专利名称：用于获得重合片材参数的基于时域频谱(tds)的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及过程测量系统，且更具体地，涉及用于测量诸如纸或塑料的制造片材(sheet material)的一个或多个参数的基于时域频谱(TDS)的测量系统。
背景技术：
在造纸过程期间进行的在线测量通常包括片层厚度(caliper)(厚度)、基重和湿度(例如％湿度)。测量结果可以用于以维持输出质量为目的控制过程变量，并且因此使不合格产品的数量最少化。通常通过在被称为横向(CD)的方向上扫描(一个或多个)传感器而在跨越纸张的多个位置处获得测量结果，或者可以在被称为机器方向(MD)的方向上从造纸机的长度向下的多个位置处进行测量。如下文描述的，常规使用三个单独的传感器/量规进行片层厚度、基重和含湿量的测量。片层厚度测量通常由物理接触片材的设备或者基于非物理接触激光三角测量的设备进行。片层厚度传感器需要接近片材的两面。由于接触设备可能受到磨损或装配问题的影响，并且可能在片材上留下痕迹，因此接触设备通常是不受喜爱的。基于激光的设备通常具有高度的对准公差要求。基重传感器主要使用核辐射源并且因此通常伴随有管理问题。如同片层厚度传感器，基重传感器需要接近片材的两面。湿度测量系统通常包括用于测量片材的含湿量的红外频谱系统。该频谱系统可以在透射或反射模式下操作。需要单独的传感器/量规来测量片层厚度、基重和湿度具有若干个缺点。一个缺点是系统成本和复杂性。另一缺点是不能提供重合(coincident)测量，其中如这里使用的 “重合”指的是既同时又在同一位置进行的多个不同的测量。当测量不都在相同的纸位置进行时，当组合使用各个测量结果以推断关于纸的其他信息时可能出现误差。例如毫米到厘米尺度的纸可能由于形成过程而在某些参数上具有相对高的变化。在形成引起的湿度变化的情况中，隔开Icm的纸张上的两个相邻点的湿度水平已知高达1%。在组合两次测量以计算诸如基重和用于计算干重的含水量百分数(percent moisture)的第三参数时，如果这两次测量不在纸上的同一位置进行，则可能因各个测量位置处的含湿量的明显差异导致所计算的干重中的误差。
发明内容
提供发明内容以符合37 C.F.R. § 1. 73，其呈现了简要说明本发明的本质和主旨的本发明的发明内容。其在以下理解下提交其并非用于解释或限制权利要求的范围或含义。本发明的实施例描述了现场的(in-situ)基于时域频谱(TDS)的方法和系统，从其用于表征由制造系统生产的片材(例如纸或塑料)的一个或多个性质。因此根据本发明的实施例的系统和方法可以在非接触的模式下操作。该方法包括提供时域频谱(TDS)系统和系统的校准数据，该校准数据包括作为片材的含湿量的函数的、通过片材透射的功率(transmitted power)或场或者从片材反射的功率或场，并且通常提供用于干含量(dry content)的折射率和密度的依赖等级(grade )的校准。太赫(THz)或近THz的辐射的至少一个脉冲被引导至正由制造系统处理的片材样本上的样本位置处。如这里使用，具有0. 05 THz和50 THz之间的频率的辐射在这里被称为“THz或近 THz辐射”。在THz辐射的情况中，该技术包括THz-TDS。尽管未精确定义THz区域的边界， 但是这些边界通常被取为位于30 μ m和1500 μ m波长之间，或者10 THz和0. 2 THz频率之间，或者330 cm—1和7 cm—1波数之间。同步检测包括来自样本位置的至少一个透射脉冲(transmitted pulse)的透射辐射或者包括来自样本位置的至少一个反射脉冲的反射辐射。来自透射或反射脉冲的数据与校准数据一起被处理以确定片材样本的至少一个性质，并且通常确定片材样本的多个性质，该性质选自含湿量、物理厚度(片层厚度)和基重。如这里使用的，“含湿量”包括片材的所有湿度度量，包括但不限于，水重(WW)和含水量百分数(PM)。如本领域中已知的，TDS是光谱学技术，其中使用生成和检测方案来通过电磁辐射的短脉冲探测材料的性质。使用THz或近THz辐射，TDS已被本发明人发现对检测信号敏感，允许基于辐射幅度和/或信号相位的改变确定片材的片层厚度、基重和湿度。信号的幅度可用于获得关于纸或其他片材样本的水含量的信息，而信号的相位可用于获得纸或其他片材样本的厚度和干重体积分数。该信息与校准数据组合可用于获得片材样本(例如纸)的含湿量(诸如被表述为PM)、片层厚度和基重。给定基重，可以根据PM确定WW。
图1是根据本发明的实施例的示例性的基于THz或近THz-TDS透射的片材测量系统的简化示图。图2示出了用于从诸如图1中示出的透射系统的THz或近THz-TDS系统获得被描述为纸的片材样本的片层厚度(厚度)、基重和含水量百分数的示例性方法中的步骤。图3是根据本发明的实施例的、使水重(Wff)与基准透射脉冲和测量透射脉冲的积分功率频谱密度的比的对数相关的校准曲线(FIG. 3 is a calibration curve that relates the water weight (WW) to the log of the ratio the integrated power spectral density of a reference transmitted pulse and a measured transmitted pulse, according to an embodiment of the invention)。图4示出了基于从复印纸获得的湿度分数(fraction of moisture)的测量值的校准曲线拟合。图5示出了根据本发明的实施例的来自基于透射的THz或近THz-TDS系统的典型的输入和输出时间脉冲(temporal pulse)。顶部迹线示出了从THz-TDS系统获得的时间基准和样本脉冲的电场的时间迹线(时间以皮秒为单位)并且底部迹线是它们的傅立叶变换。图6示出了与THz脉冲透射通过纸获得的信号数据拟合的物理模型。
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图7是造纸过程期间提供现场测量的示例性闭环控制片材制造系统的框图。该系统包括将现场测量用于控制过程变量以维持输出质量并且使不合格产品的数量最少的过程控制器。
具体实施例方式参照附图描述了本发明，在图中通篇使用相同的参考标记表示相似的或等同的元件。图并非依比例绘制并且它们仅被提供用于说明本发明。下文参照用于说明的示例应用描述了本发明的若干个方面。应当理解，许多特定细节、关系和方法被阐述用于提供本发明的全面理解。然而，本领域的普通技术人员将容易地认识到，本发明可以在没有一个或多个特定细节的情况下实施或者通过其他方法实施。在其他实例中，未详细示出公知的结构或操作以避免使本发明模糊。本发明不限于图示的动作或事件的顺序，因为一些动作可以按不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，并非需要所有图示动作或事件以实现根据本发明的方法。现将参照附图在下文更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的说明性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现并且不应被解释为限于这里阐述的实施例。本发明人已发现，可以现场使用近THz或THz-TDS以重合地获得片材的一个或多个参数/性质，其包括水重、物理厚度(片层厚度)和干重体积分数。片材可以包括纸或塑料。根据这些参数/性质与一个或多个校准参数组合，可以获得片材的片层厚度、基重和包括PM和/或Wff的含湿量。校准参数通常包括获得电磁谱的THz或近THz频谱区域中的水的介电常数的双 Debye模型中使用的已知的Debye参数、被测试的纸或其他片材的干含量折射率、被测试的纸的干含量的密度以及水重与基准信号和透射(或反射)样本信号的功率比的对数的拟合系数(the coefficients of a fit of water weight to a log of the power ratio of reference signal to that of a transmitted (or reflected) sample signal)。由测量通过样本透射的近THz或THz功率或场并且将其与基准脉冲(无样本)比较，并且因此获得水使脉冲衰减多少，可以获得含湿量(诸如被表述为含水量百分数(PM)) 和WW。如本领域中已知的，PM经由如下关系与Wff相关PM=ffff/BW;其中BW表示基重(在下式12中重复)。BW=ffff+DW;其中DW表示干重(不存在水)。根据该衰减测量结果和校准数据 (例如根据实验室校准)，可以确定与片材中存在的水量相关的测量结果。含湿量(诸如被表述为PM或Wff)还可以经由具有反射几何形状的系统中的相似的方法获得。在基于反射的系统中，THz透射机(transmitter)/发射器和THz接收器/检测器位于样本的同一侧。在该系统中，从不含水的反射表面取得基准信号并且样本信号是来自样本的反射THz或近THz信号。
对于基于透射(transmittance)的系统
通过使单层膜(例如纸张)的透射函数(transmittance function)的模型与实验获得的透射THz脉冲的模型拟合，可以获得样本片层厚度和干重体积分数。可以使用的一个物理模型如下[参见 Born, Μ. and Wolf, Ε, Principles of Optics, 4th edition, Pergamon Press (1970)]
权利要求
1.一种用于由制造系统(700)生产的片材的性质的非接触表征的现场的基于时域频谱(TDS)的方法(200)，包括提供时域频谱系统(100)和用于所述系统的校准数据，所述校准数据包括作为所述片材的含湿量的函数的、通过所述片材透射的功率或场或者从所述片材反射的功率或场；将具有0.05 THz和50 THz之间的频率的THz或近THz辐射的至少一个脉冲引导至正由所述制造系统(700)处理的片材样本(130)上的样本位置处；同步检测包括来自所述样本位置的至少一个透射脉冲或反射脉冲的透射辐射或反射辐射以获得样本数据；以及连同所述校准数据(207、208、209) —起处理所述样本数据以确定选自片层厚度、基重和含湿量的所述片材样本的至少一个性质。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法(200)是专门地非接触方法，所述样本数据是重合数据，并且所述至少一个性质包括所述片层厚度、所述基重和所述含湿量，所述片层厚度、所述基重和所述含湿量均从所述重合数据获得。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括生成所述校准数据的步骤，其中所述生成包括测量用于所述片材的多个基准脉冲样本的所述透射或反射功率或场，所述多个基准脉冲样本具有不同水平的所述含湿量(202 )。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述校准数据包括校准曲线，所述校准曲线基于用于具有除了所述片材之外的路径的非交互基准脉冲样本的透射或反射功率或场与通过所述片材样本(130)透射的功率或场或者从所述片材样本(130)反射的功率或场的比。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述校准曲线包括
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述校准数据进一步包括用于所述片材的干含量密度和干含量折射率。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述片材和所述片材样本包括纸。
8.一种闭环控制片材制造系统(700)，包括片材制造装置(720)，用于制造片材；现场的基于近THz或THz的测量系统(715)，可通信地耦合到所述制造装置(720)，具有存储的用于所述TDS系统(715)的校准数据，所述校准数据包括作为所述片材的含湿量的函数的、通过所述片材透射的功率或场或者从所述片材反射的功率或场；THz透射机 (111)，用于将具有0. 05 THz和50 THz之间的频率的THz或近THz辐射的至少一个脉冲引导至正由所述制造装置(720)处理的片材样本(130)上的样本位置处；以及检测器(110)， 用于同步检测包括来自所述样本位置的至少一个透射脉冲或反射脉冲的透射辐射或反射辐射以获得样本数据；以及控制器(730)，可通信地耦合到所述制造装置(720)和所述测量系统(715)，所述控制器(730)接收所述样本数据，并且连同所述校准数据一起处理所述样本数据以确定选自片层厚度、基重和含湿量的所述片材样本的至少一个性质，所述控制器(730)可用于在基于所述至少一个性质处理所述片材样本的同时修改用于所述制造系统(700)的至少一个参数。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述测量系统(715)是基于透射的系统。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述测量系统(715)是基于反射的系统。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述校准数据包括校准曲线，所述校准曲线基于用于具有除了所述片材之外的路径的非交互基准脉冲样本的透射或反射功率或场与通过所述片材透射的功率或场或者从所述片材反射的功率或场的比。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述片材制造系统(700)包括造纸系统。
全文摘要
一种用于在由制造系统(700)生产时的片材的性质的非接触表征的现场的基于时域频谱(TDS)的方法(200)。提供时域频谱系统(100)和用于系统(100)的校准数据。校准数据包括作为片材的含湿量的函数的、通过片材透射的功率或者从片材反射的功率的数据。将来自透射机(111)的THz或近THz辐射的至少一个脉冲引导至正由制造系统(700)处理的片材样本(130)上的样本位置处。由检测器(110)同步检测与来自样本位置的至少一个透射脉冲或反射脉冲相关联的透射辐射或反射辐射以获得样本数据。连同校准数据(207、208、209)一起处理作为重合数据的样本数据以确定选自片层厚度、基重和含湿量的片材样本(130)的至少一个性质并且通常是多个性质。
文档编号G01B11/00GK102171549SQ200980138678
公开日2011年8月31日 申请日期2009年7月31日 优先权日2008年8月1日
发明者耶斯 D., M. 哈兰 F., 穆萨维 P., 多奇 S. 申请人:霍尼韦尔阿斯卡公司