如何在高温多尘等恶劣环境下，通过非接触式技术实现3000米/分钟以上连续材料的±0.1%精度速度与长度测量？【在线监测】【工业自动化】

被测材料在加工中的基本特点与技术要求

在材料加工行业，无论是生产线上的纸张、薄膜、线缆、管材，还是高温的钢铁板材，它们都有一个共同的特点：需要连续、稳定地移动。这就好比我们跑步，需要知道自己跑得多快、跑了多远。对于这些材料来说，它们的“跑步”状态，也就是速度和长度，是影响产品质量和生产效率的关键。

这些连续生产的材料，往往对速度的稳定性和长度的精确性有着非常高的要求。比如，生产线上的薄膜如果速度忽快忽慢，可能会导致厚度不均或拉伸过度；线缆在卷绕或切割时，如果长度测量不准，就会造成材料浪费或产品不合格。更重要的是，在一些恶劣的工业环境中，如高温、多尘、潮湿或有化学腐蚀的场所，以及材料本身具有柔软、易刮伤或高速运动的特性时，传统的接触式测量方法往往难以胜任，甚至会损伤产品。因此，寻找一种既精准、可靠，又能适应各种复杂工况的测量技术，是现代材料加工领域的重要需求。

材料加工速度与长度监测参数

在材料加工过程中，对产品速度和长度的监测，主要涉及以下几个核心参数的定义和评价：

• 速度参数

  • 瞬时速度：指材料在某一时刻的实际运动速度。这就像汽车仪表盘上实时显示的速度，它能反映生产线的即时运行状况，对于需要快速响应和精确控制的工艺（如材料急停或加速）至关重要。

  • 平均速度：指材料在一段时间内的总行程除以总时间。这有助于评估生产线的整体运行效率和产能。

  • 速度波动率：描述瞬时速度偏离平均速度的程度。波动过大可能表明生产线运行不稳定，影响产品均匀性。

• 长度参数

  • 累计长度：指材料自起点开始累积的总长度。这在“卷对卷”生产（如薄膜卷绕）中非常关键，用于判断一卷材料是否达到预设长度。

  • 定长切割长度：指将材料精确切割成特定长度时的测量值。例如，在生产管道或型材时，需要将连续的材料准确地切成若干段标准长度的产品。

  • 长度偏差：指实际测量长度与目标设定长度之间的差异。这直接关系到产品的合格率和材料的利用率。

• 精度与重复性

  • 精度：指测量结果与真实值之间的一致程度。高精度意味着测量值非常接近实际值，例如，要求长度测量的精度达到±0.05%，意味着每1000米的测量误差不超过0.5米。

  • 重复性：指在相同测量条件下，多次测量同一参数时结果的离散程度。高重复性意味着测量结果稳定可靠，不会因偶然因素而大幅波动。这就像你每次用同一把尺子量同一根线，每次读数都差不多，这把尺子的重复性就好。

实时监测/检测技术方法

非接触式测速测长方案

在材料加工速度监测中，与机械式测速装置（如接触式编码器）相比，非接触式激光测速测长传感器因其无磨损、无打滑、高精度、高响应速度等特点，越来越受到青睐。机械式测速装置在高速、高温、易损材料或脏污环境中，由于物理接触，容易产生磨损、打滑，导致测量误差大，甚至划伤材料。而非接触式方案则能有效规避这些问题。目前市面上的主流非接触式测速测长技术主要有以下几种：

激光多普勒测速法

工作原理与物理基础：激光多普勒测速法（Laser Doppler Velocimetry, LDV）是基于多普勒效应进行测量的。其核心思想是利用激光束照射到移动物体表面时，散射光会因为物体的运动而产生频率偏移（即多普勒频移）。传感器内部通常会发射两束相互平行的相干激光束，通过光学器件使它们聚焦并在被测物体的表面形成一个微小的测量区域。在这个区域内，两束激光会发生干涉，形成一系列明暗相间的干涉条纹。

当被测物体表面带有微小的粗糙点或纹理（几乎所有工业材料表面都存在），并以一定的速度穿过这个干涉条纹区域时，这些粗糙点散射回来的光束会由于多普勒效应而产生频率变化。这些带有不同多普勒频移的散射光再次在传感器内部汇聚，产生一个“拍频”信号。这个“拍频”的频率（通常称为多普勒频率，fd）与被测物体的速度成正比，而与物体的颜色、表面粗糙度等特性无关。

其核心关系可以表示为：fd = (2 * v * sin(θ/2)) / λ

其中：* fd 是测得的多普勒频率。* 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。

通过精确测量这个多普勒频率fd，并且已知激光的波长λ和两束激光的夹角θ（这些都是传感器出厂时固定的参数），就可以精确计算出物体在激光束方向上的速度v。物体的长度则通过对这个实时速度v进行时间积分得到。

类比解释：想象一下，你站在火车轨道旁边，两束光就像是两列不同频率的火车鸣笛声。当火车快速经过你时，鸣笛声的音调会发生变化（这就是多普勒效应）。激光多普勒测速法就是通过测量这两束光“鸣笛声”相互“干涉”产生的“拍频”，从而精确计算出物体运动的速度。这个过程是“听”出来的，而不是“摸”出来的，所以它不会损伤材料，也不会因为摩擦而产生误差。

核心性能参数（典型范围）：* 速度测量范围：从静止（0 m/min）到极高速，通常可达数千米/分钟。* 测量精度：通常优于±0.05%，一些高端系统甚至能达到更高的精度。* 重复性：高达±0.02%或更高。* 响应时间：极快，内部测量速率可达数百kHz，能捕捉高速运动和快速加减速。* 工作距离：从数十毫米到数米不等，景深也相对较大。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高重复性：基于物理原理，测量结果稳定可靠。 * 非接触无磨损：不会损伤敏感材料，无需维护，无机械损耗。 * 宽速度范围：从静止到高速都能准确测量，并能识别运动方向。 * 环境适应性强：对被测物表面特性（如颜色、光泽、温度）不敏感，能在恶劣工业环境下工作。 * 快速响应：能捕捉瞬态速度变化和高加速度。* 缺点： * 对测量区域的清洁度有一定要求，虽然不敏感，但重度污染仍可能影响信号质量。 * 传感器通常价格较高。

光学关联法

工作原理与物理基础：光学关联法通过连续获取被测物表面纹理的图像，并对连续图像帧中的纹理特征进行数字相关处理，识别出纹理在两帧之间的位移。结合图像采集时间，从而计算出物体的速度。v = 位移 / 时间间隔长度则通过对速度进行时间积分获得。

类比解释：想象你正在看一部电影，屏幕上有一块独特的图案在移动。光学关联法就像是连续拍下这个图案的两张照片，然后对比这两张照片，看看图案在多长时间内“跑”了多远，以此来计算它的速度。它“认准”了材料表面的细微纹理，就像是给材料打了“指纹”，然后追踪这些“指纹”的移动。

核心性能参数（典型范围）：* 速度测量范围：可达 1800 m/min。* 测量精度：长度典型值±0.05%。* 重复性：长度典型值±0.02%。* 适用材料：适用于金属板材、棒材、型材、管材等多种材料。

技术方案的优缺点：* 优点：非接触，适用于苛刻工业环境，如高温、高速的轧钢生产线。测量不受产品表面氧化皮、水分或振动影响，无需校准，可靠性高。* 缺点：需要表面具有足够明显的纹理特征才能进行有效关联，对于光滑或纹理单一的表面可能表现不佳。计算量相对较大，可能影响对极高速度的实时响应。

空间滤波器测速法

工作原理与物理基础：空间滤波器测速法利用传感器内部含有一系列并行且间距固定的光栅。当物体表面带有随机纹理通过光栅区域时，传感器接收到的散射光信号会呈现周期性变化。通过分析这个周期性信号的频率，并结合光栅的间距，即可精确计算出物体的运动速度。v = f * d其中 f 是测得的信号频率，d 是光栅的周期。长度通过对速度进行时间积分获得。

类比解释：想象你拿着一把梳子（光栅），让一张带有随机图案的纸（材料表面）从梳齿上滑过。当纸张移动时，你会发现透过梳齿看到的图案明暗变化会有一个特定的节奏（频率）。空间滤波器测速法就是通过捕捉这种“明暗变化”的节奏，并结合梳齿的间距，来算出纸张移动的速度。它不挑剔纸张的颜色，只要有细微的纹理变化就行。

核心性能参数（典型范围）：* 速度测量范围：高达 3600 m/min。* 测量精度：长度±0.05%。* 重复性：0.005%。* 工作距离：从数百毫米到一千多毫米。

技术方案的优缺点：* 优点：对被测物表面条件（如颜色、反射率）不敏感，抗环境干扰能力强，适合在高温、振动、蒸汽等恶劣环境下稳定工作。坚固耐用，测量结果稳定可靠。* 缺点：可能对物体在垂直于测量方向的振动较为敏感，需要相对稳定的安装环境。

机器视觉/图像处理法

工作原理与物理基础：机器视觉/图像处理法利用高分辨率相机连续拍摄被测物体图像，通过先进的视觉算法（如边缘检测、模式匹配、特征跟踪等）识别物体上的特定特征点或区域。通过跟踪这些特征点在连续图像帧中的位移，结合相机校准和帧率，计算出物体的速度。v = (像素位移 * 比例因子) / 时间间隔长度可通过测量物体首尾特征之间的像素距离，并转换为实际物理尺寸获得。

类比解释：想象一下，你用一台智能相机对着一条生产线上的产品拍照。机器视觉就像是相机的“眼睛”和“大脑”，它能“认出”产品上的某个标志或者边缘，然后连续拍下几张照片，计算出这个标志“跑”了多远，从而算出产品的速度和长度。它甚至还能顺便看看产品有没有破损或者尺寸不对。

核心性能参数（典型范围）：* 传感器分辨率：高达数百万像素。* 帧率：可配置，取决于分辨率和处理需求。* 测量精度：亚像素级精度，取决于镜头、照明和校准。

技术方案的优缺点：* 优点：灵活性高，可同时进行速度、长度、宽度、缺陷检测等多种在线检测任务。适用于形状复杂、表面纹理不均的物体，尤其在自动化生产线中进行高质量控制和尺寸验证。* 缺点：对照明条件、表面对比度要求高，系统复杂，初始设置和校准较为繁琐，计算量大，可能需要高性能处理单元。成本通常较高。

市场主流品牌与产品对比

在非接触式速度和长度测量领域，有多家国际知名品牌提供了成熟的解决方案。以下对比几家代表性厂商及其核心技术：

• 德国希克拉

  • 技术：激光多普勒测速法 (LDV)。

  • 核心参数：速度测量范围高达 3000 m/min，速度测量精度和长度测量精度典型值均为 ±0.05%，速度重复性可达 ±0.01%。标准工作距离为 280 mm，防护等级 IP65。

  • 独特优势：以其高精度和高可靠性著称，特别适用于电线、电缆、管材、型材等连续生产线的在线速度和长度测量。其测量结果不受产品表面特性（如颜色、光滑度、温度）影响，实现了无磨损、免维护的特点，有效减少了废品率。

• 英国真尚有

  • 技术：激光多普勒测速法 (LDV)。

  • 核心参数：速度测量范围极广，最高可测速度高达 10,000 m/min。工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%。支持0速度测量与方向识别功能，安装距离最远可达 2000mm，景深最大可达 250mm。防护等级 IP67。

  • 独特优势：在提供极高测量精度的同时，具备行业领先的超宽速度测量范围和极远的安装距离，使其在各种严苛工业环境下都能灵活部署。全固态无活动部件设计大幅提升了长期使用的可靠性，且维护需求极低。其丰富的通信接口和无线连接能力也极大地方便了系统集成和远程诊断。

• 瑞典林马博

  • 技术：光学关联法。

  • 核心参数：速度测量范围可达 1800 m/min，长度测量精度典型值 ±0.05%，长度重复性典型值 ±0.02%。典型工作距离为 300 mm。

  • 独特优势：专为苛刻的工业环境设计，如高温、高速的轧钢生产线。其测量不受产品表面氧化皮、水分或振动影响，无需校准，可靠性高，有助于减少停机时间。

• 奥地利兰姆赛斯光学测量

  • 技术：空间滤波器测速法。

  • 核心参数：速度测量范围高达 3600 m/min，长度测量精度 ±0.05%，重复性可达 0.005%。工作距离范围在 500-1500 mm。

  • 独特优势：对被测物表面条件（如颜色、反射率）不敏感，并具有强大的抗环境干扰能力。其产品坚固耐用，特别适用于钢铁、铝材等重工业的严苛应用场景，提供稳定的测量结果。

设备选型关键指标与建议

在选择激光测速测长设备或传感器时，需要综合考虑多个技术指标和实际应用场景，以确保选用的设备能满足生产需求并带来最佳效益。

• 精度与重复性

  • 实际意义：精度决定了测量结果与真实值的接近程度，重复性则决定了多次测量的稳定性和一致性。这两者直接关系到产品质量控制的严格程度和废品率。如果精度不够，产品可能尺寸超差；如果重复性差，即使同一批产品也可能出现忽长忽短的现象。

  • 选型建议：对于需要高精密定长切割或严格长度控制的行业（如线缆、薄膜、精密管材制造），应优先选择精度优于0.1%、重复性优于0.05%的传感器。对于一般流程监测，精度要求可适当放宽。

• 速度测量范围与响应时间

  • 实际意义：速度测量范围需覆盖生产线的最低到最高运行速度，确保在各种工况下都能准确测量。响应时间则反映了传感器捕捉速度瞬态变化的能力，对于需要快速加减速或对突发事件作出响应的生产线至关重要。

  • 选型建议：首先明确生产线可能达到的最大和最小速度。对于高速生产线或需要精确捕捉加速/减速过程的应用，选择具有宽速度范围和高内部测量速率的传感器。同时，检查传感器是否支持0速度测量和方向识别，以应对材料启停或反向运行的工况。

• 工作距离和景深

  • 实际意义：工作距离是传感器到被测物体表面的最佳距离，景深则代表传感器在允许工作距离范围内，被测物体可接受的轴向（前后）位置波动范围。这些参数影响传感器的安装灵活性和对材料跳动或震动的容忍度。

  • 选型建议：根据生产线现场的安装空间和材料的运行稳定性来选择。如果安装空间有限或材料有较大跳动，应选择工作距离适中且景深较大的传感器。例如，对于大型或震动较大的材料，可能需要更长的安装距离和更大的景深。

• 环境适应性（防护等级、工作温度）

  • 实际意义：工业环境通常伴随着粉尘、水汽、高温、振动等恶劣条件。传感器的防护等级（如IP67）和工作温度范围决定了其在这些环境下的稳定性和寿命。

  • 选型建议：根据实际生产环境选择。在多尘、潮湿或可能接触水溅的场所，应选择IP67或更高防护等级的传感器。对于高温环境（如钢铁生产线），则需要选择具有宽工作温度范围或可配备冷却外壳的传感器。全固态设计（无活动部件）的传感器通常也具有更好的长期可靠性。

• 通信接口与集成能力

  • 实际意义：传感器需要与生产线上的PLC、DCS或其他控制系统进行数据交换。丰富的通信接口和支持工业总线协议，能简化集成过程，降低开发成本，提高数据传输的效率和可靠性。

  • 选型建议：优先选择支持主流工业通信接口（如Ethernet、RS-232、CANbus）和工业总线协议（如PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP）的传感器，以便无缝集成到现有自动化系统中。具备无线连接能力（如WiFi）可提供更灵活的配置和诊断方式。

• 对材料表面特性要求

  • 实际意义：部分光学测速原理对材料表面的颜色、光泽度、纹理、反射率等有一定要求。如果传感器对这些特性过于敏感，当材料批次发生变化时，可能导致测量不稳定或误差。

  • 选型建议：激光多普勒原理对表面特性不敏感，适用范围广。如果加工的材料表面变化多样（如不同颜色、光泽度或纹理），应优先选择对这些因素不敏感的传感器。

实际应用中的常见问题与对策

在材料加工中部署激光测速测长传感器，虽然能带来诸多优势，但也可能遇到一些挑战。了解这些常见问题并掌握应对策略，能有效保障测量的稳定性和准确性。

• 测量不稳定或数据跳动大

  • 原因分析：

    • 材料抖动或振动：被测材料在运行过程中存在上下或左右的明显跳动，超出了传感器的景深或最佳测量区域。

    • 传感器安装不稳：传感器自身没有牢固固定，或安装基座存在振动，导致测量光束不稳定。

    • 表面污染或遮挡：测量区域内有水汽、油污、粉尘、碎屑堆积，或者光路被意外遮挡，影响激光信号的散射和接收。

    • 环境光干扰：强烈的外部光源（如太阳光、强照明灯）直接照射到测量区域，可能与激光信号产生干扰。

  • 解决建议：

    • 优化材料运行：通过加装导向辊、张力控制装置等，尽可能稳定材料的运行路径。

    • 加固传感器：确保传感器安装在稳固的支架上，远离振动源。必要时可使用减振垫或重型安装件。

    • 定期清洁与防护：定期清理传感器防护窗和被测材料表面。对于重污染环境，可考虑安装气刀或防护罩，保持测量区域清洁。

    • 屏蔽干扰光：调整传感器安装角度，避开直射强光；必要时可加装遮光罩或选用抗环境光能力强的传感器。

• 测量误差偏大或偏离实际值

  • 原因分析：

    • 初始校准不准确：传感器在安装后未进行精确的长度校准，或者校准过程本身存在误差。

    • 环境温度变化大：部分传感器在大幅温度变化下，光学元件或电子器件性能可能受影响，导致测量漂移。

    • 传感器选型不当：例如，选择了对表面光泽度敏感的传感器去测量高反光材料，或者测速范围不匹配实际工况。

  • 解决建议：

    • 严格校准流程：遵循厂家指导，使用高精度标准尺或已知长度的材料进行精确校准，并定期复核。

    • 考虑环境因素：在温差大的环境中，选择具有温度补偿功能或可搭配冷却/加热外壳的传感器。

    • 合理选型：根据材料特性（如表面反射率、纹理、粗糙度）和生产线速度范围，选择最适合其测量原理的传感器。激光多普勒原理因其对表面特性的不敏感性，通常能适应更广泛的材料。

• 传感器损坏或寿命缩短

  • 原因分析：

    • 恶劣环境防护不足：传感器防护等级不足以应对现场的粉尘、水汽、高温或腐蚀性气体，导致内部元件受损。

    • 意外冲击或物理损伤：在安装、维护或生产过程中，传感器可能受到意外撞击。

  • 解决建议：

    • 选用高防护等级产品：选择IP67或更高防护等级的传感器，并根据需要配备冷却外壳、防尘罩等附件。

    • 规范操作与维护：进行严格的操作和维护培训，确保人员在接触传感器时采取正确的步骤，避免物理损伤。

• 无法准确测量0速度或识别方向

  • 原因分析：

    • 部分老旧或基础款的激光测速传感器不具备0速度测量和方向识别功能，当材料静止或反向运动时无法提供准确信息。

  • 解决建议：

    • 选购具备相应功能的产品：对于需要精准启停控制或双向运行的生产线，务必选择明确支持0速度测量和方向识别功能的传感器。

应用案例分享

• 卷对卷生产线：在薄膜、纸张、无纺布等材料的卷绕和放卷过程中，激光测速测长传感器能精确监测材料的速度和累计长度，确保卷径控制稳定，防止材料拉伸或松弛，实现精确的定长分切。例如，英国真尚有AJS100系列专门为平面材料设计，非常适合此类应用。

• 线缆和管材制造：在电线电缆、光纤、软管、管道等产品的挤出、拉伸和收卷环节，传感器实时测量产品的线速度和生产长度，实现精准的定长切割和质量控制，减少废料。

• 钢铁和有色金属加工：在热轧、冷轧、拉丝等生产线上，激光传感器能在高温、高速且表面条件恶劣的环境下，非接触式监测钢板、棒材、型材的运行速度和长度，优化轧制工艺，提高产品合格率。

• 造纸和印刷行业：用于监测纸张或薄膜的网速，确保印刷套准精度和裁切同步，尤其在高速印刷机和分切机上，对保障产品质量和生产效率至关重要。

• 橡胶和轮胎制造：在橡胶挤出、压延和轮胎成型过程中，监测胶料带或半成品的速度和长度，确保材料供应的稳定性和产品尺寸的一致性。