如何在高速造纸生产线实现0.05%高精度非接触纸张线速度测量，有效应对打滑及恶劣环境？【造纸自动化检测】

1. 基于造纸纸张的基本结构与技术要求

在造纸生产线上，我们主要测量的是“纸张”这种材料的速度。纸张并非一个坚硬、固定的物体，而是一张薄而连续的“纸网”。想象一下，它就像一条高速公路上的车流，源源不断、快速向前。这条“纸高速公路”有几个特点，给速度测量带来了挑战：

首先，柔软性与易损性。纸张在生产过程中比较脆弱，特别是在湿部，不能承受任何接触式测量带来的摩擦或压力，否则很容易破损，导致断纸停机。即使是干纸，也尽量避免接触，以保持表面质量。

其次，高速与连续性。现代造纸生产线速度非常快，有些甚至能达到每分钟上千米，相当于汽车在高速公路上飞驰。而且，生产过程是连续不间断的，这就要求速度测量必须是实时、连续且响应迅速的，不能有丝毫的延迟或停顿。

再者，表面特性多样性。纸张表面可能存在细微的纹理、颜色深浅变化，或者因为生产工艺（如涂布、压光）而产生不同的光泽度。这些表面特性可能会影响某些光学测量方法的准确性。

最后，环境复杂性。造纸车间通常温度较高、湿度大，还可能存在纸屑、粉尘或水雾，这些都会对精密测量设备造成干扰甚至损坏。

因此，提高造纸生产线纸张的速度测量精度，核心在于如何在大速度、非接触、易损、环境复杂的条件下，持续、准确地获取纸张的瞬时运动状态。

2. 针对造纸纸张的相关技术标准简介

在造纸生产中，对纸张的监测参数众多，速度是其中一个非常基础且关键的参数，它直接影响到生产效率和产品质量。除了速度，还有其他一些重要参数也需要精确测量和控制：

• 线速度 (Linear Speed)：这是指纸张在生产线上单位时间内移动的距离，通常以米/分钟（m/min）或英尺/分钟（ft/min）表示。精确测量线速度对于控制各个工段的同步、防止断纸、优化干燥和涂布效果至关重要。其评价方法通常是通过将连续测得的速度值进行统计分析，包括平均速度、瞬时速度波动范围等。

• 长度 (Length)：这是指纸张在生产线上特定时间段内累积移动的总距离。在卷筒纸的收卷、分切或定长切割应用中，精确的长度测量至关重要，直接关系到最终产品的规格和客户需求。长度通常通过对速度信号进行积分获得，其评价方法包括总长度误差、批次长度一致性等。

• 张力 (Tension)：纸张在生产线上不同区域需要保持合适的张力，就像拉扯一根橡皮筋。张力过大会导致纸张拉伸甚至断裂，过小则会造成纸张松弛、褶皱或跑偏。速度测量精度间接影响张力控制，因为张力与速度差紧密相关。张力通常通过张力传感器直接测量，并与速度信号联动控制。

• 克重 (Basis Weight)：又称定量，指单位面积纸张的质量，通常以克/平方米（g/m²）表示。这是衡量纸张厚薄和密度的关键指标。尽管不直接测量速度，但稳定的生产速度有助于保持纸浆流量和纸张成型均匀，从而影响克重的稳定性。

• 水分含量 (Moisture Content)：纸张中的水分比例，对纸张的物理性能（如强度、平整度）和后续加工（如印刷）影响很大。在干燥过程中，精确的速度控制可以优化干燥时间和效果，确保水分均匀。

这些参数的准确监测，共同构成了造纸生产线质量控制的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在造纸生产线高速运行中，提高速度测量精度是关键。目前市面上有很多先进的测量技术，每种都有其独特的优势和适用场景。

激光多普勒测速法 (Laser Doppler Velocimetry, LDV)

这种技术就像是给移动的纸张打上“光纹身”，然后通过分析这些“纹身”的变化来判断它的速度。具体来说，LDV传感器会发射两束高度聚焦的激光，这两束激光会在纸张表面形成一个精密的干涉条纹区域。当纸张穿过这个区域时，纸张表面不均匀的微粒会散射激光。由于多普勒效应，从不同方向返回的光线会产生频率偏移。

我们可以把这个过程想象成火车鸣笛。当火车向你驶来时，笛声听起来会变尖（频率变高），而当它离你远去时，笛声会变低沉（频率变低）。同样，当纸张上的微小特征点进入和离开激光干涉条纹时，它们反射的光波频率会发生变化。传感器内部的光电探测器会接收并分析这些散射光的干涉信号，从而计算出一个“多普勒频率”或“差频”。

多普勒频率（f_d）与被测物体的速度（v）之间存在一个明确的关系，可以简化为：f_d = (2 * v * sin(θ/2)) / λ其中，v 是物体速度，λ 是激光波长，θ 是两束激光的夹角。在传感器设计中，λ和θ都是已知且固定的参数，因此通过测量f_d，就可以非常精确地计算出纸张的瞬时速度v。

这种技术最大的优点是非接触式测量，对纸张没有任何磨损或影响，非常适合柔软、易损的材料。由于其原理基于光波干涉，精度非常高，工厂校准精度通常可优于0.05%，重复性可达0.02%。此外，它能测量的速度范围非常广，从静止到高速（最高可达数千米/分钟），并且响应速度快，能精确捕捉高速运动中的瞬时速度变化。它也不受纸张打滑、磨损或表面不平整的影响，避免了传统接触式编码器常见的误差。然而，这种技术对纸张表面的反射率和环境中的粉尘、水雾有一定要求，过强的反光或过多的干扰物可能会影响测量稳定性。成本相对较高，但其带来的高精度和免维护特性在高端应用中非常值得。

激光三角测量法

激光三角测量法的工作原理，好比我们用激光笔照在一个物体上，然后从另一个角度去看这个光点的位置变化。传感器会向被测纸张表面发射一条或一个点状激光。当纸张表面发生距离变化时，反射回来的激光点或线在传感器内部的接收元件（比如CCD或CMOS摄像头）上的位置也会发生偏移。

通过高中的三角几何原理，传感器可以根据激光发射器、接收器和激光点在接收器上的位置，精确计算出纸张表面与传感器之间的距离。如果纸张是连续运动的，那么通过连续测量距离的变化，结合时间信息，就可以推算出纸张的速度。

例如，通过激光在接收器上形成的像点位置Y与距离L之间的关系，可以简化为：L = f * b / Y其中，f是透镜焦距，b是基线距离，Y是像点位置。

这种方法的优势在于它可以非常快速地获取目标物体的距离、轮廓和尺寸信息，Z轴（深度方向）的重复精度可以达到微米级别。它也是非接触式的，适用于对纸张进行高精度的几何尺寸测量，例如纸张的厚度、平整度等。缺点是其核心测量的是距离，速度是通过距离变化间接计算的，因此在纯速度测量方面，响应速度和直接精度可能不如激光多普勒测速法。同时，纸张表面的颜色、光泽度变化可能会影响激光的反射效果，进而影响测量精度。成本中等。

机器视觉与图像处理技术

你可以把机器视觉系统想象成一个“会看、会思考”的智能摄像头。它通过高分辨率的工业相机捕捉纸张在高速运动中的图像。然后，内置的图像处理软件会像人类大脑一样，识别图像中的特定特征点或纹理。比如，它可以在纸张表面寻找一些天然的纤维纹理、水印，甚至是印刷图案中的某个角点。

一旦识别到这些特征，系统就会在连续拍摄的多帧图像中追踪这些特征点的移动轨迹。通过计算特征点在不同帧图像中的位置变化（像素位移）和图像帧之间的时间间隔，就可以精确计算出纸张的瞬时速度和移动长度。

计算速度的简化公式可以是：v = (Δx * P_scale) / Δt其中，Δx是特征点在像素上的位移，P_scale是将像素距离转换为实际物理距离的比例系数（取决于相机分辨率和工作距离），Δt是两帧图像之间的时间间隔。

这种技术的最大优势是其多功能性，不仅仅能测速度和长度，还能同时进行缺陷检测、识别文字（OCR）、纠偏定位等多种视觉任务。它适用于表面不规则、颜色或纹理多变的纸张，特别是在需要综合质量控制的场合。缺点是它对计算能力要求较高，图像处理的复杂性可能导致较高的延迟，且测量精度受限于图像分辨率和环境光照。初次设置和标定可能比较复杂，成本通常较高。

机械接触式编码器

这是一种比较传统的测量方法，可以理解为在纸张旁边安装了一个“小车轮”，这个车轮与纸张表面紧密接触。当纸张向前移动时，通过摩擦带动这个小车轮一起转动。车轮内部连接着一个旋转传感器——编码器。编码器通过检测车轮的转动角度或输出的脉冲信号数量，就能计算出车轮转了多少圈，进而根据车轮的周长推算出纸张移动的距离。速度则是通过单位时间内车轮转过的距离来计算。

长度 L = N * π * D速度 v = (ΔN * π * D) / Δt其中，N是编码器累计的转动圈数，D是测量轮的直径，ΔN是单位时间Δt内的转动圈数。

这种方法的优点是结构简单，成本相对较低，安装和集成也比较方便。在一些对精度要求不是极高、或者对接触式测量影响不大的场合（如纸张切割前的粗略长度计数），它仍有应用。然而，它的主要缺点在于依赖机械接触。这意味着它会与纸张产生摩擦，可能导致纸张表面磨损、污染，甚至在高速下引发断纸。更严重的是，纸张和测量轮之间可能出现打滑现象，就像汽车轮胎在湿滑路面空转一样，导致测量结果出现显著误差，尤其是在高加速度或张力变化剧烈的造纸生产线上，这种误差会更加明显。此外，机械部件存在磨损，需要定期维护和校准。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几款国际主流品牌在速度和长度测量领域的产品，它们采用了不同的技术路线，以满足造纸等工业应用的需求。

德国米克朗

德国米克朗在高性能传感器领域有着深厚的技术积累。其激光测速测长产品采用激光多普勒测速法 (LDV)。这种技术的核心优势在于非接触式测量和极高的精度。其产品能够达到±0.05%的测量精度，速度测量范围广泛，最高可达12,000米/分钟，响应速度快，采样率可达10 kHz。这使其在造纸、钢铁、电缆等高速、高精度要求的生产线上表现卓越，能有效替代传统接触式编码器，消除打滑误差，特别适用于对精度和可靠性有极致要求的场景。

英国真尚有

英国真尚有AJS10X系列激光测速测长传感器同样基于激光多普勒测量原理。该系列产品以其卓越的精度和广泛的适用性在工业界备受认可。其工厂校准精度优于0.05%，重复性达到0.02%，内部测量速率高达200kHz，确保能精确捕捉高速运动物体。它具备极广的速度测量范围，最高可测速度达10,000米/分钟，并且支持0速度测量测量与方向识别功能。该系列还提供多种配置选择，如专为平面材料设计的AJS100系列，以及配备广角镜头适用于圆柱形表面的AJS101系列，甚至能检测直径小至0.1mm的线缆，应用灵活。全固态设计保证了无活动部件，大幅提高长期使用可靠性，并具有IP67高级防护等级，适应恶劣工业环境。为了适应不同的应用场景，英国真尚有还提供了多种通信接口选择，包括以太网、RS-232和CANbus，并可选PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等工业总线。

日本基恩士

日本基恩士以其广泛的产品线和易用性著称。其LJ-V7000系列超高速高精度激光位移传感器采用激光三角测量法。这款传感器主要优势在于能够以高达64 kHz的采样速度获取物体高精度的轮廓数据，Z轴重复精度可低至0.0005 mm。虽然其核心功能是位移和轮廓测量，但通过连续的位移数据可以间接推算速度和长度。它尤其适用于需要详细分析物体表面形状、尺寸以及微小特征的在线品检和质量控制，例如汽车、电子零部件等精密制造领域，在造纸行业也常用于纸张厚度、平整度等参数的精确检测。

瑞士堡盟

瑞士堡盟在工业传感器和编码器领域享有盛誉。其MAGRES EAM580/582系列绝对值编码器，基于磁编码器原理与机械接触。这类编码器通常通过精密加工的测量轮与被测材料表面直接接触，通过检测转轴的旋转角度来测量长度和速度。其优势在于结构坚固，可靠性高，抗干扰能力强，防护等级最高可达IP67，安装和集成相对简便，成本效益好。在一些对接触式测量影响可控的场合，如金属加工、纺织、木材加工等，它提供了可靠且经济的速度长度测量方案。然而，在造纸这类易损且对打滑敏感的行业，其应用会受到限制。

（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

选择合适的速度测量设备，就像给高速公路上的车流选择最合适的测速仪一样，要根据实际路况和需求来。以下是几个关键的技术指标和选型建议：

• 测量精度和重复性：

  • 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目标时结果的一致性。在造纸行业，哪怕是0.1%的误差，在高速、长距离的生产中也会累积成巨大的偏差，影响长度切割、卷径控制甚至产品报废。

  • 影响：低精度和重复性差的设备会导致产品长度不合格、张力控制不稳、生产线不同段速不匹配等问题。

  • 选型建议：对于高速、高价值的纸张生产线，应优先选择高精度的传感器。例如，在收卷和分切环节，需要极高的长度精度，这是核心考量。激光多普勒测速技术通常能提供较高的测量精度。

• 测量速度范围与响应时间：

  • 实际意义：速度范围决定了传感器能适应的生产线速度上下限；响应时间是指传感器从捕捉到运动变化到输出测量结果所需的时间。

  • 影响：如果传感器速度范围不够宽，遇到生产线加速或减速时就无法准确测量；响应时间慢，就无法实时反馈瞬时速度波动，导致控制系统滞后。

  • 选型建议：造纸生产线速度变化范围大，应选择能覆盖生产线最高设计速度且具备良好低速测量能力的传感器，确保在各种工况下都能准确测量。响应时间越短越好，有助于实现实时精确控制。

• 工作距离和景深：

  • 实际意义：工作距离是传感器到被测纸张表面的最佳距离；景深是指在这个最佳距离前后，传感器仍能保持较高测量精度的范围。

  • 影响：工作距离太短可能导致安装困难或影响生产线操作；景深不足则要求纸张在测量区域内保持严格的位置，否则会影响精度。

  • 选型建议：根据现场安装空间和纸张在生产线上可能的振动、跑偏情况来选择。较远的工作距离和较大的景深能提供更大的安装灵活性和更好的容错能力.

• 环境适应性（IP防护等级、温度）：

  • 实际意义：造纸车间常有粉尘、水汽甚至高温。IP防护等级表示设备防尘防水能力；工作温度范围表示设备在不同温度下能正常工作的能力。

  • 影响：防护等级不足会导致灰尘进入光学元件，影响光路和精度，甚至损坏内部电路；超出温度范围可能导致设备性能下降或寿命缩短。

  • 选型建议：选择IP67或更高防护等级的传感器，并考虑是否需要冷却外壳等辅助设备，以应对高温、高湿或多尘的恶劣环境。

• 通信接口与集成功能：

  • 实际意义：传感器如何与生产线控制系统（PLC/DCS）进行数据交换，是否支持主流工业总线，是否有远程配置功能等。

  • 影响：接口不匹配会增加集成难度和成本；功能单一可能无法满足生产线更复杂的监控需求。

  • 选型建议：选择提供丰富通信接口（如以太网、RS-232、CANbus，并支持PROFIBUS、PROFINET等工业总线）的传感器，以便于与现有控制系统无缝集成。支持无线配置和诊断功能能大大提高调试和维护的便利性。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在造纸生产线上应用高速速度测量传感器时，即使选用了最先进的设备，也可能遇到一些实际问题。理解这些问题的原因和影响，并采取相应措施，是确保系统稳定运行的关键。

• 问题一：环境干扰（粉尘、水汽、高温）

  • 原因和影响：造纸车间通常环境复杂，空气中常悬浮有纸纤维粉尘，湿部有水汽，干燥区域温度很高。这些颗粒物会附着在传感器光学窗口上，影响激光的发射和接收，导致测量信号减弱或失真，从而降低精度。高温则可能导致传感器内部电子元件过热，影响稳定性和寿命。

  • 解决方案和预防措施：

    1. 定期清洁：制定严格的清洁计划，用专用清洁工具擦拭传感器光学窗口。

    2. 气帘/风刀保护：在传感器光学窗口前安装气帘或风刀，形成一道持续的气流屏障，阻止粉尘和水汽接触光学表面。

    3. 防护罩与冷却系统：为传感器安装IP等级更高的防护罩，并在高温区域配置冷却外壳或水冷系统，确保传感器在其推荐的工作温度范围内运行。

• 问题二：纸张表面特性变化

  • 原因和影响：不同批次的纸张、或者同一批次纸张在不同涂布、压光工艺下，其表面颜色、光泽度、平整度会发生变化。这可能影响激光的反射率和散射特性，导致测量信号强度不稳定，甚至在某些极端情况下丢失信号。

  • 解决方案和预防措施：

    1. 选用适应性强的传感器：选择对不同表面特性具有良好适应性的传感器，例如具有自适应信号处理能力的激光多普勒传感器。

    2. 优化安装角度：根据纸张表面特性和传感器原理，调整传感器的安装角度，以获得最佳的反射信号。

    3. 校准与参数调整：在纸张类型切换时，进行必要的校准或调整传感器参数，以适应新的表面特性。

• 问题三：纸张振动或跑偏

  • 原因和影响：高速运行的纸张在辊筒之间可能会发生轻微的振动或横向跑偏，这会导致纸张在传感器的测量区域内出现微小位移，如果传感器景深不足，可能会超出有效测量范围，或者引起测量结果的波动。

  • 解决方案和预防措施：

    1. 选择大景深传感器：选用具有较大景深的传感器，可以容忍一定范围内的纸张位置波动。

    2. 优化纸张导向：改进生产线上的导向辊和张力控制系统，减少纸张的振动和跑偏。

    3. 稳固安装：确保传感器安装支架的稳固性，减少自身振动对测量的影响。

• 问题四：接触式测量方法的打滑误差

  • 原因和影响：对于依赖接触式测量轮的编码器，纸张表面潮湿、光滑或张力不足时，测量轮与纸张之间容易发生相对滑动，导致测量轮的转速不等于纸张的实际线速度，从而产生测量误差。

  • 解决方案和预防措施：

    1. 改用非接触式传感器：这是最根本的解决方案，激光测速测长传感器完全避免了打滑问题。

    2. 优化测量轮材质与压力：如果必须使用接触式编码器，可选用高摩擦系数的测量轮材质，并确保施加合适的接触压力，减少打滑。

    3. 定期检查与清洁：检查测量轮表面是否磨损或被污染，并及时清洁或更换。

4. 应用案例分享

• 在造纸生产线的网部或压榨部，通过实时监测纸网速度，可以精准调整各段辊筒的转速，确保纸浆在成型和脱水过程中平稳运行，有效避免断纸现象，提升纸张的均匀度。

• 在卷对卷的收卷和分切环节，利用高精度速度测量累积计算长度，可以实现纸张的精确定长切割，确保每卷纸的长度符合客户要求，大幅减少材料浪费和次品率。例如，英国真尚有的AJS10X系列，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。

• 在印刷行业，对纸张或薄膜基材的进给速度进行精准检测，可以实现印刷套准的实时调整，保证多色印刷的图案准确对齐，提高印刷品质量。选择合适的传感器，如英国真尚有提供的AJS100系列，专为平面材料设计，适用于纸张、薄膜等多种材料，可以有效提高生产效率和产品质量。