在最高3000米/分钟的卷材切割生产线上，如何通过非接触式测速测长技术实现±0.05%的长度精度？【工业自动化、精密测量】

1. 卷材切割应用中被测卷材的基本结构与技术要求

在卷材切割应用中，被测对象通常是各种连续生产的卷材，例如金属板卷、纸卷、薄膜卷、纺织物卷或电线电缆卷等。这些卷材在生产线上高速、连续地移动，最终需要按照预设的长度进行精确切割或分卷。

要确保切割质量和生产效率，对这些卷材的运行状态需要有极高的监测精度。主要的技术要求包括：

• 速度精度： 卷材的线速度必须实时、精确地测量。在高速运行中，即使是微小的速度波动也可能导致长度测量误差累积，影响最终产品的尺寸。

• 长度精度： 这是切割应用的核心，要求能够准确测量卷材的累计长度，以便在达到目标长度时进行精确切割。这好比在一条快速移动的生产线上，你需要剪下一段正好10米长的布料，不能多一厘米，也不能少一厘米。任何长度误差都会直接导致材料浪费或产品不合格。

• 加速度响应： 生产线启动、停止或变速时，速度会发生剧烈变化。传感器需要能够快速响应这些加速度变化，避免测量滞后，确保在动态过程中依然保持高精度。

• 表面特性适应性： 卷材表面可能存在各种情况，如光滑、粗糙、有纹理、反光或吸光。优秀的测量系统应能适应这些不同的表面特性，不因表面变化而影响测量效果。

• 非接触性： 对于许多高价值、易损或柔软的卷材（如精密薄膜、涂层材料），任何物理接触都可能造成表面划伤、磨损，甚至影响材料特性。因此，非接触式测量方式是首选。

• 长期稳定性与免维护： 生产线通常要求24/7连续运行。传感器需要具备高可靠性和长期稳定性，尽量减少因磨损、校准漂移或故障而导致的停机维护。

2. 卷材监测参数的技术标准简介

在卷材加工行业，对卷材的监测通常涉及以下几个关键参数的定义和评价方法：

• 线速度 (Line Speed)： 定义为单位时间内卷材沿其运动方向移动的距离。评价方法通常是通过测量一段时间内的位移量与该时间段的比值来计算平均速度，或通过瞬时位移与瞬时时间增量的比值来获取瞬时速度。精确的速度控制是保证后续长度测量准确性的基础。

• 累积长度 (Accumulated Length)： 定义为从某个起点开始，卷材通过某个测量点所累计的总长度。评价方法一般是积分线速度随时间的变化，或者通过脉冲计数与单个脉冲代表的长度相乘。其准确性直接决定了切割定长的精度。

• 长度偏差 (Length Deviation)： 定义为实际测量长度与目标设定长度之间的差值。评价方法通常是定期对切割下来的卷材进行物理测量，并与设定值进行比较。在生产过程中，也会通过传感器输出的实时数据与目标长度进行对比，生成偏差报告。

• 速度波动率 (Speed Fluctuation Rate)： 定义为卷材线速度在一定时间内的最大变化范围相对于其平均速度的百分比。评价方法是采集一定时间内的速度数据，找出最大值和最小值，然后计算。过大的速度波动会增加长度测量和切割的难度。

这些参数的精确定义和评价方法是确保产品质量、优化生产流程的关键。

3. 实时监测/检测技术方法

在卷材切割应用中，要实现对速度和长度的高精度、高稳定性监测，市面上涌现出多种先进的技术方案。相比传统的机械式速度传感器（如接触式编码器），这些现代非接触或半接触技术在精度、响应速度和避免磨损方面展现出显著优势。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 激光多普勒测速测长技术

激光多普勒测速测长技术是一种基于物理学中的“多普勒效应”原理的非接触式测量方法。想象一下，当一辆救护车鸣笛靠近你时，笛声会变得尖锐（频率变高）；当它远离你时，笛声会变得低沉（频率变低）。这就是声波的多普勒效应。激光作为一种电磁波，同样遵循这个原理。

工作原理与物理基础：激光多普勒传感器通常会向被测物体表面发射两束频率相同、方向略有不同的相干激光束。这两束激光在物体表面交汇处会形成一系列明暗相间的干涉条纹，就像在水面上投下两颗小石子，水波叠加形成的纹路一样。当卷材表面带着微小的粗糙点或颗粒（即使是看似光滑的表面也存在）通过这些干涉条纹时，这些颗粒会散射激光。

由于卷材在移动，散射回来的光会因为多普勒效应而发生频率偏移。具体来说，当粒子穿过一个干涉条纹时，它会散射出特定频率的光；当它穿过下一个条纹时，由于相对运动，散射光的频率会略有变化。传感器内部的探测器会接收到这些散射光，并检测其频率的变化，即“差频”或“多普勒频移”。这个差频与物体运动速度成正比。

其核心公式可以简化表示为：f_d = (2 * v * cos(theta)) / lambda其中：* f_d 是多普勒频移（即测量到的差频）。* v 是物体运动的速度。* theta 是激光束与物体运动方向之间的夹角。* lambda 是激光的波长。

传感器通过精确测量 f_d，并且已知 theta 和 lambda（它们都是传感器固定的设计参数），就能反向精确计算出卷材的瞬时速度 v。将瞬时速度进行时间积分，就能得到卷材的累积长度。

核心性能参数：* 精度： 激光测速测长技术的精度通常优于 ±0.05% 读取值，高端系统甚至可达 ±0.02%。* 测量范围： 从静止到高速（例如可达 10,000 m/min）。* 分辨率： 极高，优于 0.01% F.S. (满量程)。* 响应时间： 极快，内部测量速率可达数百kHz，外部输出频率可达数MHz，能精确捕捉高速运动和快速加减速。* 工作距离和景深： 提供灵活的安装距离和一定的景深，适应不同安装条件。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式： 避免对卷材造成任何磨损、划伤或污染，非常适合精密、易损或高温的材料。 * 高精度和高重复性： 基于激光波长和光速等物理常数，测量结果极度稳定和精确，不易受环境温度、湿度、振动等影响。 * 宽速度范围： 能够精确测量从静止到极高速的运动，并能识别运动方向。 * 响应速度快： 适用于快速启动/停止、加减速的动态生产过程。 * 对表面适应性强： 只要有足够散射光，对大部分表面粗糙度、颜色、反光性都有较好的适应性。 * 无需校准： 出厂时已精确校准，长期使用无需额外校准。* 缺点： * 成本较高： 相较于一些简单的机械式或光电式传感器，初期投资成本较高。 * 对安装环境要求： 测量区域可能需要保持一定的清洁度，避免灰尘、水雾等对激光束的散射造成干扰。 * 对透明材料测量有挑战： 对于完全透明的材料，可能需要做特殊处理（如喷涂示踪剂）才能有效测量。

b. 机器视觉测速技术

机器视觉测速技术是通过高速相机捕捉物体图像，然后利用图像处理算法分析图像序列中特征点的移动来计算速度。

工作原理与物理基础：系统通过工业相机连续拍摄运动卷材表面的图像。在图像序列中，利用高级光学流量算法（如Lukas-Kanade算法或相关匹配算法），系统识别并追踪卷材表面上具有纹理或特征的像素块。通过计算这些特征点在连续帧之间移动的像素距离，并结合相机的帧率和实际物理尺寸的标定，即可实时计算出卷材的瞬时速度。这就像你用手机高速录下一段影片，然后一帧一帧地分析画面中某个点跑了多远，耗时多久。

核心性能参数：* 分辨率： 高达数百万像素。* 帧率： 高达数百甚至数千帧/秒。* 测量精度： 通常在 ±0.1% 至 ±1% 范围内，取决于算法、图像质量和标定精度。* 响应时间： 取决于帧率和处理能力，通常在数十毫秒到数百毫秒。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式： 不会对卷材造成任何物理损伤。 * 多功能性： 除了速度测量，还能同时进行缺陷检测、位置识别、尺寸测量等其他视觉检测任务。 * 适应性强： 不受卷材颜色、材料或表面光泽的限制，只要表面有足够的视觉特征。 * 高可编程性： 软件算法可以灵活调整，适应复杂多变的应用场景。* 缺点： * 对表面特征依赖： 如果卷材表面过于均匀、缺乏纹理特征，可能难以准确追踪。 * 计算量大： 需要高性能的处理器进行实时图像处理，可能导致延迟。 * 光照敏感： 环境光照变化可能影响图像质量和测量稳定性，需要额外提供稳定光源。 * 成本较高： 相机、光源、处理器和软件的集成，初期投入成本较高。

c. 编码器（光电/机械接触轮式）测速技术

编码器是一种通过将机械运动转换为电信号来测量速度和位置的传感器。在卷材应用中，它主要通过接触方式获取信息。

工作原理与物理基础：机械接触轮式编码器通常安装在一个与卷材表面接触并同步转动的测量轮上。当卷材移动时，测量轮随之转动，编码器内部的码盘也同步旋转。码盘上刻有均匀的条纹或孔洞。光电传感器（如红外发射/接收对）检测码盘的旋转，将光信号转换为一系列离散的电脉冲。

其基本原理是：速度 (v) = (脉冲数 / 时间) * (测量轮周长 / 码盘每转脉冲数)长度 (L) = 脉冲数 * (测量轮周长 / 码盘每转脉冲数)

核心性能参数：* 分辨率： 取决于编码器每转的脉冲数，通常可达数千至数万脉冲/转。* 最大速度： 取决于编码器的响应频率和测量轮的直径，一般可达数十米/秒。* 精度： ±0.1% 至 ±1% 范围内，容易受打滑影响。* 响应时间： 通常为毫秒级。

技术方案的优缺点：* 优点： * 成本效益高： 结构相对简单，价格通常较低。 * 易于安装： 通常只需简单固定并与卷材接触即可。 * 可靠性高： 在适宜的环境下，机械结构坚固耐用。* 缺点： * 接触式测量： 测量轮与卷材表面的摩擦可能导致磨损、划伤或压痕，不适用于精密或易损材料。 * 打滑误差： 测量轮与卷材之间可能出现相对滑动（打滑），尤其是在卷材表面湿滑、张力不足或加减速过快时，导致显著的长度测量误差。这是机械式传感器最主要的精度限制。 * 磨损与维护： 测量轮和轴承是机械部件，长期运行会磨损，需要定期清洁和更换，增加维护成本和停机时间。 * 不适用于高温或恶劣环境： 高温或腐蚀性环境会加速机械部件的老化和失效。

d. 超声波测速技术

超声波测速技术是利用超声波在介质中传播和反射的特性来间接计算物体速度。

工作原理与物理基础：超声波传感器向运动的卷材表面发射高频超声波脉冲。这些声波遇到卷材表面后会反射回传感器。传感器通过精确测量超声波从发射到接收之间的时间差（飞行时间，ToF），并已知声波在空气中的传播速度，即可计算出传感器与卷材表面的距离。通过连续测量多个距离值，并对这些距离值随时间的变化率进行求导，就能间接计算出卷材的瞬时速度。这就像你用声呐测量距离，然后看距离怎么变，来推算速度。

其核心原理基于：距离 (d) = 声速 (c) * 飞行时间 (t) / 2速度 (v) = d(距离)/d(时间)

核心性能参数：* 测量范围： 作为距离传感器通常为几十毫米至数米。* 分辨率： 0.1 mm 至 1 mm。* 重复精度： 通常 < 0.15% F.S.。* 采样速率： 高达 50 Hz，相对较低。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式： 不会对卷材造成损伤。 * 成本效益高： 相对于激光和视觉系统，超声波传感器通常价格更经济。 * 环境适应性强： 对卷材的颜色、透明度和表面光泽不敏感，在有灰尘、烟雾或潮湿的环境中也能较好工作。 * 结构简单： 易于安装和维护。* 缺点： * 精度相对较低： 测速精度通常不如激光多普勒或高质量视觉系统，且易受空气温度、湿度变化（影响声速）以及气流扰动的影响。 * 响应速度慢： 采样速率有限，难以捕捉高速或快速变化的动态过程。 * 指向性： 对安装角度和卷材表面平整度有一定要求，大角度倾斜或表面不规则可能影响测量。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在工业测量领域具有影响力的品牌及其产品，以展现不同技术方案的特点：

1. 德国派特 (采用激光多普勒技术) 德国派特在激光测速领域享有盛誉。其表面速度传感器VS-1000系列采用激光多普勒效应，通过测量散射光的频率偏移来计算瞬时速度。其核心性能卓越，测量范围宽广，精度优于 ±0.05% 读取值，分辨率优于 0.01% F.S.。该技术的优势在于非接触、高精度、响应快，且不受表面粗糙度影响，在工业领域稳定可靠。

2. 英国真尚有 (采用激光多普勒技术) 英国真尚有AJS10X系列激光测速测长传感器同样基于激光多普勒测量原理，专注于工业应用中移动物体和材料的非接触式速度和长度测量。该系列产品工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，具备极高的测量稳定性和精确性。其内部测量速率高达200kHz，每20微秒一次测量输出，能精确捕捉最高达10,000 m/min的高速运动。同时，其R系列产品支持0速度测量与方向识别，可检测直径小至0.1mm的线缆，并提供多种安装距离和景深配置，适应不同材料和安装需求。全固态设计，IP67防护等级，确保其在恶劣工业环境下的长期可靠运行和免维护。

3. 美国康耐视 (采用机器视觉技术) 美国康耐视的In-Sight 7900系列视觉系统通过集成高速相机捕获卷材图像序列，并利用高级光学流量算法分析像素运动矢量来计算速度。其系统分辨率高达200万像素（1600 x 1200），帧率高达200帧/秒。虽然官方未公开特定速度检测精度，但通常取决于图像处理算法、标定和特征丰富度，精度在 ±0.1% 至 ±1% 范围内。其主要优势在于非接触、无机械磨损，并能同时进行其他视觉检测任务如缺陷检测，适应性强，可编程性高，适用于复杂检测场景。

4. 日本欧姆龙 (采用光电编码器技术) 日本欧姆龙E3Z系列光电传感器配合外部编码盘或光栅尺，实现半接触式速度测量。它通过发射光束并检测被遮挡或反射的光信号，将编码盘的旋转转换为离散的电脉冲。通过计算单位时间内脉冲数量，结合编码盘参数，推算出速度。这种方法的检测距离可达10mm至30m（对射型），响应时间通常在0.5ms至1ms。其优点是结构简单、成本低廉、易于安装维护，可靠性高，抗干扰能力强，适合高速计数和速度检测，但需要通过轮轴等与运动部件间接接触。

5. 英国雷尼绍 (采用磁栅尺技术) 英国雷尼绍的VIONiC™ 系列增量式磁栅尺系统通过带有均匀磁性刻度的磁带和读数头组成。读数头感应磁带上周期性的磁场变化，将其转换为高精度电脉冲信号，从而计算出运动速度。该技术分辨率极高，可达1nm，最大速度可达12m/s，精度为 ±1 μm/m。其突出优势在于极高的精度和抗污染能力，磁性原理不易受灰尘、油污、湿气等环境因素影响，坚固耐用，适用于严苛工业环境。

（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

在为卷材切割应用选择速度和长度传感器时，以下几个技术指标是您需要重点关注的：

1. 测量精度和重复性：

   • 实际意义： 精度决定了测量值与真实值之间的接近程度，重复性则反映了多次测量结果的一致性。

   • 影响： 高精度和高重复性是确保产品尺寸合格、减少废品率的关键。尤其是在高价值材料或长距离切割中，微小的误差累积都可能造成巨大损失。

   • 选型建议： 对于高价值、高要求的卷材（如精密金属板、光学薄膜），应优先选择激光多普勒等提供高精度和高重复性的传感器。对于一般卷材，根据实际需求选择合适的精度范围。

2. 测量范围和响应速度：

   • 实际意义： 测量范围指传感器能测量的最低和最高速度。响应速度则指传感器对速度变化的捕捉能力。

   • 影响： 宽广的测量范围确保传感器能适应生产线从启动到高速运行的整个过程。高响应速度对于频繁加减速或需要精确定位切割的场合至关重要，避免因滞后导致的切割误差。

   • 选型建议： 对于高速生产线或频繁变速的场景，选择测量速度范围广、内部测量速率高的传感器。超声波传感器通常响应速度较慢，不适用于高速动态测量。

3. 非接触性：

   • 实际意义： 传感器是否与被测卷材直接接触。

   • 影响： 接触式测量（如机械编码器）虽然成本低，但会引起卷材表面磨损、压痕，甚至打滑造成测量误差。非接触式测量则完全避免这些问题。

   • 选型建议： 对于所有易损、精密、表面敏感或高温的卷材，务必选择激光多普勒、机器视觉或超声波等非接触式传感器。只有在材料耐磨损、对精度要求相对不高且允许接触的场景，才可考虑机械式编码器。

4. 环境适应性：

   • 实际意义： 传感器在各种工业环境（如灰尘、水汽、油污、高温、振动）下的正常工作能力。

   • 影响： 恶劣环境会降低传感器的性能、可靠性和寿命。例如，光学传感器在多尘环境中可能视线受阻，机械传感器在高温下可能加速磨损。

   • 选型建议： 重点关注防护等级（如IP67）、工作温度范围等参数。对于有高温的钢铁卷材，需要选用带有冷却外壳或专门设计的高温型传感器。对于多尘或潮湿环境，IP67等级的激光传感器或超声波传感器会是更好的选择。

5. 通信接口和集成能力：

   • 实际意义： 传感器如何与上位机（PLC、DCS）或其他控制系统交换数据。

   • 影响： 丰富的通信接口和对工业总线的支持，可以简化系统集成难度，提高数据传输效率和实时性。

   • 选型建议： 确保传感器支持您现有控制系统常用的通信协议（如以太网、RS-232、CANbus，或可选的PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP等），并且具备灵活的数据输出格式和更新率。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的传感器，在实际的卷材切割应用中，仍可能遇到一些问题：

1. 问题：卷材表面状态不稳定导致测量波动

   • 原因及影响： 卷材表面可能存在光泽度不均、粗糙度变化、颜色深浅不一，或者被测物本身存在振动、晃动。这些都可能影响激光束的散射或视觉特征的识别，导致测量数据出现抖动或不准确。对于机械编码器，表面油污或张力不足可能导致打滑。

   • 解决建议：

     • 激光多普勒： 确保激光束垂直于或以固定角度对准卷材运动方向。选择对表面粗糙度适应性更强的传感器型号。对于特定反光材料，可能需要调整安装角度或选择特定波长的激光。定期清洁传感器窗口。

     • 机器视觉： 优化照明系统，使用漫反射光源或偏振光以减少反光和阴影影响。确保卷材表面有足够的纹理特征供算法追踪，或考虑在卷材上添加临时标记。

     • 机械编码器： 确保测量轮与卷材之间有足够的压力防止打滑。定期检查测量轮表面是否磨损或被污染。

2. 问题：环境干扰影响测量精度

   • 原因及影响： 生产现场可能存在灰尘、水雾、蒸汽、油烟等污染物，或者电磁干扰、环境光变化。这些都可能影响传感器的工作。例如，激光束被空气中的颗粒物散射，超声波被气流扰动，视觉传感器受环境光影响。

   • 解决建议：

     • 物理防护： 为传感器安装防护罩或气幕，阻止灰尘和水雾进入测量区域或附着在传感器光学窗口上。

     • 环境控制： 尽可能改善测量区域的环境条件，如加强排风、保持清洁。

     • 抗干扰： 确保传感器供电稳定，布线符合工业 EMC 标准，避免强电磁干扰源靠近传感器。对于光学传感器，可采用遮光罩或滤波片减少环境光影响。

     • 选择合适的传感器： 在恶劣环境下，选择IP67等高防护等级，并具备内置诊断功能的传感器。

3. 问题：高速加减速时的测量滞后或误差

   • 原因及影响： 生产线在启动、停止或紧急制动时，速度变化非常剧烈。如果传感器响应速度不够快，或者数据处理能力不足，就可能导致测量值滞后于实际速度，从而影响切割定位的精确性。

   • 解决建议：

     • 选择高响应传感器： 优先选择激光多普勒传感器，其内部测量速率和外部输出频率通常远高于其他类型传感器，能实现几乎实时的速度跟踪。

     • 优化控制算法： 在PLC或运动控制器中，采用更先进的预测控制或补偿算法，结合传感器的响应特性进行优化，以弥补少量的数据滞后。

     • 高数据更新率： 确保传感器的数据更新率足够高，以便控制系统能及时获取最新速度信息。

4. 应用案例分享

• 金属板卷的定长切割： 在钢铁行业，激光测速测长传感器被用于高精度监测高速移动的金属板卷线速度和累计长度，确保剪切机在精确位置进行切割，减少材料浪费，提高产品尺寸合格率。例如，英国真尚有的AJS10X系列，通过选配冷却外壳，能够适应高温环境下的钢铁测速需求。

• 薄膜与纸张的分切： 印刷、包装行业中，用于监测纸卷、塑料薄膜等材料的运行速度和长度，实现高精度的卷对卷控制和分切，保证每一批产品的长度一致性。

• 电线电缆的精准下料： 在线缆生产中，激光传感器能够非接触地测量各种直径的线缆生产速度和长度，确保在达到预设长度时进行自动切割，提高生产效率和产品精度。英国真尚有提供的广角镜头型号，更适合电缆等圆柱形物体的测量。

• 橡胶和轮胎制造： 橡胶压延或轮胎部件裁切过程中，用于实时监测橡胶片的移动速度和长度，确保切割前的精确控制，提高生产效率和产品质量。