专利名称：光学在线透气度检测及穿孔位置测定的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在运行的材料幅面(Bahnmaterial)上对孔列及穿孔区域用光学方法进行位置测定及气孔率检测的方法和设备。在此，孔列、孔列组、穿孔区域、孔道(Spur)或穿孔范围的分布，基本上和幅面的运行方向是平行的。
背景技术：
本发明提及的运行的材料幅面可理解为特别是指一般纸或经加工的高级纸的幅面，例如卷烟纸、烟嘴衬纸及咖啡过滤纸、过滤器滤芯纸(Filterumhüllungspapiere)也称为过滤包(plugwraps)、保险纸、全息印刷的、压有薄膜的和有涂层的或金属化处理过的纸张的幅面或在不同穿孔区域需要有一定的透气度及透水度的包装材料纸的幅面。这些幅面被卷成宽幅或窄幅的卷，其也称为筒(Bobiene)，并再做进一步的加工。
在对材料幅面进行静电或激光穿孔时，这里指的是离线运行，幅面宽度在从30毫米到2000毫米的范围内，走纸速度最高至600米/每分钟以及最多有60个相关的穿孔范围。由于各种因素的影响，例如纸张的厚度、密度、密纹的变化，受热或者穿孔头或电极被污染而引起透气度(下面称为气孔率)发生不合需要的变化。为了确保产品的高质量，必须对这些变化进行量和质的分析并通过技术调节进行平衡。
孔列、孔列组的位置的变化、激光穿孔时的穿孔的质量和区域宽度的变化、区域位置的变化、孔像的变化或在预定界限之外静电穿孔时穿孔密度发生较大的偏差，这些都是不允许的，必须补充在线监控并尽可能由穿孔系统进行自动矫正。
此外，不同的材料特性、气泡、印刷、纹理、条纹或者设备外部的因素不允许在穿孔及气孔率的稳定性方面影响到产品的质量。同时还要保证当材料卷长度达到25000米时不发生生产设备的停车。
这些材料幅面的生产厂家以及加工厂家大都已经通过ISO-9001及ISO-9002的质量标准认证，因此，在必要时，所生产的所有卷或筒上必须标明穿孔和气孔率的各项重要数据。
纸质材料的光学在线气孔率检测仪的主要检测参数和公差数据如下材料的克重16-100g/m2；材料幅面的厚度30-80μm；材料幅面的印刷在穿孔区域之外，不同的形式及位置；幅面宽度40-2000毫米；走纸速度至600米/分钟；静态气孔率检测Borgwaldt或者Sodimat透气量检测系统；透气度，这里称为气孔率，的物理检测单位Coresta Units-ml/min/cm；气孔率测量范围80-5000C.U.；气孔率的分辨率+/-3C.U.-检测范围为 ＜200C.U.；气孔率的分辨率+/-5C.U.-检测范围为 201-600C.U.；气孔率的分辨率+/-15C.U.-检测范围为601-1000C.U.；气孔率的分辨率+/-30C.U.-检测范围为1001-5000C.U.；孔的直径和密度—静电穿孔20-100μm，30-250孔/厘米；孔的直径和密度—激光穿孔60-300μm，5-30孔/厘米；静电穿孔区域的宽度2-6毫米；不穿孔的范围4-40毫米；激光穿孔时孔列的数量1-8＝一个孔列组；激光穿孔孔列的位置的测定在幅面宽度上+/-0.1毫米；穿孔区域/孔道的位置测定在幅面宽度上+/-0.2毫米；穿孔场的位置测定+/-0.3毫米；穿孔质量或者穿孔截面变化的识别＞15％；穿孔的密度变化的识别＞15％；对所有孔列组、穿孔区域或者穿孔场，都必须以固定的测量长度(例如，1或2cm2)进行尽可能全面的实时气孔率检测；所检测的光学气孔率相对于静态气动透气度的长时间的、稳定的和没有偏差的分布状况，以C.U.为单位。
基于此背景技术，下面的发明研究了在线检测方法及对产品质量的高要求，并提供了优秀的解决方案。
与此相应的穿孔技术及光学气孔率检测方法的现有技术状况反映在下列专利中PCT/JP98/00890，EP 09.096.06A1，DE 44.037.589A，DE29.18.283C2，DE 42.43.721C2，DE 19.616.019A1，EP 00.56.223，DE 28.04.975，DE 36.18.518，DE 43.02.137A1，EP 93.120.483.8，DE 197.29.005A1及GB2.149.092A。
在DE 41.12.878C2专利文献中详细说明了对这类材料幅面进行气动静态透气度检测的检测方法。气动检测的结果为光学检测的气孔率的校验和分布奠定了基础。
在DE 44.21.962-C1和DE 196.16.018-A1专利文献中说明了在运行的材料幅面，特别是以静电方法穿孔加工的烟嘴纸幅面上进行气孔率光学检测的其它方法和设备。这里也使用了光透射方法，其是在幅面的一面安置带有光源的光学双气孔率检测头，在另一面安置双传感器装置。
这两个装置以机械方式互相连接并借助于运行装置横向穿越经过检测狭缝的幅面。在两个不同波长或在空间上分开的传感器系统上按照一定的时间间隔，以多次方法流程进行位置的测定并以轨迹停留运行方式测定光学气孔率。
US 5.944.278及US 5.341.824专利文献非常详细地说明了固定CCD光电转换行传感器的使用，以及在极限高速达1500米/分钟的运行幅面上使用配备有图像处理的高分辨率照相系统对激光穿孔进行间接气孔率检测的情况。
摄像及图像处理的速度应该有多快，这里有一个简单的计算实例我们假设幅面运行的速度为1500米/分钟。在相当于静态的检测面，每个检测长度为2厘米时，要全面分析每一个孔列组，必须每秒至少拍摄1250帧照片，在孔径为60-100μm时，为了达到理想的图像分辨率，曝光时间要小于1/10000秒，这在技术上是不现实的。
另一个方法及检测原理是由Sensoptic公司开发并发表的模拟孔检测系统，它在幅面运行速度为200米/分钟以下时对激光穿孔的单个孔列及孔列组的存在用是/非选择来进行监控。
迄今为止，所有的方法及设备只能进行间接的在线气孔率检测，并且大部分所采用的方法是逐个连续扫描孔列组或穿孔的孔道，并非实时地测定穿孔的区域及质量。此外，这种非实时的位置测定及气孔率检测的检测过程，以及检测头从孔道到孔道运行并做短时间的停留的方式都会引起在整个过程内时间上的巨大延迟。如果进一步考虑到，比如在36个穿孔孔道，穿孔区域宽度为3.0毫米，幅面宽度为1000毫米时，所有穿孔孔道的总和只不过是整个幅面宽度的1/10，这样，这种方法的延迟时间是相当高的。
这样，对孔的质量及穿孔截面的监控，以及随后的穿孔系统的调节回路或趋向跟踪不可能实时进行。这对于生产设备的高自动化程度是非常不利的。这种不利因素就定位和起始气孔率而言特别表现在整个幅面宽度上穿孔头及电极的自动化快速安装和调整，卷切割机的上下刀的电机定位也有这样的问题。
发明内容
本发明的任务就是要克服这些缺点并找出技术上的解决方案，使其尽可能对产品标准进行实时的分析和处理，并在控制技术和补偿技术上对穿孔系统施加影响，以控制其物理上的参数保持在预定极限值之内。
为了达到检测过程中在时间上的同步，和以往解决方案所采用的CCD光电转换行传感器技术和平面照相技术相比，其优点是，在这一方法及其设备上采用了具有混合光电二极管技术以及集成的前置放大器。只有这样才有可能实现短时间的检测过程和实时同步的例如20KHz的扫描频率并实现了时间上的同步。与此相关的一些举例将在下面的发明内容中阐述。
带有双传感器系统，用于对运行着的幅面进行光学气孔率检测和穿孔位置测定的本发明的方法通过本发明所述的技术特征即可完成前述任务。
然后使用跨越式系统(Traversiersystem)，从材料幅面以外的一个固定的参考点出发，在第一个穿越幅面的检测循环中对穿过检测狭缝的材料幅面用光透射方法，通过光学位置测定系统的直线激光及点激光对幅面边缘、孔列组、穿孔孔道或穿孔场的照射来进行位置的测定。测定过程中，在各穿孔孔列上、穿孔孔道或穿孔范围内没有任何的中间停顿。一个在跨越轴上可自由滑动的耦合的增量传感器(Inkrementalgeber)提供X轴高精度的几何分辨率，例如为0.05毫米。
在进行第一个穿越幅面的检测循环的同时，另一个在位置测定系统后直接固定在同一X横轴上的具有更强的光透射力(Strahlausbildung)的光学气孔率检测系统检测以前已经分析过的穿孔范围的光学气孔率。在这两个检测系统到达相对幅面的边缘时，这一位置上的第二个参考点被定义为两个系统在材料幅面之外的反向点，在这个点上，位置测定和气孔率检测的顺序开始逆转。在下一个检测循环时，刚才提及的作为同步双检测的检测顺序结束。这个检测过程通过两个检测装置的不停的横向运动周而复始地进行，这样，由于在Y轴方向运行的幅面和在X轴方向横向运动的检测头的相对运动产生了作为检测长度截面的平行四边形。
通过多次的试验和实际检测确认，本发明使用新的传感技术，特别是使用非常精细的线激光或点激光，使得在最高达200毫米/秒的横向运行速度时也可以在这类材料幅面上进行精确的位置测定。这一切再加上一起同时使用的进行光学气孔率的检测的第二个传感器系统，以及为此专门适配的均匀平面透射光，使得为确定纸幅边缘、穿孔范围及气孔率分析所需的时间而单独进行的消耗大量时间的多重运行过程可以被完全取消。此外，特别是通过带有精确的轮廓界限的光照射截面，其它关于穿孔及截面质量的产品信息被包含在两个传感器系统的信号过程中，并且可以被分析利用。
气孔率检测系统以简单的方法检测孔列组之间或穿孔范围之间间隙的纸张的透明度，那些部位优选没有纹理，线条构造或者不是印刷范围的地方，这样，每次循环可从n次的单个测量数值中求得一个中间值，在每次计算气孔率单个值时可作为背景偏差加以参考。
本发明这一优化的同时紧凑的在线检测系统使用带有2个运行轴的跨越式系统，它们可由一个共同的或者2个同步运行的步进电机、直线磁场电机或者直流伺服电机驱动，具有相对较高的运行速度和更精确的穿孔位置测定组合，能在气孔率检测的同时进行穿孔的质量监控。同时，整个检测系统可以被相当简单地安装在现有的或新的生产设备上并直接集成于穿孔设备之后。比方说激光穿孔设备，它可以同时对3个，最多为4个窄幅卷(Bobinen)同时进行穿孔，跨越式检测装置的运行宽度约为250毫米，而在静电宽幅设备上，根据幅面的宽度，它的运行宽度可达1200至2000毫米。
本发明的其它优点是两个检测系统可以同时不间断地快速横向运行。例如，在有40个穿孔孔列组或者穿孔孔道的1200毫米的幅宽上只需5-8秒，在检测技术上，可以同时监控每个穿孔范围内的气孔率偏差以及穿孔质量的变化，并几乎在同一时间无延迟地通过穿孔系统来进行补偿。
在本发明中通过在2个传感器系统中使用模拟技术，可以满足生产上的高要求，例如，在幅面运行速度在600米/分钟之内时，每个孔列组或者穿孔孔道的理想的单个检测长度为2厘米。之后由例如300个单个的检测点对4毫米宽的穿孔区域形成了一个用于光学气孔率积分的包络线。这在遵守扫描原理的情况下(比方说20KHz)，使用市场上现有的能同时读取X轴上的增量值的具有积分模拟-数字转换功能的多处理器插卡、一台主计算机(MasterPC)和不同的程序软件就可以没有任何困难地达到。
这对于一台自动化的设备和所有穿孔范围的定位、气孔率的基础调试以及用于在卷的长度可高达25000米的生产过程中预防性地识别气孔率和孔的密度及孔的直径变化及趋势的中心部件是一个根本的前提条件。
本方法的其它的优点在于，在穿孔率低的静电穿孔区域，例如在不透明的材料幅面上＜100C.U时，能够绝对准确地进行位置测定，而在过去使用以前的检测系统时总是会出现很大的问题。
实践证明，在纸张的生产，纸张的后续加工和塑料加工业中，很久以来人们就已知道这样一种“飞速气孔率检测运行(fliegenderPorosittsmessbetrieb)”的方法，气孔率检测头在各孔道上或孔列组上不停留的运作。这样即使是连续运行，气孔率的公差也能保持均衡并保持开始时的较小的数值。这一方法的优点在于避免了检测时的极大的延迟时间，而这一延迟时间通常是在轨迹停留运行方式时由于不检测中间不穿孔的部分而不断进行的起始和停止的强制操作所造成的。
只有使用本发明的“飞速”检测运行方法，对例如1200毫米宽的幅面，40个穿孔孔道同时进行位置测定和气孔率检测，才能在生产的卷的长度为15000米，运行速度为180米/分钟时达到每个穿孔孔道总共约800个检测数据和总共约32000个数据。与此相反，在区域停留运行时假设每个孔道停留2秒钟，每个穿孔孔道的检测数据和数据总数将要小10倍。这也再一次说明了，只有使用“飞速”检测运行，才可能快速回到每个孔列组或孔道。
本发明的方法还具有其它的优点，在气孔率检测时用于均匀照明检测窗口的光的强度将通过集束光和单个光源，也就是所谓的电子发光二极管，进行相互的光学调节和电流控制适配。根据不同的气孔率范围，光的总强度上可以在外部进行控制。因为紧凑的光源直接位于传感系统中幅面对面上方的检测头罩壳里，省去了通向跨越式系统的光纤维以及其它因使用空间已取消了的钨丝卤素灯而产生的问题即光强度持续的衰弱、热点以及较短的使用寿命，例如，只有500小时。
在光学在线检测系统上无法完全排除的污染或检测窗口的积聚灰尘，在本发明中通过用空气吹洗检测窗口，检测狭缝定时驶入清洗或带有刷子的装置，以及通过材料幅面外气孔率检测系统的参照光接收来加以持久的补偿。
所有光学气孔率检测系统都是作为相对检测系统工作的，因此，光学的气孔率检测值必须和静态气动检测的透气度值进行对比校准。在这方面，本发明公开的方法和设备也存在一个优点它在第一个检测循环结束后直接停止生产设备的运行并对材料幅面进行静态检测。在1米的长度上的3个检测数据形成一个用于每个孔列组或者穿孔区域的中间值，它们被输入计算机系统作为气孔率积分的对应，气孔率积分由跨越轴的向前和向后运行产生的2个数据的平均值构成。然后，根据由此导出的每个孔列组及穿孔区域的换算系数进行程序内部的计算和显示。
很容易看出，只有通过没有时间延迟的，在材料幅面上几乎是同一个位置的光学和气动检测，才能得到一个可以比较和可以再现的气孔率结果。这是因为在运行的幅面上，相对于实际的光学气孔率检测，气孔率的变化可能是非常大的。这又是这项发明的方法的另外一个优点。
此外，开始时所提到的本发明的任务将由用于在运行着的幅面上对穿孔进行光学气孔率检测和位置测定的带有双传感器的系统设备来完成。
根据本发明，这个设备在材料幅面的一侧有2个用于在同一横轴上，但方向相反地进行位置测定和气孔率检测的光照射系统，且它们位于同一跨越轴上。在幅面的另一面，通过X轴和Y轴进行对应，2个传感器罩壳安置在另一个运行轴上。2个运行轴的运行是绝对同步的，它可以以机械方式固定连接或者也可以由2个单独的装置组成。固定在轴上可自由滑动的耦合的增量传感器不断提供高分辨率的现时位置的数据。
在幅面横向方向的，也就是与孔道和孔列组的运行方向不同的2个传感器轴的几何距离是固定的，这个距离在软件内部运算和数据分析时被加以考虑。2个传感器系统在空间上的横向错位，在实践中显示了其进一步的优点。随机出现的孔像和穿孔构造的变化、由于磨擦痕迹、裂缝、孔的中断、部分区域的中断、较大的区域染色或者穿孔过程中其它因素的作用而短时间出现的孔列组或穿孔区域之内的变化，所有这些在这一设备上都可有选择地进行分析并且根据实际情况加以考虑或被忽略。这一功能在以往的其它设备上是没有的。
2个传感器系统的所有模拟数据由一块在市场上能购得的多处理器卡接收并在主计算机中运行做进一步处理。在硬件和软件技术上，多处理器卡还可以对光源、用于X轴位置测定的增量传感器的信号处理、数据的生成、及将数据输送到运行轴进行定位的电流进行控制。通过有2个独立运行的处理程序的多处理器，可以毫无困难地进行快速运行及高达20KHz的用于传感系统的高频率扫描。可以使用带有例如LABVIEW或ARGUS通用程序包的标准化了的分析方法，对整个过程进行视觉化处理以及统计分析。
有很多可能性，可以将上述发明的原理在有利的方面进一步扩展和加以说明。一方面，可以参看本发明描写的特征，另一方面，可以参看下面根据附图来阐述的本发明的多个实施例。在阐述本发明的各种优选实施例的同时，借助图纸还将讲述这一原理的进一步扩展。其中
图1按照本发明设计的，带有用于激光穿孔的材料幅面端设备的示意性俯视图；图2图1所示的本发明设备的示意性侧视图；图3使用图1的设备，在材料幅面上的光束构成的放大俯视图；图4带有用于生成平面照明光线的3个电子发光二极管的本发明设备的侧视图；图5带有用于生成平面照明光线的1个四方形电子发光二极管的本发明设备的侧视图；图6用于位置测定和气孔率特征记录的信号图，以激光穿孔及窄幅卷为例；
图7放大了的用于位置测定的信号图，以激光穿孔及窄幅卷为例；图8用于位置测定和气孔率特征记录的信号图，以静电穿孔及宽幅卷为例；图9放大了的用于位置测定的信号图，以静电穿孔及宽幅卷为例；图10带有位置测定及激光穿孔的孔列质量分析实例的信号图；图11带有位置测定及静电穿孔的孔道特征分析实例的信号图；图12电子发光二极管的光强度的分布；图13用于共同光源的3个电子发光二极管的经优化及适配的光强度分布。
具体实施例方式
图1是跨越轴2的示意性俯视图，它在激光穿孔的材料幅面1上的双检测头3的X轴上做横向运行9，这一幅面在此实施例中表示两个各自带有两个激光孔列组5的整卷窄卷4，激光孔列组将从完成穿孔的卷上切下。材料幅面运行方向10在Y轴上，窄卷截面用41表示。为了更好理解，激光孔列组5以放大的比例来表示。
图2是双检测头装置3的示意性侧视图，图中说明了相对于X-横轴9的位置测定光7和气孔率检测光8的分离，以及空间上的固定错位6。在本发明的这一实施例中，该错位6可以是50毫米，这和几何上的位置或者所谓的穿孔标准记录器完全无关，它只定义穿孔孔道5及其在卷宽度上的边缘范围的中间距离11。大于例如为60毫米的较大的距离6意义不大，因为这样会没有必要地增大了材料幅面边缘外的检测头的驶出位置。由于不同的光照射特征和方式，不可能发生位置测定光7和气孔率检测光8之间相互的光学影响。同样，日光或工厂的照明对两个检测系统没有影响，因为光线无法进入狭窄的检测狭缝。
在该设备的实施例中，检测狭缝12相对于两个光源7和8的距离是相同的，即为4毫米。在实际中3-8毫米的检测狭缝被证明是合适的。
在该实施例中，双检测头装置15和16的外观尺寸在幅面的每侧为宽80毫米，深60毫米及高60毫米，这是一个非常紧凑的结构。
进光和出光窗口13上用于去除灰尘颗粒及穿孔时释放的气体的纯净空气吹洗装置由于十分简单，所以在此不进行详细说明。
此外，在该设备的实施例中，对位于材料幅面以外的刮污器和清洁刷也不做描述。
由于透射原理在提及的专利文献中已有详尽的说明，在侧视图中对有关光波长度的透射原理也不作进一步说明。
用于位置测定的精细的点激光或线激光7的光学投射在图3中被放大显示。为了更好地对穿孔进行阐述，激光孔列组5被相对于实际尺寸进行放大显示。点激光或线激光7的点直径优选小于0.5毫米。实践结果证明，例如在中间距离为1.0毫米，局部分辨率为+/-0.1毫米时，即使在10至600米/分钟非常高的走纸速度及检测头9至200毫米/秒的横向运行速度时，单个激光孔列11的光学选择也是可行的。一个截面为0.2毫米宽、5毫米长的线激光7更为合适，因为它在横向的投影面更为有效。Schfter及Kirchhoff公司提供不同规格的和在波长范围在600纳米至900纳米内工作的点激光器或线激光器7。为了测定点激光或线激光的位置，在幅面的另一面使用带有集成的前置放大器的常规光电二极管及通常的双二极管或四个二极管。该前置放大器的常规光电二极管严格按照激光的波长来确定，在前端安有视准仪透镜(Kolimatorlinsenvorsatz)。这是技术方面的情况，对其它的应用做了详细的说明。在本发明的这一实施例中没有阐述传感技术。
图4阐述了集成在检测头中，用于生成气孔率检测8用光束的带有3个电子发光二极管14的光源的光学结构。这些高性能的电子发光二极管14通常在700纳米至900纳米的波长范围内工作，根据目前的技术水平可达到8cd的光强度和40流明的光通量。在脉冲运行(Pulsbetrieb)时的光强度升高可达到25系数(Faktor)。
为了使每个发光二极管的光强度高斯分布16(这在图12中也可看出)更均匀地照射在检测面17上，在本实施例的设备上使用的三个电子发光二极管14在空间上错开分布在X轴和Y轴21的对角线上，并通过电流控制进行补偿，使得光强度包络线17有尽可能小的平顶段18的波纹度。这将在图12和13中以光强度图表来进一步说明。19部分定义了在检测窗口出口处的聚光透镜23和24后端的光束图像8的数值。
在检测面的X轴和Y轴26上均匀的光照射是很重要的，因为只有这样才能达到和实际穿孔截面尽可能的对称和可比，特别是可以确保在穿孔的边缘范围并和穿孔方式完全无关。
由电流控制或者电流脉冲控制的电子发光二极管14的使用寿命按照制造商的标称可以达到25000工作小时，因此实际上要经过几年运行后才需更换。这和开始时提及的使用寿命极其短的卤素灯相比又具有优越性。
为了使在空间上错开的发光二极管14的光束集中，在光束通向检测窗口22的方向上使用了专门的半透镜或衍射镜20。这些光学元件在分析技术及粒子集中检测(Konzentrationsmessung)上广为使用。聚光透镜23和24有着不同的直径和焦距，这样能将发光二极管相当分散的光束集中成希望的圆形或正方形的光束截面8，例如，直径6毫米或6*6毫米，并射向材料幅面1。
在幅面两侧的用于气孔率检测16的传感系统为常规结构，包括光电二极管元件25，它优选带有一个在瓷片上的集成的前置放大器。这里可使用单个的光电二极管，也可使用单片的双光电二极管25及四个光电二极管31，它们在光谱灵敏度方面和电子发光二极管一致。它们的位置可以直接是在最后的聚透镜23的焦点28的后面一点，这样可以尽可能地使光束射在光敏感的平面上。
在传感器罩壳内的光电二极管的光束的方向和带有两片聚透镜23及24的电子发光二极管的光束方向相反。
用于位置测定的精细的点激光或线激光，将优先使用具有较小的光敏感面的单或双光电二极管，例如0.5*0.5或1*2毫米，或者使用PSD位置传感器。PSD位置传感器是专门为这一应用领域设计的，适合其光谱范围，并且在市场上有售。气孔率检测用的光敏感面为3*3毫米或4*2*2毫米的，在同一芯片上带有集成的前置放大器的单光电二极管或四光电二极管是很可靠的。
最后提一下，在这个实施例中，由于检测狭缝相当狭窄，所以省略了带通滤波(Bandpaβ-)或其它过滤元件。
另一个实施例是只使用一个高效率的四电子发光二极管29，其在图5中加以了说明。由此产生一个圆形的，四点光束聚集成的检测面30，它以同样的形状反应在四光电二极管元件31上。实际的试验显示，该实施例这样的结构同样也能得到良好的气孔率检测结果。四点光束聚集的光强度分布互相是不适配的需要进一步优化，因为在穿孔截面的边缘范围会出现轻微的轮廓失真。
用于位置测定和气孔率检测的，相对于材料幅面走向横向运行的动态信号接收将在图6到9中详细说明。图6和7显示了激光穿孔的检测结果，图8和9显示了与此类似的静电穿孔的情况。
在图6和7上部的图表中清楚表明了在一个孔列组5、以及在X轴9上相对的孔列之内，对单个孔列42所进行的局部检测，和在Y轴32上的用于检测的光电二极管的模拟电压。X轴9上刻度的单位为毫米，优选带有0.1毫米的刻度；Y轴32和电压输出值相对应，其单位为伏，最好到10伏。
左侧的幅面边棱38得出的单个距离34、35、36和37是在带有耦合增量传感器及0.05毫米精密刻度的检测装置做横向运行时记录得到的，此时可以用作计算。极限值38被定义为孔列或孔道起始端的标准值，高于它的起始端39和低于它的终端40都有明显的标记。从它们的中间值计算可以得出孔列中心11的重要尺寸。
此处还有一个窄幅卷41的实际例子，它可以代表性地适用于宽幅卷的整个宽度上的各窄幅段。以左侧卷边缘为参照点，窄幅卷41的宽度为50.0毫米，孔列距离34为12.1毫米，孔列距离35为13.0毫米，孔列边缘距离36为37.1毫米，孔列边缘距离37为38.1毫米。这些具有代表性的距离和偏差适合于在孔列中心距离为1.0毫米、以及每个孔列组2个孔列时的从24到26毫米的标准光栅。24毫米是从两个幅面边缘38的孔列中心距离2*12毫米计算得出的，26毫米是减去窄幅卷41的宽度50.0毫米而计算出的。
图7中是信号的放大过程以及所得到的几何图形。从几何图形中可以计算分析出开始时所提到的单个孔列42的穿孔质量。穿孔孔列在质量上的特征是它的轮廓清晰度以及它的截面形状，通过这两个方面可以很好地检测是否达到了所期待的质量水准。因此包括由于激光光束聚焦不正确、激光束的微量变化、激光穿孔头的污染或者单个的光束透镜穿孔力的减弱等在内的各种原因所引起的孔的质量的明显变化，都可以很容易地使用数字信号处理及程序软件，根据预先给定的参考数据来确定，分析并以图像来加以显示。
在图10中进一步举例介绍了精确轮廓的传感器接收以及激光穿孔时单个孔列的选择。这里，在总气孔率为380C.U.时，三个单个激光孔列42的位置测定例外地采用了静态的方式来进行。这样做的目的是为了同样说明，由于在这种穿孔方式上使用了旋转的透镜，即使单个孔相对于幅面运行方向Y轴上存在的孔列相互错位也能被明显地加以标识。
此外，在图6-9下面的图表中显示了使用传感器8检测得到的气孔率信号43。由于在几何上的错位6和前面已经给出的说明，这个信号的记录在穿孔孔列或孔道的位置测定之后才进行。由穿孔区域或孔道宽度44及其量33和截面形状定义的面积积分来决定光学气孔率的数值，然后将这一数值作为单个气孔率数据由程序进行处理。在下面的描述中也阐述了包络线的形成。
如果把开始时列举的扫描标准和运行速度作为基础，可以很容易看出，能够累积起足够数量的基础点，用于形成气孔率积分43的包络线。
这一方法也包括了激光穿孔时用于气孔率形成的所有单个孔列的积分。因此，对单个孔列数量上的分析是非常必要的，因为只有这样才能识别影响到整个气孔率或气孔率摆动的单个孔列的变化，并反作用于穿孔系统，使其做相应的自动调整。
这里有一个实际例子材料幅面1的运行速度240米/分钟n个穿孔孔列或孔道的总宽度3毫米传感器系统7和8的运行速度200毫米/秒A/D转换的扫描频率20KHz包络线数值20000样品/秒/200毫米/秒＝100样品/毫米*3毫米＝300整个3毫米宽度上的运行时间v＝s/t＝3毫米/200毫米/秒＝15毫秒材料幅面运行长度s＝v*t＝4000毫米/秒*0.015秒＝60毫米这样，在这一例子中，幅面运行方向上，在整个3毫米的穿孔宽度上的检测长度为对角线60毫米，总共记录了300个用于形成气孔率积分的包络线基础点，它们的数值在校准后以C.U.为单位分配给光学气孔率。采用对角线的原因是因为材料幅面在Y方向10和运行装置在X方向9的两个相对的运动在每个检测时间点上都是有效的。
如在图6中可以看出，在窄卷截面看到的金带(Goldstreifen)44对气孔率截面的形成以及由此导出的每个穿孔区域的气孔率没有影响。与此同时可以在传感器侧看到激光45的强度有微弱的减小。
因此，在每个横向运行的过程中，在所有中间范围56应该优选记录材料幅面的透明度检测值，如同有关校准中阐述的，其中间值应作为补偿考虑进去。
和图6和7类似，在图8和9中显示了前面描述的可以通用于静电穿孔的区域45或者整个宽度范围，在这里例如是通用于三个窄幅截面46的情况。这些幅面可以是如前面提到的烟纸或者烟嘴衬纸，它们在幅面运行方向上显示出生成的穿孔区域或范围。位置测定和气孔率截面分析、气孔率积分形成和气孔率的分布的工作原理和图6和7中的一致。
根据图9中的放大图可以计算出单个区域的位置和宽度47。单个位置49和48、51和50以及53和52到基准幅面边棱38的差可以定义每个穿孔区域或者穿孔范围的区域宽度。
下面是第一个窄卷截面46的一个实际的数例。
幅面边棱38＝100.0毫米，位置48＝111.0毫米，位置49＝115.1毫米，位置50＝135.0毫米，位置51＝138.9毫米，位置52＝161.0毫米，位置53＝165.0毫米；计算出的窄卷宽度＝((位置52+53)/2)-((位置49+48)/2)＝49.95毫米；根据上面的数据得到区域1的宽度位置49-48＝4.1毫米；区域2位置51-50＝3.9毫米和区域3位置53-52＝4.0毫米；实践中是相对于区域中间距离的光栅尺寸的计算((位置50+51)/2)-((位置48+49)/2)＝23.9毫米；每个窄卷的外部范围窄幅宽46＝49.95毫米-光栅尺寸23.9毫米＝26.05毫米；这里所举的例子在实践中是区域距离预定为50毫米的窄幅卷上24到26毫米的一个区域光栅。
正如开始时所提到的，在生产技术上广泛使用的是将宽幅材料卷在经过穿孔处理后切割成窄幅卷，这里被作为一段用46进行标记，宽幅卷可被最多切割成40卷窄幅卷。
根据这些例子可以很容易地看出，在整个幅宽上所有其它的区域位置的位置测定、区域宽度或者穿孔范围都可以进行计算和求证。
气孔率的穿孔截面47和积分值的产生也是以图6和7中针对激光穿孔所描述的同样的方法和过程进行的。
在用于静电穿孔区域45的图11中对图8和9做了补充。在这里，气孔率截面54被用于两个区域的静态检测。通过n个检测数据55的单个基础点，形成了各自的包络线54，并再形成穿孔截面和气孔率积分。在这个例子中可以明显地看出在等效轴(Betragsachse)33上截面形状中区域1和区域2之间的区别。在这个例子中X轴9有着0.1毫米的精密刻度，如同上面说明的，这样可以从起始点48和50及终点49和51计算出各自的区域宽47以及其它的位置数据。
这样，很明显就可以看出，按照本发明的方法，对每个激光穿孔孔列、孔列组及静电穿孔的区域或穿孔范围的穿孔截面54的监控只须和位置的测定及使用所列举的设备结构形成穿孔截面的过程同步进行。
根据当前技术水平下所可以达到的监控手段，如预先对上下极限的参考截面进行了设定，则这个监控的方法也是可以实现的。这样，在检测装置的每一次运行循环中，可以检测、比较和说明孔的质量和穿孔的截面。
这些都是这项新的检测方法和设备的优点，它们可以在线并尽可能没有时间延迟地确保了开始时提出的穿孔产品所需要达成的质量标准，并在穿孔技术上给予平衡和补偿，保障了质量的稳定。
在使用大家都知道的计算方法计算所得到的气孔率积分，以及将对应于使用Borgwaldt或者Sodimat公司的仪器进行静态检测所得出的以C.U.为单位的气孔率的数据进行分配时，这里有一点需要引起注意。和在检测狭逢中穿越运行的材料幅面1保持横向的检测头3的运行速度在校准过程后不允许有变化，否则，在X轴9上的扫描频率会发生变化，这会引起整个穿孔范围内的检测段的缩短或延长，并导致和预先分配的实际气孔率的偏差。实践的结果已经证实了这一点。因为在穿孔时材料幅面的运行速度是恒定的，这个生产参数应该保持不变。
作为对本实施例的用于光学气孔率检测8的设备的补充，还有紧凑的带有有色光光源的彩色传感器，这在实际测试中已经加以了验证。用它的光强度的4个模拟输出信号以及3个基础色(红、蓝及绿)所生成的气孔率积分54和前面描述的对4个单个信号进行转换换算后得到的结果在分布上几乎是相等。
本发明的设备还装备有在此没有作说明的装置，它们主要被用于多处理卡和主计算机上的数字信号的采集、对位置测定和气孔率检测这两个检测系统采集的模拟信号的控制、以及对电子发光二极管输出的电流进行控制。此外还有用以生成和控制上述检测过程和运行过程并将其以图像来显示和输出的程序软件。
最后需强调，上面的实施例只是对本发明的原理进行了简单的说明，并非用以限制本发明。相反，按照这一原理可具有进一步的方法步骤和进行设备结构的变型，其中包括了使用一个双传感器系统对运行着的幅面进行光学位置测定及气孔率检测以及其它等进一步的结构特征。
权利要求
1.在运行着的材料幅面(1)特别是纸幅上对穿孔进行光学气孔率检测及位置测定的方法，此方法在激光穿孔时将穿孔作为孔列和孔列组(5)，而在静电穿孔时作为区域或穿孔范围(45)，生成至少两个分开的范围(41，46)，并将其置于和幅面(10)的运行相平行的方向，其特征在于，幅面(1)用两个分开的，并在X横轴上位置错开的光学照射系统(7，8)进行透射，穿孔(11，47)的位置测定及气孔率检测(43，54)在幅面宽度(9)上所进行的同一横向的运动可以在不同的地点对不同的或同一时间点同时进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，穿孔(11，47)的所有位置测定和区域测定以及在区域上分开的气孔率检测(43，54)以飞速检测运行的方法进行，在穿孔或中间范围上没有任何时间上的停留，检测运行的方向为在运行着的材料幅面(1)的横向方向(9)。
3.根据权利要求1或2中的一项或多项所述的方法，其特征在于，穿孔的位置测定(11，47)在第一次的横向运行(9)过程中，在空间上总是比气孔率检测先进行，在回程时的顺序则是相反，使得气孔率检测(43，54)在空间上要比穿孔的位置测定先进行。
4.根据权利要求1～3中的一项或多项所述的方法，其特征在于，使用2个分开的照射光源作为线激光或点激光(7)的光源，并且采用了在600-700纳米范围内的固定波长对幅面进行透射，同时还采用了一个有着较大的照射横截面(8)的，波长在650-1000纳米范围内的有色光源对幅面进行了透射。
5.根据权利要求1～4中的一项或多项所述的方法，其特征在于，在幅面(1)上，用于位置测定(7)的光束截面的点直径不大于0.5毫米，或者作为线激光时，其尺寸不大于0.4*10毫米。
6.根据权利要求1～5中的一项或多项所述的方法，其特征在于，用于位置测定(7)的光束截面，其矩形的较长的一侧和幅面的运行方向(10)以及穿孔范围(11)相互平行。
7.根据权利要求1～6中的一项或多项所述的方法，其特征在于，用于气孔率检测的光束的直径(8)在穿孔处至少是6毫米，如果是方形的，则其面积至少是6*6毫米。
8.根据权利要求1～7中的一项或多项所述的方法，其特征在于，用于气孔率检测的光源由至少2个高功率的发光二极管(14)所构成，它们在对角线上和空间上实现了错位(21)，并被安置在了幅面(1)正上方的同一个罩壳(15)内；并且在电流控制技术的调节作用下，确保其照射在幅面(1)上的光(8)几乎形成一个均匀的圆截面或者是矩形截面。
9.根据权利要求1～8中的一项或多项所述的方法，其特征在于，在穿孔机内的材料幅面(1)的精确的位置、每一个穿孔区域(45)及其宽度和中间距离(24)、以及各个激光孔列的确切位置(11，34，35，36，37，38，39，40)，以上的这些数据在检测装置的每一次横向运行(9)中都可以测定到。
10.根据权利要求1～9中的一项或多项所述的方法，其特征在于，用于位置测定和气孔率检测(7，8)的两个分立的，以机械方式相固定连接的传感器系统在空间上的距离(6)应该被保持在同一横轴(9)上，并且相对于幅面运行方向(10)为至少30毫米。
11.根据权利要求1～10中的一项或多项所述的方法，其特征在于，通过位置测定和气孔率检测的方式，随着传感系统的每一次横向运行(9)，都可以对各个激光孔列(42)、孔列组(11)、穿孔截面(54)、区域宽度(47)、区域位置(48，49，50，51，52，53)以及穿孔范围进行连续性的监控和质量控制。
12.根据权利要求1～11中的一项或多项所述的方法，其特征在于，用于气孔率检测的，在穿孔孔列组(11)、穿孔区域(45)、或没有印刷和纹理范围内的每一个间隔(56)的材料幅面透明度数据被记录下来，并由系统求出其中间值，该中间值在其后将被用作为气孔率单个数据的补偿参考值。
13.根据权利要求1～12中的一项或多项所述的方法，其特征在于，每一个在穿孔孔列组(11)、穿孔区域(45)、或穿孔范围的上方，并且在恒定的扫描频率以及恒定的横向运行速度下进行的横向运行(9)，都可以由此而生成一个检测到的包络线(55)，在这个包络线的基础上就可以确定出气孔率的积分(54)和光学气孔率的数值。
14.根据权利要求1～13中的一项或多项所述的方法，其特征在于，对于每一个穿孔孔列组(43)或区域(45)的光学气孔率数值(54)，都可以通过一个固定的换算系数来和校准时的气动气孔率建立一个对应的关系。
15.根据权利要求1～14中的一项或多项所述的方法，其特征在于，针对气孔率检测(8)中所使用的传感系统(15，16)，在幅面停止传送的时候，将在材料幅面(1)的外部进行检测窗口(8)的透射率的参考检测，检测的数值将被作为其污染和自动补偿的指标。
16.根据权利要求1～15中的一项或多项所述的方法，其特征在于，气孔率检测(15，16)传感系统的另外一种选择是，使用一个高灵敏度的模拟彩色传感器，它带有4个光强度的模拟输出和红，绿和蓝的三个基色，以及一个小型的有色光光源。
17.根据权利要求1～16中的一项或多项所述的方法，其特征在于，设计有针对每个单个穿孔孔道及穿孔范围(5，45)，并在穿孔系统中具有反馈以自动进行穿孔调节所使用到的自动信号和数据输出。
18.根据权利要求1～17中的一项或多项所述的方法，其特征在于，所有模拟输入信号将被转化为数字数据并做进一步的处理。
19.根据权利要求1～18中的一项或多项所述的方法，其特征在于，为了进行高速度的数字信号处理，在这里使用了多处理器系统，可以同时运行至少2个不同的程序。
20.根据权利要求1～19中的一项或多项所述的方法，其特征在于，在横向位置的数据测定(9)中，使用了一个增量传感器，它以机械方式和跨越轴(2)进行固定，其几何分辨率最小为+/-0.05毫米。
21.根据权利要求1～20中的一项或多项所述的方法，其特征在于，用于位置测定(7)和气孔率检测(8)的模拟信号的扫描频率将和跨越轴(2)的运行速度保持同步。
22.在运行着的材料幅面(1)特别是纸幅上有对穿孔进行光学气孔率检测及位置测定的设备，其中，将穿孔在激光穿孔下作为孔列和孔列组(11)，在静电穿孔下作为区域(45)或穿孔范围，生成在至少两个分开的范围(41，46)内，并且将其置于和幅面(1)的运行方向相平行的方向上，特别是使用如权利要求1～21中的任一项所述的方法，其特征在于，由一个点激光或一个线激光和作为照射光源的电子发光二极管及相关的光电二极管构成的两个分立的光源和透射光光束(7，8)位于幅面的一侧(15)，而用于位置测定和气孔率检测的传感系统在幅面的另一侧(16)，在空间上沿着X轴(9)进行错位的安装(6)，在跨越轴(2)上共同沿着相对X轴(9)及材料幅面(1)的运行方向(10)横向的方向进行运行。
23.根据权利要求22所述的设备以及权利要求1～21中的一项或多项所述的方法，其特征在于，位置的测定使用了非常精细的点激光或线激光(7)，作为探测头需要使用在同一芯片上带有集成的前置放大器的单独光电二极管。
24.根据权利要求22～23中的一项或多项所述的设备及权利要求1～21中的一项或多项所述的方法，其特征在于，在气孔率检测(8)中安装了一个带有多个光电二极管(14)的共同的光源，该光源可以通过特殊的透镜(20)或衍射镜生成一个共同的而且十分均匀的检测光束(8)。
25.根据权利要求22～24中的一项或多项所述的设备及权利要求1～21中的一项或多项所述的方法，其特征在于，用于气孔率检测的光源的所有电子发光二极管(14)可以选择性地由电流进行控制，这样可以在幅面(1)上产生一个几乎是同样形状的光截面(8)的强度分布。
26.根据权利要求22～25中的一项或多项所述的设备及权利要求1～21中的一项或多项所述的方法，其特征在于，作为气孔率检测的光源使用了带有平行光管光学系统的混合的四极电子发光二极管(29)。
27.根据权利要求22～26中的一项或多项所述的设备及权利要求1～21中的一项或多项所述的方法，其特征在于，使用了四极光电二极管(31)作为检测气孔率的检测器。
28.根据权利要求22～27中的一项或多项所述的设备及权利要求1～21中的一项或多项所述的方法，其特征在于，在材料幅面(1)之外设计有用于气孔率检测头(15，16)的检测狭缝(12)的清洁装置，它是灰尘清扫器或刷子。
29.根据权利要求22～28中的一项或多项所述的设备及权利要求1～21中的一项或多项所述的方法，其特征在于，两个检测系统安装在一个共同的跨越系统(2)之上。
30.根据权利要求22～29中的一项或多项所述的设备及权利要求1～21中的一项或多项所述的方法，其特征在于，用于位置测定(7)和气孔率检测(8)的两个光源安装在罩壳(15)内的上部和下部，以便直接紧靠运行着的幅面(1)。
全文摘要
针对窄幅卷(41)和宽幅纸卷(1)的激光和静电穿孔的一种在线检测方法以及相应的设备，用它可以在同一个横向运行的过程中在位置上的不同点(6)借助透射光线来同步测定穿孔的位置(7)和气孔率(8)。两个由点激光或线激光(7)和电子发光二极管光源(14)所组成的检测系统在整个幅宽上持续地进行着横向的运行(9)，确定和持续监控着每一个单个孔列、孔列组(5)和穿孔区域(45)的质量，以及气孔截面和气孔率积分(54)。这样就可以针对可能出现的变化，直接针对穿孔系统反馈有关的补偿信息，并在不停机的情况下监控和加工卷。
文档编号G01N15/08GK1506674SQ20031010476
公开日2004年6月23日 申请日期2003年10月31日 优先权日2002年11月6日
发明者威尔那·克罗瑟, 威尔那 克罗瑟 申请人:玉溪金灿科技有限公司