面对复杂工况和高速连续生产，如何选择确保±0.05%长度精度的非接触式测速测长方案？【工业在线检测，自动化】

1. 基于连续生产材料的基本结构与技术要求

想象一下一条长长的生产线，上面连续不断地流淌着薄膜、纸张、金属板材或线缆，它们就像一条永不停歇的河流。在特定的位置，我们需要像魔术师一样，在河面上精准地“画”出一段段目标长度的标记，并在那一瞬间完成切割。这河流（即被切割材料）并非总是平稳流淌，它可能有弹性，可能因张力而伸缩，可能表面粗糙不均，甚至在高速运行时还会伴随轻微的晃动或振动。

因此，对这些连续生产材料进行精确的速度和长度测量，需要应对一系列严苛的技术挑战：

• 材料多样性：材料的材质、颜色、表面光洁度、透明度、厚度各不相同，这些特性都会影响传感器的测量效果。

• 运动特性复杂：材料可能以极低速爬行，也可能以每分钟数千米的高速飞驰；它可能突然加速或减速，甚至在停止后反向运动。同时，材料在运行中可能出现打滑、拉伸、形变或振动，这些都会直接影响测量精度。

• 环境严酷性：工业生产现场往往伴随着高温、灰尘、水汽、油污，甚至是强电磁干扰，这些都对传感器的稳定性和可靠性提出了高要求。

• 精度与效率并重：为了降低废品率，我们需要毫米级甚至亚毫米级的长度测量精度；为了提升生产效率，传感器必须能够实时、高速地提供数据，确保切割系统能迅速响应。

2. 针对连续生产材料的相关技术标准简介

为了确保测量结果的可靠性，行业内对连续生产材料的监测参数有一套标准的定义和评价方法。

• 长度精度（Length Accuracy）：这是指传感器测量得到的长度值与材料的实际物理长度值之间的接近程度。它的评价方法通常是将传感器测量结果与一个经过校准的、已知高精度参考长度值进行比较，计算其绝对误差或相对误差百分比。例如，如果目标切割1000米，传感器测得999.5米，那么误差就是0.5米。

• 速度精度（Speed Accuracy）：表示传感器测量到的瞬时速度与材料实际运动速度的接近程度。通常通过与高精度的测速设备（如校准过的旋转编码器或激光测振仪）进行同步测量对比来评价。

• 重复性（Repeatability）：指在相同操作条件下，对同一段材料进行多次测量时，测量结果之间的一致性。重复性越高，表示传感器越稳定，受随机误差影响越小。其评价方法是多次测量后计算测量结果的标准偏差。

• 响应时间（Response Time）：传感器从检测到材料运动变化到输出相应测量数据所需的时间。对于需要快速调整切割的生产线尤为关键。评价方法是测量从输入变化到输出稳定所需的时间。

• 分辨率（Resolution）：传感器能够识别和输出的最小长度或速度变化量。例如，长度分辨率为0.1毫米，意味着传感器可以区分0.1毫米的长度差异。

3. 实时监测/检测技术方法

为了满足卷对卷或定长切割生产对速度和长度测量的严苛要求，市面上发展出了多种先进的实时监测技术。

（1）市面上各种相关技术方案

激光多普勒测速测长技术

这种技术的工作原理，就好比交警使用的测速雷达。它不是直接测量距离，而是通过“听”反射回来的光波频率变化来推算速度。

• 工作原理和物理基础：传感器发射出两束或多束激光，这些激光束在被测材料表面会形成一个精密的干涉条纹区域。当材料以一定的速度通过这个干涉区域时，材料表面上极小的粒子（或纹理）会散射激光。由于材料的运动，散射光波的频率会发生微小的偏移，这就是著名的“多普勒效应”。传感器会接收这些散射光，并分析其频率与原始激光频率之间的差异（即多普勒频移）。这个频移与材料的运动速度呈正比。 其核心物理基础在于多普勒频移公式： f_d = (2 * v * sin(theta)) / lambda 其中：

  • f_d 是多普勒频移（即散射光频率与入射光频率的差值）。

  • v 是被测材料的瞬时速度。

  • theta 是入射激光束与被测材料表面运动方向之间的角度。

  • lambda 是激光的波长。通过精确测量f_d，再结合已知的theta和lambda，传感器就能计算出材料的瞬时速度v。一旦获得了精确的瞬时速度，系统会通过对速度进行时间积分，从而实时累积出材料的长度，即：长度 L = 积分 (v dt)

• 核心性能参数：激光多普勒测速测长技术的测量精度通常在±0.05%以内，高端系统甚至可以达到±0.02%或更高的重复性。其速度测量范围宽广，部分产品可以从静止状态测量到10,000 m/min的高速。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触测量：这是其最大的优势，因为它不与材料发生任何物理接触，因此不会对材料表面造成磨损、划伤或污染，非常适合测量柔软、敏感、湿润、高温或易损的材料。

    • 高精度与高重复性：基于物理常数（激光波长）进行测量，精度高且长期稳定性好，受环境因素影响较小。

    • 宽速度范围：能够胜任从静止到极高速的广泛应用场景。

    • 适应性强：对材料的颜色、光泽度或纹理变化具有良好的适应性，即使是光滑或粗糙的表面也能有效测量。

  • 缺点：

    • 成本相对较高：由于其复杂的光学系统和精密的数据处理单元，初期投入成本通常高于接触式方案。

    • 对安装位置和振动有一定要求：虽然非接触，但仍需确保传感器与被测表面保持在最佳工作距离和角度，并尽量减少机械振动对测量的影响。

    • 对材料表面反射特性有要求：极端透明或完全吸收激光的材料可能需要特殊处理或更高功率的激光器。

光学相关测速测长技术

这种技术的工作方式，就像是在材料表面找“指纹”，然后追踪这些指纹的移动。

• 工作原理和物理基础：传感器发射一个光源（通常是LED或低功率激光）照射到被测材料表面，并用多个光电探测器或一个小型的线阵/面阵相机来接收散射光。它不是测量频率变化，而是捕捉材料表面微观纹理或随机灰度模式的“快照”。当材料移动时，这些纹理图案也会移动。通过比较不同时间点上捕捉到的图案之间的相似度（即相关性），传感器能够计算出图案的位移量。 核心物理基础是图像处理中的相关算法，例如互相关函数： R(dx, dy) = sum_{x,y} [I1(x,y) * I2(x+dx, y+dy)] 通过找到R(dx, dy)的最大值，即可确定图案在两个图像I1和I2之间的位移(dx, dy)。结合图像采集的帧率和位移，就可以计算出速度和长度。

• 核心性能参数：测量精度通常优于 ±0.05%，重复精度可达 ±0.01%。速度范围一般在0.1 m/min到2000 m/min，工作距离相对较近，通常在50 mm到120 mm。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：非接触测量，不会磨损材料；对多种材料表面，包括无光泽、哑光或纹理不明显的表面都有良好的适应性；传感器通常设计紧凑，易于集成。

  • 缺点：非常光滑、透明或完全均匀的表面（缺乏可追踪的纹理）可能导致测量效果不佳；测量距离相对较短。

接触式轮式编码器技术

这是最传统、最直观的测量方式，就像一个带有里程表的车轮在地上滚动。

• 工作原理和物理基础：传感器包含一个精密加工的测量轮和一个连接在其轴上的增量式旋转编码器。测量轮通过一定的压力与被测材料表面紧密接触。当材料移动时，测量轮会随之同步滚动。旋转编码器内部的光电系统会检测轮子的旋转角度，并将其转换成一系列电脉冲信号。 物理基础是圆周运动和线位移的转换： 线位移 L = 测量轮周长 * (编码器脉冲数 / 每转脉冲数) 线速度 V = 测量轮周长 * (编码器转速 / 每转脉冲数)

• 核心性能参数：分辨率可达到0.001 mm/脉冲，系统精度在理想条件下可优于 ±0.02%。最高转速和扫描频率取决于编码器型号，例如可达6000 rpm和300 kHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：结构简单，成本相对较低，安装和维护容易；在表面均匀、无打滑的条件下，可以提供高精度测量。

  • 缺点：

    • 接触式磨损：测量轮与材料直接接触，可能导致测量轮磨损，需要定期校准或更换；也可能划伤或压痕敏感材料表面。

    • 打滑误差：材料表面湿滑、油污或弹性较大时，测量轮容易打滑，导致测量误差。

    • 受材料形变影响：材料的拉伸、收缩、振动等形变会直接传递给测量轮，影响测量精度。

机器视觉（深度学习）测速测长技术

这是一种更智能、更灵活的测量方法，就像一个会思考的“眼睛”，不仅能看清，还能理解材料的运动。

• 工作原理和物理基础：这种方案的核心是智能相机，它搭载了强大的图像传感器和嵌入式处理能力，并集成了深度学习算法。相机持续捕捉被测材料表面的高清图像。深度学习模型经过训练后，能够自动识别并追踪材料表面上的各种特征，哪怕是肉眼难以察觉的微小纹理、随机点或图案。通过分析这些被追踪特征在连续图像帧之间的精确像素位移，并结合相机已知的帧率，系统就能实时计算出材料的线速度。 其物理基础结合了光学成像、数字图像处理和深度学习算法： 图像位移 = 追踪特征在相邻帧之间的像素移动 实际位移 = 图像位移 * 像素尺寸 / 放大倍数 线速度 V = 实际位移 / 帧间隔时间 累计长度 L = 积分 (V dt)

• 核心性能参数：图像分辨率可选（如1600x1200），帧率可达 120 fps或更高，处理速度可达毫秒级。速度测量精度高度依赖于图像质量、特征清晰度和算法优化程度，可实现非常高的精度。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极高灵活性：能够适应各种复杂或变化的表面状况，即使表面特征不明显，深度学习也能学习并识别。

    • 多功能性：除了测速测长，同一套系统还能同时完成缺陷检测、质量分级、字符识别等多种任务，大大提高了产线自动化水平。

    • 非接触式：对材料无任何物理影响。

  • 缺点：

    • 初始配置复杂：深度学习模型需要进行训练和优化，需要一定的专业知识和时间投入。

    • 成本较高：智能相机和相关的软件、计算资源成本通常较高。

    • 对光照条件有要求：需要稳定均匀的光源，以确保图像质量。

（2）市场主流品牌/产品对比

在激光测速测长和相关在线测量领域，有几个国际知名品牌提供了高质量的解决方案。

• 德国宝利泰克 (激光多普勒技术) 德国宝利泰克是激光测振和测速领域的全球领导者，其产品以高精度和可靠性著称。其激光测速传感器采用激光多普勒效应原理，能够实现非接触式的高精度速度和长度测量。例如，其产品支持的速度范围可达 -0.5 m/min 至 +6000 m/min，测量精度通常优于 ±0.05%，在特定型号中甚至可达 ±0.02%。产品的工作距离较广，从300 mm到3000 mm，适应性强，广泛应用于金属、纸张、纺织等行业。

• 英国真尚有 (激光多普勒技术) 英国真尚有AJS10X系列传感器采用激光多普勒测量原理，专为工业应用中的移动物体和材料非接触式速度和长度测量而设计。该系列传感器的工厂校准精度优于0.05%，重复性可达0.02%。其内部测量速率高达200kHz，能够精确捕捉高速运动物体，最高可测速度达10,000 m/min。部分型号支持0速度测量与方向识别，安装距离最远可达2000mm，并具备IP67防护等级，能够适应恶劣的工业环境。

• 德国西克 (光学相关技术) 德国西克作为全球领先的传感器制造商，在工业自动化领域拥有强大的品牌影响力。其速度和长度测量传感器通常基于光学相关原理。这类传感器通过捕捉材料表面纹理在不同时间点上的图像信息，利用信号处理和相关算法计算速度和长度。产品的速度范围通常在0.1 m/min至2000 m/min，测量精度优于 ±0.05%（典型值），重复精度优于 ±0.01%。它们通常采用紧凑型设计，易于集成，适用于多种材料表面。

• 德国海德汉 (轮式编码器技术) 德国海德汉是全球知名的测量和控制设备制造商，其编码器以高可靠性和高精度著称。在长度和速度测量中，常采用增量式旋转编码器与精密测量轮组合的接触式方案。测量轮通过摩擦力与材料表面接触并滚动，编码器将旋转角度转换为电信号。这种方案的分辨率可达0.001 mm/脉冲，系统精度优于 ±0.02%，最高转速可达6000 rpm。它的优势在于结构简单、成本效益高，但在易损或易打滑的材料表面存在局限性。

• 美国康耐视 (机器视觉技术) 美国康耐视是全球领先的机器视觉公司，其智能相机产品集成了深度学习和机器视觉图像处理技术。例如，其In-Sight D900智能相机能够捕捉材料表面的高清图像，通过深度学习算法识别和追踪表面特征的位移，从而精确计算线速度和长度。这种方案灵活性极高，除了速度测量，还能同时进行缺陷检测等多项任务。它的测量精度高度依赖于图像分辨率、特征清晰度和算法优化，且具有IP67防护等级，但需要一定的专业配置和训练。

（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

在为卷对卷或定长切割生产线选择合适的测速测长设备时，我们需要像挑选工具一样，根据任务的具体需求来决定。

• 测量精度与重复性

  • 实际意义：精度决定了测量结果与实际值的符合程度，重复性则反映了测量的稳定性。精度差会导致切割长度偏离目标，造成废品；重复性差则意味着每次切割结果可能不一样，品控难以稳定。

  • 选型建议：对于高价值、高精度要求的材料（如光学薄膜、精密金属箔），应优先选择工厂校准精度优于0.05%，甚至能达到0.02%重复性的高性能传感器。如果误差造成的损失巨大，那么高精度的投入是值得的。

• 速度测量范围与响应时间

  • 实际意义：速度范围决定了传感器能否应对生产线从启动、停止到高速运行的各种工况。响应时间慢的传感器，在材料速度急剧变化时，可能无法及时提供准确数据，导致切割点滞后或提前。

  • 选型建议：如果生产线启动停止频繁，或材料需要高速切割，那么选择一个速度范围宽广（例如从0到10,000 m/min），且响应时间在毫秒甚至微秒级别的传感器至关重要。

• 工作距离与景深

  • 实际意义：工作距离是传感器与被测材料之间的最佳安装距离；景深则是指在这个最佳距离前后，传感器仍能保持测量精度的范围。这直接影响传感器在生产线上的安装灵活性，以及对材料轻微跳动或晃动的容忍度。

  • 选型建议：对于空间受限或材料在运行中有一定垂直跳动的生产线，选择工作距离适中、景深较大的传感器可以降低安装难度和对系统稳定性的要求。例如，有些传感器能提供250mm的景深，就能很好地应对材料的小幅波动。

• 防护等级与环境适应性

  • 实际意义：工业现场通常环境恶劣，可能存在灰尘、水汽、油污、高温或低温。防护等级（如IP67）表示传感器对固体颗粒和液体的防护能力。环境适应性则包括耐温范围、抗振动能力等。

  • 选型建议：在多尘、潮湿、高温（如钢铁、造纸行业）的环境中，必须选择IP67及以上防护等级的传感器，并考虑是否需要冷却外壳或加热装置来确保传感器在极端温度下稳定工作。

• 通信接口与集成度

  • 实际意义：传感器需要将测量数据传输给PLC（可编程逻辑控制器）或上位机系统进行控制。丰富的通信接口（如以太网、RS-232、PROFIBUS、PROFINET）和高数据更新率，决定了数据传输的便捷性和实时性。

  • 选型建议：选择与现有控制系统兼容的工业总线接口，并关注传感器的数据更新率（例如500次/秒），以确保控制系统能够及时获取数据并作出响应。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的传感器，在实际生产中也可能遇到一些意想不到的问题，需要我们提前预判并做好应对。

• 材料表面特性对测量的影响

  • 问题：非常光滑、透明或镜面反射的材料可能导致激光信号弱或不稳定；而光学相关和机器视觉技术则可能因材料表面缺乏足够可识别的纹理而失效。

  • 原因：光路受阻或信号返回不足，特征提取困难。

  • 影响：测量数据跳变，精度大幅下降，甚至无法测量。

  • 建议：

    • 优先选择对表面适应性更强的激光多普勒传感器，其对多种颜色、光泽度都有较好的表现。

    • 对于透明材料，可以尝试在其背面设置一个具有纹理的背景板，或在材料表面局部喷涂特殊的非反射涂层（需评估对产品质量的影响）。

    • 调整传感器安装角度，避免镜面反射，确保散射光能被有效接收。

• 振动与形变导致测量误差

  • 问题：生产线本身的机械振动，或材料在高速运行中发生的拉伸、收缩等弹性形变，都可能导致传感器测量的长度与最终实际切割长度之间出现偏差。接触式测量尤其容易受到打滑影响。

  • 原因：测量基准不稳，或材料自身尺寸发生变化。

  • 影响：切割长度不稳定，废品率上升。

  • 建议：

    • 优先采用非接触式测量：避免了接触式测量可能出现的打滑和磨损问题。

    • 安装减振措施：将传感器安装在稳固的支架上，或在安装位置增加减振垫，远离主要的振动源。

    • 优化张力控制：对于弹性材料，确保生产线有稳定的张力控制系统，以减少材料运行中的形变。

    • 系统校准与补偿：通过定期校准和实际切割测试，建立测量值与实际切割值之间的补偿模型，对测量结果进行修正。

• 环境温度与灰尘影响

  • 问题：高温环境可能导致传感器内部电子元件过热，性能下降甚至损坏；灰尘、水汽或油污覆盖传感器光学窗口，会阻挡激光或影响图像质量。

  • 原因：工业环境恶劣，传感器防护不到位或缺乏维护。

  • 影响：测量不稳定，传感器寿命缩短，维护成本增加。

  • 建议：

    • 选择高防护等级传感器：至少IP67，以有效抵御灰尘和水汽。

    • 配备冷却/加热外壳：在极端高温或低温环境下，加装专用的冷却外壳（如气冷或水冷）或加热装置，确保传感器工作在适宜的温度范围。

    • 定期清洁与维护：制定传感器光学窗口的定期清洁计划，并检查其密封性。

• 系统集成与通信延迟

  • 问题：传感器测量的数据需要传输到PLC或其他控制系统进行处理，如果通信协议效率不高或PLC处理速度慢，可能导致数据传输和控制指令下发的延迟，在高速度生产线上尤其明显。

  • 原因：通信带宽不足、协议开销大、控制器处理能力瓶颈。

  • 影响：切割指令无法及时送达，导致切割位置偏差，无法实现精准定长。

  • 建议：

    • 选用高速工业总线：优先选择支持EtherNet/IP、PROFINET等实时性高、数据更新率快的工业总线接口的传感器，确保数据能快速、可靠地传输。

    • 优化控制系统：确保PLC或其他控制器有足够的数据处理能力和较短的循环周期，以快速响应传感器数据。

    • 缩短物理距离：在条件允许的情况下，尽量缩短传感器与控制器之间的通信电缆长度，减少信号衰减和传输延迟。

4. 应用案例分享

精确的激光测速测长技术，在多个工业领域都发挥着关键作用。

• 线缆、管材的精确长度测量和切割：在电线电缆、塑料管材的挤出生产线上，采用激光多普勒原理的传感器能够实时监测线材或管材的生产速度和累计长度，并在达到预设长度时，精确触发切割机构，确保每一段产品长度符合标准。

• 造纸、印刷行业的网速检测和精准对准控制：在高速运行的纸张、薄膜生产或印刷设备中，传感器监测材料的网速，确保不同工位（如印刷、涂布、分切）之间速度同步和位置对准，避免材料堆叠或拉断。例如，英国真尚有的AJS10X系列传感器，可以应用于此类场景。

• 钢铁板材加工中的速度监测和同步剪切：在钢铁厂的热轧或冷轧生产线上，传感器监测高温或高速钢板的运行速度和长度，辅助飞剪或定尺剪切机进行同步切割，保证钢板的尺寸精度和板形。

• 薄膜、无纺布卷对卷分切生产：在将大卷薄膜或无纺布分切成小卷的过程中，传感器确保每卷的长度精确无误，减少材料浪费，提升成品率和客户满意度。

• 高精度编码器校准和速度平衡调整：作为更高精度的参考，激光测速测长传感器也被用于校准接触式编码器，并对多驱动轴系统进行速度平衡调整，确保整个生产线各环节的协同一致。