如何通过非接触式传感器在最高2000米/分钟的造纸机上实现纸幅线速度±0.05%高精度监测，以提升同步控制并解决抖动、断纸问题？【高速纸幅测速】

1. 纸幅（Paper Web）的基本结构与技术要求

在造纸工业中，我们所说的“网速”或“纸幅速度”，通常指的是造纸机上纸浆形成的连续湿纸页，以及后续干燥、压光、卷取等环节中纸张的传输速度。这张连续的纸页，我们称之为“纸幅”。

想象一下，造纸机就像一个巨大的“面条机”，不断地将纸浆（面团）压制成一张薄而宽的“面条”（纸幅）。这个“面条”在生产线上要经历从湿漉漉的状态到完全干燥、再到表面处理等一系列过程。在这些过程中，纸幅的传输速度控制是至关重要的。

它的基本结构就是一张持续运动的薄片材料，但在不同生产阶段，它的性质差异很大：* 湿部（Wet End）：纸幅在这里刚形成，含水量极高，非常脆弱，就像刚出锅的湿面条，极易拉伸、变形或断裂。* 压榨部（Press Section）：水分被压榨出去一部分，纸幅强度有所增加，但仍需小心处理。* 干燥部（Dryer Section）：纸幅在这里通过一系列加热的烘缸进行干燥，温度高，纸幅强度逐渐达到最终产品水平。* 涂布、压光、卷取等后处理段：纸幅在这里进行表面处理或最终成卷，需要极高的速度同步和张力控制。

对纸幅进行速度检测的技术要求非常高，主要体现在以下几个方面：* 高精度和高重复性：纸幅的微小速度波动都可能导致产品厚度不均、张力失衡、断纸，甚至影响涂布的均匀性。因此，测速系统需要能精确到小数点后几位，并且每次测量结果都要非常稳定。* 非接触式测量：纸幅，尤其是湿部的纸幅，非常脆弱，任何机械接触都可能导致损伤、污染，甚至撕裂。所以，测量传感器必须是非接触式的。* 高速响应能力：造纸机通常以非常高的线速度运行（最高可达2000米/分钟甚至更高），测速系统必须能够实时、快速地捕捉并反馈速度变化。* 环境适应性：造纸车间通常环境恶劣，存在高温、高湿、粉尘、振动等情况，要求传感器具备高防护等级和良好的环境适应能力。* 长期稳定性和免维护：生产线通常连续运行，传感器需要长时间稳定工作，且维护需求越少越好，以降低停机时间和运营成本。

2. 针对纸幅的相关技术标准简介

在造纸行业，虽然没有一个专门针对“网速检测”的单一国标或国际标准，但纸幅的运动特性和产品质量直接相关，因此会涉及对纸幅各项参数的监测。这些监测参数的定义和评价方法，通常散落在关于纸张物理性能、生产过程控制等标准中。

以下是纸幅生产过程中常见的几种监测参数及其评价方法：

• 线速度（Line Speed）：

  • 定义：指纸幅在单位时间内沿其传输方向上移动的距离。这是最核心的参数，直接反映生产线的运行效率。

  • 评价方法：通常通过实时测量纸幅在极短时间内的位移量来计算，或者通过检测纸幅表面特征点在连续时间内的移动来推算。测量结果通常以米/分钟（m/min）或英尺/分钟（ft/min）表示。

• 长度（Length）：

  • 定义：指纸幅的总长度或特定切割段的长度。在卷取和分切环节尤为重要。

  • 评价方法：通过对实时线速度进行时间积分得到。例如，如果传感器以每秒500次的速度更新速度数据，那么在某段时间内，纸幅走过的总长度就是这段时间内所有速度值与相应时间间隔的乘积之和。

• 张力（Tension）：

  • 定义：指纸幅在传输过程中所受到的拉伸力。适当的张力对于维持纸幅平稳运行、避免皱褶、断裂和保证产品质量至关重要。

  • 评价方法：通常通过张力传感器（如压电式力传感器、应变片式传感器）安装在导辊或测量辊上，间接感知纸幅对辊的拉力来测量。

• 抖动/速度波动（Flutter/Speed Fluctuation）：

  • 定义：指纸幅在高速运动过程中，其局部或整体的速度出现的微小、快速的变化。

  • 评价方法：通过对线速度进行高频采样，并分析其短期内的标准差或最大-最小偏差来量化。过大的抖动会导致纸张质量问题。

• 厚度/定量（Thickness/Basis Weight）：

  • 定义：厚度是纸张垂直方向的尺寸；定量是指单位面积纸张的质量（如克/平方米）。

  • 评价方法：通常采用非接触式的传感器，如红外、X射线或β射线传感器进行在线扫描测量。虽然不直接是速度参数，但纸幅速度的稳定对这些参数的均匀性有直接影响。

这些参数的准确监测和控制是造纸生产质量管理体系的重要组成部分。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在纸幅的速度和长度检测领域，市面上存在多种基于不同物理原理的技术方案。它们各有特点，适用于不同的应用场景和精度要求。

a. 激光多普勒测速原理（Laser Doppler Velocimetry, LDV）

这是一种非接触式的测量技术，其核心思想是利用光的“多普勒效应”。

工作原理和物理基础：想象一下，你站在铁路边，一列火车鸣笛驶过。当火车向你驶来时，你听到的汽笛声会变尖（频率变高），而当火车驶离时，汽笛声会变低沉（频率变低）。这就是多普勒效应——波的频率会因为波源与观察者之间的相对运动而发生变化。

激光多普勒测速传感器的工作原理与此类似，只是把声波换成了激光。传感器内部会发射两束高度“合拍”的（相干）激光束。这两束激光在被测纸幅表面汇聚，形成一个非常微小但规则的“干涉条纹”区域，就像在纸幅表面画上了一排排虚拟的“栅格线”。

当纸幅带着其表面的微小颗粒或自然纹理（哪怕是肉眼看不见的微小凸凹）通过这个“栅格线”区域时，这些颗粒会依次穿过明暗相间的条纹。每当一个颗粒从一个亮条纹进入暗条纹，再进入下一个亮条纹时，它散射回传感器接收器的光信号就会发生规律性的强弱变化。

更关键的是，由于纸幅的运动，散射回来的光会产生一个微小的频率变化，这就是“多普勒频移”。传感器的高速光电探测器会捕捉到这些频率变化的信号，并对其进行精确分析。

纸幅的线速度与这个多普勒频移之间存在直接的数学关系。具体来说，当两束激光以一定角度2θ（传感器内部设定好的固定角度）相交时，多普勒频移f_D与被测物体线速度v、激光波长λ的关系可以表示为：

v = (f_D * λ) / (2 * sin(θ))

其中，f_D是多普勒频移，λ是激光波长，θ是单个激光束与垂直于被测物体表面的法线之间的夹角。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：从静止（0 m/min）到非常高速（如6000 m/min甚至10000 m/min）。* 测量精度：通常优于速度的±0.05%，一些高端产品可达±0.02%。* 重复精度：通常优于0.02%。* 响应时间：极快，内部测量速率可达数百kHz，数据输出频率可达数百Hz到kHz，能够实时捕捉高速运动。* 工作距离：从几十毫米到几千毫米不等，适应不同安装需求。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和重复性：这是其最大的优势，能够满足最严格的质量控制需求。 * 非接触式测量：完全避免对纸幅的任何物理损伤、磨损或污染。 * 无滑动误差：与接触式测量不同，不存在测量轮打滑导致的误差。 * 响应速度快：能够实时反馈速度变化，实现快速闭环控制。 * 长期稳定：出厂校准后，长期使用通常无需现场重新校准，维护成本较低。* 缺点： * 成本较高：通常比传统接触式传感器价格更高。 * 对表面条件敏感：在某些极端光滑或透明的表面上，信号可能较弱，需要特定处理。 * 安装要求较高：需要保持稳定的工作距离和正确的安装角度。

b. 激光三角测量原理（Laser Triangulation）

这是一种非接触式的位移测量技术，通过高频采样位移变化来间接计算速度。

工作原理和物理基础：设想一下，你拿着一个激光笔，照射到墙上。如果你前后移动激光笔，光点在墙上的位置不会变，但是如果你斜着移动激光笔，或者墙面凹凸不平，光点的位置就会变化。激光三角测量就是利用了这个原理。

传感器发射一束激光，投射到纸幅表面形成一个光点。光点在纸幅表面反射后，被传感器内部的一个高速摄像头或光电探测器接收。根据几何学中的三角测量原理，当纸幅表面与传感器的距离发生微小变化时（例如纸幅上下波动或传感器安装角度导致距离变化），反射光点在摄像头图像传感器上的位置也会随之移动。

通过精确测量光点在传感器上的位置变化，就可以推算出纸幅表面相对于传感器的距离变化。如果纸幅是沿着测量方向（通常是X或Y轴）运动，那么通过极高频率地连续测量纸幅位置，就能得到一系列的位移数据。

线速度v可以通过连续位移Δx和相应的时间间隔Δt来计算：

v = Δx / Δt

这种方法的核心在于其极高的采样频率和位移测量精度，使得在极短的时间内捕捉到微小的位移成为可能，从而推算出瞬时速度。

核心性能参数的典型范围：* 采样速度：最高可达几十kHz甚至上百kHz（每秒几万到几十万次测量）。* 位移测量精度：通常在微米级别（如0.5微米到几十微米）。* 测量范围：从几毫米到几十毫米，主要用于精确测量小范围内的位移。* 光点尺寸：可小至几十微米，用于精细检测。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式：对纸幅无损伤。 * 高分辨率的位移测量：能捕捉到非常微小的位置变化。 * 集成度高：一些产品能同时进行厚度、轮廓等测量。* 缺点： * 主要用于位移测量：计算速度时需要极高的采样频率，且易受纸幅本身微小振动或波动影响。 * 对表面反射特性敏感：纸幅颜色、光泽度等可能影响测量效果。 * 测量范围相对较小：一般适用于近距离测量。

c. 接触式光学增量编码器（Optical Incremental Encoder）

这是一种接触式的测量技术，通过机械接触将纸幅的直线运动转化为旋转运动。

工作原理和物理基础：想象一下，自行车上的码表是如何计算你骑行了多远的？它通常是通过感应车轮的转动圈数来计算的。增量编码器的工作原理类似，只不过它连接了一个测量轮，这个测量轮会紧贴着纸幅表面滚动。

当纸幅运动时，它会带动测量轮同步旋转。编码器内部有一个带有精密刻槽的“码盘”，当码盘旋转时，一个光源发出的光束穿过这些刻槽，形成一系列周期性的明暗变化。光电探测器会捕捉这些明暗变化，并将其转换为电脉冲信号。

通过计算单位时间内产生的脉冲数量，并结合编码器的分辨率（每转产生多少个脉冲）和测量轮的精确周长，就可以准确计算出纸幅的线速度。

线速度v可以通过以下公式计算：

v = (脉冲数 / 编码器分辨率) * 测量轮周长 / 时间

或者简化为：

v = (脉冲频率 / 编码器分辨率) * 测量轮周长

核心性能参数的典型范围：* 分辨率：高达几千到几十万PPR（每转脉冲数）。* 最高转速：可达几千RPM（转/分钟）。* 信号类型：推挽、差分信号（HTL/TTL）等。* 防护等级：高防护等级（如IP67甚至IP69K），适应恶劣环境。

技术方案的优缺点：* 优点： * 成熟可靠：技术发展时间长，应用广泛，稳定性高。 * 成本相对较低：对于一般精度要求，是经济的选择。 * 安装简单：易于集成到现有生产线。 * 抗干扰能力强：不易受环境光、灰尘等影响。* 缺点： * 接触式测量：测量轮与纸幅接触，可能引起磨损、污染，特别是在湿部或对表面质量要求极高的环节不适用。 * 存在滑动误差：测量轮与纸幅之间可能出现打滑，导致测量误差，尤其是在速度变化剧烈或表面摩擦力不足时。 * 需要定期维护：测量轮可能会磨损、积垢，需要清洁或更换。

d. 机器视觉图像处理（Machine Vision）

这是一种非接触式的测量技术，利用图像分析来确定纸幅的运动。

工作原理和物理基础：想象一下，你在看一个视频，通过观察画面中一个特定图案的移动轨迹，就可以判断这个图案移动的速度。机器视觉测速就是基于这个原理。

高速相机连续捕捉纸幅表面的图像。系统内置的图像处理算法（如光学流、特征点跟踪、图案匹配等）会分析连续帧之间纸幅表面纹理、印刷图案或特定标记的位移。通过识别同一特征点在不同帧图像中的位置，并结合相机传感器的像素尺寸、焦距以及实际物理尺寸校准参数，系统能够精确计算出纸幅在图像帧之间移动的实际距离。

线速度v可以通过以下公式计算：

v = (图像中像素位移 * 物理尺寸/像素) / 图像帧时间

核心性能参数的典型范围：* 图像分辨率：可达数百万像素或更高，提供精细的图像细节。* 帧率：最高可达数百帧/秒（fps）或更高，用于捕捉高速运动。* 处理能力：高性能工业级处理器，支持复杂的图像算法实时运行。* 软件功能：强大的视觉工具库，支持多种分析算法。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式：不对纸幅造成任何物理影响。 * 多功能性：除了速度测量，还能同时进行表面缺陷检测、印刷质量检查等，实现一机多用。 * 高精度：通过高分辨率图像和先进算法实现精确测量。 * 适应性强：能够处理各种表面纹理和图案。* 缺点： * 成本较高：视觉系统通常需要高性能相机、处理器和专业软件，整体投入较大。 * 对光照条件要求高：稳定的均匀光照对图像质量至关重要，环境光变化会影响测量精度。 * 计算密集：图像处理需要强大的计算能力，实时性可能受限。 * 初始设置复杂：需要精确校准和算法配置。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是针对造纸行业纸幅速度控制应用，一些主流国际品牌的产品特点：

• 德国普鲁夫泰斯特 德国普鲁夫泰斯特是激光多普勒测速技术的全球领导者，其激光表面测速仪系列产品广泛应用于各种工业场景，包括造纸行业。它们采用纯粹的激光多普勒原理，能够实现较高的测量精度和重复性，精度通常优于速度的±0.05%，重复精度可达0.02%。产品具有快速响应能力和多种输出接口，适合对速度精度和稳定性有较高要求的纸张生产线，非接触式测量方式可以避免对纸幅的损伤。

• 英国真尚有 英国真尚有的AJS10X系列激光测速测长传感器同样基于先进的激光多普勒测量原理，专为工业领域的非接触式速度和长度测量设计。该系列传感器工厂校准精度优于0.05%，重复性达到0.02%，内部测量速率高达200kHz，每20微秒一次测量输出，确保精确捕捉高速运动。最高可测速度达10,000米/分钟，且R系列产品支持0速度测量和方向识别。AJS100系列专为平面材料如纸张的测量设计，具备IP67防护等级，能够适应造纸车间的环境，并且提供以太网、RS-232和CANbus等通信接口，以及PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等工业总线选项，便于系统集成。该系列采用全固态设计，无活动部件，提高了长期使用的可靠性并减少了维护需求.

• 日本基恩士 日本基恩士的高速激光位移传感器系列，如LJ-V7000，采用高速激光三角测量原理。这类传感器以较高的采样速度和微米级的位移重复精度著称。通过高速、连续地捕捉纸幅的微小位移变化，可以较为精确地推算出纸幅的传输速度。其优势在于非接触性以及能够捕捉细微的位移，产品易用性高且可靠性强，广泛应用于对精度和稳定性有要求的高速生产线。

• 瑞士宝力士 瑞士宝力士的增量式编码器系列，例如HOG 10或HOG 100，代表了成熟可靠的接触式测速方案。这些编码器通过机械测量轮与纸幅表面接触，将纸幅的线性运动转化为旋转运动，并通过光学系统输出电脉冲信号。产品结构坚固耐用，防护等级较高，适合在工业环境中长期稳定运行。在对纸幅表面损伤不敏感或需要较高鲁棒性的特定环节，它仍是一个性价比高且性能稳定的选择。

• 美国康耐视 美国康耐视的In-Sight视觉系统则基于机器视觉图像处理和图像相关性算法。通过高速相机连续捕捉纸幅表面的图像，并利用其内置视觉工具分析图像帧间纸幅纹理或图案的位移，从而计算出纸幅的线速度。其优势在于非接触式测量，且能够同时进行纸幅表面质量缺陷检测、印刷图案对准等多种功能，适用于需要智能分析和较高精度复合检测的应用场景。

（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

选择合适的测速传感器，就像为你的赛车挑选最适合的轮胎，需要考虑多方面因素。

• 测量精度（Accuracy）：

  • 实际意义：它表示测量结果与真实值之间的接近程度。精度越高，你得到的速度数据就越接近真实值，误差越小。

  • 对测量效果的影响：如果精度不够，测出的速度可能偏快或偏慢，导致生产线上的速度协同出现偏差，比如前后段速度不匹配，轻则造成纸幅张力不稳，出现皱褶，重则直接断纸。在定长切割或卷取环节，低精度会直接导致产品长度不合格，造成材料浪费和次品。

  • 选型建议：对于造纸行业，特别是高速、对产品长度和张力一致性要求极高的环节（如涂布、压光、卷取），建议选择精度较高的激光多普勒测速传感器。而在速度较低或精度要求不那么高的环节，接触式编码器或精度稍低的非接触式传感器也可能适用。

• 重复精度（Repeatability）：

  • 实际意义：它表示传感器在相同条件下对同一目标多次测量结果之间的一致性，反映的是测量的“稳定性”。

  • 对测量效果的影响：即使单次测量很准，但如果重复性差，每次测出的速度都跳动很大，那么控制系统就无法得到稳定可靠的反馈信号，导致频繁调整或控制失灵。

  • 选型建议：重复精度直接影响控制系统的稳定性。对于任何需要实时闭环控制的造纸环节，都应选择重复精度较高的传感器。

• 测量范围（Measurement Range）：

  • 实际意义：传感器能够测量到的最低速度和最高速度。

  • 对测量效果的影响：如果纸幅速度超出传感器范围，就无法进行有效测量，或者测量结果不准确。例如，造纸机启动或停机时，速度从0开始变化，如果传感器不支持0速测量或低速不准，就无法全程监控。

  • 选型建议：根据造纸机的实际运行速度范围选择。对于需要精确控制启动、停止或低速运行的应用，优先选择支持0速度测量的激光传感器。对于高速运行的产线，则要确保传感器的最高测量速度能够覆盖或超过产线最高设计速度。

• 响应时间/数据更新率（Response Time/Data Update Rate）：

  • 实际意义：传感器从接收到信号到输出测量结果所需的时间，或每秒能输出多少次测量数据。

  • 对测量效果的影响：如果传感器响应太慢，当纸幅速度突然变化时，控制系统不能及时感知并调整，就会出现滞后，导致控制精度下降甚至失控。

  • 选型建议：对于高速、动态变化的造纸线，需要高响应速度的传感器。通常数据更新率达到几百Hz甚至更高，才能满足实时控制的需求。激光多普勒和视觉系统通常在这方面表现较好。

• 工作距离与景深（Working Distance & Depth of Field）：

  • 实际意义：工作距离是传感器到被测纸幅的最佳安装距离；景深是传感器在该距离附近能够清晰测量的距离范围（纸幅允许的上下波动范围）。

  • 对测量效果的影响：如果纸幅在运动过程中存在上下抖动，超出传感器的景深范围，测量结果就会变得不准确甚至失效。安装距离不当也会影响测量精度。

  • 选型建议：根据现场安装空间和纸幅实际抖动情况选择。在纸幅抖动较大的区域，应选择景深更大的传感器。同时，要确保传感器能够安装在安全且稳定的位置。

• 防护等级（IP Rating）：

  • 实际意义：衡量传感器防尘和防水的能力。例如，IP67意味着完全防尘，并可在1米深水中浸泡30分钟而不受损。

  • 对测量效果的影响：造纸车间环境，粉尘、水汽、纸浆飞溅是常态。低防护等级的传感器容易因进水、进尘而损坏，影响测量稳定性甚至导致故障。

  • 选型建议：至少选择IP65或IP67防护等级的传感器。在潮湿或多粉尘区域，可能需要考虑更高等级的IP防护，或配备冷却外壳、吹扫装置等附件。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最佳的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些挑战。

a. 纸幅抖动（Web Flutter）* 问题描述：纸幅在高速传输过程中可能出现垂直方向的抖动。* 原因与影响：抖动通常由气流扰动、辊子不平衡、张力控制不稳等引起。这会使纸幅频繁进出传感器的工作景深范围，导致测量信号丢失或不稳定，测速数据跳变大，影响控制精度，甚至引发断纸。* 解决建议： * 选择大景深传感器：优先选择景深范围较大的激光测速传感器，能够容忍更大的纸幅抖动。 * 优化安装位置：将传感器安装在纸幅运行平稳的区域，通常是紧贴导辊或压辊后，或在有真空吸附的平整段。 * 稳定纸幅：通过调整气流、改进辊子平衡性、优化张力控制系统等方式，减少纸幅抖动。可以考虑在测量点附近增加导向或支撑装置。

b. 环境粉尘和水汽* 问题描述：造纸车间粉尘、纤维颗粒较多，特别是湿部水汽弥漫，可能附着在传感器光学窗口上。* 原因与影响：灰尘和水汽会阻挡激光束，影响信号强度和质量，导致测量不准甚至无法测量。长期积聚还会损伤光学元件。* 解决建议： * 高防护等级传感器：选择IP67或更高防护等级的传感器是基本要求。 * 配备吹扫装置：在传感器光学窗口前安装气刀或空气吹扫装置，用洁净干燥的压缩空气持续吹扫，形成“气帘”，防止粉尘和水汽附着。 * 定期清洁：即使有吹扫，也应定期用专用清洁剂和无尘布擦拭光学窗口，但务必小心操作，避免划伤。

c. 传感器安装与校准* 问题描述：传感器安装位置或角度不准确，或初次校准不当。* 原因与影响：安装角度偏差会影响激光束的投影和反射，导致测速不准。如果传感器未严格垂直于纸幅运动方向或工作距离不准确，都会引入系统误差。* 解决建议： * 遵循厂家指南：严格按照传感器产品手册推荐的安装距离、角度和方法进行安装。 * 使用专业工具：利用激光对准仪或厂家提供的安装支架，确保传感器与纸幅运动方向的精确对准。 * 进行现场校准验证：安装后，进行多次实际运行测试，与已知标准速度进行比对，必要时进行微调或偏移量校准。

d. 纸幅表面特性变化* 问题描述：纸幅的颜色、光泽度、粗糙度等表面特性可能随产品批次或涂布情况而变化。* 原因与影响：激光类传感器依赖于表面反射信号。表面特性变化可能导致反射信号强度或质量不稳定，从而影响测量精度。* 解决建议： * 选择自适应能力强的传感器：一些激光测速传感器具有自动增益控制功能，能够自动适应不同表面。 * 试验验证：在批量生产前，用不同特性的纸幅进行测试，验证传感器的稳定性。

4. 应用案例分享

• 造纸机各段速度同步控制：在造纸机的不同环节，使用激光测速传感器精确测量纸幅线速度，并将数据反馈给DCS或PLC，实现各段之间速度的匹配和张力控制，有效防止断纸和皱褶。例如，英国真尚有的AJS10X系列，能够提供精确的速度测量，实现造纸机各段的同步控制。

• 定长切割与卷取控制：在纸张分切机或复卷机上，激光测速传感器提供实时的速度和长度数据，确保每一卷纸或每一张切割的纸张都达到设定的精确长度，减少材料浪费，提高产品合格率。

• 涂布和印刷对准：在纸张涂布机或高速印刷机中，激光测速传感器用于实时监测纸幅速度，确保涂布或印刷的均匀性和精度。通过精确的速度反馈，可以实现不同涂布单元或印刷单元之间的对位。

• 压光机速度平衡与滑差检测：在压光机上，通过同时测量辊筒表面速度和纸幅速度，可以计算出两者之间的滑差，有助于优化压光效果，防止表面损伤，并实现辊筒速度的平衡控制。

• 高精度编码器校准：在生产线上，激光测速传感器可作为参考，用于在线校准和验证传统接触式编码器的精度，确保整个测速系统的可靠性和准确性。