如何通过非接触式激光技术，实现高速纸张生产线（千米/分钟级）的速度与长度高精度控制，减少生产误差？【造纸工业】【在线检测】

1. 基于纸张的基本结构与技术要求

纸张在生产线上，是以连续的“纸幅”（或称“纸网”）形式高速运行的。它的基本结构虽然看起来简单，但实际上是由纵横交错的植物纤维、填料和各种助剂组成的薄片。这种结构决定了纸张在湿态和干态下，其物理特性（如强度、伸缩性、摩擦系数等）都会发生显著变化，尤其是在高速运行过程中，极易受到张力、温度、湿度的影响而产生形变。

在造纸工业中，对纸张速度和长度控制的技术要求非常高，主要体现在以下几个方面：

• 速度的均匀性与同步性： 生产线上的各个辊子、烘缸、涂布单元等都需要与纸张保持精确的速度匹配。想象一下，如果一个大型印刷机，纸张在不同色组之间速度不一致，就像运动员跑步时步频突然变快或变慢，很快就会导致套色不准，印出来的图案模糊不清。精确的速度控制能确保纸张在各个工序中受力均匀，防止断纸、起皱，并保证产品的克重、厚度等物理指标一致。

• 长度的精确性： 无论是整卷纸的卷取长度，还是分切成片纸的尺寸，都需要达到高精度要求。如果切割长度有偏差，就会导致纸箱、书本等后续加工品的尺寸不符合标准，造成材料浪费和生产效率低下。这就像裁缝剪布料，每一剪子都必须精确无误，才能做出合身的衣服。

• 张力控制： 纸张在高速运动中，其张力会直接影响速度的稳定性。过大的张力可能导致纸张拉伸甚至断裂；张力不足则会引起纸张松弛、摆动，影响后续加工。精确的速度和长度测量是实现精细张力控制的基础。

2. 针对纸张的相关技术标准简介

为了确保纸张的生产质量和效率，造纸工业对纸张在生产过程中的多个参数进行严格监控和评价。以下是几种与速度和长度控制紧密相关的监测参数：

• 线速度 (Line Speed)： 指纸张在生产线上单位时间内移动的距离。它是衡量生产效率的关键指标，通常以米每分钟 (m/min) 或英尺每分钟 (ft/min) 表示。在生产线上，各段速度的精确匹配（即同步性）尤为重要，任何微小的速度波动都可能导致纸张变形或断裂。评价方法通常是测量一段固定长度的纸张通过传感器所需的时间，或者直接通过传感器实时反馈每单位时间内的移动距离。

• 长度 (Length)： 主要分为瞬时长度和累计长度。瞬时长度指某一时刻纸张通过传感器的长度；累计长度是指从某一初始点开始，纸张连续通过传感器的总长度。长度是纸张分切、卷取、包装等环节质量控制的基础。其评价方法通常是通过对速度的积分或直接脉冲计数来获得，精度要求通常体现在最终成品长度与设定长度之间的偏差。

• 伸缩率/张力 (Elongation/Tension)： 纸张在不同湿润度、温度和机械应力下会发生伸缩。伸缩率通常指纸张在受力作用下长度的相对变化。张力是纸张在生产线上承受的拉伸力。这两者紧密相关，并直接影响纸张的运行速度和最终尺寸。监控伸缩率和张力有助于调整各段辊子的速度差，以维持稳定的纸幅运行状态。评价通常通过比较前后两个点的速度或长度差异来间接反映，或者通过张力传感器直接测量。

• 速度波动与长度误差： 这是对线速度和长度精度更深层次的评估。速度波动是指纸张线速度在短时间内的变化幅度，它直接影响生产的稳定性。长度误差则是指实际测量到的纸张长度与设定目标长度之间的差异。这些参数的评价通常依赖于高采样率的测量系统进行实时数据采集和统计分析，以确保产品质量的稳定性和批次一致性。

3. 实时监测/检测技术方法

为了提高纸张生产线速度和长度控制的精度，市面上涌现出多种先进的实时监测技术。这些技术各有特点，可以根据不同的生产需求和环境条件进行选择。

（1）市面上各种相关技术方案

激光多普勒测速测长技术

激光多普勒测速测长技术，是利用了声波的多普勒效应，只不过这里用的是光波。传感器发射两束相互平行的激光束，当它们照射到移动的纸张表面时，会形成一个“光栅”或“干涉条纹”。纸张表面有无数微小的颗粒和纹理，当这些颗粒穿过激光干涉条纹时，它们会散射回带有特定频率偏移（被称为多普勒频移）的光。

具体来说，激光多普勒效应描述的是：当一个激光束照射到一个以速度 v 移动的物体上时，物体散射回来的激光频率会发生一个偏移，这个偏移频率 f_d 与物体速度 v、激光波长 λ 以及激光束与运动方向的夹角 θ 有关。

对于典型的双光束激光多普勒传感器，其工作原理可以简化为：

f_d = (2 * v * sin(α/2)) / λ

其中，f_d 是多普勒频移（即接收到的光频率与发射光频率的差值），v 是纸张的表面速度，λ 是激光的波长，α 是两束激光束在测量区域的夹角。

传感器内部的高速处理器会精确测量这个多普勒频移 f_d，由于 λ 和 α 都是已知的固定参数，就可以通过上述公式反推出纸张的精确表面速度 v。而纸张的总长度，则是通过对这个实时速度 v 进行时间积分得到的：L = ∫ v(t) dt。简单来说，就是将每时每刻的速度乘以对应的时间间隔，然后累加起来。

这种技术的优势非常明显：

• 非接触式： 不需要与纸张直接接触，避免了传统接触式测量（如编码器）带来的磨损、滑移误差，也避免了对纸张表面造成损伤。这在纸张生产这样连续、高速、对表面质量要求高的应用中至关重要。

• 高精度与高重复性： 由于直接测量频率变化，而非依赖机械结构，其测量精度较高，优质的系统工厂校准精度通常优于0.05%，重复性可达0.02%左右。

• 响应速度快： 内部测量速率高，能够精确捕捉高速运动中瞬时加速或减速的变化。

• 适用性广： 能够测量从静止到高速的宽范围速度，对纸张的颜色、光泽度变化不敏感，即使在有轻微振动或表面不平整的情况下也能保持稳定测量。

• 无维护： 全固态设计，没有活动部件，降低了维护成本和停机时间。

但它也有一些局限性：初期投资成本相对较高；需要保持光学窗口清洁，避免灰尘、水汽等影响测量光路；在极端复杂的光学环境下可能需要特殊配置。

激光相关法测速技术

激光相关法测速，又被称为激光表面速度测量，它利用激光在物体表面形成的随机散斑（或纹理）图案，并通过高速图像处理来计算速度。传感器会发射一束激光，在纸张表面形成多个微小的光点。当纸张移动时，这些光点会随着纸张表面的固有纹理一起移动，产生散射光信号。传感器通过两个或多个高速探测器实时捕获这些散射光信号，然后利用先进的数字信号处理技术，对不同时间点的信号进行互相关分析。简而言之，就是寻找两个信号波形之间的最佳匹配，从而确定信号在时间上的延迟，结合光点之间的已知距离，就能精确计算出纸张的表面速度。

• 核心性能参数: 速度测量范围通常在0.01至2500米/分钟，精度可优于±0.05%。

• 优缺点: 这种方法也是非接触式的，对纸张表面的颜色、光泽度变化具有较好的鲁棒性，因为它关注的是随机纹理的运动而非特定频率的偏移。其主要优势在于能够稳定地测量各种表面特性的材料。然而，相较于多普勒法，其响应时间可能略长，且对纸张表面的纹理丰富度有一定要求。

• 适用场景: 适合需要高精度非接触测量，且对表面特性有一定适应性的应用。

高速图像处理与视觉跟踪技术

高速图像处理与视觉跟踪技术，可以看作是一种“智能视觉”测量方法。它通过在纸张生产线上方架设高分辨率工业相机，连续高速捕获纸张表面的图像。然后，系统内置的强大图像处理器和算法（如特征点跟踪、模式匹配或数字图像相关性）会实时识别并跟踪纸张表面上的自然纹理、印刷标记或微小缺陷等“特征点”在连续帧间的位移。结合已知的相机帧率和经过精确标定的像素与实际距离的对应关系，系统就能实时计算出纸张的线速度和累计长度。

• 核心性能参数: 图像采集速度极快，可高达1600万像素/秒（取决于相机型号），处理速度能满足高速生产线实时需求，检测精度可达微米级（取决于相机分辨率和视野）。

• 优缺点: 这种技术最大的优势在于其多功能性。除了精确测量速度和长度外，它还能同时进行多种质量控制任务，例如表面缺陷检测（如孔洞、污点）、尺寸测量、套准检查等，为生产线提供一体化的智能解决方案。然而，它对环境光照条件要求较高，需要稳定的光源和较干净的测量环境；系统成本通常较高，且对计算资源的需求较大。

• 适用场景: 适合对速度、长度精度要求高，且同时需要进行多方面质量检测的智能生产线。

增量式旋转编码器技术

增量式旋转编码器是一种传统的、接触式的速度和长度测量方案。它内部包含一个旋转的码盘，码盘上刻有规则的刻线（或光栅）。当编码器通过其连接的精密测量轮与纸张表面直接接触并滚动时，测量轮会随着纸张的移动而旋转，进而带动码盘转动。光电转换器会检测到光通过码盘刻线形成的明暗变化，并将其转换为一系列电脉冲信号。

其速度和长度的计算原理如下：

• 速度计算： 通过计算单位时间内产生的脉冲数量 N_p，可以得到测量轮的转速，进而推算出纸张的线速度 v。 v = (N_p / t) * (π * D) / PPR 其中，t 是测量时间，D 是测量轮的直径，PPR 是编码器每转产生的脉冲数。

• 长度计算： 通过累计总脉冲数 N_total，可以计算出纸张的累计长度 L。 L = N_total * (π * D) / PPR

• 核心性能参数: 分辨率从1到102400脉冲/转 (PPR)，最高转速可达 6000 RPM。

• 优缺点: 增量式编码器是成熟且广泛应用的技术，具有高可靠性、坚固耐用和成本效益高的优点。然而，由于是接触式测量，它存在固有的局限性：测量轮与纸张表面可能发生滑移，导致测量误差（特别是纸张表面湿滑或张力不稳时）；测量轮长期磨损会影响精度；需要定期清洁维护，且可能对纸张表面造成轻微压痕。

• 适用场景: 适用于对精度要求相对宽松或成本敏感的纸张加工、包装、印刷等行业，特别是在测量低速或有足够张力的纸张时表现良好。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是针对纸张生产线速度和长度控制领域，几家主流国际测量产品厂商的对比，它们均采用不同的测量原理，并提供可靠的官方数据：

• 德国普雷克斯顿 德国普雷克斯顿是激光多普勒测速技术的领导者，其激光表面测速仪 LSV-2000 系列以极高的测量精度和稳定性著称。它采用激光多普勒原理，通过测量散射光的频率偏移来计算纸张速度。 核心性能参数：速度测量范围0.02至3000米/分钟，精度可达±0.05%，重复性为±0.01%。 应用特点和独特优势：适用于对速度控制要求极高的纸张生产线，能有效消除传统接触式测量中的滑移误差，显著提高生产效率和产品质量。其产品在高温、高速等严苛工业环境下表现稳定。

• 英国真尚有 英国真尚有AJS10X系列激光测速测长传感器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，采用激光多普勒测量原理。它通过发射激光束并分析从纸张表面散射回来的光的多普勒频移，从而精确计算速度和长度。 核心性能参数：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。内部测量速率高达200kHz，确保精确捕捉高速运动。 应用特点和独特优势：具有卓越的测量精度和响应速度，能够精确捕捉高速运动中的微小变化。其全固态设计保证了高可靠性和免维护特性，IP67防护等级使其能适应恶劣工业环境。标配以太网、RS-232和CANbus通信接口，并可选PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等工业总线，便于与各种工业控制系统集成。

• 美国斯沃斯泰克 美国斯沃斯泰克在工业过程控制和在线测量领域拥有深厚经验，其2202S激光扫描测速仪采用激光表面速度测量（相关法）原理。传感器发射激光在纸张表面形成光点，通过高速探测器捕获散射光信号，并利用数字信号处理技术对不同时间点的信号进行互相关分析来计算速度。 核心性能参数：速度测量范围0.01至2500米/分钟，精度优于±0.05%。测量距离150至350毫米。 应用特点和独特优势：产品设计坚固，适用于严苛工业环境，能与公司其他在线质量控制系统无缝集成，提供全面的纸张生产线监控解决方案。非接触式测量，可实时提供高精度速度数据。

• 意大利雷莱 意大利雷莱是欧洲知名的编码器和传感器制造商，其C50系列增量式编码器采用接触式测量原理。编码器内部的码盘与连接的测量轮一起转动，通过光电转换器将转动转换为电脉冲信号，从而计算速度和长度。 核心性能参数：分辨率从1至102400脉冲/转 (PPR)，最高转速可达 6000 RPM。防护等级最高IP67。 应用特点和独特优势：以其高可靠性、坚固耐用和广泛的兼容性而著称，成本效益好。适用于需要直接接触测量以获得稳定信号的应用场景，是传统且可靠的速度和长度测量方案，广泛应用于纸张加工、包装、印刷等行业。

（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

在选择纸张生产线速度和长度控制设备时，需要综合考虑多个技术指标，并结合实际应用场景做出最优选择。

• 精度与重复性：

  • 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物理量时结果的一致性。它们直接决定了纸张产品尺寸的统一性和生产过程的稳定性。

  • 影响： 高精度和高重复性意味着更小的长度误差和更稳定的速度控制，从而减少材料浪费，提高产品质量，并降低由于尺寸不符导致的客户投诉。例如，在分切过程中，如果精度只有1%，那么一米长的纸张就可能误差1厘米，累积起来就是巨大的损耗。

  • 选型建议： 对于高附加值、对尺寸精度要求极高的纸品（如特种纸、高档印刷纸），应优先选择精度达到±0.05%甚至更高的激光多普勒或激光相关法传感器。对于一般包装纸或原纸生产，±0.1%的精度可能也能接受。

• 速度测量范围：

  • 实际意义： 传感器能够有效测量速度的上限和下限。

  • 影响： 如果生产线速度超出了传感器的最大测量范围，将无法获得准确数据；如果最低测量速度不够低，则无法在低速启动或停机过程中进行精确控制。

  • 选型建议： 根据生产线最高设计速度和最低运行速度来选择。例如，高速纸机可能需要能测量10,000米/分钟以上速度的传感器；而一些加工线可能只需要几百米/分钟。同时，要考虑传感器是否支持0速度测量和方向识别，这对于启停过程和反向运动的控制至关重要。

• 测量距离与景深：

  • 实际意义： 测量距离是指传感器安装位置到被测纸张表面的最佳距离，景深是指在此最佳距离前后，传感器仍能保持测量精度的范围。

  • 影响： 较大的测量距离提供了安装灵活性，可以远离高温、振动或有水汽的区域。足够的景深则能容忍纸张在运行过程中的轻微上下跳动，避免因纸张偏离焦距而导致测量不稳定或信号丢失。

  • 选型建议： 如果安装空间有限或纸张跳动较大，应选择测量距离大且景深深的传感器。这在压榨部、烘干部等纸张张力波动较大的区域尤为重要。

• 响应时间/测量速率：

  • 实际意义： 响应时间是指从纸张速度发生变化到传感器输出相应测量结果所需的时间；测量速率是指传感器每秒能输出多少次测量数据。

  • 影响： 快速响应和高测量速率能确保控制系统实时获得最新的速度数据，从而快速调整生产参数，有效抑制速度波动。这对于处理突发加速/减速或需要精细同步控制的环节至关重要。

  • 选型建议： 对于高速、动态变化频繁的生产线，应选择响应时间在毫秒级、测量速率高达数百或数千赫兹的传感器（如激光多普勒传感器）。

• 防护等级 (IP等级)：

  • 实际意义： 表示传感器防尘、防水的能力。

  • 影响： 造纸工业环境通常潮湿、多尘，甚至有腐蚀性气体。高防护等级能保证传感器在恶劣环境下长期稳定运行，延长使用寿命。

  • 选型建议： 至少选择IP65或IP67防护等级的传感器。对于有冲洗或水汽特别多的区域，甚至需要考虑带额外冷却或加热外壳的传感器。

• 通信与集成能力：

  • 实际意义： 传感器与生产线控制系统（PLC、DCS等）连接的方式和数据交换能力。

  • 影响： 丰富的通信接口（如以太网、RS-232、CANbus、PROFIBUS等）和工业总线协议支持，能够使传感器无缝集成到现有自动化系统中，简化调试，实现数据共享和远程监控。

  • 选型建议： 确保所选传感器的接口与工厂的控制系统兼容，并且数据更新率满足控制要求。

• 成本：

  • 实际意义： 传感器的采购成本、安装成本和长期维护成本。

  • 影响： 成本预算是项目实施的重要考量因素。

  • 选型建议： 虽然非接触式激光传感器初期投资较高，但其带来的高精度、低维护和减少停机时间的效益，通常能弥补高成本。接触式编码器成本较低，但要考虑其维护和潜在的滑移误差带来的长期影响。需进行全面的投资回报分析。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在纸张生产线中，即使选择了最先进的测速测长设备，实际应用中也可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案至关重要。

• 问题1: 接触式测量的滑移误差（仅适用于编码器等接触式设备）

  • 原因与影响： 测量轮与纸张表面之间的摩擦力不足，或者纸张张力波动剧烈、表面湿滑（特别是在压榨部、烘干部前段），都可能导致测量轮打滑。这就像汽车在湿滑路面上行驶，车轮转速很快，但车身实际速度却很慢。结果就是编码器输出的速度和长度数据高于纸张实际值，导致控制系统做出错误判断，影响分切长度或各段速度同步。

  • 解决建议：

    • 增加接触压力： 适当增加测量轮与纸张的接触压力，确保足够的摩擦力。

    • 选择合适的测量轮材质： 选用高摩擦系数、耐磨损的橡胶或聚氨酯材料的测量轮，并定期检查磨损情况，及时更换。

    • 张力控制优化： 改进纸张张力控制系统，减少张力波动。

    • 考虑非接触式方案： 如果滑移问题难以解决，或对精度要求极高，应优先考虑升级为激光多普勒等非接触式测速测长设备，从根本上消除滑移误差。

• 问题2: 纸张振动或跳动对测量稳定性的影响

  • 原因与影响： 纸张在高速运行时，受设备机械振动、气流、张力不均等因素影响，可能会在垂直方向上产生轻微的振动或跳动。这对于非接触式光学传感器来说，可能导致测量距离超出景深范围，信号不稳定甚至丢失，从而影响测量精度和控制效果。

  • 解决建议：

    • 优化安装位置： 传感器应安装在纸张运行最平稳的区域，并远离主要振动源。必要时可安装在独立的支撑结构上。

    • 选用大景深传感器： 选择景深范围大的传感器，能够更好地容忍纸张的垂直位移。

    • 增加纸张稳定装置： 在测量点前后设置导辊、真空吸附箱或气垫等装置，稳定纸张运行路径。

    • 调整传感器焦距： 部分传感器允许在一定范围内调整焦距，可根据实际跳动情况进行优化。

• 问题3: 纸张表面状况对光学测量的的影响（如反光、颜色、灰尘）

  • 原因与影响： 纸张表面光泽度（如铜版纸）、颜色深浅（如黑卡纸）、以及生产环境中的灰尘、纤维碎屑、水汽甚至油污，都可能影响激光束的散射和接收，导致信号衰减、信噪比下降，从而影响光学传感器的测量精度和稳定性。

  • 解决建议：

    • 定期清洁光学窗口： 定期使用软布和专用清洁剂清洁传感器镜头和光学窗口，确保光路清晰。

    • 增加吹气装置： 在传感器光学窗口前安装压缩空气吹气装置，持续吹扫，防止灰尘和纤维堆积。

    • 选用适应性强的传感器： 激光多普勒和激光相关法传感器通常对表面颜色和光泽变化有较好的适应性。

    • 调整传感器参数： 部分高端传感器允许调整激光功率或接收灵敏度，以适应不同表面特性的纸张。

• 问题4: 温度变化对传感器性能的影响

  • 原因与影响： 造纸生产线环境温度变化较大，尤其是在烘干部附近。温度的剧烈波动可能导致传感器内部电子元器件性能发生漂移，影响测量数据的准确性和稳定性。

  • 解决建议：

    • 选用宽工作温度范围的传感器： 优先选择设计用于工业环境、具有较宽工作温度范围（如5°C-40°C标准，或更高）的传感器。

    • 配备冷却/加热外壳： 对于极端高温或低温环境，可以为传感器加装专用的冷却外壳（如水冷或空冷）或加热外壳，将传感器本体的工作温度维持在最佳范围内。

    • 定期校准： 即使使用了温控设备，也建议定期对传感器进行校准，以验证并修正可能存在的温度漂移误差。

4. 应用案例分享

精确的纸张速度和长度控制技术在造纸工业中有着广泛的应用，是提升生产效率和产品质量不可或缺的一环：

• 高速分切机的长度控制： 在纸张分切环节，高精度的测长传感器能够实时监测纸张的累计长度，确保每卷或每张纸都按照预设尺寸精确切割，从而大幅减少材料浪费，提高产品尺寸的一致性，满足客户对产品规格的严格要求。

• 多段烘干机的速度同步： 造纸过程中的烘干部通常由多个独立驱动的烘缸组成，需要精确控制各烘缸线速度的同步性。通过实时监测纸张在不同烘干段的速度，可以调整各段辊子之间的微小速度差，防止纸张在烘干过程中因张力过大而断裂，或因张力不足而松弛起皱，确保纸张均匀干燥。例如，英国真尚有AJS10X系列传感器，凭借其高达200kHz的内部测量速率和快速响应能力，能够精确捕捉高速生产线上的速度变化，从而实现更精准的同步控制。

• 涂布或施胶过程的速度匹配： 在纸张涂布或施胶工序中，涂布辊或施胶辊的速度必须与纸张线速度精确匹配。高速激光测速传感器能够实时提供纸张精确速度，协助控制系统调整涂布辊的转速，确保涂层或胶层均匀一致，避免出现涂布缺陷如条纹、厚薄不均，显著提升产品表面质量。

• 印刷机套准控制： 在多色印刷过程中，纸张的运行速度直接影响套准精度。精确的纸张速度监测能帮助印刷机实时调整各色组的套准位置，确保不同颜色墨层之间精确对齐，避免重影或错位，保证印刷图案的清晰度和高质量输出。

• 高精度编码器校准和速度平衡调整： 激光测速传感器由于其非接触、高精度特性，常被用作参考标准，用于定期校准生产线上其他接触式编码器的精度，或用于诊断和调整生产线各段的速度平衡，确保整个生产系统的协同性和稳定性。