面对6000米/分钟高速柔性材料，如何选择非接触测量方案实现微米级套准与精准定长切割？【造纸印刷，传感器选型】

1. 基于纸张/印刷材料的基本结构与技术要求

造纸和印刷行业中流动的“网”材，其基本结构是柔性、连续的薄片状材料，例如纸张、纸板、薄膜、无纺布、铝箔等。这些材料在生产线上通常以高速、连续的方式进行加工，从巨大的卷筒中不断展开、经过多道工序（如涂布、印刷、烘干、分切、收卷等），最后形成成品。

对这些材料进行速度检测和精准对准控制，主要有以下技术要求：

• 非接触测量优先： 纸张和薄膜通常较薄且表面敏感，传统的接触式测量方式可能会对其表面造成磨损、划痕或拉伸变形，影响产品质量，尤其是在高速运行时。因此，非接触式测量是更理想的选择。

• 高精度与高重复性： 印刷套准要求极高，哪怕是微米级的速度波动或长度误差，都可能导致印刷图案错位、颜色不准。切割定长时，长度误差会直接造成材料浪费或产品不合格。因此，传感器必须具备极高的测量精度和重复性。

• 宽速度范围与动态响应： 生产线启动、停止或变速是常态，传感器需要能从静止到高速（可能达到数千米/分钟）进行精确测量，并且要能快速响应速度和加速度的变化，确保控制系统能及时调整。

• 对表面特性有一定适应性： 纸张和薄膜的颜色、光泽度、表面粗糙度各异，有些表面甚至有复杂的印刷图案。传感器需要能在不同表面条件下稳定工作，减少误读。

• 环境适应性： 造纸印刷车间通常存在粉尘、湿度、温度波动、振动等情况，传感器需具备良好的工业防护等级和环境适应能力，保证长期稳定运行。

2. 针对纸张/印刷材料的相关技术标准简介

在造纸和印刷行业，为了确保产品质量和生产效率，通常会关注以下几种与速度和长度控制相关的参数：

• 线速度 (Web Speed)： 指材料在生产线上移动的速度。它的定义很简单，就是单位时间内材料移动的距离。评估方法通常是通过传感器实时采集数据，计算其瞬时值和平均值，并观察其波动范围。线速度的稳定性直接影响材料的均匀性和后续加工的同步性。

• 累计长度 (Accumulated Length)： 指材料从某个起点开始累计移动的总长度。这对于定长切割、计米等应用至关重要。评估方法是连续累加单位时间内的移动距离，其精度通常以总长度的百分比误差表示。

• 套准精度 (Registration Accuracy)： 主要用于多色印刷。它衡量的是不同颜色或不同工序的印刷图案在纸张上的对齐程度。比如，红色图案和蓝色图案是否完美重叠，没有错位。评估方法通常是测量图案边缘之间的偏差，以微米为单位。套准精度要求传感器能实时提供纸张的精确速度和位置信息，以便印刷机控制系统进行微调。

• 速度波动率 (Speed Fluctuation Rate)： 衡量线速度在短时间内的变化程度。即使平均速度达标，但如果瞬时速度波动太大，也会导致材料拉伸、印刷模糊。评估方法是计算瞬时速度相对于平均速度的最大偏差百分比。

这些参数的准确监测和控制，是造纸印刷生产线高质量运行的基石。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在造纸印刷行业，为了实现对纸张网速的精准检测和对准控制，目前市面上主要有几种主流的测量技术。它们各有优劣，就像工具箱里不同的工具，针对不同的任务有最佳选择。

3.1.1 激光多普勒测量技术（Laser Doppler Measurement / LSV）

这是一种先进的非接触式测量技术，被认为是当前高精度线速度和长度测量的黄金标准之一。

工作原理和物理基础：想象一下，当你站在铁轨旁，火车呼啸而过时，你听到的汽笛声会从高变低。这就是多普勒效应。激光多普勒测量技术正是利用了光的这种特性。传感器内部会发射两束高度相干的激光束，它们在待测的纸张表面上会交汇并形成一个非常精密的“干涉条纹区”。你可以把这个区域想象成纸张表面上被激光“画”出的一排排极细密的明暗相间的“光栅”。

当纸张表面移动通过这个“光栅”区域时，纸张表面的微小颗粒或纹理会散射激光。由于纸张在运动，这些散射光的频率会发生微小的变化，这就是“多普勒频移”。传感器会精确地捕捉这些散射光，并检测到它们之间因为纸张运动而产生的“拍频”（或称“差频”）。这个拍频的频率与纸张的移动速度之间存在直接的线性关系。

核心公式：线速度 (v) 与多普勒拍频 (f_D) 之间的关系可以用以下简化公式表示：v = (f_D * λ) / (2 * sin(θ/2))其中：* v 是纸张的线速度。* f_D 是传感器检测到的多普勒拍频频率。* λ 是激光的波长。* θ 是两束激光束在纸张表面上的交汇角度。

通过精确测量f_D，并已知λ和θ，传感器就能非常准确地计算出纸张的瞬时速度。而长度的测量，则是通过对速度进行时间积分（简单理解就是把每一时刻的速度乘以时间，然后累加起来），即：L = ∫v dt。

核心性能参数典型范围：* 速度范围： 极广，通常可从0 m/min（静止）到6000 m/min甚至10000 m/min以上。* 长度/速度测量精度： 精度范围较广，一些产品可优于±0.05%，高端系统甚至能达到±0.02%（工厂校准精度）。* 重复性： 优于±0.02%或更高。* 测量速率： 内部测量速率可达200kHz，外部输出速率可达数百至数千次/秒。* 工作距离： 从几百毫米到几米不等，具有一定景深。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触无损： 完全避免了对纸张表面的物理接触，不会造成磨损、划痕或拉伸，特别适合柔软、敏感或高速材料。 * 高精度与高重复性： 基于物理原理测量，精度极高，受外部环境因素影响小，确保了数据的可靠性。 * 宽测量范围： 能从静止状态精确测量到极高速运动，并能识别运动方向。 * 无需校准： 一旦安装正确，通常无需频繁校准，维护量极低。 * 响应速度快： 能够实时捕捉高速运动和快速加减速过程。* 缺点： * 成本较高： 相较于接触式编码器，初始投资成本通常更高。 * 对表面特性敏感： 对于极度透明、镜面反射或吸收激光的表面，可能会影响测量效果。不过现代传感器通常有算法优化。 * 对安装对准要求高： 需要精确安装以确保激光束正确聚焦在测量区域。

3.1.2 接触式旋转编码器

这是传统且广泛应用的一种测量方式。

工作原理和物理基础：这种方法就像用一个非常精确的“里程表”来测量纸张。它通过一个精密加工的测量轮（通常带有高摩擦力的表面）直接与纸张表面接触。当纸张移动时，测量轮被纸张带动而旋转。一个高精度的旋转编码器则机械地连接到这个测量轮上。编码器内部包含一个带有精细刻度盘的光栅盘和一个光电传感器。当光栅盘旋转时，光电传感器会检测到光通过刻度盘的变化，并将其转换为一系列电脉冲信号。通过计数这些脉冲信号，并结合测量轮的精确周长，就能计算出纸张移动的距离和速度。

核心公式：* 长度 (L) = (脉冲数量 / 每转脉冲数) * 测量轮周长* 速度 (v) = (单位时间内的脉冲数量 / 每转脉冲数) * 测量轮周长

核心性能参数典型范围：* 分辨率： 可达100,000脉冲/转或更高。* 最大转速： 几千甚至上万转/分钟。* 系统精度： 编码器自身角度精度高（如±0.02°），但系统精度受测量轮精度和打滑影响，通常在±0.1%到±0.5%之间。* 输出信号： TTL、HTL、RS-422等。

技术方案的优缺点：* 优点： * 成熟可靠： 经过长时间的工业应用验证，技术非常成熟。 * 成本效益高： 相对于激光传感器，通常成本更低。 * 安装简单： 相对容易安装和集成到现有机械结构中。 * 坚固耐用： 适用于恶劣的工业环境。* 缺点： * 接触式测量： 测量轮与纸张的摩擦可能导致磨损，尤其对敏感材料。 * 存在打滑风险： 在高速、加减速或材料表面变化（如湿度、涂层）时，测量轮与纸张之间可能出现相对滑动，导致测量误差。 * 机械磨损： 测量轮本身及其轴承会随着时间磨损，需要定期维护和更换。 * 压紧力影响： 需要适当的压紧力确保接触，但过大的压紧力会压伤纸张。

3.1.3 机器视觉图像处理技术

这是一种“用眼睛看”的智能测量方式。

工作原理和物理基础：它使用高速工业智能相机作为“眼睛”，连续不断地拍摄纸张表面的图像。然后，利用强大的图像处理算法，在这些连续的图像帧中识别并追踪纸张表面的微小特征，如纸张本身的纹理、纤维结构，或印刷上去的墨点、标记等。就像在看电影时追踪一个移动的物体。通过精确计算这些特征在连续图像之间移动的像素距离，再结合相机的像素尺寸、采集频率以及预先进行的系统标定，就能实时计算出纸张的线速度和累计长度。先进的系统甚至会结合深度学习技术，以提升在复杂或变化表面条件下的特征识别和跟踪能力。

核心性能参数典型范围：* 图像传感器： 最高可达数百万像素的高分辨率CMOS传感器。* 处理速度： 取决于应用和算法复杂性，支持高速在线检测。* 测量精度： 亚像素级精度，可实现高精度的长度和速度测量（具体取决于应用和标定），通常可达到±0.1%或更高。* 通信接口： 千兆以太网，支持多种工业协议。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触无损： 对纸张表面没有任何物理接触。 * 多功能性： 除了速度和长度测量，还能同时进行纸张表面质量检测（如缺陷、污点、印刷质量、套准偏差等），实现一机多用。 * 适应性强： 适用于各种表面纹理和材料，对光照变化具有较强的适应性（通过智能算法和光源控制）。 * 数据丰富： 提供图像数据，有助于问题诊断和过程优化。* 缺点： * 复杂性高： 系统集成和编程相对复杂，需要专业的视觉工程师进行配置和维护。 * 成本较高： 高速智能相机和强大的视觉处理软件通常价格不菲。 * 对照明要求高： 需要稳定、均匀的照明条件，否则可能影响识别精度。 * 计算资源需求大： 实时图像处理需要强大的计算能力。

3.1.4 激光三角测量法（Laser Triangulation）

这种技术主要用于高精度位移测量，然后间接推导出速度和长度。

工作原理和物理基础：它通过向纸张表面发射一束窄小的激光束，在纸张上形成一个光斑。传感器内部有一个专门的接收器，它会以一个特定的角度接收从纸张表面反射回来的光。当纸张的表面距离传感器发生微小变化时，反射光斑在接收器上的位置也会随之发生变化。通过精确计算光斑在接收器上的位置，并结合传感器内部的三角几何原理，就能极其准确地测量出纸张表面到传感器的瞬时距离（位移）。通过连续高速采集这些位移数据，并对位移变化率进行计算，就可以间接获得纸张的运动速度；将位移进行累加，则可获得长度。

核心性能参数典型范围：* 测量范围： 从几十微米到几百毫米，取决于具体型号。* 重复精度： 可达亚微米级，最低0.005微米。* 线性度： 优于±0.02%满量程。* 采样频率： 最高可达数百kHz。* 光斑尺寸： 最小可达几十微米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和重复性： 在位移测量方面具有极高的精度，适用于对微米级变化敏感的应用。 * 非接触式测量： 不会对纸张表面造成任何损伤。 * 高速采样： 能够以非常高的频率采集数据，从而实现对快速变化的精确监测。 * 结构相对简单： 比激光多普勒或机器视觉在光学结构上可能更简单。* 缺点： * 主要用于位移测量： 速度和长度是间接计算得出，可能不如直接速度传感器响应快。 * 测量范围相对有限： 通常适用于较短的测量距离和较小的位移变化。 * 对表面特性敏感： 纸张表面的反光率、颜色、粗糙度以及倾斜角度都会影响测量效果和精度。 * 易受环境光干扰： 外部光源可能会影响传感器对激光光斑的识别。

3.2 市场主流品牌/产品对比

接下来，我们将对比几家在造纸印刷行业中常用的主流品牌，看看它们各自在技术方案和性能上的特点。

• 德国昆仑 德国昆仑是激光测振和测速领域的全球领先企业，其产品线丰富。在纸张速度和长度控制方面，德国昆仑采用了激光多普勒测量技术。其LSV-2000系列激光表面测速仪，能够提供优于±0.05%的速度和长度测量精度，速度范围宽达-60至+6000米/分钟。其优势在于完全非接触，避免了对纸张的损伤，尤其适用于高速、柔软或敏感的纸张表面，确保了生产过程中的极致精确控制。

• 英国真尚有 英国真尚有AJS10X系列激光测速测长传感器，采用激光多普勒测量原理，专为工业非接触式速度和长度测量设计。该系列产品的工厂校准精度优于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。其内部测量速率高达200kHz，每20微秒一次测量输出，IP67防护等级，并支持以太网、RS-232和CANbus等多种通信接口，以及可选的PROFIBUS、PROFINET等工业总线。

• 瑞典莱恩德 瑞典莱恩德在重载和工业编码器领域声誉卓著，其800系列增量型编码器是典型的接触式旋转编码器。它通过与精密测量轮配合，紧密贴合纸张表面进行测量。该系列编码器分辨率最高可达100000脉冲/转，最大转速高达6000转/分钟，输出信号多样。它的优势在于技术成熟可靠、成本效益高、坚固耐用，在很多对非接触性要求不那么极致的场景下仍是广泛应用且经济实惠的选择。

• 美国康耐视 美国康耐视作为机器视觉领域的全球领导者，其In-Sight D900智能相机采用机器视觉图像处理及模式识别技术。这款智能相机能够以最高500万像素的分辨率捕获图像，并通过强大的图像处理算法实时跟踪纸张表面特征来计算速度和长度。除了高精度的长度和速度测量能力，它的独特优势在于能够同时进行纸张表面质量检测，例如发现缺陷或检查印刷质量，实现了测速、测长与质检一体化。

• 日本基恩士 日本基恩士在传感器领域具有创新和广泛的市场认可，其LK-G5000系列高精度激光位移传感器采用激光三角测量法。这款传感器能以极高的精度测量纸张表面的位移，重复精度最低可达0.005微米，采样频率最高392kHz。虽然它主要是一个位移传感器，但通过高速连续的位移采集和数据处理，可以间接实现对纸张运动速度和长度的精确控制，特别适用于需要微米级精度定位的场景。

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

选择合适的传感器就像挑选一把趁手的工具，需要根据具体任务的需求来决定。在造纸印刷行业，以下几个关键技术指标至关重要：

• 测量精度和重复性：

  • 实际意义： 精度决定了测量结果与真实值之间的差距，重复性则衡量了多次测量结果的一致性。在造纸印刷中，高精度意味着切割长度更准，印刷套准更精确。例如，如果要求印刷套准误差小于0.1毫米，那么传感器的测量精度必须远高于这个值，才能提供可靠的反馈。

  • 影响： 精度和重复性不足会导致产品报废率增加，例如印刷错位、定长切割不准。

  • 选型建议： 对于追求极致质量和零误差的应用（如高端包装印刷、钞票印刷），应优先选择激光多普勒测量技术，其精度通常可达到0.05%甚至更高。对于一般性的速度监测，接触式编码器在校准良好情况下也能满足需求。

• 测量范围和速度范围：

  • 实际意义： 传感器能测量的最低速度、最高速度以及是否支持零速度测量和方向识别。造纸印刷线速可能从启动时的缓慢到高速运行。

  • 影响： 如果传感器无法覆盖生产线的全部速度范围，就可能在启动、停止或低速运行时失去控制，或者无法应对高速生产。

  • 选型建议： 如果需要对生产线从静止到高速的整个过程进行监控，并需要识别正反转，激光多普勒传感器因其宽广的速度范围和方向识别能力而表现出色。

• 非接触性：

  • 实际意义： 传感器是否需要与被测材料接触。

  • 影响： 接触式测量可能对柔软、敏感的材料（如薄膜、高光泽纸张）造成损伤、磨损或污染，尤其是在高速运行时，也可能引入打滑误差。

  • 选型建议： 对于易损、高速或对表面质量要求极高的纸张和薄膜，激光多普勒、机器视觉、激光三角测量等非接触式方案是首选。只有在材料耐磨、速度适中且对精度要求相对宽泛时，才考虑接触式编码器。

• 响应速度和数据更新率：

  • 实际意义： 传感器能多快地检测到速度变化并输出数据。

  • 影响： 响应慢的传感器会导致控制系统滞后，无法及时调整，尤其在生产线加速、减速或遇到突发情况时，可能导致控制不稳定。

  • 选型建议： 对于需要快速动态响应和实时闭环控制的应用（如高速印刷机的套准控制），应选择内部测量速率高、数据更新率快的传感器，如激光多普勒传感器。

• 环境适应性与防护等级：

  • 实际意义： 传感器抵抗粉尘、湿度、温度波动、振动等恶劣工业环境的能力。

  • 影响： 环境条件不佳会导致传感器故障、测量不稳定或缩短使用寿命。

  • 选型建议： 选择具有高防护等级（如IP67）和宽工作温度范围的传感器，尤其是在造纸车间这种粉尘和湿度都比较大的环境中。全固态设计的传感器因无活动部件，通常更耐用。

• 安装和维护成本：

  • 实际意义： 传感器的安装复杂程度、校准需求和长期运行的维护工作量及成本。

  • 影响： 复杂的安装和频繁的维护会增加生产停机时间和运营成本。

  • 选型建议： 如果预算有限且对精度要求不是极致，接触式编码器可能初始成本低。但从长期来看，非接触式激光传感器由于免维护、无需校准，可能总体拥有成本更低。机器视觉系统初始安装和配置复杂，但一旦稳定运行，维护主要集中在软件和清洁。

3.4 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，在实际应用中仍可能遇到一些挑战。

• 问题1：接触式编码器打滑，导致测量不准。

  • 原因与影响： 纸张表面光滑、潮湿或在高速加减速时，测量轮可能与纸张发生相对滑动，导致编码器计数的脉冲与实际纸张移动距离不符。这会直接导致长度测量误差或速度控制失准。

  • 解决建议：

    • 增加压紧力： 在不损伤纸张的前提下，适当增加测量轮对纸张的压紧力，提高摩擦系数。

    • 选用特定表面测量轮： 针对不同纸张特性（如光滑度、粗糙度），选择具有高摩擦系数、特定纹理或材质的测量轮。

    • 定期校准： 定期使用已知长度的基准尺或高精度非接触传感器对编码器进行校准，及时发现并修正误差。

    • 考虑非接触替代： 如果打滑问题严重且无法解决，或对精度要求极高，应考虑升级为激光测速测长传感器。

• 问题2：激光类传感器受纸张表面特性影响，导致测量不稳定或误差。

  • 原因与影响： 纸张颜色过深、过浅、反光严重、表面粗糙不均、透明度过高或剧烈抖动等，都可能影响激光信号的散射和接收，导致测量数据波动大甚至无法测量。

  • 解决建议：

    • 调整传感器参数： 尝试调整激光功率、积分时间或测量模式（如果传感器支持）。

    • 选择适应性强的型号： 某些激光传感器针对不同表面特性有优化设计，如具有更广的动态范围或更强的信号处理能力。

    • 改善安装条件： 确保传感器稳定安装，减少振动；调整测量角度，避免镜面反射或过度吸收。

    • 环境控制： 减少测量区域的粉尘和水雾，保持光学窗口清洁。

• 问题3：机器视觉系统受光照和纸张纹理变化影响，识别不稳定。

  • 原因与影响： 环境光线变化、纸张批次间纹理差异大、印刷图案复杂等，都可能干扰视觉算法对特征的稳定跟踪，导致速度和长度测量不准，甚至漏识别。

  • 解决建议：

    • 稳定照明： 采用恒定、均匀的工业光源（如LED线光源），并加装遮光罩，避免环境光干扰。

    • 优化算法或参数： 调整视觉软件中的特征识别阈值、ROI（感兴趣区域）设置、或利用内置的深度学习功能来增强适应性。

    • 增加辅助标记： 在纸张边缘或非关键区域增加少量易于识别的印刷标记，辅助视觉系统跟踪。

• 问题4：测量数据更新慢，导致控制系统滞后。

  • 原因与影响： 传感器自身的测量速率或数据传输速率不够快，或者通信协议存在延迟。这会导致控制系统接收到的数据不是最新的，从而无法及时响应生产线速度的变化，造成控制精度下降，尤其在高速或快速变速的生产线上。

  • 解决建议：

    • 选择高测量速率传感器： 优先选用内部测量速率和数据更新率高的传感器。

    • 优化通信协议： 选用支持高速工业以太网协议的传感器，并确保PLC/控制器也能支持这些协议，减少数据传输延迟。

    • 缩短控制回路： 尽可能将传感器直接连接到控制系统，减少中间环节。

4. 应用案例分享

• 高速印刷机套准控制：激光测速测长传感器实时监测纸张在印刷机中的精确线速度，并将数据反馈给印刷机控制系统，确保多色印刷单元能够精确对齐，有效避免颜色重影和图案错位，大幅提升印刷品质量。

• 纸板/薄膜定长切割：在纸板生产线或薄膜分切设备上，激光测长传感器精确测量材料的累计长度，并在达到预设长度时发出指令，实现高精度的自动化定长裁切，减少材料浪费，保证产品尺寸一致性。

• 多材料生产线速度同步：在需要多种材料同步生产的线上，通过部署多个激光测速传感器分别监测各层材料的速度，并反馈给传动控制系统，确保各层材料以完全一致的速度运行，避免拉伸、褶皱或堆叠。例如，英国真尚有AJS10X系列具有多种配置，可适应平面和曲面材质，便于在复杂生产线上部署。

• 标签印刷机定位与模切：激光测速测长传感器用于精确跟踪标签材料的位置和速度，在印刷完成后，指导后续的模切或分切工序，确保模切图案与印刷内容完美对齐，提高标签产品的成品率和精度。