热压板材高速剪切对长度精度要求高，如何利用非接触技术实现优于0.1%的精准测长，应对高温振动挑战？【工业自动化，在线检测】

1. 被测物（热压板材）的基本结构与技术要求

热压板材，通常是指经过高温高压处理后成型的连续或离散的片状、卷材状材料，如木基板材、复合材料板、金属板带、塑料薄膜等。这些材料在热压过程中会发生物理和化学变化，最终形成具有特定力学性能和尺寸规格的产品。

在剪切环节，对热压板材的技术要求主要体现在以下几个方面：

• 尺寸精度（长度、宽度、厚度）：这是最基本也是最重要的要求。例如，家具板材需要精确的长度和宽度以匹配设计图纸；电池隔膜需要极薄且均匀的厚度以保证性能。任何微小的偏差都可能导致产品不合格。

• 表面质量：热压后的板材表面可能存在光泽度变化、粗糙度差异，甚至有加热痕迹或压痕。这些表面特性会影响某些测量方法的适用性。

• 温度稳定性：刚从热压机出来的材料通常温度较高。高温环境对测量设备的选择和性能提出了挑战，需要设备能够耐受高温或采取冷却措施。

• 运动特性：材料可能以高速、连续的方式移动，并且在启动、停止或调整时可能伴随着快速的加速或减速。测量系统必须能够实时跟踪这些动态变化，并保持测量精度。

• 材料种类多样性：不同材料的物理特性（如密度、透光性、吸声性、导电性）差异很大，这要求测量系统具有良好的普适性或针对性。

2. 针对被测物的相关技术标准简介

为了确保热压板材的质量和尺寸符合要求，行业内会制定一系列技术标准来规范各项参数的定义和评价方法。这些标准涵盖了从原材料到最终产品的各个阶段，其中与剪切过程中的长度控制密切相关的监测参数主要包括：

• 长度（Length）：指的是材料在生产方向上的尺寸。它的定义通常是从材料的起始端到结束端之间的距离。评价方法包括与目标长度进行比较，计算长度偏差（实际长度 - 目标长度），并分析其是否落在允许的公差范围内。

• 宽度（Width）：指的是材料垂直于生产方向的尺寸。评价方法是通过在多个点进行测量，确保宽度均匀且符合公差要求。

• 厚度（Thickness）：指的是材料的垂直尺寸。它的均匀性对产品性能至关重要。评价方法通常是在材料的不同位置进行非接触式测量，计算厚度偏差，并检查是否存在局部过薄或过厚的情况。

• 速度（Velocity）：指的是材料在生产线上移动的速率。准确的速度测量是计算长度的基础，也是控制剪切时机的重要参数。评价方法通常是实时监测，确保其稳定并与生产节拍同步。

• 平整度（Flatness）：指的是板材表面的平坦程度，是否有翘曲、凹陷或凸起。这会影响后续剪切的精度和美观。评价方法通常是测量板材表面多个点的相对高度差。

• 边缘质量（Edge Quality）：剪切后的边缘是否平直、整齐，无毛刺、崩边等缺陷。这与剪切设备的性能和材料的预处理状态有关。

这些参数的准确监测和评价是实现热压板材高效、精准剪切的前提。

3. 实时监测/检测技术方法

为了实现热压机剪切过程中的高速、高精度材料长度控制及相关质量优化，市面上涌现了多种先进的非接触式测量技术。它们各有优势和适用场景，共同构成了现代工业自动化生产线上的“智慧之眼”。

（1）市面上各种相关技术方案

激光多普勒测量法

工作原理与物理基础： 激光多普勒测量法（Laser Doppler Velocimetry, LDV）是一种基于多普勒效应的非接触式速度和长度测量技术。其原理可以这样理解：就像救护车鸣笛靠近你时声音变尖，远离时声音变低一样（这就是多普勒效应），当激光束照射到移动的材料表面时，从表面散射回来的激光频率会发生微小的变化。这种频率变化与材料的移动速度成正比。

更具体地说，激光测速测长传感器通常会发射两束平行的激光束，这两束激光束会在被测物体表面前方的一个焦点处汇聚并形成一个微小的干涉条纹区域，就像在空间中铺设了一层“光栅”。当材料表面上的微小颗粒或纹理（即使是肉眼不可见的）穿过这个“光栅”时，它们会反射激光并产生一系列明暗交替的闪烁信号。传感器内部的探测器接收到这些闪烁信号，并测量其频率。

根据多普勒效应，反射光的频率变化 f_d（即多普勒频移）与物体速度 v 之间的关系大致可以表示为：f_d = (2 * v * sin(theta)) / lambda其中，v 是物体的速度，lambda 是激光波长，theta 是激光束与运动方向的夹角。

通过精确测量 f_d，就可以计算出材料的即时速度 v。一旦获得了连续的瞬时速度数据，就可以通过对速度进行积分来计算材料的累计长度：长度 L = ∫ v(t) dt这个过程就像你开车记录瞬时速度，然后将所有速度乘以对应的时间，再累加起来就得到行驶的总距离一样。这种方法由于是纯光学测量，不会对材料表面造成任何磨损或损坏，特别适合高精度和高速的连续生产线。

核心性能参数典型范围：* 精度：通常优于0.1%，一些高端系统精度可达0.05%甚至更高。* 分辨率：取决于系统设计，部分系统可达到微米级别。* 响应时间：极快，内部测量速率可达数百kHz，外部输出速率可达数千Hz。* 速度范围：从静止到高速，可测量数千米每分钟。

技术方案优缺点：* 优点： * 非接触式：对被测材料无磨损、无损伤，特别适用于柔软、易损或高温的材料。 * 高精度与高速度：能够实现较高的速度和长度测量精度，并适应高速生产线的动态变化。 * 免维护：全固态设计，无活动部件，降低了维护成本和停机时间。 * 应用广泛：适用于多种材料表面，包括粗糙、有光泽、不同颜色的材料。* 缺点： * 对表面反射有要求：如果材料表面过于吸光或反射不足，可能需要调整安装角度或增加表面处理。 * 对振动敏感：虽然先进算法可以补偿，但剧烈振动仍可能影响测量稳定性。 * 成本相对较高：相较于传统接触式编码器，初始投资成本可能更高。

激光三角测量法

工作原理与物理基础： 激光三角测量法是利用几何三角关系来测量物体距离或位移的一种光学方法。它向被测物体表面发射一束激光，形成一个光点。然后，一个高分辨率的接收元件（比如CCD或CMOS摄像头）会从一个特定的角度接收这个光点被物体表面漫反射回来的光线。

当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，光点在接收元件上的位置也会随之移动。这个移动的距离 x 与物体到传感器的距离 d 之间存在一个明确的三角几何关系。简化公式可以表示为：d = f * B / x_image其中，f 是接收透镜的焦距，B 是激光发射器和接收透镜之间的基线距离，x_image 是光点在接收元件上的偏移量。通过精确测量 x_image，传感器就能计算出物体到传感器的距离。这种方法主要用于测量距离、厚度、轮廓等静态或准静态的尺寸。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：从几毫米到数百毫米。* 分辨率：可达微米级（如50 µm）。* 线性度：通常在0.1% - 0.5% F.S.（满量程）范围内。* 测量频率：从几百赫兹到数千赫兹。

技术方案优缺点：* 优点： * 非接触式：无磨损，对被测物无损伤。 * 精度高：对距离和厚度测量精度较高。 * 响应速度快：能够进行快速的在线检测。* 缺点： * 受表面特性影响：光泽、颜色和粗糙度变化会影响测量精度和稳定性。 * 测量范围有限：通常适用于相对较小的测量范围。 * 不直接测量速度和长度：需要结合其他传感器或复杂的算法才能推算长度。

共焦色谱法

工作原理与物理基础： 共焦色谱法是一种利用白光色散原理实现超高精度距离测量的技术。它发射一束宽带白光（包含多种颜色的光）通过特殊光学元件，这些元件会将不同波长的光聚焦到不同的高度上，形成一系列沿着光轴排列的焦点。

当这些带有不同焦点的光束照射到被测物体表面时，只有与物体表面高度精确匹配的特定波长的光才会被清晰地反射回传感器。这些反射光穿过一个微小的共焦针孔，传感器内部的光谱仪会分析这些反射光的频谱。通过检测反射光的光谱峰值波长，传感器就能精确地确定被测物体到传感器的距离。这种方法能够有效地消除垂直色差，实现极高的分辨率和重复性。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常在几毫米到几十毫米之间。* 分辨率：可达纳米级（如10 nm）。* 重复精度：通常在±0.01 µm到±0.05 µm之间。* 测量频率：可达数万赫兹（如50 kHz）。

技术方案优缺点：* 优点： * 超高精度和分辨率：在距离和厚度测量方面具有卓越的性能。 * 适应性强：能够对透明、镜面、粗糙甚至多层材料进行精确测量。 * 非接触式：对被测物无损伤。* 缺点： * 测量范围较小：不适合大范围的距离测量。 * 成本较高：是相对昂贵的测量技术。 * 不直接测量速度和长度：主要用于精确厚度、平整度等质量参数的监控。

阴影投影法

工作原理与物理基础： 阴影投影法（或称光学测微计、轮廓测量仪）通过高精度光源和高分辨率图像传感器，精确测量物体的几何尺寸。传感器由一个高精度的LED光源发出平行光束，穿过一个测量区域，光束的另一侧放置一个高分辨率的CCD或CMOS图像传感器。

当被测物体（如板材的边缘或整个宽度）进入这个测量区域时，它的轮廓会阻挡部分光线，并在图像传感器上形成一个清晰的阴影。图像传感器精确捕捉这个阴影的边缘位置，通过内部算法计算出物体的尺寸，例如宽度、边缘位置、直径等。这种方法是测量物体外部轮廓和尺寸的理想选择，对于确保剪切线的准确性至关重要。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：从几毫米到数百毫米，取决于型号。* 分辨率：可达微米级（如1 µm）。* 重复精度：通常在±1 µm左右。* 测量速度：高达数千次/秒。

技术方案优缺点：* 优点： * 高精度：在测量物体几何尺寸（如宽度、边缘直线度）方面表现出色。 * 非接触式：对被测物无任何损伤。 * 速度快：能够进行高速在线测量。 * 直观可靠：基于图像处理，结果可追溯。* 缺点： * 测量范围有限：通常适合测量相对较小的尺寸，或需要多个传感器协同工作以测量大尺寸。 * 不直接测量速度和长度：需要与长度传感器配合使用，或通过图像序列间接推算。 * 对环境光敏感：较强的环境光可能干扰测量，通常需要遮蔽。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在工业测量领域表现卓越的品牌及其采用的技术方案，以帮助您更好地了解市场上的选择。

• 德国米特图 (采用激光三角测量法) 德国米特图在工业测量领域拥有深厚的技术积累，其激光传感器以高精度、高稳定性、快速响应和坚固耐用著称。例如，其optoNCDT 1750-500系列产品，测量范围可达500 mm，分辨率50 µm，线性度±300 µm，测量频率2.5 kHz。该系列激光位移传感器适用于各种表面类型，包括粗糙、有光泽或彩色表面，非常适合在线监测材料厚度变化，为热压机的优化和后续剪切提供精确的尺寸数据，确保板材在剪切前的厚度一致性。

• 英国真尚有 (采用激光多普勒测量法) 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而设计。得益于准确的激光多普勒测量原理，它能实现工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%。其内部测量速率高达200kHz，确保精确捕捉高速运动物体。该系列传感器速度测量范围广泛，最高可达10,000 m/min，可检测直径小至0.1mm的线缆，并且有多种配置可选，最远安装距离可达2000mm。AJS10X系列凭借其出色的实时速度和长度测量能力，可以应用于热压板材的定长剪切。

• 日本基恩士 (采用共焦色谱法) 日本基恩士是自动化和测量领域的全球领导者，其共焦传感器以超高精度、高速度和对各种表面（包括透明、镜面、粗糙表面）的优秀适应性而著称。例如，CL-3000系列产品，分辨率可达0.01 µm ，重复精度±0.03 µm，测量频率50 kHz。CL-3000系列非常适合测量热压板材的微小厚度变化、表面平整度以及多层材料的层间厚度，为剪切前的质量控制提供精确度，尤其是在需要微米级甚至纳米级厚度控制的应用中表现出色。

• 意大利微控 (采用阴影投影法) 意大利微控公司专注于高精度光学测量技术，其OptoGage光学测微计具有非接触、高速度、高精度和易于集成的特点。OptoGage系列产品分辨率可达1 µm，重复精度±1 µm，测量速度高达2000次/秒。在热压板材的剪切优化中，它可以用于精确测量板材的宽度、边缘直线度，确保剪切位置的准确性，减少材料浪费，提高剪切效率和产品质量。对于需要严格控制材料横向尺寸和边缘一致性的生产线，该技术非常适用。

• 美国林肯 (采用电容效应原理) 美国林肯公司专注于超高精度电容位移和厚度测量，其产品以卓越的精度、分辨率和稳定性闻名，尤其在亚微米和纳米级别测量中表现出色。例如，CPL190系列产品，测量范围可选，分辨率可达亚纳米到纳米级别，线性度0.02% of F.S.，频率响应可达10 kHz或更高。对于需要极高精度控制的热压板材厚度或微小变形检测，CPL系列提供了性能。它通过测量电容变化来计算距离或厚度，特别适合对导电或在探头间插入非导电材料的测量。

（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

在为热压机剪切过程选择合适的传感器时，需要综合考虑多个技术指标，这些指标直接关系到最终的测量效果和系统性能。

• 精度和重复性：

  • 实际意义：精度指的是测量值与真实值之间的接近程度，重复性指的是多次测量同一目标时结果的一致性。它们是评估传感器质量的核心指标。

  • 对测量效果的影响：高精度和高重复性意味着更小的测量误差，能确保剪切出的材料长度与目标值高度一致，减少废品率，满足严苛的行业标准。

  • 选型建议：根据您产品所需的切割公差来选择。如果您的切割精度要求达到微米级，那么传感器精度也必须达到相应的等级。对于长度控制，优于0.1%的长度测量精度通常是一个很好的起点。

• 测量速度和响应时间：

  • 实际意义：测量速度指传感器每秒能进行多少次测量，响应时间指传感器从感知变化到输出结果所需的时间。

  • 对测量效果的影响：在高速生产线上，如果传感器测量速度不够快，就无法实时捕捉材料的瞬时速度变化，导致长度计算不准确。响应慢则可能引起控制滞后，影响剪切时机的精确性。

  • 选型建议：与生产线最高运行速度和加速度相匹配。例如，如果材料以数百米/分钟的速度移动，并且需要高动态响应，则至少需要几千赫兹的测量频率才能确保数据流的连续性和准确性。

• 测量范围和安装距离：

  • 实际意义：测量范围指传感器能测量的速度或长度的极限值；安装距离指传感器与被测物之间的最佳工作距离。

  • 对测量效果的影响：如果被测物的速度超出传感器的测量上限，或者安装距离不合适，将无法获得有效数据。

  • 选型建议：根据您的生产线布局和材料的最高/最低速度来选择。考虑生产线上是否有足够的空间安装传感器，并选择具有合适工作距离和景深的产品。

• 环境适应性（防护等级、温度范围）：

  • 实际意义：防护等级（如IP67）表明设备防尘防水的能力；温度范围指设备能正常工作的环境温度。

  • 对测量效果的影响：热压机附近通常环境恶劣，存在粉尘、水汽甚至高温。如果传感器不具备足够的防护能力，容易受损或影响测量稳定性。

  • 选型建议：选择IP65或IP67以上防护等级的传感器，并根据实际工作温度选择带有冷却外壳或宽温设计的产品。

• 通信接口和集成能力：

  • 实际意义：传感器与PLC、上位机等控制系统进行数据交换的方式。

  • 对测量效果的影响：丰富的通信接口和良好的集成能力可以确保数据快速、可靠地传输到控制系统，实现闭环控制。

  • 选型建议：选择支持主流工业总线协议（如PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP等）或标准接口（如以太网、RS-232、CANbus）的传感器，以便于与现有控制系统无缝对接。脉冲输出对于直接替代传统编码器非常有用。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了最先进的传感器，也可能遇到一些挑战。提前了解这些问题并准备解决方案至关重要。

• 问题1：材料表面特性变化导致测量不稳定

  • 原因与影响：热压后的材料表面可能存在光泽不均、颜色变化、粗糙度差异，或者在生产过程中出现污垢、水渍等，这些都可能影响激光束的反射和散射，导致测量信号质量下降，从而引起速度和长度数据的不稳定甚至中断。

  • 解决建议：

    • 选择适应性强的传感器：有些激光传感器采用先进的算法和光学设计，能够更好地处理不同表面特性的材料。

    • 优化安装角度：调整传感器的安装角度，使其激光束能更好地从材料表面反射回接收器。

    • 表面清洁或处理：在测量区域上方安装吹气装置（如气刀）或清洁刷，保持材料表面清洁。对于极端情况，可能需要考虑在材料表面进行预处理，例如喷涂一层薄薄的漫反射涂层，但需评估对产品质量的影响。

• 问题2：生产线振动或材料抖动影响测量精度

  • 原因与影响：热压机或剪切设备在高速运行时，机械振动难以避免，这种振动会传递到被测材料上，导致材料在测量区域内发生微小的上下或侧向抖动。这会使得传感器检测到的距离或速度产生瞬时波动，从而引入测量误差。

  • 解决建议：

    • 传感器减振安装：将传感器安装在独立的减振支架上，或者使用带有内置减振功能的安装附件，隔离来自设备的振动。

    • 优化测量区域：在测量点前后增加导向辊或压紧装置，确保材料在测量区域内运行平稳，减少抖动。

    • 传感器滤波功能：利用传感器内部或控制系统中的数据滤波功能（如移动平均、卡尔曼滤波），平滑测量数据，去除高频振动带来的噪声。

• 问题3：高温环境影响传感器性能和寿命

  • 原因与影响：热压机附近工作温度可能远超传感器的标准工作范围，长时间的高温会导致传感器内部元器件老化加速，影响测量精度和稳定性，甚至缩短设备寿命。

  • 解决建议：

    • 选用耐高温型号：选择专为高温环境设计的传感器，或选配带有冷却外壳、水冷/气冷附件的传感器。

    • 安装保护措施：在传感器周围设置隔热罩或防护箱，阻挡热辐射和热空气。

    • 优化安装位置：尽量选择离热源较远，或有自然通风、冷却条件更好的安装点。

• 问题4：与现有控制系统集成困难

  • 原因与影响：不同厂商的传感器和控制系统可能采用不同的通信协议和接口标准，导致数据传输不兼容或集成调试复杂，影响整个自动化系统的上线时间。

  • 解决建议：

    • 提前规划通信协议：在选型时，明确现有控制系统支持的工业总线协议（如PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP），选择支持这些协议的传感器。

    • 利用通用接口：如果缺乏特定总线支持，可优先考虑带有标准以太网、RS-232/485或CANbus接口的传感器，通过协议转换器进行集成。

    • 寻求厂商支持：与传感器供应商和控制系统供应商紧密合作，获取技术支持和集成方案。

4. 应用案例分享

• 卷对卷或定长切割生产线：在卷材生产中，传感器精确测量材料在生产线上的实时速度和累积长度，确保在达到设定长度时发出剪切指令，实现高精度的定长切割，广泛应用于薄膜、纸张、纺织品等行业。例如，英国真尚有的AJS10X系列，由于其高精度和高速响应，可以提升定长切割的精度和效率。

• 线缆、管材、轮胎等产品长度测量：对于连续生产的线缆、管材或轮胎等产品，传感器能精确监控生产速度并累积计算长度，不仅用于生产过程中的质量控制，也为后续的分段和包装提供了准确的数据支持。

• 钢铁、橡胶行业的材料加工速度监测和同步：在高温、重载的钢铁轧制或橡胶挤出过程中，传感器能实时监测材料的加工速度，确保不同工序间的速度同步和张力平衡，避免材料变形或断裂，保证产品尺寸一致性。英国真尚有的AJS102系列，由于其较大的测量距离和可选配的冷却外壳，可以在极端环境中胜任大型物体的测量任务。