用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法

用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法。提供一种非接触式传感器系统和方法，用于基于THz辐射来确定纸片材品质参数，诸如尺寸、基本重量和片材水分。方法包括：通过发射器系统(10)，将THz辐射信号(60)发射向纸片材材料(2)，使得THz辐射与纸片材材料相互作用；通过检测器系统(20)，检测已与纸片材材料(2)相互作用的THz辐射信号(70)的依赖时间和/或频率的响应(74)；通过优化模型参数使得物理模型的预测响应与检测到的响应拟合，来确定物理模型的模型参数，模型参数指示在纸片材材料与周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数；以及根据确定的模型参数，来确定纸片材品质参数(91)中的至少一些。
【专利说明】用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法

【技术领域】
[0001] 本发明的各方面涉及用于通过使用THz辐射的非接触式传感器系统来确定纸片 材品质参数（诸如片材尺寸（caliper)、基本重量、水分等）的方法。本发明的另外的方面 涉及对应的传感器系统，以及用于搬运纸片材材料的具有这种传感器系统的设备。

【背景技术】
[0002] 由于从经济优化到物理性能的一系列原因，诸如纸的片材材料的品质控制对于诸 如纸处理（例如在纸生产中）的工业过程是至关重要的。存在两种类型的品质控制：离线 和在线。在纸处理之外（例如作为处理后检验）进行离线品质控制，并且通常在实验室中 进行。相比之下，在线品质控制作为纸处理的一部分而实时进行。在线品质控制例如可在 过程的干燥端执行，并且可用作湿润端过程的反馈。针对纸的在线品质控制所确定的参数 可包括纸的尺寸（厚度）、基本重量、水分、灰、亮度、光泽度和颜色。也可确定其它参数，例 如涂层重量和纤维定向和方向性（anisotropy)。
[0003] 目前的在线品质控制系统典型地包括重型框架，传感器头盒安装在框架上，传感 器头盒包含许多传感器元件，它们各个都用来刻画移动的纸的单独的参数。传感器头垂直 于纸馈送方向进行扫描，以获得经处理的材料的品质的代表性度量。典型的传感器头的一 些传感器可能需要β辐射，β辐射需要特定的屏蔽和维护。一些其它传感器需要与纸片 材材料进行物理接触，并且可因此干扰纸的搬运，例如因为增加损害纸的风险。
[0004] 最近，已经提出的使用THz辐射的无接触测量技术。已经在US于2009/0128799 A1中描述了一种用于基于THz辐射来在线测量片材尺寸的系统。
[0005] 尽管如此，仍然需要一种以可靠方式从THz测量信号中提取有关品质参数以获得 稳定可靠且有意义的品质参数的系统。


【发明内容】

[0006] 考虑到以上，提供根据权利要求1的方法、根据权利要求13的传感器系统和根据 权利要求14的设备。
[0007] 根据第一方面，提供一种用于用非接触式传感器系统来确定纸片材材料的多个纸 片材品质参数的方法。纸片材品质参数至少包括片材尺寸、基本重量，以及优选还包括片材 水分。传感器系统包括用于发射THz辐射的发射器系统，用于检测THz辐射的检测器系统， 以及操作地联接到发射器系统和检测器系统上的处理单元。该方法基于对物理模型的拟 合，并且包括：通过发射器系统，将THz辐射信号发射向纸片材材料，使得THz辐射与纸片材 材料相互作用；通过检测器系统，检测已与纸片材材料相互作用的THz辐射信号的依赖时 间和/或频率的响应；通过优化模型参数使得物理模型的预测响应与检测到的响应拟合， 来确定物理模型的模型参数，模型参数指示在纸片材材料与周围介质的界面处的透射系数 和/或反射系数；以及根据确定的模型参数，确定纸片材品质参数中的至少一个（例如尺 寸，以及优选还有基本重量）。
[0008] 根据第二方面，提供一种用于以非接触式方式确定纸片材材料的多个纸片材品质 参数的传感器系统。传感器系统包括：用于发射THz辐射的发射器系统、用于检测THz辐射 的检测器系统，以及操作地联接到发射器系统和检测器系统上的处理单元。传感器系统构 造成用本文描述的（任何）方法来确定多个纸片材品质参数。
[0009] 传感器组件和方法允许使用来自片材材料的检测到的THz辐射响应的大量信息， 通过使物理模型的预测响应与检测到的响应拟合，来获得稳定可靠且有意义的一组品质参 数。
[0010] 根据从属权利要求、描述和附图，可与本文描述的实施例结合的另外的优点、特 征、方面和细节是显而易见的。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 将在下面参照附图来描述细节，其中 图1是根据本发明的实施例的传感器系统的示意性侧视图； 图2a和2b是图1的传感器系统的另外的可行细节和变型的不意性侧视图； 图3a至3c是示出纸片材材料与由根据本发明的实施例的传感器系统发射的THz辐射 的相互作用的示意图； 图4是示出根据本发明的实施例的确定纸片材品质参数的方法的框图； 图5是表示已与纸片材材料相互作用的THz辐射的检测和/或模拟的时间响应的示意 图； 图6是表示根据本发明的实施例所确定的纸片材材料的折射率的实部（Re)和虚部 (Im)的不意图； 图7是表示各种湿度的纸片材材料的透射谱的示意图； 图8是表示已与单个经涂覆的纸片材材料相互作用的THz辐射的检测到的时间响应的 示意图；以及 图9是表示纸片材材料的透射幅度数据随纸片材材料的旋转角度而改变的示意图。

【具体实施方式】
[0012] 在下面，描述本发明的一些更详细的方面。方面和方面的一部分彼此独立，并且可 按任何方式结合。例如，本文中描述的任何方面或实施例可与任何其它方面或实施例结合。
[0013] 首先，描述一些一般方面和定义。根据本发明的一方面，获得一种用于通过使用 THz辐射的非接触式测量来确定多个片材品质参数的方法和系统。
[0014] 根据另一方面，使用来自相同数据源（一个或多个）的度量同时获得多个片材品 质参数。数据源（一个或多个）包括THz传感器系统。优选地，使用单个测得的波形或谱 来确定品质参数。优选地，不使用对材料特定的校准数据来获得品质参数。
[0015] 待确定的纸片材品质参数至少包括片材尺寸（即，厚度）、基本重量，以及优选包 括片材水分。可选地，也包括其它纸片材品质参数，诸如涂层重量、纤维定向、纤维方向性和 灰（即，不可燃要素的含量）。根据该方法，所有这些参数都由非接触式传感器系统确定， 艮P，在不在物理上接触纸片材材料的情况下获得这些参数的系统。特别地，传感器系统是通 过检测和分析已与纸片材材料相互作用的电磁THz辐射来确定所有纸片材品质参数的光 学系统。在本文，THz辐射被定义为范围为0. 01-10 THz的频率的电磁辐射（即，包括具有 0.01-10 THz的频率范围的不可忽略的信号分量）。检测到的信号（例如检测到的THz辐 射的时域波形或频域谱）也被称为对（发射的）THz辐射信号的响应。
[0016] 通过优化物理模型的参数诸如以便获得模型预测与检测到的辐射的最佳拟合来 分析THz辐射信号。这确保考虑到包含在检测到的THz辐射信号中的整个信息的可靠分 析。因此，即使有噪声，结果也是稳定可靠的，因为结果基于大量数据点，即便仅测量到一个 或几个时间轨迹。另外，此方法允许结果与对存在于纸片材材料中的根本物理现象的实际 理解一致。物理模型可为用于纸的在光学上有关的参数的有效模型。
[0017] 一旦确定模型参数，则根据模型参数计算至少一些纸片材品质参数。
[0018] 这里，基于物理考量，物理模型被定义为预测响应关于模型参数的函数。模型参数 指示（允许计算）在纸片材材料与周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数。
[0019] 选择这些模型参数是有利的，因为透射系数和/或反射系数或者它们的适当的参 数化允许较直接地计算至少一些纸片材品质参数。同时，透射系数和/或反射系数直接关 联到检测到的已与纸片材材料相互作用的THz信号的响应，并且从而允许已与纸片材材料 相互作用的THz信号的响应有良好且稳定可靠的模型，其不需要任何校准参数。因此，有利 地使用这些透射系数和/或反射系数（或指示它们的参数）作为模型参数。
[0020] 指示透射系数和/或反射系数的可行的模型参数的示例包括纸片材材料的（复 数）折射率或其参数化。其它可行的模型参数包括透射系数和/或反射系数本身。
[0021] 优选地，选择物理模型，使得它允许使依赖于频率的透射系数和/或反射系数参 数化，以及/或者可能允许针对纸片材材料（双折射）的各个光学轴线有单独的透射系数 和/或反射系数。在示例中，可通过在依赖频率的折射率方面表示透射系数和/或反射系 数，来获得频率依赖性。进而可用各种方式使依赖频率的折射率n(f)参数化。例如，基于 物理考量，n(f)的函数形式可由多个参数表示，或者使用足够好地逼近预期频率依赖性的 参数化来表示n(f)的函数形式。一个示例是以下参数化：

【权利要求】
1. 一种基于对物理模型的拟合，通过非接触式传感器系统（1)来确定纸片材材料（2) 的多个纸片材品质参数（91)的方法，其中 所述纸片材品质参数至少包括片材尺寸、基本重量、片材水分，其中 所述传感器系统包括用于发射THz辐射的发射器系统（10)、用于检测THz辐射的检测 器系统（20)，以及操作地联接到所述发射器系统（10)和所述检测器系统（20)上的处理单 元（30)， 所述方法包括： -通过所述发射器系统（10)，将THz辐射信号（60)发射向所述纸片材材料（2)，使得 所述THz辐射与所述纸片材材料相互作用； -通过所述检测器系统（20)，检测已与所述纸片材材料（2)相互作用的THz辐射信号 (70)的依赖时间和/或频率的响应（74); -通过优化所述模型参数使得所述物理模型的预测响应与检测到的响应拟合，来确定 所述物理模型的模型参数，所述模型参数指示在所述纸片材材料与周围介质的界面处的透 射系数和/或反射系数； -根据确定的模型参数，确定所述纸片材品质参数（91)中的至少一个，其中，通过迭 代过程（86)来使所述物理模型的参数拟合检测到的响应，所述迭代过程（86)包括以下步 骤： (a) 基于所述物理模型，使用关于所述模型参数（92,93)的初始推测，来计算模拟响应 (94)； (b) 计算表示所述预测响应（94)和检测到的响应（74)之间的偏差（95)的误差函数； (c) 重复步骤（a)和（b)，其中改变所述模型参数（92,93)，直到所述误差函数满足最佳 拟合标准， (d) 获得作为满足步骤（c)中的最佳拟合标准的最终参数的拟合参数，以及根据所述 拟合参数（92,93)来计算所述纸片材品质参数中的至少一个。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纸片材品质参数进一步包括所述纸 片材材料的纤维定向和可选的纤维方向性，以及其中，所述检测器系统（10)对极化状态互 不相同的极化THz辐射敏感，以及其中 -在所述发射步骤中，由所述发射器系统发射的THz辐射信号具有不止一个线极化分 量； -在所述检测步骤中，针对两个极化方向中的各个，检测检测到的依赖时间和/或频 率的响应； -在所述确定模型参数的步骤中，针对所述两个极化方向中的各个，确定相应的一组 检测坐标系模型参数，所述检测坐标系模型参数指示在相应的极化方向上，在所述纸片材 材料与所述周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数， 所述方法进一步包括： -根据所述检测坐标系模型参数，确定作为所述纸片材材料的光学轴线的纤维定向； -依赖于在相应的极化方向和确定的光学轴线之间的角度，结合所述检测坐标系模型 参数，从而获得轴线坐标系模型参数，其指示分别针对平行于确定的光学轴线的方向和垂 直于确定的光学轴线的方向，在所述纸片材材料与所述周围介质的界面处的透射系数和/ 或反射系数； -根据所述轴线坐标系参数来确定其余纸片材品质参数中的至少一个，所述至少一个 纸片材品质参数优选包括纤维方向性。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，依赖于频率而确定所述纤维定向和所述 纤维方向性中的至少一个。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，使用整个检测到的响应 (74)来确定所述模型参数，检测到的响应占至少500 fs的时间，并且具有至少100 fs的时 间分辨率。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，根据单个THz辐射信号来 确定所有所述纸片材品质参数。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器系统进一步包 括背侧式THz反射器（46)，以及其中，所述发射器系统（10)和所述检测器系统（20)布置在 所述纸片材材料（2)的一侧，而所述背侧式THz反射器（46)布置在所述纸片材材料（2)的 另一侧。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述物理模型中没有对 于纸片材材料的种类特定的任何校准数据的输入的情况下，确定所述纸片材品质参数。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器系统（1)进一 步包括操作地联接到所述处理单元（30)上的空气水分传感器（26)和温度传感器（28)，其 中，所述方法进一步包括从所述空气水分传感器（26)获得环境空气水分值，从所述温度传 感器（28)获得温度值，以及将获得的温度值和环境空气水分值输入所述处理单元中。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括将基准信号 序列（72)输入所述物理模型中，其中，所述基准信号序列描述发射的未与所述纸片材材料 (2)相互作用的THz辐射信号。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，确定的模型参数包括折 射率的参数化，其中，优选地，通过对确定的折射率进行谱分析，来确定灰和水分。
11. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括相对于所述 纸片材材料的馈送方向沿横向移动所述发射器系统（10)和所述检测器系统（20)。
12. -种用于以非接触式方式确定纸片材材料的多个纸片材品质参数（91)的传感器 系统（1)，所述传感器系统包括： -用于发射THz辐射的发射器系统（10)， -用于检测THz辐射的检测器系统（20)，以及 -操作地联接到所述发射器系统（10)和所述检测器系统（20)上的处理单元（30)，其 中 所述传感器系统（1)构造成用根据前述权利要求中的任一项所述的方法来确定所述 多个纸片材品质参数（91)。
13. -种用于搬运纸片材材料（2)的设备，所述设备包括根据权利要求12所述的传感 器系统（1)和用于馈送所述纸片材材料的纸片材馈送系统，所述传感器系统布置成在所述 纸片材输送系统输送所述纸片材材料时，确定多个纸片材品质参数。
14. 根据权利要求13所述的用于搬运纸片材材料（2)的设备，其特征在于，所述设备 进一步包括至少一个纸处理区段和控制区段，所述控制区段构造成依赖于由所述传感器系 统（1)确定的纸片材品质参数，来调节所述至少一个纸处理区段的运行。
【文档编号】G01D21/02GK104061958SQ201410099736
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2013年3月18日
【发明者】J.L.M.范梅彻伦, H.梅博德 申请人:Abb研究有限公司