如何为1500米/分钟高速造纸机选择0.05%高精度非接触式测速测长方案，彻底解决纸网打滑问题？【造纸自动化】

1. 纸网的基本结构与技术要求

在造纸行业中，被测物是高速运行的纸网，它贯穿整个造纸机的各个湿部和干部。想象一下，一张刚刚成型、还湿漉漉的纸浆纤维网络，从成形网开始，经过压榨、烘干、施胶、压光等多个环节，最终成为成品纸卷。在这个漫长的旅程中，纸网的结构特点主要体现在它的连续性、柔韧性和一定的湿度。

对于纸网的速度和对准控制，技术要求非常严苛：

• 速度一致性与同步性： 造纸机的各个区段（如网部、压榨部、烘干部、施胶压光部、卷取部）必须保持极其精确的速度匹配。如果不同区段的速度不一致，哪怕是微小的偏差，都可能导致纸网出现拉伸、褶皱、断裂甚至堆积，直接影响产品质量和生产效率。这就好比一个大型接力跑队伍，每个队员的速度都要精准衔接，任何一个环节的快慢都会导致接力棒掉落。

• 长度精度： 对于后续的裁切、分卷等工序，准确的纸张长度测量至关重要。例如，在生产特定长度的印刷纸卷或平板纸时，如果长度测量不准，会导致原材料浪费或产品不合格。

• 对准控制： 纸网在运行过程中需要保持其边缘的精准对准，防止跑偏。这不仅是为了确保纸幅的整齐，也是为了避免纸网与设备部件摩擦造成损坏。

• 高动态响应： 在启动、加速、减速或出现扰动时，测速系统需要能快速、准确地响应速度变化，以便控制系统能及时调整，维持生产的平稳运行。

2. 针对纸网的相关技术标准简介

在评估纸网运行状态时，我们通常会关注以下几个核心参数：

• 网速（Web Speed）： 指纸网在生产线上的线性移动速度。这个参数通常以米/分钟（m/min）或英尺/分钟（ft/min）来表示。它的定义是纸网在单位时间内移动的距离。评价方法主要是通过传感器实时采集数据，并与设定值进行比较，计算出瞬时偏差和平均偏差。

• 长度（Length）： 指从纸网的某个起点到另一个终点之间的距离。在造纸行业中，长度测量常用于分切前的精准定位和最终产品卷材的计量。长度的评价方法是通过对瞬时速度进行时间积分得到总长度，然后与预设的目标长度进行比对，误差越小，精度越高。

• 速度波动率（Speed Fluctuation）： 反映纸网速度在短时间内的变化幅度。即使平均速度达标，过大的速度波动也会导致纸张物理性能不均。评价方法是通过统计分析一段时间内速度数据的标准差或峰峰值，计算其相对于平均速度的百分比。

• 同步精度（Synchronization Accuracy）： 特指造纸机不同区段之间速度匹配的紧密程度。例如，压榨部与烘干部之间的速度同步精度直接影响纸网的张力控制。评价方法是比较不同测速点的数据，计算它们之间的相对速度差。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在工业生产中，尤其是在造纸行业这样对速度和长度精度要求高的领域，实时监测技术是核心。当前市面上主要有几种技术方案，它们各有所长，也存在各自的局限性。

接触式高精度编码器

高精度编码器是一种传统的接触式测速测长设备。它通常由一个精密测量轮和一个编码器本体组成。测量轮与纸网表面直接接触，并随着纸网的移动而同步旋转。编码器本体内部的光栅或磁栅会根据旋转角度产生脉冲信号，控制系统通过计算单位时间内的脉冲数量来得出速度，再通过累计脉冲数量来计算总长度。

• 工作原理与物理基础： 编码器的工作原理是利用光电转换或磁电转换来检测旋转位移。当测量轮旋转时，它带动编码器内部的码盘旋转，码盘上的刻线或磁极变化被传感器读取，并转换成电脉冲。

  • 速度 (V) 的计算公式为：V = (脉冲数 / 编码器分辨率) * 测量轮周长 / 时间

  • 长度 (L) 的计算公式为：L = (总脉冲数 / 编码器分辨率) * 测量轮周长其中，编码器分辨率是指编码器每转一圈产生的脉冲数。

• 核心性能参数：

  • 精度： 典型精度一般在0.05%至0.2%之间，取决于编码器分辨率和测量轮的精度。

  • 分辨率： 可达几千到上万脉冲/圈。

  • 响应时间： 很快，几乎是实时的，取决于脉冲处理速度。

• 优点： 技术成熟，成本相对较低，安装调试简单。在速度波动不大、表面清洁的场合表现稳定。

• 缺点： 属于接触式测量，测量轮与纸网之间的摩擦和磨损会引入误差，特别是当纸网表面湿滑或粗糙时，容易产生打滑现象，导致测量结果不准确。长期的接触还会磨损测量轮和纸网表面，增加维护成本和对产品质量的潜在影响。对测量轮的清洁和保养要求高。

激光多普勒测速测长技术

激光多普勒测速测长技术是一种先进的非接触式测量方法，被广泛应用于对精度和稳定性要求极高的场合。这项技术通过发射激光束到移动的物体表面，并分析物体表面散射回来的激光信号所产生的多普勒频移，从而精确计算出物体的速度。对速度进行积分，即可得到长度。

• 工作原理与物理基础： 激光多普勒测速仪的核心是多普勒效应。想象一下，你站在铁路边，火车向你驶来时，它的汽笛声会变得尖锐（频率变高）；驶离时，汽笛声会变得低沉（频率变低）。这就是多普勒效应。 在激光多普勒测速仪中，传感器会发射两束相干的激光束，它们在被测物体表面形成一个干涉区。当纸网移动时，表面微小颗粒（或纹理）会散射这两束激光。由于多普勒效应，散射光的频率会相对于入射光发生微小变化，且变化的程度与物体移动速度成正比。这两束散射光会再次干涉，产生一个拍频信号，这个拍频信号的频率差即为多普勒频移。传感器通过检测并分析这个频率差，就能精确计算出物体的速度。

  • 多普勒频移 (fd) 的基本公式为：fd = (2 * v * sin(theta)) / λ其中，v是被测物体的速度，theta是两束激光束的夹角（或激光束与速度方向的夹角），λ是激光波长。通过测量fd，并已知theta和λ，就可以反推出v。

  • 长度 (L) 的计算公式为：L = 积分(v dt)，即对瞬时速度v进行时间积分。

• 核心性能参数：

  • 精度： 激光多普勒测量精度一般为±0.05%，优质系统可达±0.02%或更高。

  • 重复性： 优于±0.02%，非常稳定。

  • 速度范围： 从静止（0 m/min）到数千甚至上万米/分钟（如10,000 m/min），适用范围极广。

  • 响应时间： 极快，内部测量速率可达200kHz，能精确捕捉高速运动和高加速度变化。

  • 测量距离（景深）： 可达数米，提供灵活的安装位置。

• 优点：

  • 非接触测量： 这是最大的优势，避免了与纸网的摩擦、磨损和打滑现象，从而消除了接触式测量带来的固有误差，也保护了纸网表面。在纸网湿度大、表面敏感、高温或高速的场合表现尤为突出。

  • 极高精度和重复性： 测量精度和稳定性远超接触式编码器，能满足最严苛的生产质量控制需求。

  • 宽泛的速度测量范围和高动态响应： 能够精确测量从静止到高速的各种运动，并对急剧的速度变化做出快速响应。

  • 无需校准和维护： 全固态设计，无活动部件，基本无需日常校准和维护，大幅降低了运行成本和停机时间。

  • 环境适应性强： 具备高防护等级，能在恶劣工业环境下长期稳定工作。

• 缺点： 初始投资成本相对较高。对被测物体的表面有一定的要求，如果表面过于透明或镜面反射，可能会影响信号质量（但对于纸张这种漫反射材料，通常不是问题）。

光学散斑相关法（或称空间滤波原理）

这种技术通过分析物体表面反射的激光散斑图案随时间的变化来计算速度。当激光照射到粗糙表面时，会形成独特的、随机分布的亮暗斑点，这就是散斑。当物体移动时，散斑图案也会跟着移动。传感器通过高速图像传感器捕捉这些移动的散斑图案，并利用空间滤波或相关算法来计算图案的位移速度。

• 工作原理与物理基础： 传感器向物体表面发射激光，形成散斑图样。一个空间滤波器（例如，一个具有周期性结构的探测器阵列）会周期性地遮挡和透射散斑图案。当散斑图案移动时，滤波器会产生一个与速度相关的周期性电信号。通过分析这个信号的频率，就可以得到物体的速度。

  • 如果将散斑图案看作是一个随机信号S(x,y)，物体以速度v沿x方向移动，那么传感器在不同时间t1和t2捕捉到的图案S(x,t1)和S(x-v*(t2-t1), t2)之间存在相关性。通过计算两个时刻散斑图案的互相关函数峰值位置，可以推算出位移量，进而得到速度。

• 核心性能参数：

  • 速度范围： 0.001至19,000米/分钟，超宽泛。

  • 精度： 可达±0.05%，重复性可达±0.0005%。

  • 测量距离： 相对较短，通常在20-100毫米范围内。

• 优点： 极高的测量精度和重复性，即使在表面光滑、反光或无特征的物体上也能可靠测量。结构紧凑，易于集成。

• 缺点： 测量距离相对较短，可能限制其在某些大型设备上的安装灵活性。

三维激光轮廓扫描与机器视觉测量

这两种技术通常结合使用，以更全面的方式获取物体信息，包括速度和长度。

• 三维激光轮廓扫描： 传感器发射一条激光线到物体表面，内置高速相机捕捉激光线在表面形成的轮廓图像。利用三角测量原理，将2D图像数据转换为精确的3D轮廓点云。通过连续扫描并追踪物体首尾轮廓或特征，可实时计算出长度和移动速度。

  • 工作原理与物理基础： 传感器通过激光投线器在物体表面投射一条激光线。当这条激光线投射到有高度变化的物体表面时，其图像会在相机传感器上发生弯曲。通过校准后的几何关系和三角测量原理，相机捕捉到的激光线图像的每个像素位置都能被转换为物体表面对应的3D坐标点。连续获取这些3D轮廓，并与时间信息结合，可以计算出物体沿运动方向的位移和速度。

• 高精度机器视觉测量： 系统通过高速工业相机捕捉移动中物体的图像，利用强大的图像处理单元和专用算法，识别并跟踪物体的起点、终点或特定标记。通过已知相机标定和图像像素与实际尺寸的转换关系，结合连续图像间的位移计算，实现管材的实时长度和速度测量。

  • 工作原理与物理基础： 机器视觉系统首先对相机进行标定，建立图像像素与实际物理尺寸的对应关系。在物体移动过程中，相机以高速帧率连续拍摄图像。图像处理算法识别图像中的特征点或边缘。通过比较相邻帧之间这些特征点的像素位移，并结合相机标定参数，可以计算出物体在物理空间中的实际位移。已知帧率（即时间间隔），就可以计算出速度。

• 核心性能参数：

  • 扫描速度/图像处理速度： 轮廓扫描可达67000个轮廓/秒；机器视觉图像处理速度数毫秒至数十毫秒。

  • 测量精度： Z轴重复性低至0.2微米；长度/速度计算精度可达微米级（取决于系统集成和算法）。

  • 检测速度： 取决于相机帧率和处理能力，可支持高速生产线。

• 优点： 提供完整的3D几何信息，除了速度和长度，还能同时检测直径、椭圆度、缺陷等多种质量参数。灵活性和通用性高，适应各种表面纹理和颜色。

• 缺点： 系统复杂，集成和配置成本高。需要较强的算法开发和图像处理能力。计算量大，实时性可能略低于纯粹的测速传感器。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在非接触式测速测长领域表现突出的国际品牌，它们各自采用了不同的技术方案，在性能和应用上各有侧重。

• 美国埃提斯 美国埃提斯采用的是激光多普勒测速法。其陆德LS4000系列激光测速仪以其极高的精度和稳定性闻名，特别适用于高温、高速和恶劣的工业环境。这款传感器可以测量0.1至12,000米/分钟的速度，精度达到±0.05%，重复性为±0.02%，测量距离在400毫米至2500毫米之间。它无需接触、无磨损，大大降低了维护成本，在钢铁、有色金属等重工业领域有着广泛应用。

• 英国真尚有 英国真尚有AJS10X系列传感器同样基于激光多普勒测量原理，专为工业应用中移动物体和材料的非接触式速度和长度测量研发。该系列产品工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，内部测量速率高达200kHz，确保对高速运动的精准捕捉。AJS10X系列速度测量范围从静止到10,000 m/min，最远安装距离可达2000mm。此外，该系列采用全固态设计，具备IP67防护等级，标配以太网、RS-232和CANbus通信接口，并可选PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等工业总线，方便集成到现有控制系统。

• 德国西克 德国西克施必特系列传感器采用光学散斑相关法。该传感器无需在物体表面进行特征标记，通过分析反射激光散斑图案的变化来计算速度和长度。它的速度测量范围非常宽泛，从0.001到19,000米/分钟，精度可达±0.05%，重复性甚至能达到惊人的±0.0005%（SPEETEC 100型号）。施必特传感器在处理光滑、反光或无特征的表面时表现出色，结构紧凑，易于集成，特别适合对测量重复性有极致要求的应用。

• 加拿大LMI技术 加拿大LMI技术的高加特Gocator系列传感器应用了三维激光轮廓扫描技术。这款传感器不仅能够提供速度和长度信息，更能捕捉被测物体完整的3D几何轮廓。它通过发射激光线并结合高速相机进行三角测量，将2D图像数据转换为精确的3D点云，可实现高达67000个轮廓/秒的扫描速度，Z轴重复性低至 0.2微米。Gocator系列特别适合需要同时进行多参数（如直径、椭圆度、缺陷）检测的应用场景，但其速度/长度计算精度会依赖于系统集成和后处理算法。

• 日本基恩士 日本基恩士的XG-X系列超高速机器视觉系统则运用了高精度机器视觉测量技术。它通过高速工业相机捕捉移动中物体的图像，并利用强大的图像处理算法识别并跟踪物体的特征或标记，从而计算出长度和速度。其优势在于极高的灵活性和通用性，可同时进行多种复杂的质量检测（如缺陷、尺寸、字符识别），适应性强，对各种表面纹理和颜色均有良好表现。其测量精度可达微米级，检测速度取决于相机帧率和处理能力。然而，系统相对复杂，集成和编程需要一定的专业知识。

（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

在为造纸行业选择合适的测速测长传感器时，我们需要像挑选工具一样，仔细审视几个关键的技术指标，因为它们直接决定了测量的效果和设备的适用性。

• 精度和重复性： 精度是指测量值与真实值之间的接近程度，重复性是指在相同条件下多次测量得到结果的一致性。在造纸行业，哪怕0.1%的速度偏差都可能导致纸网断裂或产品不合格。因此，我们应该选择精度和重复性都达到或优于0.05%的传感器。高精度确保测量的可靠性，高重复性则保障生产过程的稳定性。

• 速度测量范围： 造纸机的速度从启动时的低速到正常生产的高速（可能达到1000-2000米/分钟甚至更高）变化很大。传感器必须能覆盖整个工作速度范围，包括0速测量和方向识别能力，以便在纸机启动、停止和正反转时都能提供准确数据。

• 响应时间/数据更新率： 速度变化需要被控制系统及时感知并调整。快速的响应时间和高数据更新率能确保控制回路的实时性和稳定性，有效应对生产过程中可能出现的瞬态速度波动。

• 测量距离和景深： 测量距离是指传感器到被测物体的最佳工作距离。景深则表示在这个最佳距离附近，传感器能保持额定精度的允许距离范围。在造纸机这样大型、复杂的设备上，安装位置可能受限，较大的测量距离和景深能提供更大的安装灵活性，避免与纸网或导辊发生物理干涉。

• 环境适应性： 造纸车间通常环境恶劣，存在粉尘、水汽、高温、振动等因素。传感器必须具备高防护等级（如IP67）、宽工作温度范围，甚至可选配冷却外壳，以确保在这些条件下长期稳定运行。

• 通信接口和集成能力： 现代造纸机控制系统通常采用工业以太网、PROFIBUS、PROFINET等总线。传感器应提供丰富且兼容的通信接口，便于与PLC/DCS系统无缝集成，简化数据传输和系统调试。

• 成本考量： 初始采购成本、安装调试成本、以及长期运行和维护成本都需要综合考虑。非接触式激光传感器虽然初始投资高于传统编码器，但其免维护、无磨损的特性往往能在长期使用中带来更高的经济效益。

选型建议：

• 对现有接触式编码器进行升级或在核心控制点： 优先考虑激光多普勒测速测长传感器。它能彻底解决打滑、磨损问题，提供极致的精度和稳定性，是提升纸机控制水平的理想选择。

• 对测量距离有严格要求或追求极致重复性： 光学散斑相关法传感器可能是一个不错的选择，但需注意其较短的测量距离是否满足现场安装条件。

• 除了速度长度，还需要进行多参数质量检测（如纸幅边缘、缺陷、厚度等）： 三维激光轮廓扫描或高精度机器视觉测量系统会更具优势，它们能提供更全面的纸网状态信息，但系统复杂度和成本也会相应增加。

• 预算有限且对精度要求不高，或在辅助监测点： 传统高精度编码器仍可考虑，但必须严格控制安装质量，定期检查和维护，以尽量减少打滑和磨损带来的误差。

（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，在实际的造纸生产线上，依然可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能确保测速系统的稳定运行。

• 问题1：纸网表面特性变化（湿度、粗糙度、颜色）

  • 原因与影响： 纸网在不同生产阶段的湿度、表面纤维结构、甚至涂层颜色都可能发生变化。这些变化可能影响激光或光学信号的反射和散射效果，导致测量信号质量下降，进而影响测量精度。对于接触式编码器，湿滑的纸网表面更容易导致打滑。

  • 解决建议：

    • 对于非接触式传感器： 选择对表面特性变化不敏感或具有自适应算法的传感器。例如，激光多普勒传感器通常对漫反射表面有较好的适应性。安装时，尽量选择纸网表面相对稳定、水分含量变化较小的区域。

    • 对于接触式编码器： 确保测量轮表面材质具有高摩擦系数，并定期检查测量轮的磨损情况，必要时更换。安装时施加合适的接触压力，但又不能过大影响纸网。

    • 系统层面： 结合其他过程参数（如水分仪数据）对测速数据进行校正或验证。

• 问题2：环境干扰（粉尘、水汽、振动、温度）

  • 原因与影响： 造纸车间往往粉尘和水汽弥漫，设备振动频繁，局部温度可能较高。这些都会对传感器的光学镜头、电子元件造成污染、损坏或干扰，导致测量不稳定或故障。

  • 解决建议：

    • 防护等级： 优先选择具有高防护等级（如IP67）的传感器。

    • 清洁维护： 定期检查并清洁传感器光学窗口，防止粉尘和水汽附着影响测量光路。可考虑安装气刀或防护罩。

    • 抗振动设计： 确保传感器本体具有良好的抗振动能力，并在安装时使用减振支架。

    • 温度控制： 在高温区域，为传感器加装冷却外壳或空调箱，确保其在额定工作温度范围内运行。

• 问题3：传感器安装与对准不当

  • 原因与影响： 传感器未正确安装在被测区域，或测量光束与纸网运动方向存在角度偏差，都可能引入测量误差。

  • 解决建议：

    • 严格遵循安装手册： 按照制造商的指导手册进行安装，确保测量距离、角度和对准精度符合要求。

    • 利用辅助工具： 许多激光传感器带有指示光斑或内置对准工具，用于辅助精确对准。

    • 定期检查： 定期检查传感器的安装位置是否松动或发生偏移。

• 问题4：数据通信与集成问题

  • 原因与影响： 传感器数据未能准确、及时地传输到控制系统，可能导致控制指令延迟或错误。

  • 解决建议：

    • 选择兼容接口： 确保传感器提供的通信接口与现有控制系统（PLC/DCS）兼容。

    • 网络诊断： 定期检查通信电缆、网络交换机等硬件设备，利用网络诊断工具监控数据传输状态，查找并解决通信延迟或丢包问题。

    • 协议配置： 确保传感器与控制系统的通信协议（如PROFIBUS、PROFINET）配置正确。

4. 应用案例分享

激光测速测长传感器在造纸行业中有着广泛而关键的应用，极大地提升了生产效率和产品质量。例如，英国真尚有AJS10X系列激光测速测长传感器，基于激光多普勒原理，在卷取机速度同步与长度控制、涂布机和施胶机速度匹配、分切机定长切割控制以及烘干部张力控制等方面都发挥着重要作用。

• 卷取机速度同步与长度控制： 在造纸机末端的卷取环节，传感器用于精确监测纸网速度，确保卷取机与纸网速度同步，避免纸卷松紧不均或断裂，同时精准计量纸卷长度，为后续分切提供准确数据。

• 涂布机和施胶机速度匹配： 在涂布和施胶过程中，传感器监测纸网和涂布（施胶）辊的速度，实现高精度的速度匹配，确保涂布或施胶层的均匀性，对纸张表面质量至关重要。

• 分切机定长切割控制： 在纸张分切环节，激光测长传感器提供精确的长度数据，指导分切刀具进行定长切割，确保每卷或每张纸的尺寸符合要求，减少材料浪费。

• 烘干部张力控制： 监测烘干部各区段纸网的速度差异，通过反馈控制调整烘干辊速度，精确控制纸网张力，防止纸网在高温下过度拉伸或松弛，减少断纸风险。