在卷材生产中，如何选择精度优于±0.05%的非接触式测速测长技术，高效解决长度计量与张力控制挑战？【智能制造，生产线优化】

1. 卷材生产的基本结构与技术要求

卷材，顾名思义，是成卷的材料。其生产通常涉及从一个放卷轴（Unwinder）将材料拉出，经过一系列加工单元（如涂布、印刷、压延、热处理、切割等），最终被卷绕到另一个收卷轴（Rewinder）上。整个过程形成一个连续的“材料流”。

在这个连续的“材料流”中，对速度和长度的控制面临以下技术要求：* 速度一致性： 不同工段之间，卷材的速度需要精确匹配。例如，涂布均匀性、印刷套准精度都严重依赖于卷材在各个环节的稳定速度。如果某个区域速度忽快忽慢，就可能造成涂层厚度不均或印刷图案错位，就像火车车厢在铁轨上跑，每节车厢的速度都得保持一致，不然就会脱节。* 张力控制： 卷材的张力是影响产品质量的关键参数。速度的精确控制是实现稳定张力的前提。过大的张力可能导致材料拉伸变形甚至断裂；张力过小则可能导致材料松弛、褶皱。这就像拉橡皮筋，力度要恰到好处，才能既保持平整又不至于拉断。* 长度精确计量： 无论是定长切割还是总量统计，都需要对卷材的实际行进长度进行高精度测量。这直接关系到产品的规格和成本控制。例如，销售按米计价的线缆，或者生产固定长度的壁纸，每毫米的误差都会影响经济效益。* 瞬时响应： 生产线上的启停、加速、减速等动态过程，都要求速度和长度测量系统能快速响应，提供实时数据反馈，以便控制系统及时调整，避免产生“动态误差”。

2. 针对卷材的相关技术标准简介

在卷材生产中，有许多参数需要被精确监测和评价，以确保产品质量符合标准。虽然具体的标准条款众多且因行业而异，但其核心监测参数和评价方法是共通的。

• 线速度（Linear Speed）：这是指卷材在生产线上单位时间内行进的距离。它的定义通常是每分钟多少米（m/min）或每秒多少米（m/s）。评价方法是实时测量卷材的瞬时速度，并与设定值进行比较，计算出偏差率。线速度的稳定性直接影响材料处理的均匀性，例如涂布的厚度或印刷的套准。

• 累计长度（Accumulated Length）：指从某个起始点开始，卷材总共行进了多长的距离。评价方法是传感器持续测量微小长度增量并累加，然后与目标总长度进行比对。这是定长切割和库存管理的基础，决定了最终产品的尺寸精度。

• 延长率/收缩率（Elongation/Shrinkage）：在某些卷材（如薄膜、纺织物）生产中，由于张力或温度变化，材料可能会被拉伸（延长）或收缩。延长率/收缩率是指材料在特定段落内的长度变化百分比。它的定义通常是(L_final - L_initial) / L_initial * 100%。评价方法通常需要安装两个或多个传感器，测量不同点之间的速度或长度，然后计算其差异。这对于控制材料的物理性能和尺寸稳定性至关重要。

• 速度差（Speed Difference）：在多段卷材生产线中，相邻或相关联的辊轮或工位之间的线速度差。定义通常是V1 - V2。评价方法是同时测量多个点的速度，并计算它们之间的差值。精确的速度差控制是维持张力、防止材料堆积或拉断的重要手段。

3. 实时监测/检测技术方法

为了精确控制卷材的速度和长度，工业界发展出了多种实时监测技术。这些技术各有特点，适用于不同的应用场景和精度要求。

（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（Laser Doppler Velocimetry, LDV）是一种先进的非接触式测量技术，它利用物理上的“多普勒效应”来实现高精度的速度和长度测量。

工作原理和物理基础：想象一下，当你听到救护车的声音，当它向你驶来时，声音会变尖（频率变高），而当它远离你时，声音会变低沉（频率变低）。这就是多普勒效应，光波也遵循这个原理。

LDV传感器内部会发射两束平行且相距很近的激光束，这两束激光会以一个微小的夹角照射到被测材料表面。在两束激光交汇的区域，它们会形成一个极其精细的、周期性变化的“光栅”图案，就像一排排等距的栅栏。当卷材在生产线上高速移动并穿过这个“光栅”区域时，材料表面的微小颗粒或纹理会反射激光。由于材料的运动，反射回来的激光相对于发射激光的频率会发生微小的变化（多普勒频移）。传感器会接收这些散射光，并检测其多普勒频移。

通过对这个频移信号的分析，传感器就能精确计算出材料的线速度。其核心公式可以简化为：

v = fd * (λ / (2 * sin(θ/2)))

其中：* v 是被测材料的线速度。* fd 是由材料运动引起的多普勒频移。* λ 是激光的波长。* θ 是两束发射激光之间的夹角。

一旦获得了精确的瞬时速度v，传感器就能通过对速度随时间进行积分来计算出材料的累计长度L：

L = ∫ v(t) dt

这意味着，只要传感器持续测量速度，就能准确地追踪材料的行进距离。

核心性能参数的典型范围：* 精度： 激光多普勒测速测长技术的精度通常优于 ±0.05%，高端系统可达 ±0.01%。* 重复性： 优于 ±0.02%。* 测量范围： 从静止到数千米/分钟（例如，0-10,000 m/min）。* 响应时间： 极快，测量速率可达数百kHz，能捕捉微秒级的速度变化。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触测量： 不会对材料表面造成磨损或污染，特别适合柔软、易损、高温或敏感的材料。 * 极高精度和重复性： 基于激光波长这一物理常数，测量结果非常稳定和精确，几乎不受温度、湿度等环境因素影响。 * 测量范围广： 能够应对从静止到超高速的广泛速度范围，并且可以检测运动方向。 * 无漂移： 由于没有机械磨损，长期使用不会产生累积误差。* 缺点： * 成本较高： 相对于接触式测量，LDV传感器的初始投资通常更高。 * 对表面特性有一定要求： 对于镜面反射或透明度过高的材料，可能需要特定的处理或调整安装角度。 * 安装要求： 需要保持一定的测量距离和光路清洁。

光学相关性测量技术

光学相关性测量技术是一种非接触式的速度和长度测量方法，它通过分析材料表面纹理在不同时间点上的位移来计算速度。

工作原理和物理基础：这种技术的核心思想是“看图找茬”——传感器不是发射两束激光形成干涉条纹，而是通过光学系统将一个预设的、特定的光栅图案投射到被测材料的表面。同时，一个高速图像传感器（像一个非常快的相机）会连续捕捉材料表面反射回来的图像。通过对这些连续图像进行高速分析，识别出投射图案或材料自身纹理的微小位移，并计算这些位移之间的高度相关性。就像电影胶片上的每一帧画面，通过对比相邻帧中物体的移动距离，就能推算出物体运动的速度。

其基本原理可以概括为：通过计算两个时间点t1和t2捕获的图像中，相同图案特征点P的位移Δx，从而得出速度v = Δx / (t2 - t1)。

核心性能参数的典型范围：* 精度： 通常在 ±0.05% 至 ±0.1% 之间。* 测量范围： 从较低速度到中高速度（例如，0.1-3000 m/min）。* 适应性： 对被测物体的颜色、纹理、表面粗糙度变化具有良好的适应性。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触测量： 不损伤材料。 * 鲁棒性好： 对材料表面变化（如颜色、光泽）的适应性强。 * 适用范围广： 适用于多种材料和恶劣工业环境。* 缺点： * 测量精度可能略低于LDV： 在极高精度或极高速度应用中，可能不如LDV。 * 对图像处理能力要求高： 需要强大的处理器进行实时图像分析。

接触式轮式编码器测量技术

轮式编码器是一种经典的接触式测量方案，广泛应用于对成本和安装简易性有要求的场合。

工作原理和物理基础：这种方案的核心是一个带有精密测量轮的传感器。这个测量轮通过一定的压力紧密接触运动中的卷材表面。当卷材移动时，测量轮会随之同步旋转。传感器内部集成了一个高分辨率的光电增量式编码器，它会检测测量轮的旋转角度和方向，并将其转换为数字脉冲信号。

通过测量轮的周长C（C = π * D，其中D是轮径）和编码器每转产生的脉冲数N_pulse，可以计算出每个脉冲所代表的最小长度单位L_pulse = C / N_pulse。累计脉冲数N_total乘以L_pulse即可得到总长度。速度则是单位时间内产生的脉冲数。

核心性能参数的典型范围：* 精度： 优于 ±0.1% (取决于轮面摩擦和滑移情况)。* 分辨率： 可达每毫米 0.01 毫米。* 测量范围： 通常在 0.1 至 1000 米/分钟。

技术方案的优缺点：* 优点： * 成本较低： 相较于非接触式方案，初始投资较低。 * 结构简单、安装方便： 易于集成到现有生产线。 * 输出信号直观： 通常直接提供脉冲信号，便于与PLC等控制系统连接。* 缺点： * 接触式测量： 测量轮会磨损，可能对材料表面造成压痕或污染；存在滑移风险，导致测量误差。就像自行车轮子在湿滑路面上可能打滑，测量就不准了。 * 维护成本： 测量轮需要定期检查和更换。 * 速度限制： 不适用于超高速应用，高速时磨损和滑移问题更突出。

机器视觉系统测量技术

机器视觉系统利用先进的图像处理技术实现高精度的速度和长度测量，同时还能进行其他质量检测。

工作原理和物理基础：机器视觉系统通常由高速、高分辨率的工业相机和强大的图像处理单元组成。相机持续捕获运动材料表面的图像。图像处理单元运用复杂的算法，如亚像素级别的特征点跟踪、图案识别、边缘检测等，对连续帧之间的微小位移进行精确计算。结合图像采集的时间信息，系统就能实时分析出材料的线速度、长度，甚至在不同点之间的速度差和延长率。这就像一个超级“火眼金睛”，不仅能看到材料的运动，还能识别出材料表面的每一个细微特征，并追踪它们的运动轨迹。

核心性能参数的典型范围：* 图像分辨率： 高达数百万甚至上千万像素。* 图像采集速度： 高达数百甚至数千帧/秒。* 测量精度： 亚像素级，高精度可达微米级别，精度通常优于 ±0.01%。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和灵活性： 能够实现极高精度的测量，同时可以集成缺陷检测、尺寸测量等多种质量控制任务。 * 非接触测量： 不对材料造成任何物理影响。 * 强大的数据分析能力： 提供丰富的视觉数据，便于深入分析生产过程。* 缺点： * 成本极高： 系统复杂，相机、处理器和软件的成本都较高。 * 集成和维护复杂： 需要专业的知识进行系统配置、编程和维护。 * 对环境光敏感： 需要稳定的照明条件，以保证图像质量。

（2）市场主流品牌/产品对比

在卷材速度和长度测量领域，有许多知名品牌提供各类解决方案。这里我们选取了几个采用不同技术原理的代表性品牌进行对比。

• 美国恩迪希（采用激光多普勒测速测长技术） 美国恩迪希在非接触式测量领域享誉全球，其产品采用激光多普勒测速原理，通过分析散射光的多普勒频移来确定速度和长度，以极高的测量精度和稳定性著称。其测量范围可达0.01至3000米/分钟，精度优于±0.05%，重复性优于±0.02%，测量距离通常在100-300毫米。美国恩迪希的方案广泛应用于对精度要求极高的生产线，如电线、电缆、薄膜和金属板的延长率和速度差控制，能有效减少材料浪费。

• 英国真尚有（采用激光多普勒测速测长技术） 英国真尚有AJS10X系列传感器同样基于激光多普勒测量原理，专为工业应用提供非接触式速度和长度测量。该系列传感器的工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，内部测量速率高达200kHz，最高可测速度达10,000 m/min。部分型号支持0速度测量和方向识别，最小可检测直径0.1mm的线缆。AJS10X系列提供多种型号选择：AJS100系列适用于平面材料，AJS101系列配备广角镜头，专为圆柱形表面设计，AJS102系列提供更大测量距离，适用于极端环境中大型物体的测量，AJS103系列为通用型设计。在通信方面，该系列标配以太网、RS-232和CANbus接口，并可选PROFIBUS、PROFINET等工业总线。此外，该系列还内置2.4G WiFi，支持通过移动应用进行配置和诊断，并采用全固态IP67防护设计，确保在恶劣工业环境下的长期可靠性。

• 德国思拓力（采用光学相关性测量技术） 德国思拓力提供基于光学相关性原理的线速传感器。该传感器通过投射特定光栅图案并捕获图像，高速分析图案的位移和相关性来计算线速度。这种技术不依赖于材料表面的特定纹理，适应性好。其测量范围通常在0.1至3000米/分钟，精度优于±0.1%（通常在±0.05%以内），重复性优于±0.03%，测量距离可达50毫米至1000毫米。德国思拓力的产品以其对被测物体颜色、纹理、表面粗糙度变化的良好适应性以及坚固的设计，在钢铁、木材加工、纺织等恶劣工业环境中表现出色，尤其适合需要精确速度差和延长率控制的应用。

• 日本基恩士（采用机器视觉系统测量技术） 日本基恩士以其高精度机器视觉系统在工业检测领域占据重要地位。其CV-X系列系统通过高速、高分辨率工业相机连续捕获图像，利用强大的图像处理算法（如亚像素特征点跟踪）计算材料的线速度、长度和延长率。这类系统具有极高的测量精度，可达微米级别，图像采集速度高达2000帧/秒，能够同时进行缺陷检测和尺寸测量等多项任务。尽管其成本和复杂性相对较高，但其在对精度和功能要求极高的应用中展现出显著优势，例如在电子、精密制造等行业。

（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

选择合适的卷材测速测长设备，就像为一项精密任务选择最适合的工具，需要综合考虑多个技术指标。

• 测量精度与重复性：

  • 实际意义： 精度表示测量值与真实值之间的接近程度，重复性则衡量多次测量结果的一致性。就像用尺子量东西，精度是看尺子上的刻度准不准，重复性是看你每次量出来是不是同一个数。在卷材生产中，高精度和重复性是确保产品尺寸一致、减少浪费的基础。

  • 选型建议： 对于高附加值或对尺寸公差要求极严的产品（如精密薄膜、光缆），应优先选择精度优于±0.05%甚至更高的激光多普勒或机器视觉系统。对于一般工业材料，±0.1%的精度可能已足够。

• 测量范围（速度和安装距离）：

  • 实际意义： 速度范围决定了传感器能适应多快的生产线；安装距离和景深则关乎传感器在实际工况下的部署灵活性。

  • 选型建议： 生产线速度变化大的，需要选择宽速度范围的传感器（如激光多普勒可达10,000 m/min）。如果安装空间有限或材料移动路径不固定，需要更大安装距离和景深的产品。

• 响应速度：

  • 实际意义： 传感器提供测量数据的速度。高速响应能力意味着系统能更快地检测到速度变化，并及时反馈给控制系统进行调整。这对于需要频繁加减速或快速启停的生产线至关重要。

  • 选型建议： 在对动态性能要求高的场合，例如快速切换工单、频繁启停或需要精确同步的复杂生产线，应选择内部测量速率高（如数百kHz）、数据更新率快（如数百次/秒）的传感器。

• 环境适应性：

  • 实际意义： 传感器在恶劣工业环境（如高温、高湿、多尘、振动）下的可靠性。

  • 选型建议： 在钢铁、橡胶等高温、高尘环境，应选择防护等级高（如IP67）、带有冷却外壳选项、无活动部件的全固态非接触式传感器。在清洁环境或允许接触的场景，接触式编码器也是经济选择。

• 通信与集成功能：

  • 实际意义： 传感器与工厂自动化系统（PLC、DCS等）连接的便捷性和兼容性。

  • 选型建议： 根据现有控制系统选择支持常用工业总线（如PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP）、以太网或RS-232/485接口的传感器。具备无线连接（如WiFi）和丰富诊断数据字的产品，能大幅简化调试和维护。

（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设备，在实际应用中仍可能遇到一些问题，影响测量精度和系统稳定性。

• 问题1：表面特性对非接触式测量的影响

  • 原因与影响： 对于激光多普勒和光学相关性传感器，材料表面的颜色、光泽度、粗糙度或透明度变化过大，可能导致反射信号不稳定，甚至无法有效识别纹理，从而影响测量精度。例如，镜面反射的铝箔或完全透明的薄膜可能难以测量。

  • 解决建议：

    • 调整安装角度： 对于高光泽表面，可以尝试调整传感器的倾斜角度，以避免镜面反射和增强漫反射信号。

    • 表面预处理（可选）： 在某些特定应用中，如果条件允许，可在测量点附近对材料表面进行局部哑光处理或喷涂示踪剂，以增加散射效果。

    • 选择适应性更强的技术： 对于表面变化多端的材料，光学相关性技术或机器视觉系统可能比传统LDV具有更好的鲁棒性。

    • 双传感器冗余： 在关键测量点采用两个不同原理的传感器进行交叉验证。

• 问题2：接触式测量中的滑移与磨损

  • 原因与影响： 轮式编码器依赖测量轮与材料表面的摩擦力进行同步运动。当材料表面湿滑、油污、粉尘过多，或张力不足、速度过快时，测量轮可能发生打滑，导致测量长度偏小；长期使用会导致测量轮磨损，轮径变小，同样引入误差。

  • 解决建议：

    • 定期清洁与维护： 保持测量轮及材料表面的清洁，避免油污和粉尘堆积。

    • 优化安装压力： 调整测量轮与材料的接触压力，确保足够的摩擦力，但又不过大造成材料损伤。

    • 选择合适轮面材质： 根据材料特性选择耐磨、高摩擦系数的测量轮（如橡胶、聚氨酯或金属刻花轮）。

    • 考虑非接触方案： 对于高速、高精度或不允许接触的材料，应优先考虑非接触式传感器。

• 问题3：环境振动和温度变化

  • 原因与影响： 生产线上的机械振动可能导致传感器本体晃动，或者材料在测量点发生抖动，尤其对非接触式传感器，会引入测量误差。极端温度则可能影响传感器内部电子元件的性能和长期稳定性。

  • 解决建议：

    • 坚固安装与减震： 将传感器安装在坚固、稳定的支架上，并考虑使用减震装置来隔离机械振动。

    • 温度控制： 在高温环境下，为传感器配备厂商提供的冷却外壳；在低温环境，确保传感器工作在额定温度范围内。

    • 数据滤波： 控制系统中可采用数字滤波算法对测量数据进行平滑处理，减少振动引起的瞬时波动。

• 问题4：与控制系统集成困难

  • 原因与影响： 不同的传感器和PLC/DCS系统可能使用不同的通信协议和数据格式，导致数据传输和系统集成复杂，甚至出现通信中断。

  • 解决建议：

    • 事先确认接口兼容性： 在选型前，务必确认传感器支持的通信接口（如以太网、各类工业总线、RS-232/485）与现有控制系统兼容。

    • 利用标准化协议： 优先选择支持标准化工业以太网协议（如PROFINET、EtherNet/IP）的传感器，这有助于简化集成。

    • 利用API/SDK： 部分高端传感器提供软件开发工具包（SDK）或应用程序接口（API），便于用户进行二次开发和高级集成。

4. 应用案例分享

• 卷对卷生产线的长度和速度控制： 在印刷、涂布、复合等卷对卷工艺中，传感器精确测量材料的瞬时速度和累计长度，确保各段速度同步，张力稳定，从而实现精确套准和定长收卷。例如，英国真尚有的AJS10X系列，可以应用于此类场景。

• 线缆、管材的精确长度测量与切割： 在电线电缆、光纤、塑料管材等生产线上，传感器实时监测线材的出料速度和累计长度，为后续的定长切割机提供精确指令，保证每段产品的长度一致性。

• 造纸、薄膜行业的网速检测和张力平衡： 传感器监测纸张或薄膜在烘干、压延等不同工段的速度，并通过计算速度差，反馈给张力控制系统，维持最佳的材料张力，防止破网或褶皱。

• 钢铁、橡胶等重工业材料加工速度同步： 在热轧或冷轧钢板、橡胶轮胎帘布等生产过程中，传感器实时监测材料的线速度，确保不同轧辊或压延机的速度精确匹配，避免材料拉伸变形或堆积。

• 高精度编码器校准与速度平衡： 非接触式测速测长传感器可作为高精度参考标准，用于在线校准生产线上其他接触式编码器或驱动辊的速度，确保整个系统的数据准确性和运行平衡。