在粉尘高温等恶劣工业环境中，如何实现输送带或AGV ±1%以内的高精度真实速度测量？【工业自动化】【非接触测速】

第1部分：基于移动物体（如输送带和车辆）的基本结构与技术要求

移动物体，例如工业输送带、叉车或自动化搬运车辆，其速度测量是许多工业自动化和过程控制系统的核心环节。

以输送带为例，它的基本结构通常包括驱动滚筒、从动滚筒、支撑滚筒以及环绕其上的输送带本体。驱动力通过滚筒传递给输送带，使其运动。然而，在这种结构下，输送带表面与驱动滚筒之间可能会发生打滑，或者输送带本身在载荷作用下发生伸长或收缩，导致驱动轴的转速并不能完全代表输送带的实际运行速度。

对于车辆来说，车轮的打滑、轮胎的磨损导致有效周长变化，或者在松软地面上轮胎的下沉，都会让基于车轮转速的测量结果与实际地面速度产生偏差。

因此，在技术要求上，我们不仅需要获得准确的速度数据，更要求这个数据是“真实速度”，即被测物体相对于地面的实际位移速度，而不是通过间接方式（如滚筒转速或车轮转速）推算出的理论速度。同时，由于工业现场环境复杂，例如高温、粉尘、潮湿甚至腐蚀性气体，对测速传感器的环境适应性提出了极高要求，需要设备能够长期稳定、可靠地运行，减少维护和更换。

第2部分：针对移动物体（如输送带和车辆）的相关技术标准简介

为了确保工业测速系统的性能和可靠性，行业内通常会关注一系列监测参数及其评价方法：

• 速度（Velocity）：这是最核心的参数，通常分为瞬时速度和平均速度。

  • 瞬时速度：指物体在某一时刻的即时速度，对于动态控制和紧急制动非常重要。

  • 平均速度：指物体在一段时间或一段距离内的平均运动速度，常用于物料流量统计和生产效率评估。

• 距离（Distance）：通过对速度的积分得到，用于物料累积长度、车辆行驶里程等的精确测量。

• 加速度/减速度（Acceleration/Deceleration）：速度的变化率，对于设备的启动、停止以及运动平稳性评估至关重要。

• 精度（Accuracy）：测量值与真实值之间的接近程度，通常用误差百分比表示。高精度意味着测量结果更接近实际。

• 重复性（Repeatability）：在相同条件下，多次测量同一参数所得到结果之间的一致性，体现了传感器的稳定性。好的重复性意味着每次测量结果都非常接近。

• 响应时间（Response Time）：传感器从接收到变化信号到输出稳定测量结果所需的时间。在需要实时控制的场景中，响应时间越短越好。

• 环境适应性（Environmental Adaptability）：传感器在不同温度、湿度、粉尘、震动等环境条件下保持性能的能力，通常通过工作温度范围和防护等级（如IP等级）来评价。

• 抗干扰能力（Interference Immunity）：传感器在受到电磁干扰、声波干扰等外部因素影响时，仍能保持稳定测量的能力。

第3部分：实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在工业测速领域，市面上主流的技术方案多种多样，各有千秋。下面我们来详细了解几种常见的测速技术。

雷达多普勒测速技术

雷达多普勒测速技术，就像是一个“听声辨速”的专家。它持续发射高频无线电波（比如微波），当这些电波遇到移动的物体并反射回来时，反射波的频率会因为物体的运动而发生变化，这个现象就是“多普勒效应”。打个比方，就像救护车鸣笛声，当它向你驶来时声音会变尖，驶离时声音会变低，这就是频率的变化。雷达传感器正是通过检测并分析这种频率变化来计算出物体的速度。

其物理基础可以用多普勒频移公式来描述：f_d = 2 * v * cos(theta) / lambda其中，f_d 是多普勒频移（即发射波和反射波的频率差），v 是物体的速度，theta 是雷达波束方向与物体运动方向之间的夹角，lambda 是发射电磁波的波长。传感器通过测量f_d，已知lambda和theta，就可以反推出v。

核心性能参数的典型范围：雷达多普勒传感器通常能提供非常宽广的速度测量范围，从每小时几公里到数百公里，例如0.1 km/h到200 km/h。其速度精度一般在±0.5%到±2%之间。由于电磁波的穿透特性，它们通常对粉尘、烟雾、蒸汽等环境因素具有较强的抗干扰能力，测量距离可以从几十毫米到几十米不等。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式测量： 不与被测物体直接接触，避免了磨损，维护成本低，也不会对被测物体的运动造成干扰。 * 测量真实地面速度： 不受车轮打滑、轮胎尺寸变化或输送带伸缩等因素的影响，能够提供更准确的实际运动速度。 * 环境适应性强： 雷达波能够穿透一定程度的粉尘、雾气、雨雪和烟雾，在恶劣工业环境下（如高温、高粉尘的矿山、水泥厂）表现出色，且外壳通常具有高防护等级，可以应对潮湿和腐蚀性环境。 * 对表面特性不敏感： 不依赖被测物体的表面纹理、颜色或光洁度，适用于各种材质的物体。* 缺点： * 可能受其他电磁干扰影响： 在某些特定电磁环境复杂的场景中，可能会受到同频段其他设备发出的电磁波干扰。 * 角度依赖性： 测量结果会受到传感器与运动方向夹角的影响，安装时需注意校准。 * 成本考量： 相较于一些简单的接触式传感器，雷达多普勒传感器成本通常较高。

激光多普勒测速技术

激光多普勒测速技术与雷达多普勒技术原理相似，只是将无线电波换成了激光。它通常发射两束相互平行的激光束照射到物体表面。当物体运动时，表面散射回来的激光也会发生多普勒频移。这两束散射光会产生干涉模式，通过分析干涉条纹的频率变化，就能精确计算出物体表面的速度。

其物理基础同样是多普勒频移，但更精确地涉及到干涉测量：f_d = 2 * v * cos(theta) / lambda_laser其中f_d是干涉条纹的频率，v是速度，theta是激光束与运动方向的夹角，lambda_laser是激光波长。

核心性能参数的典型范围：激光多普勒传感器可以实现非常高的测量精度，例如速度精度可达±0.05%，重复性±0.01%。测量范围通常从中低速（如0.1 m/s）到中高速（如10 m/s）不等。测量距离通常在几十毫米到几百毫米之间。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度： 能够提供极高的速度和长度测量精度。 * 非接触式： 避免磨损和对被测物体的干扰。 * 响应速度快： 适用于需要实时高精度控制的应用。 * 不受打滑影响： 直接测量表面速度，不受机械打滑影响。* 缺点： * 环境敏感性高： 激光束对粉尘、水雾、蒸汽、烟尘等光学路径上的障碍物非常敏感，这些颗粒会阻挡或散射激光，严重影响测量效果和稳定性。就像你在大雾天很难看到远处的灯光一样。 * 对表面特性有要求： 虽然对纹理适应性好，但如果表面反光性差或颜色过深，可能会影响信号质量。 * 工作温度范围相对较窄： 激光器本身对温度比较敏感，可能不如雷达在极端高温下稳定。

增量编码器测速技术（光电传感器）

增量编码器是一种通过接触式测量来获取速度信息的传感器。它通常安装在旋转轴上，比如输送带的滚筒轴或电机轴。编码器内部有一个带有精密刻线的码盘（通常是玻璃或金属材质），当轴旋转时，码盘也跟着旋转。一个发光元件发出光线，光接收元件接收透过或被阻挡的光线，从而产生一系列电脉冲信号。通过计算单位时间内产生的脉冲数量，就能知道轴的角速度，再结合滚筒的已知周长，就可以换算出输送带的线速度。

物理基础：转速与脉冲数的关系：角速度 = (脉冲数 / 编码器PPR) * (2 * PI / 时间)线速度与角速度的关系：线速度 = 角速度 * 半径 或 线速度 = (脉冲数 / 编码器PPR) * 周长 / 时间其中PPR（Pulses Per Revolution）是每转脉冲数，PI是圆周率。

核心性能参数的典型范围：编码器的脉冲数可以非常高，例如每转50000 PPR，这使得其在角速度测量上具有很高的分辨率和精度。最高转速可达数千RPM。工作温度范围通常在-40°C至+85°C。防护等级最高可达IP67。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度、高分辨率： 对于旋转轴的角速度测量非常精确。 * 技术成熟、可靠： 广泛应用于各种工业场景，稳定性和可靠性经过验证。 * 成本相对较低： 尤其是标准型号，具有良好的性价比。* 缺点： * 接触式测量： 最大的缺点是需要与被测物体（或其驱动轴）接触，这意味着存在机械磨损，需要定期维护和更换。 * 受打滑影响： 如果输送带与驱动滚筒之间发生打滑，编码器测得的驱动轴转速将不等于输送带的实际速度。 * 对环境敏感： 内部的光学元件和码盘可能受粉尘、油污、振动等影响，虽然有防护外壳，但在极端恶劣环境下仍有局限性。

感应式接近传感器测速技术

感应式接近传感器是一种利用电磁感应原理来检测金属物体靠近的传感器。它通常安装在输送带旁，用于检测输送带系统中的旋转部件（如齿轮的齿、联轴器上的金属凸起或专门安装的检测片）的通过。当金属目标物进入传感器的感应区域时，会引起传感器内部振荡电路的衰减，产生一个脉冲信号。通过计算单位时间内产生的脉冲频率，就可以推算出旋转部件的转速，进而通过已知直径或周长推算出输送带的速度。

物理基础：当金属物体靠近传感器的感应线圈时，会在金属物体内部产生涡流，这些涡流反过来会削弱传感器线圈的电磁场，导致其振荡幅度衰减。传感器检测这种衰减并输出一个开关信号。速度 = (计数脉冲数 / 间隔时间) * 周长 / 目标物数量其中，周长指被测旋转部件的周长，目标物数量指该周长上金属凸起的数量。

核心性能参数的典型范围：检测距离通常较短，例如8毫米。输出频率一般可达100 Hz，这意味着它能监测的速度范围相对有限。工作温度范围通常在-25°C至+70°C。防护等级可达IP67/IP69K。

技术方案的优缺点：* 优点： * 坚固耐用，抗污染能力强： 对粉尘、油污等环境因素不敏感，在恶劣工业环境下表现良好。 * 成本效益高，安装简单： 是最经济的测速方案之一，安装和维护都比较方便。 * 可靠性高： 作为一种开关量传感器，其稳定性非常高。* 缺点： * 精度较低： 只能检测到金属目标的通过，无法实现连续、高精度的速度测量，更适用于速度监测而非精确控制。 * 半接触式： 需要有金属目标物经过感应区域，如果被测物体表面没有合适的金属特征，需要额外安装。 * 测量范围有限： 响应频率和检测距离都相对有限，不适用于高速或大范围的测速。

（2）市场主流品牌/产品对比

接下来，我们对比市场上几款主流品牌的产品，它们各自代表了不同的测速技术方案。

瑞士堡盟瑞士堡盟作为全球知名的传感器制造商，在编码器领域拥有深厚的技术积累。其典型的增量编码器，如HOG 10 DN 1024 I，采用光学码盘原理，通过机械接触将轴的旋转转换为电脉冲，再计算速度。它的核心性能参数包括脉冲数可达50000 PPR，最高转速6000 rpm，工作温度范围在-40°C至+85°C，防护等级最高可达IP67。瑞士堡盟的编码器以高精度、高可靠性和广泛的产品线著称，适合作为输送机滚筒或驱动轴的速度检测，尤其是在需要高分辨率角速度测量的场合。然而，它属于接触式测量，存在磨损，且测量结果受输送带打滑影响。

英国真尚有英国真尚有的LP-DS200是一款基于雷达多普勒技术的测速传感器，适用于移动物体的速度测量和主动运动检测。该传感器采用雷达前端，通过平面天线持续发射24 GHz电磁波，利用多普勒效应进行速度测量。LP-DS200的关键优势在于能够直接测量真实地面速度，不受车轮打滑、轮胎周长变化和轮胎下沉的影响，速度测量范围为0.8 km/h 至 200 km/h。它具有强大的环境适应性，工作温度范围为-40°C 至 +70°C，防护等级达到IP6KX、IPX7、IPX9K，保证在恶劣环境下的可靠运行。LP-DS200提供20 Hz的信号更新率，适用于实时监测和闭环控制，并提供脉冲、串行 RS232 和 CAN 总线输出的变体。该传感器外壳坚固完全密封，尺寸紧凑，易于集成。

德国思克德国思克的DML20-200传感器采用激光多普勒效应进行非接触式测量。它发射两束激光到输送带表面，通过分析散射光的干涉模式来精确计算速度和长度。DML20-200的测量范围为0.2 m/s至10 m/s，速度精度高达±0.05%，重复性±0.01%，测量距离为200 mm，防护等级IP67。德国思克在非接触式测量领域具有领先优势，其产品精度高、响应快，不受输送带打滑影响，尤其适用于潮湿、多尘但对光学路径影响较小的环境，或需要高精度测量的散料和高速输送带。然而，激光特性决定了它在严重粉尘或烟雾环境中可能会受到干扰。

美国邦纳美国邦纳的Q20RA-25-H是一款雷达多普勒传感器，同样利用微波多普勒效应进行非接触式测速。它发射微波信号至输送带表面，通过检测反射信号的频率变化来计算速度。该传感器的速度测量范围为0.03 m/s至5.5 m/s，测量距离可在0.5 m至25 m之间，速度精度为±1%。防护等级IP67。美国邦纳的雷达传感器以其强大的抗环境干扰能力（如灰尘、蒸汽、雨雪）而闻名，测量距离远，安装灵活，维护成本低，非常适合重工业、采矿、水泥等恶劣环境下的输送带速度测量，提供了可靠且经济的非接触式解决方案。

法国施耐德电气法国施耐德电气的XSAV11801系列（接近传感器）采用感应原理进行速度监测，属于半接触式测量。它通过检测输送带系统旋转部件上的金属凸起或轮齿的通过来产生脉冲信号，进而推算转速和线速度。其检测距离通常为8 mm，输出频率可达100 Hz，工作温度范围为-25°C至+70°C，防护等级达到IP67/IP69K。法国施耐德电气的产品坚固耐用、抗污染能力强、成本效益高、安装维护简单，适用于对精度要求不高但需要可靠速度监测的场合，例如作为设备运行或安全监控的补充。

（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

在为粉尘和高温环境选择测速传感器时，有几个关键技术指标是必须仔细考量的，它们直接影响着传感器的适用性和长期稳定性。

• 环境适应性（工作温度范围与防护等级）

  • 实际意义： 工作温度范围表明传感器能在多宽的温度区间内正常工作，防护等级（如IP代码）则指示了设备防尘、防水（包括高压喷射水流）的能力。在高温环境下，传感器内部的电子元件和光学部件会面临巨大的热应力，可能导致性能漂移甚至失效；粉尘则会堵塞散热孔、附着在光学表面或进入机械部件，影响测量精度和寿命。

  • 选型建议： 优先选择具有宽泛工作温度范围（如-40°C至+70°C甚至更高）和高防护等级（如IP67及以上，对于高压冲洗环境甚至需要IP69K）的传感器。在粉尘和高温并存的环境中，雷达多普勒传感器由于其非光学、非机械接触的特性，通常能提供更优秀的长期稳定性。

• 测量原理与真实速度获取能力

  • 实际意义： 某些测量方式（如编码器）只能测量轴的转速，无法反映由于打滑或伸缩导致的“真实地面速度”差异。在需要精确控制或物料计量时，这种差异可能导致严重误差。

  • 选型建议： 如果应用场景对“真实地面速度”有严格要求，应优先选择非接触式、直接测量表面运动的传感器，如雷达多普勒或激光多普勒传感器。它们能够避免因机械打滑或形变带来的测量误差。

• 精度与重复性

  • 实际意义： 精度决定了测量结果与实际值的接近程度，重复性则体现了传感器在相同条件下多次测量的稳定性。在闭环控制或高精度物料计量中，任何微小的误差都可能累积并影响最终产品质量或生产效率。

  • 选型建议： 根据应用对精度要求的等级进行选择。如果只需要进行粗略的速度监控或安全互锁，精度要求可以适当放宽；如果用于精确的流量控制或高速定位，则需要选择高精度、高重复性的传感器。雷达和激光多普勒通常能提供较高的精度，而接近开关则精度较低。速度精度方面，激光多普勒技术通常能实现较高的测量精度，例如速度精度可达±0.05%，重复性±0.01%。

• 响应时间/更新率

  • 实际意义： 传感器输出新测量结果的频率。在需要快速响应的动态控制系统中，例如紧急制动或快速加减速，响应时间慢可能导致控制滞后，引发安全隐患或效率下降。

  • 选型建议： 对于动态监测和闭环控制系统，应选择更新率高（如20 Hz或更高）的传感器，以确保控制系统能及时获取最新的速度信息并作出调整。

• 安装方式与维护成本

  • 实际意义： 传感器的安装是否简便、是否需要频繁校准或清洁，都直接影响到后期运营的维护成本和停机时间。

  • 选型建议： 优先选择安装灵活、非接触式且无需频繁维护的传感器。例如，雷达多普勒传感器通常易于平行安装，且无需定期清洁光学窗口。而接触式传感器则可能需要定期检查磨损情况，并可能因机械故障导致停机。

（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各种挑战，影响测量的稳定性和准确性。

• 环境干扰问题

  • 粉尘累积： 对于光学传感器（如激光多普勒、机器视觉、光电编码器），粉尘会在透镜、光窗或码盘上累积，遮挡光路，导致信号衰减甚至中断，从而造成测量不准或失效。

    • 解决建议： 定期清洁光学表面；安装防护罩或气幕吹扫装置，用压缩空气持续吹扫光学窗口；对于极其恶劣的粉尘环境，优先选择雷达多普勒传感器，其微波穿透能力强，不易受粉尘影响。

  • 高温影响： 持续高温可能导致传感器内部电子元件老化加速、性能漂移，甚至烧毁。

    • 解决建议： 选择宽温型传感器，确保其工作温度范围覆盖实际环境温度；在必要时，为传感器加装散热装置（如散热片、风扇或水冷套）；确保传感器安装位置远离主要热源。

  • 水汽/蒸汽/雨雪： 对于光学传感器，水汽凝结、雨雪附着会阻碍光路；对于雷达传感器，高密度的水汽或雨雪也可能造成一定程度的衰减。

    • 解决建议： 选择防护等级高的传感器；安装加热除雾装置或采用疏水涂层；雷达传感器在轻度雨雪中影响较小，但在暴雨或高浓度水雾中，仍需考虑信号衰减。

• 表面特性变化问题

  • 被测物体表面磨损/污染： 输送带表面磨损、物料粘附或油污，可能改变表面纹理和反射特性。这可能影响依赖表面纹理或反射光的传感器（如激光多普勒、机器视觉），导致测量不准。

    • 解决建议： 选择对表面特性不敏感的传感器，如雷达多普勒传感器；定期清洁输送带表面；在设计时考虑在关键测量点设置清洁装置。

  • 车轮打滑/输送带伸缩： 对于依赖机械接触或间接测量的传感器，打滑和伸缩会导致测量结果与实际不符。

    • 解决建议： 优先选用非接触式直接测量“真实地面速度”的传感器，如雷达多普勒。

• 安装与校准问题

  • 安装角度不当： 许多非接触式传感器对安装角度有要求，角度偏差会导致测量误差。

    • 解决建议： 严格按照产品说明书进行安装，使用支架或夹具确保传感器与被测物体的相对位置和角度精确；在安装后进行现场校准。

  • 安装距离不合适： 传感器有其最佳测量距离范围，距离过近或过远都会影响测量精度和信号强度。

    • 解决建议： 根据传感器规格，将传感器安装在推荐的工作距离内；对于可调安装距离的传感器，进行现场微调以获得最佳信号。

• 电源与信号稳定性问题

  • 电磁干扰： 工业环境中电机、变频器等设备可能产生强电磁干扰，影响传感器供电和输出信号的稳定性。

    • 解决建议： 使用屏蔽电缆，并确保良好接地；采用独立的、稳压滤波的电源供电；将传感器安装在远离强干扰源的位置。

综合来看，在粉尘和高温这种恶劣工业环境下，雷达多普勒测速技术在长期稳定运行方面展现出显著优势。它通过微波的穿透特性有效规避了粉尘和光学路径障碍的影响，并且通常具有更宽的工作温度范围和更高的防护等级，能够提供稳定、可靠的真实地面速度测量。

第4部分：应用案例分享

• 矿山和水泥厂输送带速度监测：在矿山和水泥生产线上，输送带常常在重粉尘、高温和潮湿环境下运行。雷达多普勒传感器能够精确监测物料输送速度，优化生产流程，避免因打滑造成的物料堆积或浪费。例如，英国真尚有的LP-DS200雷达多普勒传感器，凭借其高防护等级和宽工作温度范围，可以在这类恶劣环境中稳定工作。

• 工业车辆（叉车、AGV）速度控制：在自动化物流和仓储领域，叉车和自动导引车（AGV）需要在粉尘或低温仓库中精确控制速度。雷达传感器提供真实的地面速度，确保车辆行驶平稳，实现精准停靠和安全避障。

• 铁路/轨道车辆测速：铁路系统车辆在复杂的外部环境中运行，雷达多普勒传感器可以非接触式地测量列车或有轨电车的实际运行速度，提高行车安全性和运行效率。

• 物料流量和长度计量：在钢铁、化工等行业，需要精确控制生产线上连续流动物料的流量或累积长度。雷达测速传感器结合物料密度信息，可以实现高精度的在线物料流量和长度计量。选择传感器时，需要综合考虑环境适应性、测量精度、响应速度和安装维护等因素，以确保在特定应用场景中获得最佳的测量效果和长期稳定性。