在每分钟千米级高速生产线上，如何实现线缆管材0.05%级非接触长度精准测量？【在线检测】【智能制造】

1. 基于线缆、管材等产品的基本结构与技术要求

在车辆长度检测的背景下，提及的线缆、管材等产品通常是指其生产制造环节中的连续性材料。这些产品在生产线上通常呈细长、连续的状态，无论是电线、光缆，还是塑料管、金属管，其核心特征都是长度的延伸和截面形态的稳定。

要实现这些产品的精确长度测量，我们需要理解其固有的结构和生产要求：

• 连续性与高速运动： 线缆和管材生产多为连续性工艺，产品在生产线上以较高的速度连续移动。这就要求长度测量系统必须是非接触式的，避免与高速移动的产品发生摩擦或缠绕，从而导致产品表面损伤或测量不准。同时，系统必须具备极高的测量速度和响应能力，才能实时捕捉产品的长度变化，不滞后于生产节奏。

• 截面形态多样性： 尽管统称为线缆、管材，但它们的直径可能从极细（如光纤）到粗大（如大型管道），表面也可能是光滑的、粗糙的、反光的或哑光的。例如，光纤如同头发丝般纤细，对测量光束的直径和定位精度要求极高；而大口径管材则需要传感器有足够的测量距离和景深来覆盖其截面。

• 高精度与稳定性： 产品的长度精度直接关系到最终的产品质量和材料利用率。想象一下，如果生产一公里长的电缆，每米误差累积0.1毫米，最终总长度的误差将达到10厘米。对于需要精准定长切割的应用，哪怕是微小的偏差，也可能导致报废或返工，严重影响生产效率和成本。因此，测量系统需要具备极高的精度和重复性，并能在工业现场的复杂环境（如振动、灰尘、温度变化）下长期保持稳定。

• 材料特性影响： 不同的材料（如铜、铝、塑料、橡胶）对激光的吸收、反射和散射特性不同。这要求测量技术能够适应各种材料表面，确保测量信号的稳定性和可靠性。

2. 针对线缆、管材等产品的相关技术标准简介

在工业生产中，对线缆、管材这类产品的长度进行监测和评价，通常会关注以下几个核心参数：

• 长度： 指产品沿其轴向的实际尺寸。在生产线上，这通常是在线实时测量的结果，用于控制定长切割、计米等。

• 长度偏差： 实际测量长度与目标设定长度之间的差异。这直接反映了生产线的控制精度。评价时通常会设定一个允许的偏差范围，超出范围即为不合格。

• 长度重复性： 在相同条件下，对同一段产品进行多次长度测量时，所得结果之间的一致性程度。高重复性意味着测量系统稳定可靠，不易受随机因素影响。评价方法通常通过统计学指标，如标准差或重复性误差来衡量。

• 瞬时速度： 产品在生产线上移动的即时速度。精确掌握瞬时速度是计算累积长度的基础，也是控制生产节奏和同步不同工序的关键。

• 产品直径/截面轮廓： 尤其对于圆柱形产品，其直径或精确的截面轮廓数据也是重要的质量参数。有些测量系统在测长度的同时也能获取这些信息。

这些参数的监测和评价，旨在确保产品符合设计规范，提高生产过程的自动化和智能化水平。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在车辆长度检测领域，针对线缆、管材等产品的精确长度测量，市场上有多种先进的非接触式技术方案。它们各有特点，适用于不同的应用场景。

3.1.1 激光多普勒测量技术

这种技术如同“光速雷达”，通过分析激光频率的变化来精确计算物体的速度和长度。

• 工作原理与物理基础： 激光多普勒测量利用的是“多普勒效应”原理。它通过内部光学系统将一束激光分成两束，并以特定角度照射到移动的线缆或管材表面。这两束激光在产品表面会形成一个周期性的“干涉条纹”（就像水面上的波纹相遇后形成的亮暗相间的图案）。当产品表面上的微小颗粒或纹理（即使是肉眼不可见的）移动通过这些干涉条纹时，它们反射回来的激光会发生频率偏移。传感器捕捉并分析这种频率偏移，就能精确地推算出产品移动的速度。

  • 其核心在于多普勒频率 fd 与物体速度 v 的关系。在一个典型的双光束激光多普勒测速系统中，如果两束激光以角度 θ 交汇，且激光波长为 λ，那么产生的多普勒频率 fd 可以表示为： fd = 2 * v * sin(θ/2) / λ

  • 其中，v 是被测物体垂直于干涉条纹方向的速度。一旦精确测得瞬时速度 v，通过对速度在时间上的积分，就可以得到产品的总长度 L： L = ∫ v(t) dt

• 核心性能参数：

  • 精度和重复性: 激光多普勒测量具有很高的精度，优秀的系统精度可优于0.05%，重复性可达0.02%。

  • 测量速率: 内部测量速率高，外部输出速率通常可达数千甚至数万次/秒，能够捕捉高速运动。

  • 速度范围: 速度测量范围广泛，部分系统可以从静止状态开始测量，最高速度可达10000米/分钟。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度与无滑移测量: 这是其最突出的优势。与传统的接触式编码器（如滚轮）不同，激光多普勒测量是非接触的，完全不受滚轮打滑、磨损或产品表面变形等因素的影响，测量结果更为真实和精确。

    • 宽速度范围与方向识别: 能够精确测量从静止到高速的物体，并且具备方向识别能力，这对于需要精确启停和正反转控制的生产线至关重要。

    • 适应性强: 对各种材料表面（包括粗糙、光滑、不同颜色）有较好的适应性，能够检测细小的线缆。

    • 无需维护: 采用全固态设计，无活动部件，大大降低了维护成本和停机时间，提高了设备的长期可靠性。

  • 局限性： 尽管适应性强，但对于极度透明的材料（如某些玻璃纤维）或在强环境光干扰下，可能需要特定配置或优化。初始投入成本可能高于简单的接触式编码器。

  • 适用场景与成本考量： 适用于对长度测量精度要求极高、生产速度快、不容许打滑误差的工业生产线，如高精度线缆定长切割、管材挤出计量、薄膜或纸张的在线速度和长度控制等。虽然初始成本可能相对较高，但其带来的高精度、高效率和低维护成本，能显著提升产品质量，减少废品率，从长远来看具有极高的投资回报。

3.1.2 激光轮廓测量技术

这种技术利用激光线和图像传感器，像给物体“扫描三维照片”一样获取其精确轮廓信息。

• 工作原理与物理基础： 激光轮廓测量基于“三角测量”原理。传感器向被测物体表面投射一条细长的激光线。当这条激光线投射到有高度变化的物体表面时，它在空间中会形成一个扭曲的“光线轮廓”。一个高分辨率的CMOS图像传感器（类似于数码相机里面的感光元件）会从一个特定角度捕捉这条扭曲的激光线图像。由于激光器、CMOS传感器和激光线在物体表面的投射点构成一个三角形，通过精确测量激光线在CMOS传感器上位置的变化，并结合已知的几何参数（如相机焦距、激光器与相机的相对位置），就能利用三角函数关系计算出物体表面上激光线经过的每个点的精确Z轴（高度）坐标。

  • 其基本几何关系可以简化为： Z = (f * B) / X

  • 其中，Z 是被测点的高度，f 是摄像头的焦距，B 是摄像头与激光发射器之间的基线距离，X 是激光点在CMOS传感器上的偏移量。通过连续获取物体的横截面轮廓，并在物体移动时将这些轮廓“拼接”起来，就可以重建物体的三维形状，从而精确计算出其长度。

• 核心性能参数：

  • 分辨率: Z轴分辨率可达微米级（例如0.2µm），X轴分辨率可达几微米。

  • 采样速度: 非常快，最快可达 164kHz，适用于高速生产线。

  • 测量范围: Z轴测量范围通常在几毫米到几百毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和分辨率，能够捕获物体表面非常细微的形状变化，不仅能测长度，还能同时获取产品的直径、圆度、缺陷等三维轮廓信息。高速采样能力使其适用于快速移动的生产线。

  • 局限性： Z轴测量范围相对有限，不适用于超远距离测量。受物体表面反射率、透明度、倾斜角度等影响较大，可能需要优化安装或对特定材料进行调整。数据量大，对后端处理能力有一定要求。

  • 适用场景与成本考量： 适用于对线缆、管材的长度、直径、圆度、表面缺陷等多个维度有极高精密测量需求的场景，如精密医疗导管、高精度光纤、半导体线材等。成本较高，但其提供的数据丰富且精度极高。

3.1.3 激光扫描/激光雷达技术

这种技术像“光速声呐”，通过测量激光往返时间来确定距离，并构建三维空间数据。

• 工作原理与物理基础： 激光扫描和激光雷达主要基于“飞行时间”（Time-of-Flight, ToF）原理。传感器发射一个短暂的激光脉冲，然后精确测量这个脉冲从发出到击中物体表面并反射回来所需的时间。由于光速是一个已知且恒定的物理量，通过简单的计算就可以得出传感器到物体表面的距离。

  • 距离 D = (C * t) / 2

  • 其中，C 是光速，t 是激光脉冲往返的总时间。

  • 通过内部的扫描机构（如旋转镜或MEMS镜），激光束可以快速地改变方向，从而在空间中扫描出大量的离散点。每个点都包含其距离信息，这些点组合在一起就形成了被测物体的“点云”数据。通过分析这些点云数据的边界和形状，系统就能计算出物体的长度、宽度等尺寸信息。

• 核心性能参数：

  • 测量范围: 远距离测量能力突出，可达数十米甚至数百米。

  • 扫描频率: 通常在几十赫兹到几百赫兹，影响数据更新速率。

  • 角度分辨率: 决定了点云的密集程度和细节捕获能力，通常在度或十分之几度的范围。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量距离远，视场角大，能提供丰富的3D空间信息，适用于大型物体或较远距离的测量。在一定程度上抗环境光干扰。

  • 局限性： 测量精度通常不如激光多普勒或激光轮廓测量在微米级表现出色，对于精细的线缆直径或微小长度偏差的检测可能不足。容易受物体表面反射特性（如镜面反射）影响。

  • 适用场景与成本考量： 更适用于对大型物体（如车辆、大型管材）进行长度、体积识别，或在物流、交通监控等领域进行远距离尺寸检测。成本相对较高，且对精细度要求不高的场景。

3.1.4 测量光幕技术

这是一种简单而高效的“光栅尺”，通过光束遮挡来判断物体尺寸。

• 工作原理与物理基础： 测量光幕由一个发射器和一个接收器组成，两者相对而立。发射器包含一排等间距排列的红外发光二极管，而接收器则对应地包含一排光敏接收器。它们之间形成了一道密集的平行光束“墙”。当线缆或管材等物体穿过这道“光墙”时，它会遮挡住部分光束。系统通过检测哪些光束被遮挡，哪些光束仍然到达接收器，根据已知的光束间距，就能快速计算出被遮挡区域的尺寸，从而推断出物体的长度或高度。

• 核心性能参数：

  • 分辨率: 由光束之间的间距决定，通常为几毫米到几十毫米。

  • 测量高度/长度: 可达数米。

  • 响应时间: 毫秒级别，反应迅速。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 结构简单，安装和维护方便。成本相对较低。响应速度快，适用于需要快速判断物体大致尺寸的批量检测场景。对环境灰尘等有一定鲁棒性。

  • 局限性： 分辨率相对较低，无法提供微米级的精确测量。只能获取物体的大致轮廓尺寸，无法感知复杂的表面细节或形状。不适合测量非常小的线缆。

  • 适用场景与成本考量： 适用于对长度精度要求相对不高，但需要快速、可靠地进行物体长度或高度分选、计数、或进行初步尺寸判断的场景，如物流分拣线上的包裹长度检测、简易的车辆尺寸识别等。

3.2 市场主流品牌/产品对比

以下将对比市场上几个主流品牌的解决方案，它们各自凭借其独特的技术优势，在工业测量领域占据一席之地。

• 德国西克 (采用激光扫描技术) 德国西克在工业自动化传感器领域拥有深厚的技术积累。其激光扫描产品利用激光脉冲的飞行时间原理进行距离测量，并通过机械或电子方式扫描，获取物体在三维空间中的点云数据，进而推算物体长度。 核心性能参数方面，其测量范围可达20米（室内），在室外10%反射率下也能达到10米。角度分辨率通常为0.25°，扫描频率可达50Hz。产品防护等级为IP67，具备良好的工业环境适应性。德国西克的产品优势在于其测量稳定可靠，即使在恶劣环境下也能正常工作，提供精确的三维轮廓数据，特别适用于远距离或大范围的物体长度检测，如交通监控中的车辆长度分类。

• 英国真尚有 (采用激光多普勒测量技术) 英国真尚有专注于移动物体和材料的非接触式速度和长度测量。其AJS10X系列传感器采用先进的激光多普勒测量原理，可以实现精确的速度测量和长度测量，对把控产品质量有至关重要的作用。 该系列产品的工厂校准精度优于0.05%，重复性可达0.02%，内部测量速率高达200kHz，每20微秒一次测量输出，最高外部测量速率可达25,000次/秒，最大加速度响应能力达1000m/s²。速度测量范围极广，最高可测速度达10,000 m/min，并支持0速度测量与方向识别。此外，该系列传感器可检测直径小至0.1mm的线缆。AJS10X系列采用全固态设计，无活动部件，IP67高级防护等级，可选配冷却外壳用于高温环境应用。

• 日本基恩士 (采用激光轮廓测量技术) 日本基恩士以其高精度的传感器和机器视觉产品著称。其激光轮廓测量传感器采用激光线投射和CMOS图像传感器的三角测量原理，能够获取物体表面的高精度2D或3D轮廓数据。 在核心性能参数上，其Z轴测量范围可达240毫米，Z轴分辨率低至0.2µm，X轴分辨率低至8µm，采样速度最快可达164kHz。传感器头防护等级为IP67。日本基恩士的产品优势在于极高的测量精度和分辨率，尤其擅长对物体细微尺寸和形状的检测，如线缆的直径一致性、管材的圆度等。其高速采样能力使其能适应快速移动的生产线，并易于集成和操作。

• 意大利得力士 (采用测量光幕技术) 意大利得力士提供的测量光幕是一种结构相对简单但高效的长度或高度检测方案。它通过发射器和接收器之间的多束平行光束阵列，检测物体遮挡光束的数量和位置来计算尺寸。 其分辨率由光束间距决定，可选5毫米至50毫米。测量高度或长度可达数米，例如SG4-M系列有多种长度型号，最大可达2260毫米。响应时间达到毫秒级别，检测范围可达12米，防护等级为IP65/IP67。意大利得力士光幕的优势在于安装简单，维护方便，成本相对较低。它在交通监控和物流分拣中实现长度、高度检测非常高效，适用于需要快速判断物体尺寸的场景，提供可靠的在线批量检测方案。

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

选择合适的长度测量设备，就像为一项特殊任务挑选最合适的工具。我们需要仔细考察几个关键的技术指标，因为它们直接决定了测量效果和系统表现。

• 精度与重复性：

  • 实际意义： 精度代表测量结果与真实值之间的接近程度，就像射击时子弹是否能打中靶心。重复性则代表多次测量的结果是否一致，就像每次射击子弹都落在同一个位置，即使偏离靶心也能通过校准来修正。

  • 对测量的影响： 对于线缆、管材这类需要精确定长的产品，哪怕是0.1%的长度误差，在长距离上也会累积成不可接受的偏差。高精度和高重复性是确保产品质量、减少废料、提升合格率的基础。

  • 选型建议： 如果您的产品对长度精度有严格要求（如±0.5mm以内），或者产品价值高，那么激光多普勒等具备更高精度等级的传感器是首选。对于一般长度判断或分段，毫米级精度的光幕可能就足够了。

• 测量速度与响应时间：

  • 实际意义： 测量速度指传感器每秒能进行多少次测量，响应时间是传感器从检测到变化到输出结果所需的时间。这决定了传感器能否“跟上”高速运动的生产线。

  • 对测量的影响： 生产线速度越快，对传感器的测量速度要求越高。如果传感器处理速度不够快，它就无法实时捕捉到线缆的精确瞬时速度，导致累积长度不准，可能延误切割指令，造成过切或欠切。

  • 选型建议： 对于高速运行的生产线，应选择测量速率达到几十kHz甚至数百kHz的传感器，并确保其数据更新率能满足控制系统对实时性的要求（例如每秒数百次数据更新）。

• 测量范围与景深：

  • 实际意义： 测量范围指传感器能够测量的最大长度或距离。景深则指在保持指定测量精度的前提下，被测物体可以在传感器视场中前后移动的距离。

  • 对测量的影响： 如果线缆在生产过程中存在轻微的上下或左右抖动，或者您需要测量不同直径的产品，那么传感器必须具备足够的景深来容纳这些变化，确保即使在抖动或尺寸切换时也能稳定、准确地测量。

  • 选型建议： 针对线缆直径变化大或存在抖动的场景，选择景深较大的传感器。如果需要在一个设备上测量多种尺寸的线缆，宽测量范围的传感器会更有优势。

• 环境适应性（防护等级、温度范围）：

  • 实际意义： 工业现场通常充满灰尘、水汽、油污、振动，甚至可能存在高温。防护等级（如IP67）表明设备防尘防水的能力，工作温度范围则表示其在不同温度下的运行稳定性。

  • 对测量的影响： 恶劣的环境会缩短传感器寿命，甚至直接导致测量故障或精度下降。

  • 选型建议： 务必选择防护等级高（至少IP65，推荐IP67）、工作温度范围广的工业级传感器。对于极端高温环境，考虑额外配备冷却外壳或系统。全固态无活动部件的设计能显著提高其在复杂环境下的长期可靠性。

• 通信接口与集成能力：

  • 实际意义： 传感器采集到的数据需要传输给PLC、上位机或SCADA系统进行处理和控制。丰富的通信接口和良好的集成能力可以确保数据传输的流畅性和系统的可扩展性。

  • 对测量的影响： 不兼容的接口或复杂难用的软件会导致集成困难，增加开发时间和成本，甚至影响数据的实时传输。

  • 选型建议： 优先选择支持工业主流通信协议（如以太网、RS-232、CANbus，以及PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP等工业总线）的传感器，这样可以更便捷地与现有自动化系统对接。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际的线缆、管材长度测量应用中，即使选择了先进的传感器，也可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能确保系统稳定运行并达到预期效果。

• 问题1: 产品表面特性影响测量精度。

  • 原因及影响： 线缆或管材的表面可能存在灰尘、水雾、油污、颜色深浅不一、反光程度变化（如亮面铜线与哑光橡胶），这些都会影响激光束的散射或反射效果，可能导致测量信号不稳定或丢失，进而影响长度测量的准确性。

  • 解决建议：

    • 清洁： 在测量点前加装气刀或清洁装置，定期吹扫/擦拭产品表面和传感器镜头，保持光路清晰。

    • 传感器选型： 选择对表面特性不敏感的测量原理，例如激光多普勒传感器对表面细微纹理的移动更敏感，受颜色和光泽度影响相对较小；而某些激光轮廓传感器则可以通过软件算法补偿表面反光。

    • 调整： 对于高反光表面，可以尝试调整传感器安装角度，避免镜面反射直射传感器，或者考虑喷涂一层薄薄的哑光涂层（在允许的情况下）。

• 问题2: 产品抖动或跳动。

  • 原因及影响： 在高速生产线上，线缆或管材受张力、牵引或设备振动等影响，可能会出现轻微的上下或左右抖动，导致传感器测量的瞬时位置或速度产生波动，进而影响累积长度的精度。

  • 解决建议：

    • 机械稳定： 在测量区域前后安装高精度的导向辊、张力控制装置或压紧装置，确保产品通过测量区域时运行平稳，最大限度地抑制抖动。

    • 数据处理： 选择具有高采样率和快速响应能力的传感器，以便能捕捉到瞬时变化。在上位机或PLC端，可以通过数据平滑算法（如移动平均、卡尔曼滤波）来滤除抖动引入的噪声，得到更稳定的长度数据。

• 问题3: 环境温度变化。

  • 原因及影响： 工业现场的温度可能随季节或设备运行状况而变化。温度变化会导致传感器内部光学元件发生微小热膨胀或收缩，进而影响测量光路和精度。

  • 解决建议：

    • 温度补偿： 选用本身具备温度补偿功能、或在宽温度范围内仍能保持高精度的传感器。

    • 环境控制： 对于极端温度环境，可以为传感器配备专用的冷却或加热外壳，或安装在有温控的机柜内，将其工作环境温度稳定在推荐范围内。

• 问题4: 数据集成与通信延迟。

  • 原因及影响： 传感器的数据无法顺畅、实时地传输到生产线的控制系统（如PLC或工业PC），导致控制滞后、指令发送不及时，进而影响切割精度和生产同步。

  • 解决建议：

    • 选择兼容性好的接口： 确保所选传感器支持您现有控制系统的主流工业通信接口和协议（如Ethernet/IP、PROFINET、Modbus TCP/RTU等），避免通信协议不匹配导致集成困难。

    • 网络优化： 检查工业网络的带宽和负载，确保数据传输链路稳定无堵塞。对于需要超高实时性的应用，考虑使用支持高速数据传输的专用工业以太网或实时总线。

    • 数据处理架构： 在控制系统端，优化数据处理逻辑，避免不必要的延迟。对于大量高速数据，可能需要配置高性能的工业PC作为数据预处理器。

4. 应用案例分享

• 电线电缆制造： 在电线、光纤生产线上，激光测长传感器实时监测线缆的挤出速度和累计长度，实现精确的定长切割，确保每卷线缆的米数完全符合客户要求，显著减少了材料浪费和人工复检成本。例如，英国真尚有AJS10X系列激光测速测长传感器，得益于准确的激光多普勒测量原理，可以实现精确的速度测量和长度测量。

• 塑料管材生产： 在PVC、PE等塑料管材的挤出生产中，传感器精确测量管材的运行速度，并根据设定长度发出切割指令，确保每一段管材的尺寸精准无误，提升了产品一致性和生产效率。

• 橡胶和轮胎行业： 用于精确测量轮胎制造过程中胶料或帘布的长度和速度，确保不同层材料的精确配比和同步卷绕，对轮胎的质量和性能起到关键的控制作用。

• 造纸和印刷行业： 在高速纸张或薄膜生产线上，传感器监测材料的运行速度和张力，确保精准的裁切和套准，避免因速度波动导致的废品。

• 金属板材与型材加工： 在钢板、铝箔、型钢等材料的连续轧制、分切或冲压线上，激光测长技术用于实时跟踪材料长度，实现高精度的在线定尺切割，有效提高材料利用率和产品精度。