面对数千米/分钟高速卷材，如何选用精度优于±0.1%的非接触式测速测长方案？【在线检测】

1. 卷材的基本结构与技术要求

卷材，顾名思义，是以卷筒形式存储和运输的片状或带状材料。在高速切割生产中，这类材料通常是连续的，比如纸张、薄膜、金属箔、无纺布、线缆、管材等。

基本结构特点：* 连续性： 材料以无限长的形式持续供应，需要实时、不间断地监测。* 柔性或半刚性： 大多数卷材具有一定的柔韧性，在传输过程中容易产生张力变化、抖动或变形。* 表面多样性： 卷材表面可能光滑、粗糙、反光、吸光，或带有各种纹理、图案甚至污染物，这些都会影响传感器的选择和测量效果。* 高速运动： 生产线通常要求卷材以极高的速度运行，以最大化生产效率。

技术要求：在高速卷材切割生产中，对速度和长度测量的主要技术要求包括：* 高精度： 确保每段切割材料的长度误差在允许范围内，避免浪费和质量不合格。例如，对于需要定长切割的应用，几毫米甚至微米的误差都可能导致整批产品报废。* 高稳定性： 测量结果不应受材料表面、环境温度、湿度、振动等因素的显著影响，保证长期连续生产的可靠性。* 高动态响应： 能够快速准确地捕捉材料速度的瞬时变化和加减速过程，特别是在启停或速度调整时。* 非接触性： 避免对材料表面造成磨损、划痕或污染，尤其对于高价值、易损或对表面质量要求极高的材料。* 宽测量范围： 能够适应从静止到高速（如数千米每分钟）的宽泛速度范围，并能测量从毫米到千米级的长度。

2. 卷材监测参数与评价方法简介

在卷材生产中，除了速度和长度，还会关注其他一些关键参数，以全面评估产品质量和生产过程。

• 速度： 指单位时间内卷材移动的距离。

  • 定义： 通常以米/分钟 (m/min) 或米/秒 (m/s) 表示。

  • 评价方法： 测量通常关注瞬时速度，即在极短时间内的速度。通过对一段时间内的瞬时速度进行积分或平均，可以得到平均速度。

• 长度： 指卷材在特定时间段内移动的总距离。

  • 定义： 以米 (m)、毫米 (mm) 或码 (yd) 表示。

  • 评价方法： 可以是绝对长度（从起点开始的总累计长度）或相对长度（特定两点之间的长度）。在定长切割中，通常需要精确测量每段的相对长度。

• 延展率： 指材料在拉伸或张力作用下，其长度发生的相对变化。

  • 定义： 通常表示为长度增加量与原始长度之比的百分数。

  • 评价方法： 在生产线上，延展率常通过测量卷材上前后两个点（或两个测量位置）的速度差来间接计算。例如，如果后端速度略高于前端速度，则表明材料正在被拉伸。

• 张力： 指作用于卷材上的拉力，影响卷材在生产线上的平整度和稳定性。

  • 定义： 通常以牛顿 (N) 或千克力 (kgf) 表示。

  • 评价方法： 通过安装张力传感器或张力辊来实时监测。

• 厚度： 卷材的垂直尺寸。

  • 定义： 以微米 (μm) 或毫米 (mm) 表示。

  • 评价方法： 可通过接触式测厚仪（如千分尺）或非接触式测厚仪（如激光位移传感器、X射线或β射线测厚仪）进行在线测量。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在高速卷材切割生产中，为了实现对速度和长度的精确测量，市面上主流的传感器技术方案主要有以下几种：

3.1.1 激光多普勒测量技术

这种技术利用了物理学中的多普勒效应。想象一下，一辆救护车鸣着警笛从你身边驶过时，警笛的声音会由高变低，这就是多普勒效应。激光多普勒测速原理与此类似，只是把声波换成了激光。

工作原理和物理基础：激光多普勒测速传感器通常会向被测物体表面发射两束方向略有不同的激光束。这两束激光在物体表面交汇，形成一个干涉区域，这个区域内布满了明暗相间的条纹（就像一排排看不见的尺子）。当物体表面移动时，其微小的纹理或颗粒会穿过这些干涉条纹，导致散射光的频率发生变化。传感器内部的光探测器会接收到这些散射光，并检测其频率的变化（即多普勒频移）。这个频移与物体的移动速度之间存在精确的数学关系。

其核心物理公式为：f_D = 2 * (v / λ) * sin(θ/2)其中：* f_D 是多普勒频移，也就是传感器测量到的频率变化。* v 是被测物体在激光干涉区域内的移动速度。* λ 是激光的波长。* θ 是两束入射激光之间的夹角。

通过精确测量 f_D，并已知激光波长 λ 和两束激光的夹角 θ (这些都是传感器固有的物理参数)，就可以非常精确地计算出物体的实时速度 v。一旦得到精确的速度值，再通过对速度进行时间积分，就可以累积得到长度值。

核心性能参数的典型范围：* 测量速度范围： 范围极宽，可以覆盖从静止到极高的速度，通常可以达到 10,000 m/min 甚至更高。* 测量精度： 精度高，通常优于 ±0.05%，重复性可达 ±0.02%。* 最小分辨率： 速度分辨率可达 0.01 mm/s，长度分辨率可达 0.0001 mm。* 响应频率/测量速率： 能够快速响应，测量速率可达 200 kHz 或更高，确保高速运动捕捉。* 测量距离： 具有一定的操作距离和景深，例如安装距离可达 2000 mm，景深可达 250 mm。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式： 不会对材料造成任何磨损、划痕或污染，适用于易损、高价值或对表面质量要求严格的材料。 * 高精度与高稳定性： 基于物理原理，测量精度极高，且不受材料打滑、轮径磨损或温度变化等因素影响。 * 宽速度范围： 能够精确测量从静止到极高速的物体，并能识别方向。 * 快速响应： 实时性好，能捕捉瞬时速度变化。 * 固态设计： 通常无活动部件，维护成本低，寿命长。* 缺点： * 对表面条件敏感： 对于极度光滑、镜面反射或透明的材料，散射光信号可能较弱，影响测量效果。可能需要调整角度或对材料表面进行预处理。 * 成本较高： 相较于传统接触式传感器，激光多普勒传感器的初始投资成本较高。 * 对振动敏感： 在强振动环境下，可能需要采取额外的抗振措施。* 适用场景： 卷对卷生产、定长切割、线缆拉伸、造纸、印刷、冶金（高温钢板）等，对速度和长度测量精度要求极高的工业应用。

3.1.2 光学表面追踪/模式识别技术

这种技术的工作方式，就好比我们盯着电影胶片上的一个特定污点，然后观察它在连续的帧画面中移动了多远。

工作原理和物理基础：该传感器向被测物体表面投射一个聚焦的光斑，并通过高分辨率的光学系统（类似微型相机）持续捕捉该光斑区域内的物体表面图像。随着物体移动，表面的微观纹理、图案或随机散斑也会随之移动。传感器内部的图像处理器会高速采集连续的图像帧，并运用复杂的图像处理算法（如光学自相关或互相关算法），分析这些纹理图案在不同帧之间的位移。通过计算位移的像素距离和对应的时间间隔，即可精确推算出物体的线速度和累积长度。

核心性能参数的典型范围：* 测量速度范围： 0.1 m/min 至 3000 m/min。* 测量精度： 速度精度可达 ±0.05%，长度精度可达 ±0.02%。* 采样频率： 可达 200 kHz。* 测量距离： 典型值为 350 mm ± 30 mm。* 光斑尺寸： 约 20 x 2.5 mm。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式： 避免对材料表面造成损伤。 * 适用性广： 对各种表面材料（包括光滑、粗糙、有图案）都有较好的适应性，不受打滑影响。 * 高精度： 通过高级算法实现高精度的速度和长度测量。 * 坚固耐用： 适用于严苛的工业环境。* 缺点： * 计算密集： 内部图像处理需要强大的计算能力。 * 对表面纹理要求： 材料表面需要有足够可识别的纹理特征，若表面过于均一或光洁，可能会影响追踪效果。 * 受环境光影响： 强烈的环境光可能干扰图像采集。* 适用场景： 对各种材料表面进行高精度非接触式测量，如纺织、造纸、橡胶、塑料等行业中的长度和速度控制。

3.1.3 双点激光时间相关法

这种方法可以形象地理解为，在跑道上设置两个相距很近的计时点。当一个跑步者依次经过这两个计时点时，我们测量他通过两个点之间的时间差，再结合已知两个计时点之间的距离，就能算出他的速度。

工作原理和物理基础：双点激光时间相关法传感器向被测物体表面投射两个距离精确、平行的激光点。当物体表面移动时，其固有的微观纹理或随机散斑会先后通过这两个激光点。每个激光点下方都有一个光电探测器，用于捕捉从表面反射回来的光信号。由于表面纹理的移动，这两个探测器会产生相似但存在时间延迟的信号。传感器内部通过时间相关算法分析这两个信号的相似性，并精确计算出它们之间的时间延迟 Δt。结合两个激光点之间预设的固定距离 d，即可计算出物体的实时线速度 v。

其核心物理公式为：v = d / Δt其中：* v 是被测物体的线速度。* d 是两个平行激光点之间的固定距离。* Δt 是物体表面纹理通过两个激光点之间的时间延迟。

核心性能参数的典型范围：* 测量速度范围： 0.1 m/min 至 2000 m/min。* 测量精度： 典型精度可达 ±0.05%。* 最小分辨率： 速度分辨率可达 0.001 m/min，长度分辨率可达 0.01 mm。* 响应时间： 小于 1 ms。* 测量距离： 典型值为 150 mm ± 10 mm。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式： 对材料无损。 * 对表面条件适应性好： 即使在表面光滑、反光或光泽度不均匀的材料上，只要有微弱的表面纹理差异，也能可靠工作。 * 快速响应： 能够实现快速、实时的速度测量。 * 抗振动能力： 相对于多普勒法，对振动敏感度较低。* 缺点： * 需要表面纹理： 仍然依赖于物体表面存在可识别的随机纹理或图案。 * 测量距离相对固定： 对安装距离的要求较高，景深相对有限。* 适用场景： 适用于对非接触测量有需求，且材料表面条件较为复杂或多变的工业应用，如金属板材、薄膜、纸张的生产线。

3.1.4 接触式光学编码器

这类技术类似于我们在跑步机上跑步。跑步机通过滚动带来模拟地面的移动，而传感器就像一个安装在跑步机滚轴上的里程表，通过滚轴的转动来计算你跑了多远、多快。

工作原理和物理基础：接触式光学编码器通常通过一个测量轮与被测材料表面紧密接触。当材料移动时，测量轮随之转动。编码器本身安装在测量轮的轴上，其内部有一个刻有精密光栅的圆盘或刻度尺。当光栅旋转时，一个光学读头会发射光线穿过或反射光线，并检测光栅上的明暗图案变化。这些变化被转换为电脉冲信号，通过计数这些脉冲，就可以计算出测量轮的角位移。再根据测量轮的已知周长，精确推算出材料的线速度和移动距离。

其核心物理公式为：L = N * P_res 和 v = (ΔN / Δt) * P_res其中：* L 是测量的长度。* N 是编码器输出的总脉冲数。* P_res 是每个脉冲代表的线性距离（即编码器分辨率与测量轮周长的关系）。* v 是线速度。* ΔN 是在时间 Δt 内的脉冲数量变化。

核心性能参数的典型范围：* 速度范围： 取决于测量轮直径和编码器最大频率，可达 20 m/s。* 编码器分辨率： 编码器本身的分辨率极高，可达纳米级，但实际系统精度受测量轮影响。* 系统精度： 理论精度高，但实际应用中受打滑、磨损等影响。* 防护等级： 读头部分通常为 IP64。

技术方案的优缺点：* 优点： * 成本相对较低： 相比复杂的非接触式激光系统，接触式编码器通常更经济。 * 原理简单、成熟： 技术成熟，易于理解和维护。 * 分辨率高： 编码器本身可以提供极高的分辨率。* 缺点： * 接触式： 会对材料表面造成磨损、压痕，不适用于易损或对表面质量要求高的材料。 * 打滑误差： 材料与测量轮之间可能存在打滑，导致测量误差，尤其是在高速、加减速或材料表面特性变化时。 * 磨损与维护： 测量轮是易损件，需要定期检查、清洁和更换，增加维护成本。 * 受材料厚度和张力影响： 测量轮的有效直径可能因材料厚度或张力变化而轻微改变，从而影响精度。 * 响应速度有限： 在极高速或瞬时加速/减速场景下，机械惯性可能导致响应滞后。* 适用场景： 对精度要求较高，但材料不易磨损或对表面质量要求不那么苛刻的场合，例如某些重型机械、木材加工、简单线材测量等，并且预算有限的场景。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款市场上主流的测速测长传感器，涵盖了上述多种技术方案：

• 日本基恩士 (采用激光多普勒测量技术)

  • 核心参数： 测量速度范围广，例如 -20000.00 mm/s 至 +20000.00 mm/s。测量精度高达 ±0.05%，最小速度分辨率可达 0.01 mm/s。其响应频率高，可达 200 kHz。

  • 应用特点： 凭借其高精度和高速度，特别适合高速生产线上的在线批量检测，能够有效克服传统接触式测量带来的磨损和打滑问题。其抗环境干扰能力强，在复杂工业环境中表现稳定。

  • 独特优势： 作为工业自动化领域的知名品牌，其产品以易用性和可靠性著称，提供完整的解决方案和技术支持。

• 英国真尚有 (采用激光多普勒测量技术)

  • 核心参数： 速度测量范围从静止到最高 10,000 m/min。工厂校准精度优于 0.05%，重复性达 0.02%。内部测量速率高达 200 kHz，每 20 微秒一次测量输出。最远安装距离可达 2000mm，景深最大可达 250mm。R系列产品支持0速度测量与方向识别。

  • 应用特点： 专为工业应用中移动物体和材料的非接触式速度和长度测量研发，广泛应用于卷对卷或定长切割、线缆管材生产、造纸印刷等行业。其AJS100系列专为平面材料设计，AJS101系列配备广角镜头，专为圆柱形表面设计，AJS102系列提供更大测量距离，适用于极端环境中大型物体的测量，AJS103系列是通用型设计，可同时应对平面和曲面材质物体的测量需求。

  • 独特优势： 采用先进激光多普勒测量原理，提供极高的测量精度和稳定性。全固态设计，无活动部件，大幅提高了长期使用的可靠性并减少维护。具有丰富的通信接口，如以太网、RS-232和CANbus，并支持PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等工业总线，且内置 WiFi，方便集成和远程配置。

• 德国微欧 (采用光学表面追踪/模式识别原理)

  • 核心参数： 测量速度范围 0.1 m/min 至 3000 m/min。测量速度精度可达 ±0.05%，长度精度 ±0.02%。采样频率高达 200 kHz。

  • 应用特点： 采用独特的非接触式光学表面追踪技术，对各种材料表面，包括光滑、粗糙或有图案的表面都能进行高精度测量，不受打滑影响。其坚固的设计和宽泛的测量范围使其适用于严苛的工业环境。

  • 独特优势： 专注于精密传感器领域，其产品在处理复杂表面纹理和提供稳定测量方面表现出色，能够实现可靠的在线批量检测。

• 法国卢门 (采用双点激光时间相关法原理)

  • 核心参数： 测量速度范围 0.1 m/min 至 2000 m/min。测量精度可达 ±0.05%。响应时间小于 1 ms。最小速度分辨率 0.001 m/min，长度分辨率 0.01 mm。

  • 应用特点： 独特的双点激光时间相关技术使其能够对表面条件变化适应性良好，即使在表面光滑、反光或光泽度不均匀的材料上也能提供可靠测量。其非接触特性和快速响应使其成为在线批量检测的理想选择。

  • 独特优势： 专注于非接触式工业传感器，该技术在保证精度的同时，对材料表面的要求相对较低，有效避免了对材料的损伤或污染。

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

选择合适的测速测长传感器，需要综合考虑多个技术指标和应用场景。

• 测量精度与重复性：

  • 实际意义： 精度决定了测量结果与真实值之间的接近程度（系统误差），重复性则反映了多次测量结果的一致性（随机误差）。在高速卷材切割中，高精度直接关系到最终产品的长度合格率和材料利用率；高重复性则保证了生产过程的稳定性。

  • 选型建议： 对于定长切割等高精度应用，应优先选择精度优于 ±0.1%甚至 ±0.05% 的非接触式激光传感器。例如，一些激光多普勒测速测长传感器，其工厂校准精度优于 0.05%，重复性可达 0.02%，能够满足高精度需求。

• 速度测量范围与响应能力：

  • 实际意义： 速度范围决定了传感器能适应的最高和最低运行速度。响应能力指传感器捕捉速度变化并输出结果的速度。在高速生产线中，宽速度范围和快速响应是必不可少的，特别是在启停、加减速或速度频繁调整的工况下。

  • 选型建议： 生产线速度波动大或需要检测静止状态的，应选择具有宽速度范围（如 0 到 10,000 m/min）和高测量速率（如 200 kHz）的传感器，并具备 0 速度测量和方向识别功能。

• 非接触性与安装距离/景深：

  • 实际意义： 非接触性避免了材料损伤和测量轮磨损、打滑等问题。安装距离和景深则决定了传感器与被测物之间的最佳工作距离和允许的距离变化范围。

  • 选型建议： 对于易损、易拉伸或高温材料，必须选择非接触式传感器。同时，根据安装空间和材料抖动范围，选择合适的安装距离和景深。例如，一些激光测速测长传感器支持最远安装距离达 2000mm，景深最大可达 250mm，为柔性安装提供了便利。

• 对材料表面特性和环境的适应性：

  • 实际意义： 不同的材料表面（光泽度、粗糙度、颜色、透明度）和恶劣的工业环境（灰尘、油污、振动、高温）都会影响传感器的测量性能。

  • 选型建议：

    • 表面复杂： 对于纹理不明显、高反光或过于光滑的材料，双点激光时间相关法或光学表面追踪技术可能表现更佳。

    • 表面纹理清晰： 激光多普勒传感器通常能提供最高精度。

    • 恶劣环境： 需关注传感器的防护等级（如 IP67）、工作温度范围以及是否有可选的冷却或防护外壳。

• 通信接口与集成能力：

  • 实际意义： 传感器需要与上位机、PLC 或其他控制系统进行数据交换。丰富的通信接口和对工业总线的支持能简化系统集成。

  • 选型建议： 选择支持多种常用工业通信协议（如以太网、RS-232、CANbus，以及可选的 PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP）的传感器，以确保与现有控制系统的无缝对接。内置无线连接（如 WiFi）则可提供更便捷的配置和诊断功能。

• 成本考量：

  • 实际意义： 包括初始购买成本和长期运行维护成本。

  • 选型建议： 接触式编码器初始成本较低，但长期可能因磨损和打滑导致维护和材料损耗。非接触式激光传感器初始投资较高，但其高精度、高稳定性、低维护和减少废品率带来的长期效益往往更高。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高速卷材切割生产中，即便使用了先进的传感器，实际应用中仍可能遇到一些问题，影响测量效果。

1. 材料表面特性变化导致测量不稳定

   • 原因及影响： 卷材在生产过程中可能出现颜色、光泽度、粗糙度或纹理的局部变化，例如薄膜上的印刷区域、金属卷材上的氧化斑点等。这可能导致非接触式传感器的信号强度波动，甚至测量中断。

   • 解决建议：

     • 选用适应性强的传感器： 考虑使用对表面纹理要求较低的双点激光时间相关法传感器，或具备更先进图像处理算法的光学表面追踪传感器。

     • 优化安装角度： 调整激光传感器的入射角度和接收角度，以获得最佳的散射光信号。

     • 局部表面处理（如果允许）： 在不影响产品质量的前提下，对测量区域进行轻微的表面处理（如喷涂哑光涂层），以增加散射效果。

2. 生产线振动或材料抖动影响测量精度

   • 原因及影响： 高速运行的生产线或卷材自身张力变化可能导致材料在测量区域内产生轻微的上下或左右抖动，或传感器安装位置受机械振动影响。对于激光多普勒等高精度非接触式传感器，细微的振动都可能引入测量误差。

   • 解决建议：

     • 传感器安装稳固： 确保传感器安装基座坚固，减少机械振动的传递。可考虑使用减振支架。

     • 选择大景深传感器： 如果材料有轻微的上下抖动，选择具有较大景深范围的传感器，可以确保材料始终处于传感器的有效测量区域内，减少失焦误差。

     • 优化测量位置： 选择卷材在生产线中最稳定、抖动最小的位置进行测量。

3. 高速运行下传感器响应滞后或数据更新不足

   • 原因及影响： 对于极高速的生产线或需要快速捕捉瞬时速度变化的场景，如果传感器的内部测量速率或外部数据更新率不够高，可能导致漏采数据、测量滞后，进而影响切割精度和控制系统响应。

   • 解决建议：

     • 关注传感器响应频率和数据更新率： 选择具有高内部测量速率（例如 200 kHz）和高外部数据更新率（例如 500 次/秒）的传感器，确保能实时、准确地捕捉高速运动。

     • 控制系统优化： 确保控制系统具备足够快的处理速度来接收和处理传感器数据，并能及时调整生产参数。

4. 接触式传感器面临的打滑和磨损问题

   • 原因及影响： 对于依赖测量轮的接触式传感器，在高速、急停急启或材料表面光滑、潮湿时，测量轮与材料之间极易发生打滑，导致长度测量偏小。长期接触还会导致测量轮磨损，进而改变有效直径，影响测量精度，并可能对材料表面造成损伤。

   • 解决建议：

     • 优先采用非接触式传感器： 这是最根本的解决方案，可以彻底消除打滑和磨损带来的误差。

     • 优化接触压力和测量轮材料： 如果必须使用接触式方案，选择合适的测量轮材料和设计，确保足够的摩擦力同时减少磨损。定期检查和校准测量轮的直径，并及时更换磨损部件。

     • 多传感器冗余测量： 在关键环节采用多个传感器进行测量，相互验证数据，提高整体可靠性。

4. 应用案例分享

• 卷对卷或定长切割生产： 在纸张、薄膜、金属箔等材料的生产线上，激光测速测长传感器能精确监控材料运行速度，并在达到预设长度时触发切割机构，确保每段产品的长度高度一致，减少材料浪费。

• 线缆、管材制造： 传感器实时测量挤出或拉伸过程中线缆或管材的长度和速度，精确控制生产过程，确保产品符合规格，例如在电线电缆行业的收卷定长、计米。

• 造纸、印刷行业的网速检测： 用于监控纸张或印刷基材在干燥或印刷单元中的精确速度，有助于实现套准控制，确保印刷质量和生产效率。

• 钢铁、橡胶材料加工： 在钢板轧制、橡胶挤出等高温或恶劣环境下，非接触式激光传感器可以安全、准确地测量材料的速度，实现生产线的同步控制和产品质量追溯。

• 高精度编码器校准： 激光测速测长传感器可作为标准参考，对生产线上其他传统接触式编码器进行定期校准，消除其因磨损、打滑等造成的误差，确保系统整体精度。