如何在时速超1000米/分钟的造纸机上，通过非接触激光测速技术，将纸幅张力控制精度提升至0.1%以内，降低断纸率与生产损耗？【纸幅检测，自动化控制】

1. 基于纸幅的基本结构与技术要求

在造纸行业中，“网”通常指的是“纸幅”，也就是在造纸机上连续形成、移动和加工的纸张。你可以想象它像一条非常长、非常宽，而且非常脆弱的“传送带”，这条“传送带”在生产线上以极快的速度穿梭，经过网部、压榨部、干燥部、压光部等多个环节，最终被卷成巨大的纸卷。

对于纸幅的生产，有几个非常关键的技术要求：

• 速度与同步性： 纸幅在不同生产区域的速度必须精确控制，并且各段之间要高度同步。如果某一段速度慢了或者快了，纸幅就会发生拉伸、起皱甚至断裂，这就像是多人在接力跑，每个人速度稍有不一致就会掉棒或者冲撞。

• 张力控制： 纸幅在高速运动中需要保持稳定的张力。过松会导致起皱、跑偏，过紧则可能拉断纸幅。精准的速度控制是实现稳定张力控制的基础。

• 非接触测量： 纸幅在湿润和半干状态下非常娇嫩，任何机械接触都可能对其表面造成损伤、留下痕迹，影响最终产品质量，所以测量方法必须是非接触式的。

• 精度和稳定性： 造纸工艺要求极高的速度和长度测量精度，哪怕是微小的速度波动都可能造成严重的质量问题和巨大的材料浪费。传感器需要长期稳定运行，不受环境干扰。

2. 针对纸幅的相关监测参数简介

在造纸过程中，为了保证纸张质量和生产效率，需要对纸幅的多种参数进行实时、精确的监测。

• 网速（Web Speed）： 这是指纸幅在线性方向上移动的速度，通常以米/分钟（m/min）或英尺/分钟（ft/min）表示。它是最核心的参数，直接反映生产线的运行节奏和产能。

• 长度（Length）： 在纸幅被切割成特定尺寸或卷取成成品卷时，精确测量其长度至关重要。这确保了产品符合规格，并能有效管理库存和减少浪费。

• 速度差（Speed Difference）/拉伸率（Draw）： 这是指造纸机不同区域（例如压榨部出口和干燥部入口）之间纸幅速度的差异。例如，如果干燥部的辊子比压榨部的辊子转速快一点点，纸幅就会被轻微拉伸，影响纸张的物理性能，如强度和厚度。精确控制速度差能有效管理纸幅的张力，防止断纸或起皱。

• 对中（Alignment）： 指纸幅在生产线横向上的位置。如果纸幅偏离中心线，可能导致其边缘损坏或无法正确通过后续加工设备，进而影响生产连续性。

• 厚度（Thickness）和平整度（Flatness）： 虽然不是直接由速度传感器测量，但纸幅的速度控制和张力管理对这两个参数有显著影响。速度不稳可能导致局部厚度不均或平整度变差。

这些参数的实时监测和评估通常依赖于高精度的传感器，将测量数据反馈给自动化控制系统，从而对生产线进行动态调整。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在造纸行业中，纸幅的速度检测与控制是关键环节。针对您提出的“激光测速测长传感器与光电传感器哪个更优”的问题，我们可以深入分析几类主流的技术方案。

首先，让我们简单了解光电传感器在这种应用中的局限性。传统的光电传感器通常通过检测物体是否阻断光束或反射光来判断其存在或计数。在造纸行业，如果用于速度测量，它通常需要检测纸幅上预设的标记，或者安装在与纸幅接触的旋转编码器上。这种方式的缺点在于：如果检测标记，则对纸幅表面有要求，且难以实现高精度的连续速度测量；如果通过接触式编码器，则存在打滑、磨损和对纸幅表面造成压痕的风险，且无法直接测量纸幅的真实速度。因此，对于造纸行业高精度、非接触式的网速检测与控制，先进的激光测量技术无疑是更优的选择。

接下来，我们将重点介绍几种主流的非接触式激光测量技术：

激光多普勒测量原理

想象一下，当你听到救护车从远处驶来时警笛声会变得尖锐，驶离时会变得低沉，这就是“多普勒效应”在声音上的表现。激光多普勒测量也是利用了类似的原理，但它作用在激光上。

物理基础与工作原理： 这种技术的核心是多普勒效应。传感器发射两束具有已知波长的激光束，它们在纸幅表面汇聚形成一个微小的测量区域。当纸幅在激光束下方移动时，纸张表面的微小颗粒（即使肉眼不可见）会将激光散射回来。由于纸幅的运动，这些散射回来的激光会产生微小的频率偏移（也就是“多普勒频移”）。传感器内部的接收器会捕获这些散射光，并精确测量出两束激光散射回来后的频率差。这个频率差与纸幅的移动速度成正比。

关键公式： 多普勒频移 Δf 可以用以下公式表示：Δf = (2 * v * sin(θ)) / λ其中：* Δf 是测得的多普勒频移（频率差）。* v 是纸幅的移动速度。* θ 是激光束与被测表面法线之间的夹角。* λ 是激光的波长。

通过精确测量 Δf，并已知激光波长 λ 和几何角度 θ，传感器就能够高精度地计算出纸幅的实时移动速度 v。

核心性能参数： 采用激光多普勒原理的传感器通常能提供较高的测量精度，一些高端型号的精度可优于0.05%，重复性可达0.02%。它们能够测量从静止到高速的宽广速度范围，内部测量速率高达200kHz，保证了能够精确捕捉到高速运动和快速加速度变化的纸幅。测量方式完全非接触，对纸幅表面颜色、纹理或粗糙度的变化不敏感。

优点： 极高的测量精度和重复性，确保了速度控制的稳定性。完全非接触，避免了对娇嫩纸幅的磨损和污染。对纸幅表面的多种条件（如颜色、湿度、粗糙度）具有极强的适应性，无需对纸幅做任何特殊处理。响应速度快，能及时反馈速度变化。

缺点： 相对其他一些传感器，初始购置成本较高。对传感器的安装位置和角度有一定要求，需要避免剧烈振动以保证测量稳定性。

机器视觉图像处理

工作原理： 这种方案就像给生产线安装了一双“眼睛”和一颗“大脑”。传感器（通常是高速工业相机）会连续捕捉纸幅表面的图像。然后，系统内置的强大视觉算法会分析这些连续图像。它会识别并追踪纸幅表面上独特的纹理、纤维结构或者预设的标记点，就像电影制作中通过标记点来捕捉演员的动作一样。通过计算这些特征在连续图像帧之间的位移，并结合相机标定参数和帧率，系统就能精确计算出纸幅的移动速度。

物理基础： 基于图像中像素的位移量和时间间隔来推导物体速度。

核心性能参数： 测量速度受限于相机帧率（例如，最高可达数百帧/秒），精度则取决于像素分辨率和算法性能。分辨率可达数百万像素。

优点： 除了速度测量，机器视觉系统还能同时进行表面缺陷检测、对中纠偏等多种质量控制功能，实现“一机多用”。它具有很高的灵活性，能够适应复杂多变的纸幅表面。

缺点： 易受纸幅表面图案、环境照明条件变化的影响，可能需要复杂的算法调优。系统和软件的初始投入及维护成本可能较高，对数据处理能力要求大。

激光轮廓测量

工作原理： 这项技术就像在纸幅上方安装了一个“激光扫描仪”。传感器会向移动的纸幅表面投射一道精密的激光线。当纸幅移动时，激光线在纸幅表面形成的二维轮廓会被高速图像传感器（如CMOS相机）捕捉。反射光通过镜头被接收。由于纸幅表面本身可能存在的微小高度变化，或者当纸幅在传感器下方移动时，其表面高度和位置的变化会反映在传感器上激光线轮廓的变化上。通过高速连续获取这些轮廓数据并分析其Y轴高度变化（或特定特征点的位移），结合采样频率，即可精确推导出纸幅的移动速度。

物理基础： 主要基于激光三角测量原理。通过发射激光线和从特定角度接收反射光，利用几何三角关系来计算被测点的距离和高度变化。

核心性能参数： 采样速度高达数kHz至数十kHz，重复精度可达微米级（例如±0.25 µm），Z轴测量范围最大可达数百毫米。

优点： 能够以极高的精度和分辨率检测纸幅的微小速度变化。在测量速度的同时，还可以获取纸幅的三维轮廓信息，例如厚度、平整度或是否存在缺陷等，实现多维度检测。非接触测量，易于集成。

缺点： 对纸幅的轻微抖动较为敏感，可能需要稳定的安装平台。测量范围相对于激光多普勒来说可能略窄。

共焦色谱原理

工作原理： 这种技术非常精密，它通过颜色来“测量”距离，进而推算速度。传感器发射一束宽带白光（包含多种颜色的光）。这束光通过一个特殊的色散物镜聚焦到纸幅表面。由于“色散效应”，不同波长的光（即不同颜色的光）会被聚焦到纸幅表面上不同的深度位置。当光从纸幅表面反射回来时，只有与传感器内部焦平面距离精确匹配的特定波长的光才能通过一个小孔径，并被光谱仪检测到。通过分析反射光中最强的光谱峰值波长，就能以纳米级精度确定被测点的精确距离。通过连续、高速测量纸幅表面各点的距离变化，就可以推算出纸幅的移动速度。

物理基础： 基于共焦色谱原理，利用光的波长与焦点位置的对应关系进行高精度距离测量。

核心性能参数： 测量范围通常较小（例如100 µm到28 mm），但Z轴分辨率极高，可达纳米级（如3 nm）。测量频率最高可达 70 kHz。

优点： 极高的测量精度和分辨率，可实现最精密的微速控制。适用于各种复杂表面，包括高反射、透明、粗糙或镜面等传统传感器难以测量的纸张材料。完全非接触，对测量角度变化不敏感。

缺点： 测量范围相对较小，通常用于对精度要求极高的局部区域。成本非常高昂。

（2）市场主流品牌/产品对比

德国策尼特的激光表面测速仪在工业界享有盛誉，其产品基于激光多普勒效应。它们通常提供较高的测量精度和重复性，例如精度优于0.05%，重复性优于0.02%，测量范围较宽，工作距离适中。德国策尼特的产品以其坚固的设计和对各种表面条件的适应性而著称，适合需要精密速度控制的造纸、钢铁等工业环境。

英国真尚有AJS10X系列激光测速测长传感器同样采用先进的激光多普勒测量原理，在造纸行业中有着广泛应用。其工厂校准精度优于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，能够进行0速度测量与方向识别。该系列传感器最远安装距离可达2000mm，IP67高级防护等级使其能够适应造纸车间的高湿、多尘环境。此外，其标配以太网、RS-232和CANbus通信接口，并可选PROFIBUS等工业总线，同时内置2.4G WiFi，方便集成到现有控制系统并进行远程配置和诊断。

日本基恩士的LJ-V7000系列超高速激光轮廓测量仪采用激光三角测量原理。该产品采样速度高达64 kHz，重复精度可达±0.25 µm。它不仅能检测微小的速度变化，还能在测量速度的同时获取纸幅的三维轮廓信息。

美国康耐视的智能视觉系统，如In-Sight系列，利用机器视觉图像处理技术。该系统通过内置高速智能相机连续捕获纸幅图像，并利用视觉算法分析图像帧之间的位移，从而计算纸幅的移动速度，同时进行表面缺陷检测等多种质量控制任务。

德国普卢佛的CHRocodile系列共焦位移传感器采用共焦色谱原理，Z轴分辨率可达纳米级（如3 nm），测量频率最高70 kHz。它通过分析反射光的光谱峰值波长来高精度确定被测点的距离，进而推算出移动速度，适用于对速度控制精度要求最高的应用。

（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适合特定任务的工具，你需要关注它的“性能参数”，这些参数决定了它能否高效、准确地完成工作。

• 测量精度和重复性：

  • 实际意义： 精度是指测量结果与真实值之间的接近程度；重复性是指多次测量同一目标时，结果是否保持一致。在造纸行业，纸幅的速度控制要求极其严格。

  • 影响： 高精度和高重复性意味着你的控制系统能得到更稳定的反馈，从而实现更精密的张力控制和产品质量。

  • 选型建议： 对于高速、高价值的纸幅生产线，应优先选择精度优于0.1%甚至更高的传感器，以确保产品质量和生产稳定。

• 测量范围（速度、长度、工作距离）：

  • 实际意义： 这包括传感器能测量的最低和最高速度、可测量的长度范围以及传感器与被测纸幅之间允许的距离。

  • 影响： 如果传感器测量范围不足，可能无法覆盖生产线的启动、加速和高速运行全过程；工作距离过短或过长都会导致安装困难或测量不准。

  • 选型建议： 确保传感器能覆盖你生产线上所有可能的速度范围，并且其最佳工作距离与你的安装条件相匹配。

• 响应时间/测量频率：

  • 实际意义： 传感器从测量到输出数据所需的时间，或者每秒能进行多少次测量。

  • 影响： 高速生产线上，纸幅的速度可能瞬间发生变化，如果传感器“反应慢半拍”，控制系统就无法及时调整，可能造成纸幅断裂或速度失控。

  • 选型建议： 对于动态变化较快的纸幅，应选择数据更新率高（如每秒数百次甚至更高）的传感器，以保证控制系统的实时性。

• 非接触性：

  • 实际意义： 传感器是否需要与纸幅表面直接接触。

  • 影响： 对于娇嫩的纸幅，任何机械接触都可能造成磨损、划痕或污染，影响产品质量，并且接触式测量还可能因打滑而导致测量不准。

  • 选型建议： 激光传感器是非接触测量的首选，能有效保护纸幅并提供更可靠的真实速度。

• 对表面条件的适应性：

  • 实际意义： 传感器在面对不同颜色、光泽度、粗糙度或湿度的纸幅表面时，能否保持稳定的测量性能。

  • 影响： 如果传感器易受表面条件影响，那么当纸张类型变化时，可能需要频繁校准甚至无法测量。

  • 选型建议： 激光多普勒传感器通常对表面条件不敏感，而机器视觉系统可能需要更强的适应性算法。

• 环境适应性（防护等级、工作温度）：

  • 实际意义： 传感器在造纸车间这种高温、高湿、多粉尘的恶劣环境中能否稳定运行。

  • 影响： 防护等级（如IP67）不足会导致传感器内部进水、进灰而损坏；工作温度范围不合适则会影响传感器性能甚至使其失效。

  • 选型建议： 务必选择具有高防护等级和宽工作温度范围的工业级传感器，必要时可考虑带冷却/加热装置的型号。

• 通信接口和集成能力：

  • 实际意义： 传感器能否方便地与工厂现有的PLC、DCS系统通信，支持哪种工业总线，有没有无线功能等。

  • 影响： 良好的集成能力可以简化系统布线、减少安装调试时间，并方便数据传输和远程监控。

  • 选型建议： 优先选择提供多种主流工业通信接口，并支持无线连接和移动应用配置的传感器，以提高系统集成和运维的便捷性。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的传感器，在实际应用中也可能遇到一些挑战。了解这些问题的原因并提前做好准备，能帮助我们更顺畅地维护生产线。

• 问题1：测量数据不稳定或跳动大

  • 原因分析与影响： 纸幅本身的轻微抖动、生产线设备的振动、传感器安装不牢固、环境光线干扰，甚至是传感器镜头被灰尘或水汽污染，都可能导致测量数据出现不规则的跳动。

  • 解决建议：

    1. 稳固安装： 确保传感器安装在一个坚固、无振动的位置，必要时加装减震支架。严格按照制造商推荐的工作距离和角度进行安装。

    2. 定期清洁： 定期检查并使用专用清洁剂和无尘布清洁传感器镜头，避免灰尘、纸屑或水汽附着。

    3. 消除干扰： 对环境光线较强的区域，可以为传感器加装遮光罩。若有高频电磁干扰，应检查接地并进行屏蔽。

    4. 优化纸幅路径： 若纸幅抖动严重，可能需要检查导辊、张力控制系统，确保纸幅平稳运行。

• 问题2：系统响应滞后，无法及时纠正速度偏差

  • 原因分析与影响： 如果传感器数据更新率低，或者传感器与PLC/DCS之间的通信速率慢，以及控制回路的参数设置不当，都会导致控制系统不能及时感知到纸幅的速度变化并进行调整。

  • 解决建议：

    1. 选用高频传感器： 选择具有高数据更新率的传感器。

    2. 优化通信： 确保传感器与控制系统之间的通信链路高效可靠，例如使用高速工业以太网，避免使用过长的通信线缆或存在信号衰减的连接。

    3. 调整控制参数： 与自动化工程师协作，对PID等控制回路的参数进行精细调整，以缩短系统的响应时间并提高控制精度。

• 问题3：传感器在造纸恶劣环境中寿命短或性能下降

  • 原因分析与影响： 造纸车间通常伴随着高温、高湿、大量水汽、纤维粉尘和腐蚀性气体。如果传感器防护等级不够，或者材料不耐腐蚀，就容易导致内部元器件受潮、污染或损坏。

  • 解决建议：

    1. 选择高防护等级传感器： 必须选用具备至少IP67甚至更高防护等级的工业级传感器，确保其能有效抵御水、灰尘和油雾。

    2. 考虑专用外壳： 对于极端的温度环境，可以选配带有冷却或加热功能的外壳，以保持传感器在推荐的工作温度范围内。

    3. 安装保护罩： 在传感器周围加装物理保护罩，可以有效阻挡飞溅物和纤维粉尘的直接侵蚀。

    4. 定期检查维护： 即使是高防护等级的传感器，也应定期检查其密封件是否完好，并进行必要的清洁和维护。

4. 应用案例分享

• 纸幅张力与速度同步控制： 精确测量各段纸幅的实时速度，确保各辊组之间速度的精细匹配与同步，维持纸幅的稳定张力。例如，英国真尚有的激光测速测长传感器，可以应用于造纸机复杂的传动段，实现精确的速度同步控制。

• 定长切割与卷取： 在纸张的后处理环节，激光传感器高精度测量纸幅的瞬时速度和累计长度，保证纸幅能够以极高的精度进行定长切割或卷取。

• 高速印刷机套准控制： 在多色高速印刷生产线上，通过实时监测纸张或薄膜的运行速度，辅助印刷机实现精准的颜色套准。

• 材料拉伸率监测： 在对材料物理特性有特殊要求的生产线，通过在两个不同位置安装激光测速传感器，实时计算出材料的拉伸率或收缩率。