚度的方法）以及基于工藝參數(shù)計(jì)算的方法（如寶山鋼鐵通過(guò)結(jié)晶器鋼液流量和塞棒開(kāi)口度計(jì)算液位的方法）等，進(jìn)行深入的原理剖析。明確每種方法的工作原理、信號(hào)傳輸機(jī)制以及在測(cè)量過(guò)程中涉及的物理和數(shù)學(xué)模型。例如，對(duì)于激光測(cè)距法，詳細(xì)研究激光在高溫、強(qiáng)輻射環(huán)境下的傳播特性，以及如何從激光反射信號(hào)中準(zhǔn)確提取液位信息；對(duì)于基于測(cè)量棒的方法，深入分析測(cè)量棒與鋼水和覆蓋層之間的熱傳遞過(guò)程，以及如何根據(jù)溫度變化準(zhǔn)確判斷分界面位置。同時(shí)，分析各方法在測(cè)量過(guò)程中可能受到的干擾因素，以及這些因素對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究：搭建模擬中間包實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)應(yīng)能夠模擬實(shí)際生產(chǎn)中的高溫環(huán)境、鋼水流動(dòng)狀態(tài)以及覆蓋層條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)各種測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，采集不同工況下的測(cè)量數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變鋼水液位、覆蓋層厚度、溫度等參數(shù)，模擬實(shí)際生產(chǎn)中的各種變化情況，全面考察各測(cè)量方法的性能表現(xiàn)。對(duì)于激光測(cè)距法，在不同的熱輻射強(qiáng)度、覆蓋層厚度和鋼水液位條件下，測(cè)試激光信號(hào)的接收和處理效果，分析測(cè)量誤差的產(chǎn)生原因；對(duì)于基于測(cè)量棒的方法，研究測(cè)量棒在不同插入速度、停留時(shí)間下，溫度變化的規(guī)律以及對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。此外，還將對(duì)測(cè)量裝置的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)量裝置在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中的性能變化情況。性能對(duì)比：根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)不同測(cè)量方法的性能進(jìn)行全面對(duì)比分析。對(duì)比的指標(biāo)包括測(cè)量精度、測(cè)量范圍、響應(yīng)時(shí)間、抗干擾能力、設(shè)備成本、維護(hù)難度等。以測(cè)量精度為例，通過(guò)與實(shí)際液位值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算各測(cè)量方法的測(cè)量誤差，并分析誤差的分布規(guī)律和影響因素；對(duì)于抗干擾能力，評(píng)估各方法在高溫、強(qiáng)輻射、鋼水流動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境下，抵抗干擾的能力，分析干擾因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度。通過(guò)性能對(duì)比，明確各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)的方法改進(jìn)和新方法研究提供依據(jù)。方法改進(jìn)與創(chuàng)新：針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法存在的不足，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，提出改進(jìn)措施和創(chuàng)新方案。例如，針對(duì)激光測(cè)距法在高溫強(qiáng)輻射背景下激光目標(biāo)識(shí)別困難的問(wèn)題，研究采用新型的光學(xué)濾波技術(shù)和信號(hào)處理算法，增強(qiáng)激光信號(hào)的抗干擾能力，提高測(cè)量精度；對(duì)于基于測(cè)量棒的方法，優(yōu)化測(cè)量棒的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少測(cè)量棒插拔對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響，同時(shí)改進(jìn)測(cè)量算法，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。此外，還將探索新的測(cè)量原理和方法，結(jié)合多傳感器融合技術(shù)、人工智能算法等，開(kāi)發(fā)一種能夠有效克服覆蓋層影響、適應(yīng)高溫惡劣環(huán)境的中間包鋼水液位測(cè)量新方法。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證：將改進(jìn)和創(chuàng)新后的測(cè)量方法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，與鋼鐵企業(yè)合作，在中間包上安裝測(cè)量裝置，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，評(píng)估測(cè)量方法在實(shí)際生產(chǎn)中的可行性、可靠性和實(shí)用性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)量方法和裝置，解決實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，確保測(cè)量方法能夠滿足鋼鐵生產(chǎn)的實(shí)際需求，為連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行和鑄坯質(zhì)量的提高提供可靠的技術(shù)支持。1.3.2研究目標(biāo)開(kāi)發(fā)高精度測(cè)量方法：通過(guò)對(duì)各種測(cè)量方法的研究和改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出一種在覆蓋層條件下，測(cè)量精度達(dá)到±5mm以內(nèi)的中間包鋼水液位測(cè)量方法，滿足鋼鐵生產(chǎn)對(duì)液位測(cè)量精度的嚴(yán)格要求。這種高精度的測(cè)量方法能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地反映鋼水液位的變化，為連鑄生產(chǎn)過(guò)程的精準(zhǔn)控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持，有效避免因液位控制不當(dāng)而導(dǎo)致的鑄坯質(zhì)量問(wèn)題和生產(chǎn)事故。提高測(cè)量可靠性與穩(wěn)定性：增強(qiáng)測(cè)量方法在高溫、強(qiáng)輻射、鋼水流動(dòng)等惡劣環(huán)境下的抗干擾能力，使測(cè)量裝置能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，減少測(cè)量誤差和故障發(fā)生的概率。通過(guò)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和設(shè)備防護(hù)措施，確保測(cè)量系統(tǒng)在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作，為連鑄生產(chǎn)提供連續(xù)、可靠的液位監(jiān)測(cè)服務(wù)。降低測(cè)量成本：在保證測(cè)量精度和可靠性的前提下，優(yōu)化測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，降低設(shè)備成本和維護(hù)成本。選擇性價(jià)比高的傳感器和材料，簡(jiǎn)化測(cè)量裝置的安裝和維護(hù)流程，提高測(cè)量系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，使其更易于在鋼鐵行業(yè)中推廣應(yīng)用。降低測(cè)量成本有助于鋼鐵企業(yè)在不增加過(guò)多投資的情況下，實(shí)現(xiàn)中間包鋼水液位的準(zhǔn)確測(cè)量，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。推動(dòng)鋼鐵行業(yè)技術(shù)進(jìn)步：本研究的成果不僅能夠解決中間包鋼水液位測(cè)量這一實(shí)際問(wèn)題，還將為鋼鐵行業(yè)的其他檢測(cè)技術(shù)提供新的思路和方法，促進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的智能化和自動(dòng)化發(fā)展，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)將先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和智能算法應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域，提高鋼鐵生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，降低能源消耗和環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的綠色、高效發(fā)展。二、具有覆蓋層條件下中間包鋼水液位測(cè)量的難點(diǎn)分析2.1覆蓋層特性及對(duì)測(cè)量的影響2.1.1覆蓋層成分與結(jié)構(gòu)在連鑄過(guò)程中，中間包鋼水表面覆蓋層主要由保護(hù)渣或覆蓋劑構(gòu)成，其成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，且因鋼種、生產(chǎn)工藝的不同而存在差異。保護(hù)渣的主要成分包括CaO、SiO?、Al?O?、MgO、Na?O、K?O等氧化物，以及C、F等元素。這些成分相互作用，形成了具有特定物理和化學(xué)性質(zhì)的覆蓋層。從化學(xué)成分角度來(lái)看，CaO和SiO?是保護(hù)渣的主要基礎(chǔ)成分，它們的比例對(duì)保護(hù)渣的熔點(diǎn)、粘度等性能有重要影響。當(dāng)CaO/SiO?比值較高時(shí)，保護(hù)渣的堿性增強(qiáng)，熔點(diǎn)升高，對(duì)鋼水中夾雜物的吸附能力也會(huì)發(fā)生變化。Al?O?的含量會(huì)影響保護(hù)渣的高溫性能，適量的Al?O?可以提高保護(hù)渣的耐火度和抗侵蝕性，但含量過(guò)高可能導(dǎo)致保護(hù)渣粘度增大，影響其流動(dòng)性。MgO的存在有助于改善保護(hù)渣的高溫穩(wěn)定性和抗侵蝕能力，尤其在與鎂質(zhì)耐火材料接觸時(shí)，能減少化學(xué)反應(yīng)對(duì)耐火材料的侵蝕。Na?O和K?O等堿性氧化物則可以降低保護(hù)渣的熔點(diǎn)，提高其流動(dòng)性，增強(qiáng)保護(hù)渣的鋪展性能，更好地覆蓋在鋼水表面。而C元素在保護(hù)渣中主要起調(diào)節(jié)熔化速度和控制液渣層厚度的作用，通過(guò)其氧化消耗來(lái)控制保護(hù)渣的熔化進(jìn)程，使保護(hù)渣在合適的時(shí)間形成穩(wěn)定的液渣層。F元素的加入可以降低保護(hù)渣的熔點(diǎn)和粘度，改善其結(jié)晶性能，有利于保護(hù)渣在鋼水表面的均勻分布和良好的潤(rùn)滑效果。在物理結(jié)構(gòu)方面，覆蓋層通常呈現(xiàn)出多層結(jié)構(gòu)。在鋼水表面，首先是與鋼水直接接觸的液渣層，這一層具有良好的流動(dòng)性，能夠迅速填充鋼水與結(jié)晶器壁之間的間隙，起到潤(rùn)滑和傳熱的作用。在液渣層之上，是過(guò)渡層，其結(jié)構(gòu)較為疏松，由部分熔化的保護(hù)渣和未熔化的顆粒組成，這一層既具有一定的保溫性能，又能在一定程度上吸附鋼水中上浮的夾雜物。最上層是粉狀層，主要由未熔化的保護(hù)渣顆粒組成，其容重小，導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠有效地阻擋鋼水的熱量散失，起到良好的保溫作用。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，隨著連鑄時(shí)間的延長(zhǎng)，保護(hù)渣會(huì)不斷吸收鋼水中的夾雜物，其成分和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。鋼水中的Al?O?等夾雜物上浮進(jìn)入保護(hù)渣，會(huì)改變保護(hù)渣的化學(xué)成分，導(dǎo)致其熔點(diǎn)、粘度等性能發(fā)生改變，進(jìn)而影響覆蓋層的結(jié)構(gòu)和性能。此外，保護(hù)渣在使用過(guò)程中還可能受到鋼水溫度波動(dòng)、鋼水流動(dòng)等因素的影響，導(dǎo)致其熔化不均勻，使覆蓋層的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。覆蓋層在連鑄過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。其保溫性能能夠減少鋼水的熱損失，保持鋼水溫度的穩(wěn)定，有利于提高鑄坯的質(zhì)量。隔絕空氣的作用可以有效防止鋼水與空氣中的氧氣接觸，避免鋼水的二次氧化，減少鋼中氧化物夾雜的生成。吸附鋼水中上浮夾雜物的功能則有助于提高鋼水的純凈度，降低鑄坯中的夾雜物含量，改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。然而，覆蓋層成分和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及其在連鑄過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，也給中間包鋼水液位測(cè)量帶來(lái)了極大的困難。不同的成分和結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生不同的影響，使得測(cè)量信號(hào)變得復(fù)雜多變，難以準(zhǔn)確分析和處理。2.1.2覆蓋層厚度與高度的不確定性在連鑄過(guò)程中，覆蓋層的厚度和高度呈現(xiàn)出顯著的不確定性，這主要是由大包下渣量等多種因素共同作用導(dǎo)致的，而這種不確定性對(duì)中間包鋼水液位測(cè)量精度產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。大包下渣量的波動(dòng)是導(dǎo)致覆蓋層厚度和高度不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。在鋼包向中間包澆注鋼水的過(guò)程中，由于鋼包內(nèi)鋼渣界面的不穩(wěn)定性以及澆注操作的復(fù)雜性，很難精確控制大包下渣量。當(dāng)鋼包下渣量較多時(shí)，大量的鋼渣進(jìn)入中間包，會(huì)使覆蓋層厚度迅速增加，高度也相應(yīng)上升。相反，若大包下渣量較少，覆蓋層的厚度和高度則會(huì)相對(duì)較薄和較低。鋼包下渣量還會(huì)受到鋼包內(nèi)鋼水和鋼渣的流動(dòng)狀態(tài)、鋼包水口的形狀和尺寸、澆注速度等因素的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，不同爐次的鋼水成分、溫度以及澆注工藝參數(shù)的差異，都會(huì)導(dǎo)致大包下渣量的不確定性，從而使得覆蓋層的厚度和高度在不同爐次之間以及同一爐次的不同澆注階段都可能發(fā)生較大變化。除了大包下渣量，中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)對(duì)覆蓋層的厚度和高度產(chǎn)生影響。鋼水在中間包內(nèi)的流動(dòng)較為復(fù)雜，存在著各種形式的對(duì)流和湍流。強(qiáng)烈的鋼水流動(dòng)會(huì)使覆蓋層受到?jīng)_擊和擾動(dòng)，導(dǎo)致其厚度分布不均勻，部分區(qū)域的覆蓋層可能會(huì)被沖薄，而在其他區(qū)域則可能會(huì)堆積增厚。鋼水的流動(dòng)還可能會(huì)使覆蓋層的高度發(fā)生變化，例如在鋼水流動(dòng)速度較快的區(qū)域，覆蓋層可能會(huì)被壓低，而在鋼水流動(dòng)緩慢或形成漩渦的區(qū)域，覆蓋層則可能會(huì)升高。這種因鋼水流動(dòng)引起的覆蓋層厚度和高度的變化，進(jìn)一步增加了其不確定性。覆蓋層厚度和高度的不確定性對(duì)液位測(cè)量精度有著直接且顯著的影響。對(duì)于常見(jiàn)的液位測(cè)量方法，如激光測(cè)距法，當(dāng)覆蓋層厚度和高度不穩(wěn)定時(shí)，激光束在覆蓋層表面的反射情況會(huì)變得復(fù)雜多變。由于覆蓋層厚度的不均勻，激光束可能會(huì)在不同位置反射回不同的信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量得到的覆蓋層高度數(shù)據(jù)存在較大誤差。若以不準(zhǔn)確的覆蓋層高度數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算鋼水液位，必然會(huì)導(dǎo)致鋼水液位測(cè)量結(jié)果的偏差增大。對(duì)于基于測(cè)量棒的方法，覆蓋層厚度的不確定性會(huì)使測(cè)量棒在插入過(guò)程中所受到的阻力和熱傳遞情況發(fā)生變化。如果覆蓋層過(guò)厚，測(cè)量棒可能難以準(zhǔn)確插入到鋼水與覆蓋層的分界面，從而無(wú)法準(zhǔn)確獲取分界面處的溫度梯度等信息，影響覆蓋層厚度的測(cè)量精度，進(jìn)而影響鋼水液位的計(jì)算精度。覆蓋層厚度和高度的不確定性還會(huì)對(duì)整個(gè)連鑄生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生不利影響。若液位測(cè)量不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致操作人員對(duì)鋼水液位的判斷失誤，從而無(wú)法及時(shí)調(diào)整澆注工藝參數(shù)。液位過(guò)高或過(guò)低都可能引發(fā)一系列問(wèn)題，如液位過(guò)高可能導(dǎo)致鋼水溢出，造成生產(chǎn)事故；液位過(guò)低則可能引發(fā)卷渣現(xiàn)象，影響鑄坯質(zhì)量。因此，準(zhǔn)確掌握覆蓋層的厚度和高度，減少其不確定性，對(duì)于提高中間包鋼水液位測(cè)量精度，保障連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行和鑄坯質(zhì)量的提高具有重要意義。2.2高溫強(qiáng)輻射測(cè)量環(huán)境的挑戰(zhàn)中間包內(nèi)的鋼水處于極高的溫度狀態(tài)，一般溫度在1500℃左右，如此高溫會(huì)對(duì)測(cè)量設(shè)備和測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生多方面的嚴(yán)重干擾，給中間包鋼水液位測(cè)量帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。高溫對(duì)測(cè)量設(shè)備的傳感器有著直接的損害作用。傳感器是測(cè)量設(shè)備的核心部件，其性能的穩(wěn)定直接關(guān)系到測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。在中間包的高溫環(huán)境下，傳感器的電子元件容易發(fā)生熱漂移現(xiàn)象。熱漂移會(huì)導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)和靈敏度發(fā)生變化，使得傳感器輸出的信號(hào)與實(shí)際測(cè)量值之間出現(xiàn)偏差。隨著溫度的升高，傳感器內(nèi)部的材料性能也會(huì)發(fā)生改變。例如，一些金屬材料在高溫下會(huì)發(fā)生軟化、變形，甚至熔化，這將直接影響傳感器的結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性。對(duì)于一些基于半導(dǎo)體材料的傳感器，高溫還可能導(dǎo)致其載流子濃度發(fā)生變化，從而改變傳感器的電學(xué)特性，使其測(cè)量精度大幅下降。傳感器的壽命也會(huì)因高溫而顯著縮短。在高溫環(huán)境中長(zhǎng)期工作，傳感器的老化速度加快，故障發(fā)生的概率增加，這不僅增加了設(shè)備維護(hù)的成本和難度，還可能導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)的中斷，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。高溫環(huán)境下的強(qiáng)熱輻射會(huì)對(duì)測(cè)量信號(hào)的傳輸產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。以激光測(cè)距法為例，激光在傳輸過(guò)程中，需要通過(guò)中間包內(nèi)的高溫氣體和覆蓋層。高溫氣體和覆蓋層會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生吸收、散射等作用，使得激光的能量衰減。當(dāng)激光信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)，由于能量的減弱，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的信噪比降低，從而使測(cè)量系統(tǒng)難以準(zhǔn)確識(shí)別激光信號(hào)的反射時(shí)間，進(jìn)而產(chǎn)生測(cè)量誤差。強(qiáng)熱輻射還會(huì)產(chǎn)生大量的背景噪聲，這些噪聲會(huì)疊加在測(cè)量信號(hào)上，使信號(hào)變得模糊不清。在信號(hào)處理過(guò)程中，要從這些夾雜著大量噪聲的信號(hào)中準(zhǔn)確提取出液位信息，難度極大。對(duì)于基于光學(xué)原理的測(cè)量方法，如激光三角測(cè)距法，熱輻射還可能導(dǎo)致光學(xué)元件的熱變形，使光路發(fā)生偏移，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在高溫強(qiáng)輻射環(huán)境下，測(cè)量信號(hào)的傳輸受到嚴(yán)重干擾，使得測(cè)量結(jié)果的可靠性和精度難以保證。除了對(duì)傳感器和信號(hào)傳輸?shù)挠绊懲猓邷貜?qiáng)輻射環(huán)境還會(huì)對(duì)測(cè)量設(shè)備的其他部件產(chǎn)生不利影響。例如，測(cè)量設(shè)備的外殼、線纜等在高溫下容易老化、脆化，降低其防護(hù)性能和電氣絕緣性能。這不僅可能導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部的電子元件受到外界環(huán)境的侵蝕，還可能引發(fā)電氣安全事故。高溫還會(huì)使設(shè)備的散熱變得困難，如果散熱措施不當(dāng)，設(shè)備內(nèi)部的溫度會(huì)不斷升高，進(jìn)一步加劇設(shè)備性能的下降。在設(shè)計(jì)和選擇測(cè)量設(shè)備時(shí)，需要充分考慮高溫強(qiáng)輻射環(huán)境的影響，采取有效的防護(hù)和散熱措施，以確保設(shè)備能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。2.3現(xiàn)有測(cè)量方法的局限性2.3.1稱重法稱重法是一種較為常見(jiàn)的中間包鋼水液位測(cè)量方法，其原理是通過(guò)安置在鋼水容器底座的傳感器稱量出容器總的重量，再根據(jù)容器的幾何形狀、鋼水密度等參數(shù)，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)換算關(guān)系來(lái)間接得到鋼水的液位。當(dāng)鋼水注入中間包時(shí)，中間包整體重量增加，傳感器將檢測(cè)到的重量信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)依據(jù)預(yù)先設(shè)定的換算公式，將重量值轉(zhuǎn)換為液位高度值。這種方法在原理上相對(duì)簡(jiǎn)單，易于理解和實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，稱重法存在諸多局限性，導(dǎo)致其測(cè)量精度較低。中間包包襯的侵蝕是影響測(cè)量精度的重要因素之一。在連鑄過(guò)程中，中間包長(zhǎng)時(shí)間處于高溫鋼水的沖刷和侵蝕環(huán)境下，包襯的耐火材料會(huì)逐漸被侵蝕損耗。隨著包襯厚度的不斷變化，中間包的實(shí)際重量分布也會(huì)發(fā)生改變。由于在稱重法的換算模型中，通常假設(shè)包襯的重量和結(jié)構(gòu)是固定不變的，當(dāng)包襯發(fā)生侵蝕后，實(shí)際情況與假設(shè)條件不符，就會(huì)導(dǎo)致根據(jù)重量換算得到的液位值出現(xiàn)偏差。如果包襯侵蝕不均勻，不同部位的侵蝕程度不同，這種偏差會(huì)更加明顯，使得測(cè)量結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確反映鋼水的實(shí)際液位。保護(hù)渣的存在也給稱重法帶來(lái)了很大的困擾。保護(hù)渣在連鑄過(guò)程中會(huì)不斷消耗和變化，其重量的不確定性增加了測(cè)量的誤差。隨著連鑄時(shí)間的延長(zhǎng)，保護(hù)渣會(huì)吸收鋼水中的夾雜物，其成分和性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致其重量也隨之變化。保護(hù)渣在中間包內(nèi)的分布并不均勻，這也會(huì)對(duì)中間包整體重量的測(cè)量產(chǎn)生影響。在進(jìn)行液位換算時(shí)，很難準(zhǔn)確考慮保護(hù)渣的這些變化因素，從而導(dǎo)致測(cè)量精度下降。為了實(shí)現(xiàn)稱重法的測(cè)量，需要在中間包底座安裝多個(gè)傳感器，這不僅增加了設(shè)備成本，還使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。多個(gè)傳感器的安裝和校準(zhǔn)需要較高的技術(shù)要求和成本投入，而且在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，傳感器之間可能會(huì)存在信號(hào)干擾等問(wèn)題，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。由于稱重法是一種間接測(cè)量方法，其測(cè)量精度受到多種因素的制約，在具有覆蓋層條件下的中間包鋼水液位測(cè)量中，難以滿足高精度測(cè)量的要求。2.3.2電磁渦流法電磁渦流法是利用電磁感應(yīng)原理來(lái)檢測(cè)鋼水液面高度的一種測(cè)量方法。其工作原理是：當(dāng)電磁線圈通以交變電流時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)這個(gè)交變磁場(chǎng)靠近導(dǎo)電的鋼水時(shí)，鋼水表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦電流。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這個(gè)渦電流又會(huì)在周圍產(chǎn)生與原磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，從而對(duì)原磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。電磁線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)檢測(cè)鋼水液面高度，就是通過(guò)檢測(cè)這種因渦電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，來(lái)確定鋼水液面到傳感器的距離，進(jìn)而得到鋼水液位信息。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將渦流傳感器豎直懸架安裝在結(jié)晶器銅管口的上方，并通壓縮空氣冷卻，以保證傳感器在高溫環(huán)境下的正常工作。電磁渦流法雖然在液位檢測(cè)方面具有一定的精度，但其量程受限的問(wèn)題較為突出，一般量程只有200mm。這使得它在中間包液位檢測(cè)中存在很大的局限性，難以滿足中間包液位變化范圍較大的實(shí)際需求。中間包內(nèi)鋼水液位的變化范圍通常較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電磁渦流法的量程。在實(shí)際連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，隨著鋼水的不斷注入和流出，中間包鋼水液位會(huì)在較大范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)液位變化超過(guò)電磁渦流法的量程時(shí)，該方法就無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量液位，甚至可能無(wú)法正常工作。除了量程受限外，電磁渦流法還存在其他一些不利于中間包液位檢測(cè)的因素。在高溫環(huán)境下，傳感器的性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。中間包內(nèi)的高溫會(huì)使傳感器的電子元件發(fā)生熱漂移，導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)和靈敏度發(fā)生變化，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。高溫還會(huì)加速傳感器的老化，縮短其使用壽命，增加設(shè)備維護(hù)成本。在實(shí)際應(yīng)用中，由于中間包上方空間有限，且存在高溫、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境，給傳感器的安裝和維護(hù)帶來(lái)了很大困難。傳感器在這種惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期工作，容易出現(xiàn)故障，降低了測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。由于電磁渦流法量程受限以及在高溫環(huán)境下存在諸多問(wèn)題，使得它一般只適用于結(jié)晶器的液位檢測(cè)，而不適用于中間包液位檢測(cè)。2.3.3雷達(dá)法雷達(dá)法是使用雷達(dá)波來(lái)檢測(cè)鋼水液位的一種測(cè)量方法，其測(cè)量原理基于雷達(dá)波的反射特性。雷達(dá)液位計(jì)向鋼水表面發(fā)射高頻雷達(dá)波，當(dāng)雷達(dá)波遇到鋼水表面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的雷達(dá)波被雷達(dá)液位計(jì)接收。根據(jù)雷達(dá)波發(fā)射和接收的時(shí)間差，以及雷達(dá)波在空氣中的傳播速度，通過(guò)公式h=vt/2（其中h為液位高度，v為雷達(dá)波傳播速度，t為時(shí)間差），就可以計(jì)算出鋼水液位高度。雷達(dá)波具有較高的頻率和較短的波長(zhǎng)，能夠在空氣中快速傳播，并且不受鋼水流動(dòng)、溫度等因素的影響，因此在理論上具有較高的測(cè)量精度。在中間包液位測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)法存在一些明顯的不足。雷達(dá)法的探頭對(duì)于遮擋和現(xiàn)場(chǎng)溫度比較敏感。中間包上方通常蓋有中間包蓋，液位檢測(cè)裝置只能通過(guò)包蓋上的開(kāi)孔檢測(cè)中間包中鋼水液位，而中間包蓋孔上方的溫度非常高，高達(dá)500度以上。在如此高溫環(huán)境下，雷達(dá)探頭的性能會(huì)受到嚴(yán)重影響，可能導(dǎo)致測(cè)量精度下降甚至無(wú)法正常工作。高溫會(huì)使雷達(dá)探頭的電子元件性能發(fā)生變化，產(chǎn)生熱漂移等問(wèn)題，影響雷達(dá)波的發(fā)射和接收，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。中間包內(nèi)的鋼水表面覆蓋著保護(hù)渣，保護(hù)渣的存在可能會(huì)對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生遮擋和散射作用。當(dāng)雷達(dá)波遇到保護(hù)渣時(shí)，部分雷達(dá)波會(huì)被保護(hù)渣吸收或散射，使得反射回雷達(dá)液位計(jì)的信號(hào)強(qiáng)度減弱，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。如果保護(hù)渣表面不平整或存在結(jié)殼現(xiàn)象，雷達(dá)波的反射情況會(huì)更加復(fù)雜，進(jìn)一步增加了測(cè)量的難度和誤差。由于雷達(dá)法的探頭對(duì)遮擋和高溫敏感，在具有覆蓋層條件下的中間包鋼水液位測(cè)量中，存在諸多問(wèn)題，限制了其應(yīng)用效果。三、基于激光三角測(cè)距與插拔測(cè)量棒的液位測(cè)量方法3.1激光三角測(cè)距測(cè)量覆蓋層高度3.1.1激光三角測(cè)距原理激光三角測(cè)距是一種基于光學(xué)原理的非接觸式測(cè)量方法，其基本原理是利用光線在空間傳播過(guò)程中的反射規(guī)律以及相似三角形原理，通過(guò)測(cè)量激光發(fā)射點(diǎn)、被測(cè)物體表面反射點(diǎn)以及接收點(diǎn)之間的幾何關(guān)系來(lái)確定距離。在激光三角測(cè)距系統(tǒng)中，主要由激光發(fā)射器、接收器（通常為CCD或CMOS傳感器）以及信號(hào)處理單元組成。激光發(fā)射器通過(guò)特定的光學(xué)鏡頭，將一束具有高方向性和單色性的激光射向被測(cè)物體表面，如中間包鋼水表面的覆蓋層。當(dāng)激光束照射到覆蓋層表面時(shí)，由于覆蓋層表面的光學(xué)特性，部分激光會(huì)發(fā)生反射和散射。其中，反射光會(huì)沿著一定的方向傳播，被接收器的鏡頭收集，并投射到接收器的光敏面上，如CCD的像素陣列上。假設(shè)激光發(fā)射器與接收器之間的基線距離為L(zhǎng)，激光束與基線的夾角為\theta，這兩個(gè)參數(shù)在系統(tǒng)安裝和調(diào)試完成后是已知且固定的。當(dāng)激光束照射到覆蓋層表面的某一點(diǎn)時(shí)，反射光在接收器光敏面上的成像點(diǎn)與接收器中心的距離為x。根據(jù)幾何光學(xué)原理和相似三角形的性質(zhì)，在由激光發(fā)射器、被測(cè)點(diǎn)和接收器組成的三角形中，存在如下關(guān)系：\tan\theta=\frac{h}{L-x\cos\theta}其中，h為被測(cè)點(diǎn)到激光發(fā)射器和接收器所在平面的垂直距離，也就是需要測(cè)量的覆蓋層高度。通過(guò)測(cè)量反射光在接收器光敏面上的成像位置x，并結(jié)合已知的基線距離L和夾角\theta，就可以利用上述公式計(jì)算出覆蓋層的高度h。在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)處理單元會(huì)對(duì)接收到的反射光信號(hào)進(jìn)行處理和分析。首先，它會(huì)根據(jù)接收器輸出的電信號(hào)，確定反射光在光敏面上的成像位置x。這通常通過(guò)對(duì)CCD或CMOS傳感器輸出的圖像進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如采用邊緣檢測(cè)算法、重心法等方法來(lái)精確確定光斑的中心位置。然后，信號(hào)處理單元根據(jù)預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)L和\theta，以及測(cè)量得到的x值，運(yùn)用上述數(shù)學(xué)模型計(jì)算出覆蓋層的高度。激光三角測(cè)距具有精度高、響應(yīng)速度快、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)中間包鋼水液位測(cè)量中覆蓋層高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但在實(shí)際的中間包測(cè)量環(huán)境中，由于存在高溫強(qiáng)輻射、覆蓋層特性復(fù)雜等因素，會(huì)對(duì)激光三角測(cè)距的準(zhǔn)確性產(chǎn)生干擾，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)克服這些干擾，以確保測(cè)量精度。3.1.2消除熱輻射背景干擾的方法在中間包鋼水液位測(cè)量中，高溫強(qiáng)輻射背景對(duì)激光三角測(cè)距產(chǎn)生的干擾是影響測(cè)量精度的關(guān)鍵因素之一。中間包內(nèi)鋼水溫度高達(dá)1500℃左右，覆蓋層表面也處于高溫狀態(tài)，會(huì)向外輻射出強(qiáng)烈的熱輻射，其輻射能量包含了廣泛的波長(zhǎng)范圍。這些熱輻射會(huì)與激光信號(hào)一起進(jìn)入接收器，疊加在激光反射信號(hào)上，形成背景噪聲，導(dǎo)致激光信號(hào)的信噪比降低，使得激光目標(biāo)的識(shí)別和信號(hào)處理變得困難，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。為了消除熱輻射背景干擾，提出了基于激光顏色特征結(jié)合形態(tài)學(xué)濾波的方法，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：分析激光與熱輻射的顏色差異：激光具有特定的單色性，其波長(zhǎng)相對(duì)集中在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)。例如，常見(jiàn)的用于三角測(cè)距的半導(dǎo)體激光器，其發(fā)射波長(zhǎng)通常為650nm左右的紅色激光。而熱輻射的光譜分布則較為連續(xù)和寬泛，覆蓋了從紫外線到紅外線的多個(gè)波段。通過(guò)對(duì)激光和熱輻射的光譜特性進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)它們?cè)陬伾卣魃洗嬖诿黠@差異。利用這種顏色差異，為后續(xù)的信號(hào)處理提供了基礎(chǔ)。優(yōu)化增強(qiáng)顏色差異的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)：從CCD成像理論出發(fā)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。選擇合適的濾光片，使濾光片的通光波段與激光波長(zhǎng)相匹配，能夠最大限度地透過(guò)激光信號(hào)，同時(shí)有效阻擋其他波長(zhǎng)的光線，包括大部分熱輻射光線。調(diào)整光學(xué)鏡頭的焦距、光圈等參數(shù)，以確保激光束能夠準(zhǔn)確地聚焦在被測(cè)物體表面，并使反射光能夠清晰地成像在CCD上。通過(guò)優(yōu)化這些光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，可以使少量非激光工作波長(zhǎng)的干擾光進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)，從而增強(qiáng)激光信號(hào)與熱輻射背景信號(hào)的對(duì)比度?；陬伾町惖某醪綖V波：在信號(hào)處理階段，首先根據(jù)激光與熱輻射的顏色差異，采用顏色濾波算法對(duì)CCD采集到的圖像進(jìn)行初步處理。通過(guò)設(shè)定顏色閾值，將圖像中與激光顏色特征相符的像素點(diǎn)提取出來(lái)，而將其他顏色的像素點(diǎn)（主要是熱輻射背景對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)）濾除。這樣可以初步去除大部分熱輻射背景噪聲，提高激光信號(hào)的純度。形態(tài)學(xué)濾波進(jìn)一步處理：在經(jīng)過(guò)顏色差異濾波后，雖然大部分熱輻射背景噪聲已被去除，但圖像中可能仍然存在一些殘留的噪聲點(diǎn)和干擾信號(hào)。為了進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量，采用形態(tài)學(xué)濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行處理。形態(tài)學(xué)濾波是基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的一種圖像處理方法，通過(guò)使用不同形狀和大小的結(jié)構(gòu)元素對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕、膨脹等操作，來(lái)消除圖像中的噪聲點(diǎn)、填補(bǔ)空洞、平滑邊緣等。對(duì)于激光三角測(cè)距圖像，選擇合適的結(jié)構(gòu)元素，如圓形或方形結(jié)構(gòu)元素，對(duì)經(jīng)過(guò)顏色差異濾波后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)腐蝕操作，去除孤立的噪聲點(diǎn)。然后進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹操作，恢復(fù)被腐蝕掉的激光信號(hào)的邊緣信息。通過(guò)多次反復(fù)進(jìn)行腐蝕和膨脹操作，能夠有效地去除殘留的熱輻射干擾光，提高激光信號(hào)的信噪比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋層高度的準(zhǔn)確測(cè)量。通過(guò)以上基于激光顏色特征結(jié)合形態(tài)學(xué)濾波的方法，可以有效地消除中間包鋼水液位測(cè)量中高溫強(qiáng)輻射背景對(duì)激光三角測(cè)距的干擾，提高測(cè)量精度和可靠性。3.1.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與精度分析為了驗(yàn)證基于激光顏色特征結(jié)合形態(tài)學(xué)濾波消除熱輻射干擾方法的有效性，并評(píng)估其測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)裝置搭建：搭建模擬中間包實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括高溫爐、模擬鋼水容器、覆蓋層模擬材料、激光三角測(cè)距系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。高溫爐用于模擬中間包內(nèi)的高溫環(huán)境，能夠?qū)⒛M鋼水容器加熱到1500℃左右。模擬鋼水容器采用耐高溫材料制成，內(nèi)部填充有模擬鋼水的液體。覆蓋層模擬材料選用與實(shí)際中間包覆蓋層成分和性質(zhì)相近的保護(hù)渣，均勻覆蓋在模擬鋼水表面。激光三角測(cè)距系統(tǒng)安裝在模擬鋼水容器上方，其激光發(fā)射器和接收器的位置經(jīng)過(guò)精確調(diào)整，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量覆蓋層高度。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)用于采集激光三角測(cè)距系統(tǒng)輸出的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將高溫爐升溫至設(shè)定溫度，使模擬鋼水和覆蓋層處于穩(wěn)定的高溫狀態(tài)。然后，通過(guò)激光三角測(cè)距系統(tǒng)對(duì)覆蓋層高度進(jìn)行多次測(cè)量，每次測(cè)量間隔一定時(shí)間，以獲取不同時(shí)刻的覆蓋層高度數(shù)據(jù)。在測(cè)量過(guò)程中，同時(shí)記錄熱輻射強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)。對(duì)于采集到的激光三角測(cè)距信號(hào)，分別采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法（未進(jìn)行熱輻射干擾消除處理）和基于激光顏色特征結(jié)合形態(tài)學(xué)濾波的方法進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析：對(duì)兩種方法處理后得到的覆蓋層高度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以評(píng)估測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。將測(cè)量結(jié)果與實(shí)際覆蓋層高度進(jìn)行對(duì)比，實(shí)際覆蓋層高度通過(guò)高精度的接觸式測(cè)量方法（如千分尺測(cè)量）預(yù)先測(cè)量得到。通過(guò)計(jì)算測(cè)量誤差（測(cè)量值與實(shí)際值之差），分析不同方法的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與精度評(píng)估：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)測(cè)量方法時(shí)，由于熱輻射背景干擾的影響，測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，測(cè)量誤差也較大。在熱輻射強(qiáng)度較高時(shí)，測(cè)量誤差可達(dá)±10mm以上。而采用基于激光顏色特征結(jié)合形態(tài)學(xué)濾波的方法后，測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性明顯提高，測(cè)量誤差顯著減小。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量統(tǒng)計(jì)，該方法的測(cè)量誤差≤2mm，滿足中間包鋼水液位測(cè)量對(duì)覆蓋層高度測(cè)量精度的要求。通過(guò)對(duì)測(cè)量誤差的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)剩余的測(cè)量誤差主要來(lái)源于激光三角測(cè)距系統(tǒng)本身的測(cè)量誤差、光學(xué)系統(tǒng)的微小偏差以及模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的差異等因素。但總體來(lái)說(shuō)，基于激光顏色特征結(jié)合形態(tài)學(xué)濾波的方法能夠有效地消除熱輻射背景干擾，顯著提高激光三角測(cè)距在中間包鋼水液位測(cè)量中對(duì)覆蓋層高度的測(cè)量精度。3.2插拔測(cè)量棒測(cè)量覆蓋層厚度3.2.1基于溫度梯度原理的測(cè)量方法基于溫度梯度原理的插拔測(cè)量棒測(cè)量覆蓋層厚度方法，是利用測(cè)量棒在插入和拔出中間包鋼水與覆蓋層過(guò)程中，其不同部位與周圍介質(zhì)之間的熱交換導(dǎo)致的溫度變化規(guī)律，來(lái)確定鋼水與覆蓋層分界面位置，進(jìn)而計(jì)算出覆蓋層厚度。在連鑄中間包的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，鋼水溫度通常在1500℃左右，而覆蓋層由于其保溫作用，溫度相對(duì)較低，在鋼水與覆蓋層的分界面處存在明顯的溫度梯度。當(dāng)測(cè)量棒插入中間包時(shí)，測(cè)量棒首先接觸到覆蓋層，由于覆蓋層的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，測(cè)量棒與覆蓋層之間的熱交換速率較慢，測(cè)量棒溫度變化相對(duì)平緩。隨著測(cè)量棒繼續(xù)插入，當(dāng)?shù)竭_(dá)鋼水與覆蓋層的分界面時(shí)，由于鋼水的高溫和良好的導(dǎo)熱性能，測(cè)量棒與鋼水之間的熱交換迅速加劇，測(cè)量棒溫度會(huì)急劇上升。通過(guò)測(cè)量測(cè)量棒在不同位置的溫度變化，就可以根據(jù)溫度梯度的變化特征來(lái)確定分界面的位置。具體操作步驟如下：測(cè)量棒準(zhǔn)備：選用合適材質(zhì)的測(cè)量棒，該測(cè)量棒應(yīng)具有良好的耐高溫性能和導(dǎo)熱性能，能夠在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，并且能夠準(zhǔn)確地傳遞溫度變化信息。在測(cè)量棒上沿其長(zhǎng)度方向均勻布置多個(gè)溫度傳感器，如熱電偶或熱敏電阻等，這些溫度傳感器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量測(cè)量棒不同位置的溫度。插入測(cè)量棒：將準(zhǔn)備好的測(cè)量棒垂直緩慢地插入中間包內(nèi)，確保測(cè)量棒能夠垂直穿過(guò)覆蓋層并插入鋼水一定深度。在插入過(guò)程中，保持測(cè)量棒的穩(wěn)定，避免測(cè)量棒晃動(dòng)或傾斜，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。溫度數(shù)據(jù)采集：從測(cè)量棒開(kāi)始插入起，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各個(gè)溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具有較高的采樣頻率和精度，能夠準(zhǔn)確記錄溫度隨時(shí)間的變化情況。隨著測(cè)量棒的插入，不同位置的溫度傳感器會(huì)依次感受到覆蓋層和鋼水的溫度變化，從而記錄下相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。分析溫度梯度：根據(jù)采集到的溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)量棒上不同位置的溫度梯度。溫度梯度可以通過(guò)相鄰溫度傳感器之間的溫度差與它們之間的距離之比來(lái)計(jì)算。在鋼水與覆蓋層分界面處，由于熱交換速率的急劇變化，溫度梯度會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值。通過(guò)尋找溫度梯度的峰值位置，就可以確定鋼水與覆蓋層的分界面位置。計(jì)算覆蓋層厚度：已知測(cè)量棒上溫度傳感器的布置間距，以及確定的分界面位置，就可以計(jì)算出覆蓋層的厚度。假設(shè)測(cè)量棒從插入端到分界面位置經(jīng)過(guò)了n個(gè)溫度傳感器間距d，則覆蓋層厚度h=nd?；跍囟忍荻仍淼臏y(cè)量方法，能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量中間包鋼水與覆蓋層的分界面位置，從而得到覆蓋層厚度。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于測(cè)量棒在拔出過(guò)程中可能會(huì)黏附覆蓋劑，導(dǎo)致溫度傳感器被遮擋，影響溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，需要進(jìn)一步采取措施來(lái)解決這一問(wèn)題。3.2.2解決測(cè)量棒黏附覆蓋劑問(wèn)題的策略在使用插拔測(cè)量棒測(cè)量覆蓋層厚度的過(guò)程中，當(dāng)測(cè)量棒從中間包中拔出時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)測(cè)量棒部分區(qū)域黏著覆蓋劑的情況，這會(huì)導(dǎo)致溫度傳感器被覆蓋劑遮擋，使得被遮擋區(qū)域的溫度信息無(wú)法準(zhǔn)確獲取，從而影響基于溫度梯度原理的覆蓋層厚度測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了解決這一問(wèn)題，提出基于溫度三段線性分布的模型匹配方法。該方法基于以下原理：在測(cè)量棒插入和拔出的過(guò)程中，測(cè)量棒上未被覆蓋劑黏附的部分，其溫度變化與周圍介質(zhì)的熱交換過(guò)程符合一定的物理規(guī)律，呈現(xiàn)出線性分布特征。具體來(lái)說(shuō)，測(cè)量棒在覆蓋層中、分界面處以及鋼水中，由于所處介質(zhì)的不同，熱交換特性不同，溫度變化可以近似看作是三段不同斜率的線性分布。當(dāng)測(cè)量棒部分區(qū)域黏著覆蓋劑時(shí)，雖然被覆蓋劑遮擋區(qū)域的溫度傳感器無(wú)法直接獲取準(zhǔn)確溫度信息，但可以利用未被遮擋區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合溫度三段線性分布的模型，來(lái)推斷被遮擋區(qū)域的溫度特征。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)測(cè)量棒拔出后采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，首先識(shí)別出測(cè)量棒上未被覆蓋劑黏附的區(qū)域，這些區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的。根據(jù)這些未被遮擋區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，初步判斷測(cè)量棒在覆蓋層、分界面和鋼水區(qū)域的大致位置，確定溫度變化的趨勢(shì)和范圍。建立溫度三段線性分布模型：根據(jù)測(cè)量棒在不同介質(zhì)中的熱交換特性，建立溫度三段線性分布模型。設(shè)測(cè)量棒在覆蓋層中的溫度分布為T(mén)_1=a_1x+b_1，在分界面附近的溫度分布為T(mén)_2=a_2x+b_2，在鋼水中的溫度分布為T(mén)_3=a_3x+b_3，其中x為測(cè)量棒上的位置坐標(biāo)，a_1、a_2、a_3分別為三段線性分布的斜率，b_1、b_2、b_3分別為三段線性分布的截距。這些參數(shù)可以通過(guò)未被遮擋區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，利用最小二乘法等擬合算法進(jìn)行計(jì)算和確定。模型匹配與溫度推斷：將建立好的溫度三段線性分布模型與實(shí)際采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。對(duì)于被覆蓋劑遮擋的區(qū)域，根據(jù)模型中對(duì)應(yīng)的位置和溫度分布函數(shù)，推斷出該區(qū)域的溫度值。通過(guò)這種模型匹配的方式，可以獲得測(cè)量棒被覆蓋劑遮擋區(qū)域的溫度特征，從而完整地獲取測(cè)量棒上的溫度分布信息。計(jì)算覆蓋層厚度：在得到測(cè)量棒完整的溫度分布信息后，按照基于溫度梯度原理測(cè)量覆蓋層厚度的方法，通過(guò)分析溫度梯度的變化，確定鋼水與覆蓋層的分界面位置，進(jìn)而計(jì)算出覆蓋層厚度。基于溫度三段線性分布的模型匹配方法，能夠有效地解決測(cè)量棒黏附覆蓋劑導(dǎo)致溫度信息被遮擋的問(wèn)題，通過(guò)合理的模型建立和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋層厚度的準(zhǔn)確測(cè)量，提高了測(cè)量方法的魯棒性和可靠性。3.2.3考慮覆蓋劑流動(dòng)時(shí)的測(cè)量方法改進(jìn)在實(shí)際的中間包鋼水液位測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)測(cè)量棒從中間包中拔出時(shí)，除了可能出現(xiàn)測(cè)量棒黏附覆蓋劑遮擋溫度信息的情況外，還會(huì)遇到黏附在測(cè)量棒上的覆蓋劑發(fā)生流動(dòng)的現(xiàn)象。這種覆蓋劑的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量棒上的溫降特征被掩蓋，從而影響基于溫度梯度和溫降特征的覆蓋層厚度測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，需要根據(jù)不同位置黏附覆蓋劑的流動(dòng)速度特征對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)測(cè)量棒黏附覆蓋劑并發(fā)生流動(dòng)時(shí)，不同位置的覆蓋劑由于受到重力、表面張力以及測(cè)量棒表面摩擦力等多種因素的綜合作用，其流動(dòng)速度會(huì)有所不同。在測(cè)量棒的下部，由于覆蓋劑受到的重力作用較大，且距離測(cè)量棒插入端較近，覆蓋劑在拔出過(guò)程中受到的擾動(dòng)相對(duì)較小，其流動(dòng)速度相對(duì)較慢。而在測(cè)量棒的上部，覆蓋劑受到的重力作用相對(duì)較小，且在拔出過(guò)程中更容易受到外界氣流等因素的影響，其流動(dòng)速度相對(duì)較快。根據(jù)這種不同位置黏附覆蓋劑的流動(dòng)速度特征，改進(jìn)測(cè)量方法如下：流動(dòng)速度監(jiān)測(cè)：在測(cè)量棒的不同位置設(shè)置微型流速傳感器，這些傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黏附在測(cè)量棒上的覆蓋劑的流動(dòng)速度。流速傳感器可以采用基于熱傳導(dǎo)原理或超聲波原理的微型傳感器，它們具有體積小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量覆蓋劑的流動(dòng)速度。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)覆蓋劑的流動(dòng)速度，獲取不同位置覆蓋劑的流動(dòng)速度信息。數(shù)據(jù)融合與修正：將流速傳感器采集到的覆蓋劑流動(dòng)速度信息與溫度傳感器采集到的溫度信息進(jìn)行融合處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量棒上某區(qū)域的覆蓋劑流動(dòng)速度發(fā)生變化時(shí)，結(jié)合該區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行修正。對(duì)于流動(dòng)速度較快的區(qū)域，由于覆蓋劑的快速流動(dòng)會(huì)帶走更多的熱量，導(dǎo)致測(cè)量棒溫度下降更快，在分析溫度梯度和溫降特征時(shí)，需要對(duì)該區(qū)域的溫度變化進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚韵采w劑流動(dòng)對(duì)溫度測(cè)量的影響。建立考慮流動(dòng)的測(cè)量模型：根據(jù)覆蓋劑在測(cè)量棒上的流動(dòng)特性以及溫度變化規(guī)律，建立考慮覆蓋劑流動(dòng)的測(cè)量模型。該模型應(yīng)綜合考慮覆蓋劑的流動(dòng)速度、溫度變化以及測(cè)量棒與周圍介質(zhì)的熱交換等因素。在模型中，引入與覆蓋劑流動(dòng)速度相關(guān)的參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)對(duì)溫度變化進(jìn)行修正和補(bǔ)償，從而更準(zhǔn)確地反映測(cè)量棒在不同位置的真實(shí)溫度變化情況。確定分界面位置與厚度計(jì)算：利用建立好的考慮覆蓋劑流動(dòng)的測(cè)量模型，對(duì)測(cè)量棒上的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。通過(guò)尋找溫度梯度的變化特征以及結(jié)合修正后的溫降特征，準(zhǔn)確確定鋼水與覆蓋層的分界面位置。在確定分界面位置后，根據(jù)測(cè)量棒上溫度傳感器的布置間距以及分界面位置，計(jì)算出覆蓋層的厚度。通過(guò)考慮不同位置黏附覆蓋劑的流動(dòng)速度特征，對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效克服覆蓋劑流動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高在復(fù)雜情況下覆蓋層厚度測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析為了驗(yàn)證基于溫度梯度、溫降特征和流動(dòng)速度特征的插拔測(cè)量棒測(cè)量覆蓋層厚度方法的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。實(shí)驗(yàn)裝置與條件：搭建模擬中間包實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)包括高溫爐、模擬鋼水容器、覆蓋層模擬材料以及測(cè)量棒裝置。高溫爐用于模擬中間包內(nèi)的高溫環(huán)境，能夠?qū)⒛M鋼水容器加熱到1500℃左右。模擬鋼水容器采用耐高溫材料制成，內(nèi)部填充有模擬鋼水的液體。覆蓋層模擬材料選用與實(shí)際中間包覆蓋層成分和性質(zhì)相近的保護(hù)渣，均勻覆蓋在模擬鋼水表面。測(cè)量棒裝置配備有多個(gè)高精度溫度傳感器和微型流速傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集測(cè)量棒在插入和拔出過(guò)程中的溫度數(shù)據(jù)和覆蓋劑流動(dòng)速度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)方案：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行多組不同條件下的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。首先，進(jìn)行正常情況下的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，即測(cè)量棒在插入和拔出過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)黏附覆蓋劑或覆蓋劑流動(dòng)的情況，以此作為基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基于溫度梯度原理測(cè)量方法的準(zhǔn)確性。然后，進(jìn)行測(cè)量棒黏附覆蓋劑的實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)量棒拔出后部分區(qū)域黏著覆蓋劑遮擋溫度信息的情況，采用基于溫度三段線性分布的模型匹配方法進(jìn)行測(cè)量，并與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)行測(cè)量棒黏附覆蓋劑且覆蓋劑流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)際生產(chǎn)中的復(fù)雜情況，采用考慮覆蓋劑流動(dòng)速度特征改進(jìn)后的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，并分析測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正常情況下，基于溫度梯度原理的測(cè)量方法能夠準(zhǔn)確測(cè)量覆蓋層厚度，測(cè)量誤差≤3mm。當(dāng)測(cè)量棒黏附覆蓋劑時(shí)，采用基于溫度三段線性分布的模型匹配方法，能夠有效地解決溫度信息被遮擋的問(wèn)題，測(cè)量誤差與正常情況相比略有增加，但仍能控制在≤3mm的范圍內(nèi)，說(shuō)明該方法具有較好的魯棒性。在測(cè)量棒黏附覆蓋劑且覆蓋劑流動(dòng)的情況下，考慮覆蓋劑流動(dòng)速度特征改進(jìn)后的測(cè)量方法，能夠顯著提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量誤差相比未考慮流動(dòng)情況時(shí)有明顯降低，也能控制在≤3mm以內(nèi)。結(jié)果分析：對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析可知，基于溫度梯度原理的測(cè)量方法在正常情況下能夠準(zhǔn)確測(cè)量覆蓋層厚度，是因?yàn)闇y(cè)量棒在鋼水與覆蓋層分界面處的溫度梯度變化明顯，能夠準(zhǔn)確識(shí)別分界面位置。當(dāng)測(cè)量棒黏附覆蓋劑時(shí)，基于溫度三段線性分布的模型匹配方法通過(guò)合理的模型建立和數(shù)據(jù)處理，能夠推斷出被遮擋區(qū)域的溫度特征，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。在考慮覆蓋劑流動(dòng)的情況下，改進(jìn)后的測(cè)量方法通過(guò)監(jiān)測(cè)覆蓋劑流動(dòng)速度并對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，有效地消除了覆蓋劑流動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了測(cè)量的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，測(cè)量誤差主要來(lái)源于測(cè)量棒上溫度傳感器和流速傳感器的測(cè)量誤差、模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的差異以及測(cè)量模型的簡(jiǎn)化等因素。但總體來(lái)說(shuō)，基于溫度梯度、溫降特征和流動(dòng)速度特征的插拔測(cè)量棒測(cè)量覆蓋層厚度方法，在不同情況下都具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠滿足中間包鋼水液位測(cè)量對(duì)覆蓋層厚度測(cè)量精度的要求。3.3鋼水液位計(jì)算與測(cè)量裝置研制3.3.1鋼水液位計(jì)算方法在獲取了覆蓋層高度和厚度的準(zhǔn)確測(cè)量值后，即可通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算得到鋼水液位。設(shè)通過(guò)激光三角測(cè)距法測(cè)量得到的覆蓋層高度為h_{1}，通過(guò)插拔測(cè)量棒法測(cè)量得到的覆蓋層厚度為h_{2}，則鋼水液位H的計(jì)算公式為：H=h_{1}-h_{2}式中，H為鋼水液位，單位為mm；h_{1}為覆蓋層高度，單位為mm；h_{2}為覆蓋層厚度，單位為mm。鋼水液位的計(jì)算流程如下：測(cè)量數(shù)據(jù)采集：通過(guò)激光三角測(cè)距系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集覆蓋層高度h_{1}的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)按照設(shè)定的采樣頻率，持續(xù)對(duì)覆蓋層表面進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量得到的高度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元。同時(shí)，利用插拔測(cè)量棒裝置，按照一定的時(shí)間間隔插入和拔出測(cè)量棒，測(cè)量覆蓋層厚度h_{2}，并將測(cè)量數(shù)據(jù)同步傳輸至數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)處理單元首先對(duì)采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)于激光三角測(cè)距得到的覆蓋層高度數(shù)據(jù)，檢查是否存在異常值，如由于熱輻射干擾或設(shè)備故障導(dǎo)致的明顯偏差的數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)設(shè)定合理的數(shù)據(jù)閾值和濾波算法，去除這些異常值，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)于插拔測(cè)量棒得到的覆蓋層厚度數(shù)據(jù)，同樣進(jìn)行異常值檢測(cè)和處理，同時(shí)對(duì)多次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。液位計(jì)算：經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)上述鋼水液位計(jì)算公式，將處理后的覆蓋層高度h_{1}和覆蓋層厚度h_{2}代入公式進(jìn)行計(jì)算，得到鋼水液位H的值。在計(jì)算過(guò)程中，確保數(shù)據(jù)的單位一致性，避免因單位換算錯(cuò)誤而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。結(jié)果輸出與顯示：計(jì)算得到的鋼水液位H結(jié)果將被傳輸至顯示單元，以直觀的方式顯示給操作人員。顯示單元可以采用液晶顯示屏（LCD）或觸摸屏等設(shè)備，以數(shù)字、圖形等形式實(shí)時(shí)顯示鋼水液位的數(shù)值和變化趨勢(shì)。操作人員可以根據(jù)顯示的鋼水液位信息，及時(shí)調(diào)整連鑄工藝參數(shù)，確保連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行。通過(guò)以上鋼水液位計(jì)算方法和流程，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地計(jì)算出具有覆蓋層條件下中間包鋼水液位，為連鑄生產(chǎn)提供可靠的液位數(shù)據(jù)支持。3.3.2測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：鋼水液位測(cè)量裝置主要由激光三角測(cè)距模塊、插拔測(cè)量棒模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊以及顯示與控制模塊組成。激光三角測(cè)距模塊安裝在中間包上方，通過(guò)可調(diào)節(jié)的支架固定，確保激光發(fā)射器和接收器能夠準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)中間包鋼水表面的覆蓋層。該模塊采用高精度的激光發(fā)射器和高分辨率的CCD接收器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)覆蓋層高度的精確測(cè)量。插拔測(cè)量棒模塊位于中間包一側(cè)，包括測(cè)量棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、測(cè)量棒以及溫度傳感器和流速傳感器等。測(cè)量棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)或氣動(dòng)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量棒的快速、穩(wěn)定插入和拔出。測(cè)量棒選用耐高溫、耐腐蝕的材料制成，表面均勻布置多個(gè)溫度傳感器和微型流速傳感器，用于測(cè)量覆蓋層厚度和監(jiān)測(cè)覆蓋劑的流動(dòng)情況。數(shù)據(jù)采集與處理模塊是測(cè)量裝置的核心部分，負(fù)責(zé)采集激光三角測(cè)距模塊和插拔測(cè)量棒模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并進(jìn)行處理、分析和計(jì)算。該模塊采用高性能的微處理器和數(shù)據(jù)采集卡，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快速的響應(yīng)速度。顯示與控制模塊用于顯示測(cè)量結(jié)果和對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行操作控制。它包括顯示屏、操作按鈕和控制軟件等。操作人員可以通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)查看鋼水液位、覆蓋層高度和厚度等信息，通過(guò)操作按鈕對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行啟動(dòng)、停止、參數(shù)設(shè)置等操作。控制軟件則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)管理功能。各部件選型：在激光三角測(cè)距模塊中，選擇波長(zhǎng)為650nm的半導(dǎo)體激光器作為激光發(fā)射器，其具有發(fā)射功率穩(wěn)定、單色性好等優(yōu)點(diǎn)。CCD接收器選用分辨率為1280×1024像素的工業(yè)級(jí)CCD相機(jī)，能夠滿足對(duì)覆蓋層高度測(cè)量精度的要求。在插拔測(cè)量棒模塊中，測(cè)量棒選用陶瓷基復(fù)合材料制成，這種材料具有良好的耐高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在高溫鋼水和覆蓋層環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。溫度傳感器采用K型熱電偶，其測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快，能夠準(zhǔn)確測(cè)量測(cè)量棒在不同位置的溫度變化。微型流速傳感器選用基于熱傳導(dǎo)原理的傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)覆蓋劑在測(cè)量棒上的流動(dòng)速度。數(shù)據(jù)采集與處理模塊中的微處理器選用高性能的ARM系列處理器，其運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理需求。數(shù)據(jù)采集卡選用多通道、高精度的數(shù)據(jù)采集卡，能夠同時(shí)采集激光三角測(cè)距模塊和插拔測(cè)量棒模塊的多種信號(hào)。顯示與控制模塊中的顯示屏采用7英寸的工業(yè)級(jí)觸摸屏，具有顯示清晰、操作方便等特點(diǎn)。操作按鈕選用防水、防塵的工業(yè)級(jí)按鈕，確保在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能夠正常使用?？刂栖浖捎肔abVIEW等開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有良好的人機(jī)交互界面和豐富的功能模塊。系統(tǒng)集成過(guò)程：在完成各部件的選型和設(shè)計(jì)后，進(jìn)行系統(tǒng)集成工作。首先，將激光三角測(cè)距模塊和插拔測(cè)量棒模塊按照設(shè)計(jì)要求安裝在中間包上，并進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)，確保其能夠準(zhǔn)確測(cè)量覆蓋層高度和厚度。然后，將數(shù)據(jù)采集與處理模塊與激光三角測(cè)距模塊和插拔測(cè)量棒模塊通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和通信。對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理模塊進(jìn)行編程和配置，使其能夠正確采集和處理測(cè)量數(shù)據(jù)。將顯示與控制模塊與數(shù)據(jù)采集與處理模塊連接，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的顯示和操作控制功能。在系統(tǒng)集成過(guò)程中，注重各部件之間的兼容性和穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試和優(yōu)化，確保測(cè)量裝置能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。通過(guò)以上設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，研制出了一套能夠在具有覆蓋層條件下準(zhǔn)確測(cè)量中間包鋼水液位的測(cè)量裝置，為連鑄生產(chǎn)提供了有效的液位監(jiān)測(cè)手段。3.3.3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證鋼水液位測(cè)量裝置在實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)用性和穩(wěn)定性，與某鋼鐵企業(yè)合作，在其連鑄車間進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將研制的測(cè)量裝置安裝在中間包上，按照正常的連鑄生產(chǎn)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。在一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，收集了大量的鋼水液位、覆蓋層高度和厚度等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)期間，連鑄生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)歷了不同的工況變化，如鋼水澆注速度的調(diào)整、大包下渣量的波動(dòng)以及中間包內(nèi)鋼水溫度的變化等。測(cè)量裝置始終保持穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，測(cè)量裝置的測(cè)量精度滿足預(yù)期要求，鋼水液位測(cè)量誤差控制在±5mm以內(nèi)。在覆蓋層厚度波動(dòng)較大的情況下，基于溫度梯度、溫降特征和流動(dòng)速度特征的插拔測(cè)量棒測(cè)量覆蓋層厚度方法，能夠有效地適應(yīng)復(fù)雜工況，準(zhǔn)確測(cè)量覆蓋層厚度，為鋼水液位的精確計(jì)算提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。激光三角測(cè)距模塊在高溫強(qiáng)輻射背景下，通過(guò)基于激光顏色特征結(jié)合形態(tài)學(xué)濾波的方法，成功消除了熱輻射背景干擾，穩(wěn)定地測(cè)量出覆蓋層高度。測(cè)量裝置的穩(wěn)定性也得到了充分驗(yàn)證。在長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，各部件性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障或異常情況。數(shù)據(jù)采集與處理模塊能夠快速準(zhǔn)確地處理大量測(cè)量數(shù)據(jù)，顯示與控制模塊操作簡(jiǎn)便，為操作人員提供了直觀、便捷的操作界面。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，表明該測(cè)量裝置在實(shí)際鋼鐵生產(chǎn)環(huán)境中具有良好的實(shí)用性和穩(wěn)定性，能夠滿足連鑄生產(chǎn)對(duì)中間包鋼水液位準(zhǔn)確測(cè)量的需求，為提高連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定性和鑄坯質(zhì)量提供了有力的技術(shù)保障。四、基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的液位測(cè)量方法4.1測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理4.1.1測(cè)量棒與攝像機(jī)的布置在基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的中間包鋼水液位測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量棒與攝像機(jī)的合理布置是確保能夠準(zhǔn)確采集測(cè)量棒圖像和溫場(chǎng)分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液位精確測(cè)量的關(guān)鍵前提。測(cè)量棒選用鋁碳質(zhì)材料制成，這種材料具有良好的耐高溫性能，能夠在中間包內(nèi)高達(dá)1500℃左右的高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定，不會(huì)因高溫而發(fā)生變形或損壞，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。將鋁碳質(zhì)測(cè)量棒從中間包內(nèi)空氣層中垂直穿過(guò)保護(hù)渣層插入鋼水層。在插入過(guò)程中，嚴(yán)格控制測(cè)量棒的垂直度，確保其能夠準(zhǔn)確地到達(dá)鋼水與保護(hù)渣層的分界面，為后續(xù)通過(guò)溫度變化識(shí)別分界面位置及保護(hù)渣層厚度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。測(cè)量棒的插入深度需要根據(jù)中間包的實(shí)際尺寸和鋼水液位的大致范圍進(jìn)行合理調(diào)整，一般插入鋼水層一定深度，以確保測(cè)量棒能夠充分感受到鋼水和保護(hù)渣層的溫度差異。攝像機(jī)安裝于測(cè)量棒側(cè)上方，其安裝角度和位置經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和調(diào)試。攝像機(jī)的光軸與測(cè)量棒的中軸線保持一定的夾角，一般選擇在45°-60°之間，這樣可以確保攝像機(jī)能夠全面、清晰地采集到測(cè)量棒的圖像。通過(guò)調(diào)整攝像機(jī)的焦距和光圈，使測(cè)量棒在攝像機(jī)的成像平面上能夠清晰成像，保證圖像的分辨率和對(duì)比度滿足后續(xù)圖像處理和分析的要求。為了減少高溫、粉塵等惡劣環(huán)境對(duì)攝像機(jī)的影響，在攝像機(jī)鏡頭前安裝耐高溫、防塵的保護(hù)罩，保護(hù)罩采用特殊的光學(xué)材料制成，既能有效阻擋高溫和粉塵，又不會(huì)對(duì)攝像機(jī)采集的圖像質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。在攝像機(jī)的安裝位置周圍，設(shè)置有效的隔熱和冷卻裝置，如風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)，確保攝像機(jī)在高溫環(huán)境下能夠正常工作，避免因溫度過(guò)高而導(dǎo)致攝像機(jī)性能下降或損壞。通過(guò)合理布置鋁碳質(zhì)測(cè)量棒和攝像機(jī)，能夠確保測(cè)量系統(tǒng)在中間包復(fù)雜的工作環(huán)境中，準(zhǔn)確采集到測(cè)量棒的圖像和溫場(chǎng)分布信息，為基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的中間包鋼水液位測(cè)量方法的實(shí)施提供可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。4.1.2保護(hù)渣層液位與厚度的識(shí)別原理保護(hù)渣層實(shí)時(shí)液位的確定：當(dāng)鋁碳質(zhì)測(cè)量棒插入中間包鋼水后，通過(guò)安裝在其側(cè)上方的攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集測(cè)量棒的圖像。利用先進(jìn)的模式識(shí)別算法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理和分析。模式識(shí)別算法首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、增強(qiáng)對(duì)比度等操作，以提高圖像的質(zhì)量和清晰度。然后，通過(guò)邊緣檢測(cè)算法，提取測(cè)量棒與保護(hù)渣層界面的邊緣信息。根據(jù)邊緣信息的幾何特征，如邊緣的位置、形狀等，運(yùn)用模式匹配算法，將提取到的邊緣信息與預(yù)先建立的保護(hù)渣層液位模式庫(kù)進(jìn)行匹配。模式庫(kù)中包含了不同工況下保護(hù)渣層液位的典型模式，通過(guò)匹配相似度的計(jì)算，確定當(dāng)前測(cè)量棒圖像中保護(hù)渣層的實(shí)時(shí)液位。如果當(dāng)前圖像的邊緣特征與模式庫(kù)中液位為h_1的模式相似度最高，則可以判斷此時(shí)保護(hù)渣層的實(shí)時(shí)液位為h_1。通過(guò)這種模式識(shí)別的方法，能夠準(zhǔn)確地確定保護(hù)渣層的實(shí)時(shí)液位，為后續(xù)鋼水液位的計(jì)算提供重要的數(shù)據(jù)支持。保護(hù)渣層厚度的識(shí)別：當(dāng)測(cè)量棒與周圍介質(zhì)達(dá)到熱平衡后，緩慢升起測(cè)量棒，此時(shí)攝像機(jī)迅速采集測(cè)量棒外壁的溫場(chǎng)分布圖像。在保護(hù)渣層和鋼水層的分界面處，由于兩者的溫度差異較大，會(huì)存在局部溫度梯度峰值。利用溫度傳感器技術(shù)和圖像處理算法來(lái)識(shí)別這一特征。在測(cè)量棒上布置多個(gè)高精度的溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量棒不同位置的溫度變化。當(dāng)測(cè)量棒升起時(shí)，溫度傳感器將測(cè)量到的溫度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)，結(jié)合圖像處理算法，生成測(cè)量棒外壁的溫場(chǎng)分布圖像。在圖像中，通過(guò)梯度計(jì)算算法，計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的溫度梯度。在保護(hù)渣層和鋼水層分界面處，溫度梯度會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值。通過(guò)設(shè)定合適的閾值，篩選出溫度梯度大于閾值的像素點(diǎn)，這些像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置即為保護(hù)渣層和鋼水層的分界面位置。已知測(cè)量棒上溫度傳感器的布置間距以及分界面位置，就可以準(zhǔn)確計(jì)算出保護(hù)渣層的厚度。如果測(cè)量棒上相鄰溫度傳感器的間距為d，從測(cè)量棒底部到分界面位置經(jīng)過(guò)了n個(gè)溫度傳感器間距，則保護(hù)渣層厚度h=nd。通過(guò)這種基于溫度梯度特征識(shí)別分界面位置及保護(hù)渣層厚度的方法，能夠有效地克服保護(hù)渣層對(duì)鋼水液位測(cè)量的影響，實(shí)現(xiàn)中間包內(nèi)鋼水液位的準(zhǔn)確測(cè)量。4.2圖像處理與溫場(chǎng)分析技術(shù)4.2.1測(cè)量棒圖像采集與預(yù)處理在基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的中間包鋼水液位測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量棒圖像的采集與預(yù)處理是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確液位測(cè)量的關(guān)鍵步驟。測(cè)量棒圖像采集通過(guò)安裝于測(cè)量棒側(cè)上方的高分辨率攝像機(jī)完成。攝像機(jī)的選型至關(guān)重要，需具備高幀率、高分辨率以及良好的低照度性能。高幀率能夠保證在測(cè)量棒快速插拔過(guò)程中，也能清晰捕捉到各個(gè)瞬間的圖像，避免因幀率不足而導(dǎo)致圖像模糊或信息丟失。高分辨率則可提供更清晰的圖像細(xì)節(jié)，有助于后續(xù)對(duì)測(cè)量棒與保護(hù)渣層界面以及測(cè)量棒溫場(chǎng)分布的精確分析。良好的低照度性能則確保在中間包內(nèi)光線較暗的環(huán)境下，依然能夠獲取高質(zhì)量的圖像。攝像機(jī)的鏡頭選擇也需謹(jǐn)慎，應(yīng)根據(jù)測(cè)量棒與攝像機(jī)的距離以及所需拍攝的范圍，選擇合適焦距和光圈的鏡頭，以保證測(cè)量棒在圖像中能夠清晰成像，且圖像邊緣無(wú)明顯畸變。采集到的原始圖像通常會(huì)受到多種因素的干擾，如中間包內(nèi)的高溫、粉塵、煙霧等，導(dǎo)致圖像質(zhì)量較差，不能直接用于后續(xù)的分析和處理。因此，需要對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，以提高圖像質(zhì)量，為后續(xù)的液位測(cè)量提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；叶然菆D像預(yù)處理的第一步，其目的是將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。在彩色圖像中，每個(gè)像素點(diǎn)由紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色通道組成，而灰度圖像中每個(gè)像素點(diǎn)只有一個(gè)亮度值。將彩色圖像灰度化，可以簡(jiǎn)化后續(xù)圖像處理的計(jì)算量，同時(shí)去除顏色信息帶來(lái)的干擾。常見(jiàn)的灰度化方法有加權(quán)平均法、最大值法、最小值法等。加權(quán)平均法是根據(jù)人眼對(duì)不同顏色的敏感度，為紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色通道分配不同的權(quán)重，然后將三個(gè)通道的像素值按照權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，得到灰度值。其公式為：Gray=0.299R+0.587G+0.114B，其中R、G、B分別表示紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色通道的像素值，Gray表示灰度值。這種方法能夠較好地保留圖像的亮度信息，符合人眼的視覺(jué)特性，在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛采用。濾波是去除圖像噪聲的重要手段。中間包內(nèi)的惡劣環(huán)境會(huì)使采集到的圖像中包含大量的噪聲，如高斯噪聲、椒鹽噪聲等。這些噪聲會(huì)影響圖像的清晰度和特征提取的準(zhǔn)確性，因此需要通過(guò)濾波進(jìn)行去除。高斯濾波是一種常用的線性濾波方法，它根據(jù)高斯函數(shù)的分布特性，對(duì)圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)及其鄰域像素點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均，從而達(dá)到平滑圖像、去除噪聲的目的。高斯濾波器的模板系數(shù)由高斯函數(shù)確定，其大小和標(biāo)準(zhǔn)差決定了濾波的效果。較大的模板和標(biāo)準(zhǔn)差可以更有效地去除噪聲，但也會(huì)使圖像變得更加模糊；較小的模板和標(biāo)準(zhǔn)差則對(duì)圖像的平滑效果較弱，但能更好地保留圖像的細(xì)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)圖像的噪聲情況和后續(xù)處理的要求，合理選擇高斯濾波器的參數(shù)。除了高斯濾波，中值濾波也是一種有效的去噪方法，特別適用于去除椒鹽噪聲。中值濾波的原理是將圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值用其鄰域像素點(diǎn)灰度值的中值來(lái)代替。在一個(gè)n??n的鄰域窗口中，將窗口內(nèi)的像素點(diǎn)按照灰度值從小到大排序，取中間位置的像素值作為中心像素點(diǎn)的新灰度值。中值濾波能夠有效地去除孤立的噪聲點(diǎn)，同時(shí)保留圖像的邊緣和細(xì)節(jié)信息。對(duì)于包含椒鹽噪聲的圖像，中值濾波往往能夠取得比高斯濾波更好的去噪效果。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)圖像噪聲的類型和分布情況，選擇合適的濾波方法或結(jié)合多種濾波方法進(jìn)行處理，以達(dá)到最佳的去噪效果。4.2.2基于溫度梯度的分界面定位算法基于溫度梯度的分界面定位算法是利用保護(hù)渣層和鋼水層分界面處存在局部溫度梯度峰值這一特性，來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別分界面位置及保護(hù)渣層厚度的關(guān)鍵算法。當(dāng)測(cè)量棒插入中間包鋼水并與周圍介質(zhì)達(dá)到熱平衡后，緩慢升起測(cè)量棒，此時(shí)攝像機(jī)迅速采集測(cè)量棒外壁的溫場(chǎng)分布圖像。在圖像中，保護(hù)渣層和鋼水層由于溫度差異較大，在分界面處會(huì)形成明顯的溫度變化區(qū)域，即存在局部溫度梯度峰值。為了準(zhǔn)確識(shí)別這一峰值，需要對(duì)采集到的溫場(chǎng)分布圖像進(jìn)行一系列處理和分析。首先，對(duì)溫場(chǎng)分布圖像進(jìn)行溫度梯度計(jì)算。溫度梯度是指在溫度場(chǎng)中，單位距離內(nèi)溫度的變化率。在圖像中，可以通過(guò)計(jì)算相鄰像素點(diǎn)之間的溫度差值來(lái)近似得到溫度梯度。對(duì)于二維圖像，可采用差分法進(jìn)行溫度梯度計(jì)算。設(shè)圖像中某像素點(diǎn)(i,j)的溫度值為T(mén)(i,j)，則該像素點(diǎn)在x方向和y方向的溫度梯度分別為：G_x(i,j)=T(i+1,j)-T(i,j)G_y(i,j)=T(i,j+1)-T(i,j)像素點(diǎn)(i,j)的總溫度梯度G(i,j)可通過(guò)以下公式計(jì)算：G(i,j)=\sqrt{G_x(i,j)^2+G_y(i,j)^2}通過(guò)上述計(jì)算，得到圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的溫度梯度值，從而形成溫度梯度圖像。在溫度梯度圖像中，保護(hù)渣層和鋼水層分界面處的溫度梯度值會(huì)明顯高于其他區(qū)域，呈現(xiàn)出局部峰值。為了準(zhǔn)確找到這些局部溫度梯度峰值，采用局部最大值搜索算法。在溫度梯度圖像中，以每個(gè)像素點(diǎn)為中心，設(shè)置一個(gè)大小為m??m的鄰域窗口。在該鄰域窗口內(nèi)，比較中心像素點(diǎn)的溫度梯度值與其他像素點(diǎn)的溫度梯度值。如果中心像素點(diǎn)的溫度梯度值大于鄰域內(nèi)所有其他像素點(diǎn)的溫度梯度值，則該像素點(diǎn)被認(rèn)為是一個(gè)局部最大值點(diǎn)。通過(guò)遍歷整個(gè)溫度梯度圖像，找出所有的局部最大值點(diǎn)，這些局部最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置即為可能的保護(hù)渣層和鋼水層分界面位置。在實(shí)際情況中，由于噪聲、測(cè)量誤差等因素的影響，可能會(huì)檢測(cè)到一些虛假的局部最大值點(diǎn)。為了去除這些虛假點(diǎn)，需要對(duì)檢測(cè)到的局部最大值點(diǎn)進(jìn)行篩選和驗(yàn)證。一種常用的方法是設(shè)置閾值。根據(jù)實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定一個(gè)合適的溫度梯度閾值T_{th}。只有當(dāng)局部最大值點(diǎn)的溫度梯度值大于T_{th}時(shí)，才認(rèn)為該點(diǎn)是真正的分界面位置。通過(guò)設(shè)置閾值，可以有效地去除大部分虛假的局部最大值點(diǎn)，提高分界面定位的準(zhǔn)確性。還可以結(jié)合測(cè)量棒的幾何形狀和插入位置等先驗(yàn)信息，對(duì)篩選后的局部最大值點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。測(cè)量棒是垂直插入中間包鋼水的，因此分界面位置應(yīng)該在測(cè)量棒的垂直方向上呈現(xiàn)出連續(xù)的分布。如果某個(gè)局部最大值點(diǎn)與其他相鄰的局部最大值點(diǎn)在垂直方向上的距離過(guò)大，或者不符合測(cè)量棒的幾何形狀特征，則該點(diǎn)可能是虛假的分界面位置，應(yīng)予以排除。通過(guò)綜合運(yùn)用閾值篩選和先驗(yàn)信息驗(yàn)證等方法，可以準(zhǔn)確地確定保護(hù)渣層和鋼水層的分界面位置。在確定分界面位置后，根據(jù)測(cè)量棒上已知的溫度傳感器布置間距或圖像像素與實(shí)際距離的標(biāo)定關(guān)系，即可計(jì)算出保護(hù)渣層的厚度。通過(guò)基于溫度梯度的分界面定位算法，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別保護(hù)渣層和鋼水層的分界面位置及保護(hù)渣層厚度，為中間包鋼水液位的精確測(cè)量提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。4.3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例與效果評(píng)估4.3.1應(yīng)用案例介紹以某大型鋼鐵企業(yè)的連鑄車間為應(yīng)用案例，詳細(xì)闡述基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的液位測(cè)量方法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用過(guò)程和操作要點(diǎn)。該鋼鐵企業(yè)的連鑄生產(chǎn)線采用了本文所研究的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的中間包鋼水液位測(cè)量系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，首先根據(jù)中間包的結(jié)構(gòu)和尺寸，合理安裝鋁碳質(zhì)測(cè)量棒和攝像機(jī)。測(cè)量棒從中間包內(nèi)空氣層垂直穿過(guò)保護(hù)渣層插入鋼水層，插入深度經(jīng)過(guò)精確計(jì)算和調(diào)試，確保能夠準(zhǔn)確反映鋼水與保護(hù)渣層的分界面位置。攝像機(jī)安裝于測(cè)量棒側(cè)上方，通過(guò)可調(diào)節(jié)的支架固定，其光軸與測(cè)量棒中軸線夾角調(diào)整為50°，以獲取最佳的拍攝視角。攝像機(jī)鏡頭前安裝了耐高溫、防塵的保護(hù)罩，并配備了風(fēng)冷系統(tǒng)，確保在中間包高溫、多塵的惡劣環(huán)境下能夠正常工作。在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)鋼水從鋼包注入中間包后，測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始工作。攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集測(cè)量棒的圖像，利用模式識(shí)別算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，快速準(zhǔn)確地確定保護(hù)渣層的實(shí)時(shí)液位。當(dāng)測(cè)量棒與周圍介質(zhì)達(dá)到熱平衡后，通過(guò)自動(dòng)化的機(jī)械裝置緩慢升起測(cè)量棒。在測(cè)量棒升起的瞬間，攝像機(jī)迅速采集測(cè)量棒外壁的溫場(chǎng)分布圖像。測(cè)量棒上布置的多個(gè)高精度溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量棒不同位置的溫度變化，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元結(jié)合溫度傳感器的數(shù)據(jù)和圖像處理算法，生成測(cè)量棒外壁的溫場(chǎng)分布圖像。通過(guò)基于溫度梯度的分界面定位算法，對(duì)溫場(chǎng)分布圖像進(jìn)行分析，準(zhǔn)確識(shí)別保護(hù)渣層和鋼水層的分界面位置，進(jìn)而計(jì)算出保護(hù)渣層的厚度