在每分钟千米级高速的造纸生产线中，如何实现纸张长度的0.05%高精度在线测量，有效提升分切效率？【非接触解决方案】

1. 纸张的基本结构与技术要求

在造纸行业中，我们所说的“纸张”通常是指从造纸机出来，经过一系列加工，最终形成纸卷或裁剪成单张纸的连续性材料。想象一下，造纸过程就像一个巨大的、高速运转的打印机，不停地生产出长长的纸带。而我们最终需要的产品，无论是报纸、包装纸板还是特种纸，都对长度有严格的要求。

纸张本身的特性给精确长度控制带来了挑战：

• 柔韧性与弹性： 纸张不是刚性材料，它具有一定的柔韧性和弹性。在高速生产过程中，纸张会受到张力、湿度和温度的影响，导致其长度发生细微的拉伸或收缩。这就像一根橡皮筋，你拉得越紧，它就越长；环境变化也可能让它“变形”。

• 表面多样性： 不同类型的纸张表面质地差异很大，有的光滑，有的粗糙，有的颜色深，有的颜色浅，甚至可能含有墨水或涂层。这些表面特性会影响传感器的光信号接收，进而影响测量精度。

• 生产速度快： 现代造纸机生产速度极高，有时每分钟可达数千米。这意味着传感器必须在极短的时间内完成测量和数据传输，才能跟上生产节奏。

精确的纸张长度控制在生产中至关重要。如果长度不准确，无论是过长还是过短，都会导致原材料浪费、下游加工困难（比如印刷套准不准、分切尺寸不符）、客户投诉乃至整个产品批次的报废。因此，在高速、连续的生产线上实现高精度的长度测量与控制，是提高生产效率和产品质量的关键。

2. 针对纸张的相关技术标准简介

在造纸行业，为了确保纸张产品的质量和使用性能，对纸张的各种参数都有严格的行业标准。针对纸张长度，虽然没有直接的“长度标准”，但它通常与尺寸精度、裁剪精度等参数紧密关联。这些参数的监测，旨在保证纸张在生产、分切和后续加工过程中的一致性。

• 长度精度： 主要关注纸张实际长度与设计目标长度之间的偏差。这通常用绝对偏差（如毫米）或相对偏差（如百分比）来表示。评价方法是在生产线上抽取一定数量的样本，测量其长度，并计算与目标值的差异，或通过在线传感器进行实时监测和统计分析。

• 分切精度： 特指将大卷纸分切成小卷或单张纸时，每张或每卷的长度一致性。这要求分切设备能够根据精确的长度信号进行启动或停止切割。评价方法通常是测量一批分切产品的长度，计算其标准差或最大/最小偏差，以评估分切过程的稳定性和准确性。

• 张力控制： 纸张在生产过程中，尤其是在湿部和干燥部，会受到不同张力的作用。张力过大可能导致纸张拉伸变薄甚至断裂，张力过小则可能导致纸张松弛、褶皱。张力变化会直接影响纸张的实际长度。监测张力的方法通常是通过张力传感器或卷筒的扭矩监测来实现，并与速度控制系统联动，以间接确保长度的稳定性。

• 含水率对尺寸的影响： 纸张是一种吸湿性材料，其尺寸会随含水率的变化而变化，通常含水率升高会导致尺寸膨胀，反之则收缩。因此，在最终长度测量前，需要考虑含水率的影响，或者在标准温湿度条件下进行测量。评价时可能需要结合含水率检测数据进行补偿或校正。

这些参数的监测和评价，最终目的是确保产品符合客户要求和下游加工工艺需求，减少浪费，提高生产效率。

3. 实时监测/检测技术方法

在高速运转的造纸生产线上，传统的接触式测量方法，如用卷尺或机械编码器，不仅效率低下，容易磨损纸张，还会因打滑等问题导致测量不准。因此，非接触式、高精度的实时监测技术成为了主流。

3.1 市面上各种相关技术方案

市面上存在多种先进的非接触式测量技术，每种技术都有其独特的原理和适用场景。

3.1.1 激光多普勒测量技术

激光多普勒测量技术是实现高精度非接触式速度和长度测量的理想选择，尤其适用于高速运动的纸张等材料。

工作原理与物理基础： 这种技术的核心是利用“多普勒效应”。就像我们听到的火车汽笛声，火车靠近时音调变高，远离时音调变低一样，光波同样会发生多普勒频移。

传感器内部会发射两束或多束经过精密分光、具有特定夹角的激光束，通常为可见光波段（如658nm）。这些激光束聚焦后投射到移动的纸张表面。当纸张高速运动时，其表面散射的光线会因为纸张的运动而发生微小的频率变化，这个变化量被称为“多普勒频移”。传感器接收这些被散射回来的光线，并利用光电探测器将其转换为电信号。

随后，通过对这些光信号进行频谱分析，计算出散射光与原始激光的频率差。这个频率差Δf与纸张的运动速度v之间存在严格的比例关系。其基本物理关系可以表述为：

Δf = (2 * v * cos(θ)) / λ

其中： * Δf 表示多普勒频移，即频率的变化量。 * v 表示纸张的运动速度。 * θ 表示激光束与纸张运动方向之间的夹角。在许多设计中，这个角度是固定的，并且通常被优化以提高测量精度。 * λ 表示激光的波长。

通过精确测量Δf，并已知θ和λ，就可以实时、高精度地计算出纸张的瞬时速度v。一旦获得了瞬时速度数据，纸张的长度L就可以通过对速度v进行时间t的积分来精确计算：

L = ∫ v(t) dt （从起始时间到结束时间）

在实际应用中，传感器会以极高的频率（例如每秒数十万次）连续测量速度，并将这些瞬时速度值累加起来，从而实时得出纸张已经运动了多长距离。这就像你以100公里/小时的速度开车走了1小时，那么你走了100公里一样，传感器是每时每刻都在测量“时速”然后累计“里程”。

核心性能参数： 激光多普勒传感器的精度通常较高，优质的工厂校准精度可优于0.05%，重复性可达0.02%。它们能够测量从静止到非常高的速度，内部测量速率也很快，确保对高速运动的精确捕捉。其对加速度的响应能力也很强。测量距离范围可以从几十毫米到几米，并具有一定的景深，允许纸张在一定范围内抖动而不影响测量。

优点： * 非接触式： 避免了与纸张的直接接触，因此不会磨损纸张表面，也不会因机械磨损而导致测量误差，特别适合对表面质量有要求的纸张。 * 无打滑误差： 不像接触式编码器，激光直接测量纸张表面的实际速度，不受卷筒打滑、直径变化或灰尘堆积的影响，保证了测量的真实性。 * 高精度与高重复性： 基于物理原理，测量精度极高，尤其在高速运行条件下表现优异。 * 适应性强： 能够测量不同颜色、纹理的纸张，甚至可以进行0速度测量和方向识别。 * 免维护： 多数采用全固态设计，无活动部件，大大减少了维护需求和停机时间。

缺点： * 对表面特性有一定要求： 如果纸张表面过于光滑、透明或反光，可能会影响激光散射效果，需要调整安装角度或选择特定型号。 * 成本相对较高： 相较于一些简单的接触式测量方案，激光多普勒传感器的初期投入成本通常较高。 * 安装定位精度要求高： 需要确保传感器精确对准纸张的运动方向和最佳测量点。

3.1.2 激光三角测量技术

工作原理与物理基础： 激光三角测量法常用于精确测量物体的位移或厚度，也可间接用于长度测量。其原理是通过激光束投射到纸张表面形成一个光点，反射的光线则通过一个接收透镜聚焦到位置检测元件（如PSD，Position Sensitive Detector）上。当纸张表面的距离发生微小变化时，反射光点在PSD上的位置也会相应移动。通过测量光点在PSD上的位置变化，结合固定的基线距离和透镜焦距，就能精确计算出传感器与纸张之间的距离。

核心性能参数： 测量范围通常较短（例如几十毫米），但分辨率较高，一些系统可达到亚微米级别，采样速度较快。

优点： * 极高精度： 能够实现微米甚至亚微米级的位移测量，在测量纸张厚度或微小变形时表现出色。 * 非接触式： 对纸张表面无损伤。 * 响应速度快： 适用于在线高速检测。

缺点： * 测量范围受限： 通常只能在很小的距离范围内进行精确测量。 * 对表面反射率和倾斜度敏感： 纸张表面颜色、光泽或倾斜角度的变化可能影响测量精度。 * 主要测量位移/厚度： 若用于长度测量，需要复杂的系统集成，通常是先测速度，然后积分求长度，或者进行多点测量后进行几何计算。

3.1.3 共焦色散原理测量技术

工作原理与物理基础： 共焦色散原理是一种利用白光和色散效应实现高精度距离测量的方法。传感器发射出一束宽光谱的白光，这束光通过一个特殊的透镜系统，使得不同波长的光在空间中聚焦于不同的距离上。当这束光照射到纸张表面时，只有恰好聚焦在纸张表面上的特定波长的光才能通过一个微小的针孔（共焦孔径）并被检测器接收。通过分析检测器接收到的光的波长，就可以极其精确地确定传感器到纸张表面的距离。这种方法对纸张的反射率变化不敏感。

核心性能参数： 测量范围非常小（通常在几毫米到几十毫米），但分辨率极高，一些型号可以达到亚微米级别，线性度较好，测量速率较快。光斑直径通常很小。

优点： * 卓越的精度和分辨率： 能够提供亚微米级的测量精度，非常适合对薄膜、特种纸等进行超精密的厚度或微小位移测量。 * 对表面特性不敏感： 能够稳定测量透明、半透明、高反光或漫反射的各种复杂纸张表面，表现出优异的稳定性。 * 高重复性： 测量结果一致性极佳。

缺点： * 测量范围极短： 仅适用于非常近距离的测量，这限制了其在某些大尺寸纸张长度测量中的直接应用，更多用于厚度或精细表面轮廓。 * 系统成本高昂： 由于其光学结构复杂和技术精密，此类传感器通常价格不菲。 * 安装要求高： 需要精确的安装位置和对准。

3.1.4 机器视觉与图像处理技术

工作原理与物理基础： 机器视觉技术通过工业相机捕捉纸张的图像，然后利用复杂的图像处理算法来识别纸张的边缘、特征点，并最终计算出其长度。在长度测量中，尤其是在线扫描相机中，相机通常安装在纸张上方，当纸张高速通过时，相机以极高的行频逐行采集图像。通过精确同步相机扫描速度与纸张运动速度，软件能够“拼接”出完整的纸张图像。然后，利用边缘检测、图案匹配等视觉工具，识别纸张的起点和终点，并根据预设的校准参数（将像素距离转换为实际物理距离）计算出纸张的精确长度。深度学习算法的引入，进一步提高了系统处理复杂、不规则或有缺陷边缘纸张的鲁棒性和准确性。

核心性能参数： 分辨率取决于相机，从1.3MP到16k像素不等；处理速度从毫秒级到更高；支持多种视觉工具，如边缘检测、尺寸测量。

优点： * 非接触式： 对纸张无损伤。 * 多功能性： 不仅能测量长度，还能检测宽度、缺陷（如破损、污点）、图案对准等，实现全面的质量控制。 * 高灵活性： 能够处理复杂形状、不规则边缘的纸张，甚至适应不断变化的生产条件。 * 可视化： 可以直观地看到纸张的图像，便于分析和故障排查。

缺点： * 对照明要求高： 需要稳定、均匀的照明环境，以确保图像质量。光照变化、阴影等都可能影响测量精度。 * 计算复杂度高： 图像处理特别是深度学习需要强大的计算能力。 * 校准与维护： 需要精确的视觉系统校准，且容易受灰尘、镜头污染影响。 * 成本： 视觉系统通常涉及相机、镜头、光源、图像采集卡和软件，整体投入较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在纸张长度测量领域，国际上有多家知名品牌提供高品质的测量产品。以下对比了几家主要厂商及其代表性技术。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 激光三角测量法。该技术通过投射激光束并检测反射光点位置来精确测量距离。

  • 核心参数： 提供较高的测量精度和重复性，重复精度可达0.005微米，线性度±0.02% F.S.，采样速度高达392kHz。测量范围通常在50 ± 10毫米。

  • 应用特点与优势： 以其卓越的精度和快速的响应速度而闻名，适用于对纸张、薄膜等材料进行高精度位移、厚度测量。在纸张生产中，可用于高速在线检测纸张的厚度均匀性，或通过间接方式辅助长度控制。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光多普勒测量原理。

  • 核心参数： 工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%。速度测量范围极广，从静止到最高10,000米/分钟，内部测量速率高达200kHz，每20微秒一次测量输出。最大安装距离可达2000毫米，并具有IP67的高级防护等级。

  • 应用特点与优势： 专门为工业应用中移动物体和材料的速度和长度测量而设计。其非接触、无打滑的特性，以及高达200kHz的内部测量速率，使之能够精确控制卷对卷生产或定长切割过程中的纸张长度，提高生产效率和产品质量。此外，全固态设计和IP67防护等级有助于减少维护需求，适应恶劣工业环境。

• 美国康耐视

  • 采用技术： 机器视觉与深度学习。利用工业相机采集纸张图像，结合传统机器视觉算法和深度学习技术，对图像进行分析以识别边缘、特征点，并计算纸张的精确尺寸。

  • 核心参数： 支持多种相机分辨率（如1.3MP、2MP、5MP），处理速度通常在毫秒级，具体取决于应用复杂性。提供多种视觉工具，如边缘检测、图案匹配、校准和尺寸测量。

  • 应用特点与优势： 具有极高的灵活性，能够处理复杂的测量任务，如不规则形状、边缘缺陷的纸张长度测量。凭借强大的深度学习能力，可适应不断变化的生产条件，实现100%在线检测和质量控制，同时还能进行表面缺陷检测。

• 德国盟思特

  • 采用技术： 共焦色散原理。

  • 核心参数： 测量范围通常在1毫米至30毫米之间，分辨率较高，线性度较好，测量速率最高达70kHz。光斑直径小至3微米。

  • 应用特点与优势： 提供较高的分辨率和精度，特别适用于极其精密的纸张或薄膜的长度、厚度或宽度测量。对复杂表面有较好的测量稳定性。

• 加拿大泰雷达因·达尔萨

  • 采用技术： 线扫描相机技术。

  • 核心参数： 提供较高的分辨率（高达16k像素）和行频（高达100kHz），像素尺寸小，数据接口高速。

  • 应用特点与优势： 能够对高速移动的纸张进行较高精度、无失真的连续图像采集，非常适合在线、大规模的纸张长度和缺陷检测。作为机器视觉系统的核心组件，可集成到复杂的视觉检测系统中，提供精确的尺寸测量和质量控制。

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

选择合适的纸张长度测量设备或传感器，就像为你的赛车选择最匹配的轮胎一样，必须综合考虑多方面因素。

• 1. 精度 (Accuracy) 和重复性 (Repeatability)：

  • 实际意义： 精度是指测量值与真实值之间的接近程度，重复性是指多次测量同一物体时结果的一致性。这两者直接决定了你纸张长度控制的精细程度和产品合格率。想象一下，如果传感器有1%的偏差，那么1000米的纸卷就可能偏出10米，这对于高价值产品来说是巨大的浪费。

  • 选型建议： 对于高附加值产品或需要极高分切精度的应用（如印刷纸、特种纸），应优先选择精度较高的激光多普勒或共焦位移传感器。对于精度要求稍低但需要大范围检测的场景，视觉系统或激光扫描仪也可适用。

• 2. 测量范围 (Measurement Range) 与景深 (Depth of Field)：

  • 实际意义： 测量范围是传感器能有效工作的距离，景深是物体在不同距离范围内能被清晰测量的纵深。如果纸张在生产线上有轻微的上下抖动或横向漂移，一个大景深的传感器就能容忍这些波动而保持测量稳定。

  • 选型建议： 生产线空间有限或纸张抖动较小的场景，可选测量范围短但精度高的传感器；如果纸张抖动明显或安装位置不固定，应选择测量范围和景深较大的传感器，例如部分激光多普勒传感器或激光测距仪。

• 3. 响应速度 (Response Speed) / 采样率 (Sampling Rate)：

  • 实际意义： 传感器提供测量数据的频率。在高速造纸生产线上，纸张每秒移动数米甚至数十米，传感器必须能以足够快的速度提供实时数据，才能及时发现并纠正长度偏差。如果响应速度慢，就像你开车时看速度表总是慢半拍，等你看到超速再踩刹车就晚了。

  • 选型建议： 对于每分钟数千米的高速生产线，必须选择采样率达到几十甚至数百kHz的传感器，如高性能激光多普勒传感器或线扫描相机。低速或静态测量则可选择较低采样率的设备。

• 4. 防护等级 (IP Rating) 与环境适应性：

  • 实际意义： 造纸厂通常环境潮湿、粉尘多，甚至有高温和振动。IP防护等级（如IP67）决定了传感器在恶劣环境中抵抗水、灰尘侵入的能力。一个高防护等级的传感器能确保长期稳定运行，减少故障率。

  • 选型建议： 优先选择IP67或更高防护等级的传感器。对于高温区域，需考虑带有冷却外壳或内置散热系统的型号。

• 5. 通信接口与集成度：

  • 实际意义： 传感器的数据需要传输到PLC、DCS或其他控制系统中。支持主流工业总线协议（如Ethernet/IP、PROFINET）和多种输出接口（如以太网、RS-232、脉冲输出）的传感器，可以更方便、高效地与现有自动化系统集成。

  • 选型建议： 了解现有控制系统的接口和协议，选择兼容性强的传感器。具备多种通信接口和数据更新率高的设备更具灵活性。

• 6. 维护需求与可靠性：

  • 实际意义： 设备的维护频率和磨损部件。全固态、无活动部件的传感器通常可靠性更高，维护需求更低，能显著减少停机时间。

  • 选型建议： 优先考虑全固态、无接触、无需校准或校准周期长的传感器，这能降低运营成本和提高生产线整体稼动率。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最佳的测量设备，实际应用中也可能遇到各种挑战。

• 1. 纸张表面特性变化导致测量不稳定：

  • 原因： 纸张颜色、光泽度、粗糙度变化，或表面有水渍、墨点、涂层等，可能导致激光反射强度不均，或视觉系统图像识别困难。

  • 影响： 测量数据波动大，精度下降，甚至出现测量中断。

  • 解决建议：

    • 选择适应性强的传感器： 优先选用对表面特性不敏感的技术，如激光多普勒原理（通过多束激光和信号处理优化），或共焦色散传感器。

    • 调整传感器参数： 根据纸张类型调整传感器的增益、阈值等参数。

    • 优化安装角度： 调整传感器的入射角和接收角，避免镜面反射或消除干扰。

    • 辅助光源/背景： 对于视觉系统，可增加辅助照明或优化背景，提高图像对比度。

• 2. 纸张高速运行时的抖动、变形或跑偏：

  • 原因： 生产线张力不稳、导向辊磨损、振动或纸张自身弹性等，导致纸张在测量区域内上下、左右晃动，或发生拉伸、收缩。

  • 影响： 测量点偏离中心，超出传感器景深或测量范围，导致测量误差增大或数据丢失。

  • 解决建议：

    • 选用大景深、宽测量范围的传感器： 能够容忍纸张一定程度的抖动和位置偏差。

    • 加强生产线张力控制： 确保纸张在测量区域平稳运行。

    • 优化导向系统： 定期检查和维护导向辊、压辊，确保纸张运行轨迹稳定。

    • 多点测量与数据融合： 在关键位置安装多个传感器，通过数据融合算法取平均值或进行补偿。

• 3. 灰尘、水汽或纤维污染传感器光学窗口：

  • 原因： 造纸环境固有特性，纸屑、灰尘、水汽、纸浆飞溅等容易附着在传感器光学镜头或保护罩上。

  • 影响： 阻碍光路，导致信号衰减，测量精度下降，甚至完全无法测量。

  • 解决建议：

    • 选用高防护等级（IP67或更高）的传感器。

    • 安装保护罩或气幕装置： 通过持续的气流吹拂，阻止污染物附着到光学窗口。

    • 定期清洁维护： 制定严格的清洁计划，使用专用工具和清洁剂小心擦拭光学表面。

    • 检查压缩空气质量： 确保气幕使用的压缩空气是洁净、干燥的。

• 4. 环境温度、湿度变化对测量结果的影响：

  • 原因： 极端温度或温度剧烈波动可能影响传感器内部电子元件的性能，导致测量漂移；同时，纸张本身的尺寸也会随温度、湿度的变化而微小膨胀或收缩。

  • 影响： 测量值出现系统性偏差，影响最终产品尺寸的稳定性。

  • 解决建议：

    • 选用宽工作温度范围的传感器，或配备冷却/加热外壳： 确保传感器在稳定温度下工作。

    • 进行环境温度补偿： 部分高级传感器具备内置温度传感器，可进行数据补偿；也可通过外部温度传感器数据对测量结果进行校正。

    • 控制生产环境的温湿度： 保持车间温湿度相对稳定，减少纸张自身尺寸变化。

• 5. 传感器安装位置不当或初始校准偏差：

  • 原因： 传感器安装时未严格按照厂家推荐的距离、角度和对准方式，或者首次校准不准确。

  • 影响： 测量结果存在固定的系统性误差，或者测量精度无法达到标称值。

  • 解决建议：

    • 严格遵循安装手册： 确保传感器安装在推荐的距离、角度和位置。

    • 使用专业校准工具： 首次安装和定期维护时，使用标准长度块或专用校准工具进行精确校准。

    • 定期复核与交叉验证： 与其他已知准确的测量方式（如静态测量）进行比对，定期复核传感器的测量精度。

    • 培训操作人员： 确保维护和操作人员了解传感器的工作原理和校准方法。

4. 应用案例分享

精确的纸张长度控制技术在造纸及相关下游产业中有着广泛的应用：

• 卷对卷或定长切割生产： 在造纸机、涂布机、复卷机等生产线上，实时监测纸卷的生产长度，确保最终交付的纸卷长度符合客户要求。例如，英国真尚有的激光测速测长传感器，可以应用于卷对卷的生产过程中，实现精确的速度和长度控制。同时，对于定长切割设备，精确的长度信号能控制切割刀具在预设长度位置下刀，实现每一张纸板或纸张的尺寸一致性，显著减少废料。

• 印刷行业网速检测与精准对准控制： 在高速印刷机上，通过精确测量纸张的瞬时速度，可以实现与印刷滚筒转速的同步控制，确保多色印刷的精准套准，避免图像重影或错位，极大提升印刷品质量。

• 纸张生产线速度平衡与同步： 造纸生产线通常由多个独立驱动的区段组成，每个区段的速度需要精确协同。通过在关键区段安装激光测速测长传感器，实时监测并反馈各段速度，帮助控制系统实现精确的速度匹配与同步，确保纸张在生产过程中张力稳定，避免断纸和拉伸变形。

• 高精度编码器校准： 在一些生产线上，机械接触式编码器仍在使用。激光测速测长传感器可以作为高精度的参考标准，定期对这些接触式编码器进行校准，发现并补偿其因磨损、打滑等原因造成的误差，提高现有设备的测量准确性。