如何为高速纸张卷对卷生产线，选择能实现±0.05%速度稳定与毫米级长度测量精度的非接触式传感器方案？【精密控制，在线检测】

1. 纸张的基本结构与技术要求

在工业生产中，纸张被视为一种柔性卷材，其基本结构看起来可能很简单，就是一层薄薄的纤维网。但这张“网”在高速传输时，却有着复杂且多变的行为。想象一下，一张很长的纸带在机器上飞奔，就像一条高速公路上的车流。我们不仅要控制它的速度，还要确保它的“行驶里程”准确无误，并且在整个过程中保持平稳。

具体来说，纸张在传输过程中，其物理特性如厚度、表面粗糙度、密度、弹性乃至含水率都可能影响测量结果。例如，纸张的纤维结构导致其表面并非绝对光滑，这会影响某些光学传感器的信号质量。同时，由于纸张具有一定的弹性，在受到拉伸力（即张力）时，它的实际长度会发生微小变化，这在需要高精度长度控制的应用中是必须考虑的。此外，高速运动下的纸张可能会产生振动（俗称“抖动”或“飘移”），就像车流中的车辆突然转向或减速一样，这对测速传感器的瞬时响应能力提出了很高要求。

因此，对纸张传输的速度和长度进行精确控制，是确保印刷质量、切割精度、卷取整齐度以及整体生产效率的关键。如果速度控制不准，印出来的图案可能会变形，切割出来的纸张长度不一，甚至导致纸张断裂或堆叠，造成严重的生产损失。

2. 纸张传输的相关技术标准简介

为了确保纸张传输过程的质量和效率，行业内会对一系列关键参数进行监测和评价。这些参数的定义和评价方法旨在提供一个统一的衡量标准，帮助生产商和用户评估设备的性能。

• 传输速度（Line Speed）：这是指纸张在生产线上单位时间移动的距离。通常以米/分钟（m/min）或英尺/分钟（ft/min）来表示。评价方法通常是测量一段时间内的平均速度，以及瞬时速度的波动范围（即速度稳定性），看它是否偏离设定的目标速度。就像我们驾驶汽车，不仅要知道平均时速，还要看在行驶过程中车速是否忽快忽慢。

• 长度精度（Length Accuracy）：指的是在完成一个长度单位（比如一米或一段）的传输后，实际测量到的长度与理论设定长度之间的差异。这通常用绝对误差（如毫米）或相对误差（如百分比）来表示。评价时，会进行多次重复测量，并统计其最大误差和平均误差，以确保产品切割、印刷套准等要求。

• 速度稳定性（Speed Stability）：反映了纸张传输速度在短期内的波动程度，这是评估系统动态性能的重要指标。如果速度波动过大，会导致印刷墨迹不均、切割边缘不齐等问题。评价方法通常是计算在某一稳定运行速度下的速度标准偏差或最大速度偏差百分比。

• 张力控制（Tension Control）：纸张在卷取、放卷和中间传输过程中，需要保持适当的张力。张力过大可能导致纸张拉伸变形甚至断裂，过小则可能导致纸张松弛、跑偏或起皱。虽然张力本身不是速度或长度，但它直接影响纸张的实际线速度和长度精度，因此常作为间接影响因素被监控。

3. 实时监测/检测技术方法

在纸张传输速度控制中，我们有多种先进的实时监测技术。这些技术各有千秋，就像不同的工具箱，里面装着解决不同问题的工具。

• (1) 市面上各种相关技术方案

• 激光多普勒测速原理 (Laser Doppler Velocimetry - LDV)

工作原理与物理基础：激光多普勒测速，简称LDV，听起来很“高大上”，但核心原理其实不难理解。想象一下，一辆救护车鸣笛驶过你身边，靠近时声音变尖（频率变高），远离时声音变低（频率变低），这就是多普勒效应。激光多普勒测速仪就是利用了光的这种“多普勒效应”。

它会发射两束同频率的激光束，让它们在一个很小的空间区域（称为测量体积或交叠区）相交，形成一系列明暗相间的干涉条纹，就像一把隐形的“光尺”。当移动的纸张表面经过这个“光尺”时，纸张表面的微小颗粒会散射激光。由于纸张在移动，这些散射光会因为多普勒效应而发生频率偏移。更精妙的是，从两束激光散射回来的光会发生干涉，产生一个“差频信号”（也叫拍频信号），这个差频信号的频率（fd）与纸张的线速度（v）成正比。

其核心物理公式可以表示为：fd = (2 * v * sin(θ)) / λ其中：* fd 是多普勒差频，也就是我们实际测量到的频率。* v 是被测物体的线速度。* θ 是两束入射激光束夹角的一半。* λ 是激光的波长。

这个公式告诉我们，只要激光的波长（λ）和两束激光的夹角（θ）是已知的固定值，那么通过测量差频fd，我们就可以非常精确地计算出纸张的线速度v。这个过程是非接触的，就像医生用听诊器诊断病情一样，不需要直接接触病人。

核心性能参数的典型范围：LDV技术通常能实现很高的精度，速度测量精度一般为±0.02%~±0.1%，优质系统可达±0.015%，重复性甚至能达到0.02%或更高。其速度测量范围也很广，从接近静止到非常高的速度都可以测量，一些高端型号的测量范围可达0.01米/分钟至10,000米/分钟。响应时间非常短，能够快速捕捉速度的瞬时变化。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式测量： 这是最大的优势，避免了对纸张表面的磨损、污染或破坏，特别适用于脆弱、湿润或刚加工完成的材料，也消除了传统接触式测量因打滑、压痕、磨损等带来的误差。 * 高精度与高重复性： 基于物理常数（激光波长）进行测量，受外部环境影响小，能够提供极高的测量精度和一致性，是高端工业控制和校准的理想选择。 * 动态响应快： 能够实时捕捉高速运动和快速加减速过程中的速度变化，适用于高动态要求的生产线。 * 环境适应性： 多数LDV传感器设计坚固，防护等级高，能在恶劣的工业环境中稳定工作。* 局限性： * 对表面散射要求： 需要被测表面能够散射激光，对于镜面反射或透明材料可能需要特殊处理。不过，对于纸张这类有一定粗糙度的材料，通常不是问题。 * 成本较高： 相较于接触式编码器，LDV传感器的初始投资成本通常更高。 * 安装要求： 对安装位置和角度有一定要求，需要确保激光束能正确投射到测量表面。

• 光学纹理识别/图像相关法

工作原理与物理基础：这种技术可以形象地理解为给纸张拍照，然后对比照片来判断它走了多远、有多快。它使用高分辨率摄像头持续拍摄纸张表面的微观纹理图像。然后，内置的智能算法会识别这些图像中的细微特征（比如纸张纤维的随机纹理、墨点、微小瑕疵等），并在连续拍摄的图像帧之间进行追踪和匹配。通过计算这些特征点在不同帧之间移动了多少像素，再结合相机每次拍照的时间间隔以及相机的放大倍数，就能精确地算出纸张的实际位移和线速度。

核心性能参数的典型范围：速度测量范围通常在中低速应用表现较好，一般在0.1米/分钟至300米/分钟。速度测量精度可达到±0.05%，长度测量分辨率可达0.05毫米。

技术方案的优缺点：* 优点： 非接触式测量；能同时提供速度和长度信息；对纸张表面纹理有较好的适应性；可以集成其他图像处理功能，如缺陷检测。* 局限性： 测量精度受限于图像分辨率和处理算法；对纸张表面纹理的丰富性有一定要求，对于过于均匀或反光的表面可能效果不佳；处理速度可能不如LDV，在高动态变化或极高速场景下可能受限。

• 激光干涉测量

工作原理与物理基础：激光干涉测量是一种极致精密的测量技术，可以比喻为使用光的波长作为最小的“刻度尺”。它基于激光干涉仪的原理，将一束激光分成两束：一束作为参考光，另一束作为测量光。测量光被投射到移动的纸张表面（或一个与纸张同步移动的反射目标上）。当纸张移动时，测量光的路径长度发生变化，与参考光汇合时会产生干涉现象，形成明暗变化的干涉条纹。系统通过高精度地计数这些干涉条纹的变化数量，就能计算出纸张极其微小的位移，结合时间信息，推导出瞬时速度。

核心性能参数的典型范围：这种技术能实现亚微米级别（小于1微米）的长度分辨率，高端系统速度测量精度可达到±1 ppm（百万分之一），速度测量范围较宽，一些型号可实现0.06米/分钟至3000米/分钟的测量范围。测量频率较高，响应能力强。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的精度和分辨率，适用于实验室、校准或对精度有极致要求的应用；非接触式测量；稳定性极高。* 局限性： 系统复杂，成本极高，通常不用于普通生产线的在线测速；对环境振动、温度变化非常敏感，需要严格的安装和环境控制；通常需要一个专门的反射目标，可能增加了实施难度。

• 接触式编码器测量 (测量轮增量编码器)

工作原理与物理基础：接触式编码器测量是一种传统且广泛应用的方法，它就像我们用卷尺量东西一样直观。它通过一个精密设计的测量轮直接与移动的纸张表面接触，并随着纸张的移动同步滚动。这个测量轮的轴连接着一个增量编码器。当测量轮旋转时，编码器内部的码盘会产生一系列离散的电脉冲信号。每个脉冲代表测量轮转过了预设的微小角度，也就对应着纸张移动了一个预设的长度单位。通过计数单位时间内产生的脉冲数量，并结合测量轮的已知周长，就可以计算出纸张的线速度。

其核心物理公式可以表示为：v = (N / PPR) * C / tL = (ΣN / PPR) * C其中：* v 是线速度。* L 是总长度。* N 是单位时间t内产生的脉冲数。* ΣN 是总脉冲数。* PPR 是编码器每转产生的脉冲数。* C 是测量轮的周长。

核心性能参数的典型范围：编码器分辨率可达数万PPR（每转脉冲数），例如50000 PPR。测量轮的最大机械转速可达6000 RPM。速度测量精度通常在0.1%到0.5%之间，取决于测量轮的质量和接触稳定性。

技术方案的优缺点：* 优点： * 结构简单，成本相对较低： 相比激光系统，编码器方案的硬件和安装成本通常更经济。 * 安装和维护便捷： 结构坚固，日常维护工作量小。 * 稳定可靠： 在各种工业环境中具有良好的耐用性和抗干扰能力，对表面颜色、纹理变化不敏感。 * 直接测量： 信号直观，易于理解和集成到控制系统。* 局限性： * 接触式测量： 这是最大的局限性，测量轮与纸张的物理接触可能导致以下问题： * 磨损和污染： 对纸张表面产生磨损、压痕或留下痕迹，不适用于敏感或高附加值的纸张。 * 打滑（Slippage）： 当纸张表面湿滑、有灰尘或张力不稳时，测量轮可能发生打滑，导致测量误差。 * 机械磨损： 测量轮本身会磨损，导致周长变化，需要定期校准或更换。 * 振动影响： 高速运动或设备振动可能导致测量轮与纸张接触不稳，引入误差。 * 精度受限： 虽然分辨率高，但实际测量精度容易受到打滑、轮径变化、机械间隙等因素影响。

• (2) 市场主流品牌/产品对比

在纸张传输速度控制领域，不同的技术方案由多家知名品牌提供。以下是一些主流厂商及其解决方案的对比：

• 德国宝力康

  • 采用技术： 激光多普勒测速（LDV）。

  • 核心参数： 速度测量范围宽，如0.01米/分钟至3000米/分钟；速度测量精度优于0.05%。

  • 应用特点与优势： 作为LDV技术的供应商，德国宝力康的产品提供非接触高精度测量，适用于高速、高动态变化且对精度要求高的纸张传输线，受纸张表面特性影响较小，长期稳定可靠。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光多普勒测速（LDV）。

  • 核心参数： AJS10X系列工厂校准精度优于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；内部测量速率高达200kHz。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有的AJS10X系列采用激光多普勒原理，以其精度和广泛的速度测量范围为特点。其全固态设计保证了长期运行的可靠性，并且R系列产品支持0速度测量与方向识别，适合纸张、薄膜等平面材料的精确速度和长度控制，以及高精度编码器的校准。

• 美国丹纳斯

  • 采用技术： 接触式测量轮增量编码器。

  • 核心参数： 编码器分辨率高达50000 PPR；最大机械转速可达6000 RPM；防护等级IP67。

  • 应用特点与优势： 美国丹纳斯提供耐用的编码器解决方案。其产品与测量轮集成后，在成本敏感且对精度要求适中的纸张传输应用中表现稳定可靠，结构简单，安装维护便捷，但需要注意打滑和磨损对精度的影响。

• 瑞士堡盟

  • 采用技术： 光学纹理识别（非接触式光学多功能传感器）。

  • 核心参数： 测量速度范围0.1米/分钟至300米/分钟；速度测量精度±0.05%；长度测量分辨率高达0.05毫米。

  • 应用特点与优势： 瑞士堡盟的产品通过识别纸张表面纹理来实现非接触式测速测长，集成度较高，安装调试相对简便，并且能够同时进行速度和长度测量，适用于多种材料和表面处理的纸张。

• 日本欧姆龙

  • 采用技术： 高速图像处理和特征跟踪（机器视觉系统）。

  • 核心参数： 高速图像处理能力如每秒2500万像素；具体测量精度与速度取决于配置，但具备高重复测量精度。

  • 应用特点与优势： 日本欧姆龙的视觉系统不仅能实现非接触测速，还能同时进行纸张表面的质量检测、缺陷识别、位置校正等多种任务。其可编程性和灵活性使其能适应复杂多变的纸张类型及应用场景，实现多功能一体化。

• (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

在为纸张传输线选择测速测长传感器时，就像选择一辆适合长途旅行的汽车，我们需要关注它的各项性能参数，并结合我们的实际需求来做决策。

• 测量精度与重复性：

  • 实际意义： 精度代表测量值与真实值之间的接近程度，重复性代表多次测量结果的一致性。比如，精度0.05%意味着每测量100米，最大误差可能在5毫米以内。重复性高则保证了每次测量的可靠性。

  • 影响： 高精度和高重复性是保证产品质量（如切割长度一致、印刷套准准确）的基础。

  • 选型建议： 对于印刷、精密分切、高端包装等对长度和速度有严格要求的应用，应优先选择激光多普勒或激光干涉等具有较高精度（优于0.1%）和重复性（优于0.05%）的非接触式传感器。对于一般速度监测，接触式编码器在0.1%-0.5%精度范围内通常足够。

• 速度测量范围：

  • 实际意义： 传感器能够测量的最低速度和最高速度。

  • 影响： 如果生产线速度超出了传感器的测量范围，将无法获得有效数据。

  • 选型建议： 纸张生产线通常涉及启动、停止和高速运行。需要确保传感器能够覆盖从静止（或极低速）到生产线最高设计速度的全范围。例如， 英国真尚有的AJS10X系列能测量高达10,000米/分钟的速度，这对于高速造纸机来说是一个重要的考虑因素。

• 响应时间与加速度响应能力：

  • 实际意义： 传感器从接收到信号到输出测量结果所需的时间，以及在速度快速变化时保持测量准确性的能力。

  • 影响： 响应慢的传感器无法捕捉瞬时速度波动，尤其是在启动、停止或紧急制动等高动态场景下，可能导致控制系统滞后。

  • 选型建议： 对于需要快速启停或频繁变速的生产线（如印刷机），应选择响应时间短、加速度响应能力强的激光多普勒传感器，以实现动态控制。

• 工作距离与景深：

  • 实际意义： 传感器距离被测纸张表面的最佳安装距离范围，以及在这个距离范围内，纸张表面可以前后移动而不影响测量精度的范围。

  • 影响： 如果纸张在传输过程中存在抖动或传感器安装空间受限，就需要更大的工作距离和景深来保证测量稳定。

  • 选型建议： 考虑实际安装环境。对于纸张抖动较大的场合，选择工作距离大、景深宽的传感器，可以避免因纸张微小位移造成的测量中断或误差。

• 接触式 vs. 非接触式：

  • 实际意义： 传感器是否需要与纸张表面直接接触。

  • 影响： 接触式可能导致纸张磨损、打滑、污染；非接触式则无这些问题，但可能受表面特性影响。

  • 选型建议： 对于高附加值、表面敏感（如涂布纸、艺术纸）、易磨损或有粘性、湿度的纸张，推荐非接触式测量方案，例如激光多普勒原理的设备。如果纸张耐磨、表面稳定，且预算有限，接触式编码器也是一种经济可行的选择，但需定期检查打滑和磨损。

• 环境适应性与防护等级：

  • 实际意义： 传感器在不同温度、湿度、粉尘、振动等环境下的工作能力。IP防护等级（如IP67）表示防尘防水能力。

  • 影响： 恶劣环境可能导致传感器故障、寿命缩短或测量不准。

  • 选型建议： 纸张加工环境常伴有纸屑、粉尘甚至潮湿。应选择具有高防护等级（至少IP65，最好IP67）、宽工作温度范围（或可选配冷却外壳）的传感器，确保长期稳定运行。

• (4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，在实际应用中也可能会遇到一些意想不到的问题。

• 纸张表面抖动或飘移：

  • 原因与影响： 尤其是在高速传输时，纸张可能因气流、张力波动、导辊不平整等原因产生上下或左右的抖动。这对于非接触式传感器，特别是那些工作距离或景深较小的设备，可能导致测量信号不稳定甚至中断。对于接触式编码器，则可能导致测量轮与纸张接触不稳，引起跳动和打滑。

  • 解决建议：

    • 对于非接触式传感器： 优先选择景深大、工作距离宽的传感器，以允许一定范围的纸张位移。考虑在测量点附近安装压辊或真空吸附装置，辅助稳定纸张。

    • 对于接触式编码器： 确保测量轮有足够的预紧力，并在可能的情况下使用重量较重、摩擦系数合适的测量轮。定期检查测量轮的跳动和安装稳定性。

    • 系统层面： 优化纸张的导向系统，检查所有导辊的平衡性和同心度，确保张力控制系统稳定工作。

• 纸张表面特性变化：

  • 原因与影响： 纸张的颜色、光泽度、粗糙度（例如从铜版纸换成胶版纸，或者印刷面与空白面切换），甚至不同批次纸张的微观纹理差异，都可能影响激光或光学纹理识别传感器的信号接收质量。

  • 解决建议：

    • 激光多普勒传感器： 通常对颜色和光泽度不敏感，但对于极度光滑或镜面反射的表面，可能需要调整安装角度或选择特定型号。

    • 光学纹理识别/视觉系统： 可能需要针对不同纸张类型进行参数调整或重新训练算法。确保光源稳定且充足，以获取清晰的图像。

    • 通用建议： 在产线设计初期就考虑纸张多样性，选择对表面变化容忍度高的传感器。进行充分的现场测试，验证传感器在各种纸张上的表现。

• 接触式编码器打滑：

  • 原因与影响： 测量轮与纸张之间缺乏足够的摩擦力，导致测量轮的转速慢于纸张的实际线速度。这可能是由于纸张表面过于光滑、潮湿、油污，或者测量轮磨损、预紧力不足，甚至在快速加减速时瞬时打滑。打滑会导致长度测量偏短，速度测量偏低，直接影响产品质量和控制精度。

  • 解决建议：

    • 选择合适的测量轮： 根据纸张类型选择不同材质和纹理的测量轮，如橡胶、聚氨酯或带有防滑纹路的轮子。

    • 确保足够预紧力： 调整测量轮的安装机构，施加适当的预紧力，使其与纸张紧密接触。但也要注意避免过大的压力损坏纸张。

    • 保持清洁： 定期清洁纸张表面和测量轮，去除灰尘、油污或潮气。

    • 监控磨损： 定期检查测量轮的磨损情况，磨损严重的应及时更换。

    • 考虑非接触方案： 如果打滑问题无法根本解决，或者纸张特性不适合接触式测量，应考虑升级为非接触式方案。

• 环境粉尘与污染：

  • 原因与影响： 纸张加工环境中常有大量纸屑、粉尘。这些颗粒可能附着在非接触式传感器的光学窗口上，阻碍激光发射和接收。对于接触式编码器，粉尘可能进入轴承或编码器内部，导致机械卡涩或脉冲信号失真。

  • 解决建议：

    • 高防护等级： 选用具有IP67等高级防护等级的传感器。

    • 定期清洁： 定期清洁传感器的光学窗口或测量轮，确保无遮挡。

    • 安装保护： 如果环境特别恶劣，可以为传感器加装防护罩或气帘，通过持续的清洁气流来保护光学窗口。

4. 应用案例分享

• 造纸和印刷行业的网速检测： 在造纸机或高速印刷机上，激光测速传感器精确监测纸网和印刷材料的实时线速度，确保各生产环节的速度同步，从而保证纸张的均匀性、印刷图案的精准套准，避免断纸和废品。英国真尚有的传感器由于其高精度和高速响应，在此类应用中可以发挥重要作用。

• 卷对卷生产线的长度和张力控制： 在薄膜、纸张或无纺布的卷对卷加工过程中，激光测长传感器能够实时测量放卷和收卷材料的实际长度，配合张力控制系统，实现定长切割和均匀的卷取，提高材料利用率和产品质量。

• 切割与分切设备的长度测量： 在纸箱、纸板或特种纸的切割、分切机上，激光测长传感器提供精确的材料长度反馈，指导刀具在准确的位置进行切割，保证每块产品的尺寸一致性，减少误差和返工。