用于纤维网的制造的电磁检测方法和装置的制作方法

专利名称：用于纤维网的制造的电磁检测方法和装置的制作方法
用于纤维网的制造的电磁检测方法和装置 本发明涉及电磁检测方法和装置，特别地，涉及这样的方法和装置，其用于制造过程中纤维网(fibrous web)的至少一个参数的测量。 本发明在纤维网的制造中具有特殊应用，如用于医疗卫生行业的纸或无纺布片材(nonioven sheet material)，特别地，本发明可用于在制造过程中的纤维网参数的在线测量，所述参数例如，水分含量和/或基本重量，以提供控制输出，例如，用于过程或质量控制。 至少在以下所描述的本发明的优选的形式中，本发明在纤维网制造中使用红外测量技术和检测器。 在说明书中，术语"参数"被用来表示被测量的属性(水分含量，厚度，基本重量等)，术语"样品"被用来表示展示给测量仪以用来测量的对象(object)的部分(基片(substrate)，薄片(sheet)，网，等等)，以及术语"纤维网"涵盖所有形式的片材，包含压縮在一起的纤维，包括纸和无纺布。 之前多种测量仪已经用在纸和无纺布行业里，用于持续制造纤维网的过程中，以检测网的不同参数。例如，在生产纤维网时了解它每单元面积的重量非常重要，因为网的密度或基本重量可与它的最终抗拉强度、爆破强度和水透过率(water transmittance)密切相关。在处理纤维网时监测它的水分含量在这些行业里也非常重要，以便确保最终产品的干燥效率和无菌状态(sterility)。 然而，在这些行业里用来测量基本重量和水分含量的现有技术，包括使用红外吸收光谱的那些技术，迄今为止证明是不令人满意的。光与纤维网中小的纤维和空隙之间的相互作用是非常复杂的，这能引起严重的测量问题，特别是在轻量级网的情形里，典型地，该轻量级网具有8-20gsm范围内的重量和10-20 iim的纤维尺寸。例如，在空隙区域，照射到网的光将倾向于穿过网，具有很少或没有相互作用，由此测量检测器仅从目标网得到微弱的吸收信号(signature)。以及，在纤维区域，照射到网的光与纤维进行强烈的相互作用并被散射，并可能经常从测量检测器完全地转向离开。 进一步，测量信号中包含从直接穿过空隙的光所获得的信号和从测量检测器散射离开的光所获得的信号，这使所获得的测量极大地失真，在一些情形里可能导致完全不正确的光谱吸收特征模式的产生。这样的问题在轻量级材料的情形里特别突出，在这些材料里，空隙与纤维质量的比例要大得多。 迄今为止，没有令人满意的测量仪被发现用来测量轻量级纤维网材料的参数。
在其他行业里，红外吸收测量仪(infrared absorption gauge)是众所周知的并被用来测量样品或基质的不同成分或参数，如样品的水分含量，基础层(base layer)或基质上薄膜的厚度或涂层重量，或样品的厚度或基本重量。 传统地，红外吸收测量仪通过以两种或更多波长在样品上投射红外辐射并测量被样品反射、透射或散射的辐射的强度来进行操作。处理与测量强度成正比的信号以提供被测量参数的值。被测量仪所投射的两个或更多波长中的至少一个被选中来让感兴趣的参数吸收，同时至少一个其他波长被选中以大体不受感兴趣的参数的影响。例如，当测量样品
4中水分的量时，波长中的一个("测量波长")可在水的吸收波长处选择(或者1.45微米(百万分之一米)或者1.94微米(百万分之一米))，以及另一个波长(称为"参考波长")被选定为不被水显著吸收的一种。 通常，测量仪包括带有预先定义的发射光谱的红外辐射源，以及用来接收被样品
反射、透射或散射的辐射的检测器；滤波器(filter)被放置在源和样品之间以使样品仅暴
露在想要的测量和参考波长下；在这个情形里，样品被相继地暴露在选定波长的辐射下，例
如，通过在辐射源前面的旋转轮上放置适当的滤波器。可替换地，滤波器轮可放置在样品和
检测器之间，每个滤波器被相继地插入(interposed)样品和检测器之间。 检测器测量与样品发生相互作用之后的光的强度，并根据入射在它上面的辐射的
强度产生信号。在最简单的情形里，通过计算以测量波长接收光时来自检测器的信号和以
参考波长接收光时来自检测器的信号之间的比率，可获得提供所关注的参数的测量的测量
信号，例如，样品里的水分的量。通常，使用几个测量波长和/或几个参考波长，并使用测量
波长的信号和参考波长的信号来计算所关注的参数。 这样的红外吸收测量仪已经被提议用在纤维网制造中，但是仅部分成功，并仅用于中量级和重量级材料的情形里。 使用标准测量仪对轻量级纤维网进行测试发现所获得的测量结果对填料、纤维尺寸和纤维分布过于敏感而不能产生鲁棒的(robust)测量结果，该标准测量仪使用l-2.5ym的近红外(NIR)范围的光和基于散射的测量。同时，使用标准的直接透射测量仪的测试发现测量数据由于纤维尺寸和网空隙的影响而非常易变和不可靠，该标准直接透射测量仪使用l-4iim的近红外(NIR)和中红外(MIR)范围的光。 这样，在纤维网制造中使用标准红外测量仪存在重大的测量问题，该问题同时存在于直接透射光测量仪和散射光测量仪的情形里。进一步的测试也揭示测量问题存在于大部分的纤维网材料，但是在网材料为轻量级材料时特别突出。 相应地，在比如纸和无纺布片材的纤维网制造行业里有对测量仪的重大需求，该测量仪能够产生不同参数的正确测量，不论网的重量范围，不论整个网上空隙和纤维的分布，尤其在可能的重量范围的轻量级端，在那里空隙与纤维质量的比例高，纤维密度低。
本发明旨在克服这些问题并提供新的测量仪，该新的测量仪能够进行高度灵敏的、正确的和可再生的测量。 为清楚起见，在本发明里，近红外(NIR)波段可被认为是通常位于1-2. 5iim范围内的那些，中红外(MIR)波段可被认为是通常位于2. 5-5ym范围内的那些，中量级和重量级纤维网可被认为是具有超过30gsm的基本重量的那些，以及轻量级纤维网可被认为是具有5-30gsm范围内的基本重量和高达20 ii m的纤维尺寸的那些。 根据本发明的一个方面，提供了一种测量纤维网的至少一个参数的方法，包括
使电磁辐射的束指向所述纤维网；
传递所述电磁辐射的束通过所述纤维网；
通过波长选择设备为所述电磁辐射选择波长； 区分从所述纤维网射出成为直接透射的电磁辐射的电磁辐射和散射的电磁辐射，所述直接透射的电磁辐射组成实质上直接透射通过所述纤维网的电磁辐射，所述散射的电磁辐射组成通过与所述纤维网的相互作用而被散射的电磁辐射；
收集所述散射的电磁辐射；以及 检测所收集的电磁辐射并产生代表所接收的辐射的电子信号； 其中，所述波长选择设备为随后被检测以产生电子信号的所述电磁辐射选择的波长范围包括2. 5-5iim的中红外(MIR)范围内的波长。 根据本发明的另一个方面，提供用于测量纤维网的至少一个参数检测装置，包括 光学元件，其用于使电磁辐射的束指向并通过所述纤维网；
波长选择设备，其用于为所述电磁辐射选择波长； 光学系统，其用于区分从所述纤维网射出成为直接透射的电磁辐射的电磁辐射和
散射的电磁辐射，所述直接透射的电磁辐射组成实质上直接透射通过所述纤维网的电磁辐
射，所述散射的电磁辐射组成通过与所述纤维网的相互作用而被散射的电磁辐射； 所述光学系统包括用于分离直接透射的电磁辐射和散射的电磁辐射的被布置
在从所述纤维网射出的电磁辐射的路径上的元件，和用于收集所述散射的电磁辐射的收集
器； 以及至少一个检测器，所述至少一个检测器用于检测被所述收集器收集的电磁辐射并用于生成代表所接收的辐射的电子信号； 其中，所述波长选择设备为可被所述收集器和所述至少一个检测器接收的所述电磁辐射选择的波长范围包括2. 5-5 ii m的中红外(MIR)范围内的波长。 在本发明的优选的实施方式里，所述波长选择设备所选择的所述波长范围包括1-2. 5iim的近红外(NIR)范围并被延伸超过所述NIR范围进入2. 5-5iim的所述中红外(MIR)范围，以及其中所述波长选择设备被布置为选择包括所述NIR范围内的至少一个波长和所述MIR范围内的至少一个波长的波长。 已发现区分直接透射的和散射的光以测量散射的光，结合显著延伸超过NIR范围
至MIR范围的波长范围的使用，对提供连续可靠和正确的参数测量具有相当大的优势，所
述参数如水分含量和/或基本重量，即使是在非常轻量级的纤维材料的情形里，该轻量级
的纤维材料具有5-30gsm范围内的基本重量和高达20 ii m的纤维尺寸。 散射的电磁辐射在一个大的角度内被有利地收集。优选地，在从纤维网射出时，散
射的光被直接传递给收集器来收集。在一个实施方式里，紧随收集之后，引导散射的电磁辐
射远离光束的轴以进行检测，例如通过使用不对称收集器和不对称布置的收集器中的至少
一个来弓I导散射的电磁辐射远离光束的轴以进行检测。 以下描述的本发明的优选的实施方式也测量直接透射的光以提供比较的测量结果并消除干涉模式的影响。如前所述，可引导直接透射的光远离透射轴以进行检测。
其他优选的实施方式测量反射的散射光，这提供辅助表面涂层测量和/或校正纤维覆盖中的变动的优势。 根据本发明的另一个方面，提供用于纤维网的参数的检测的检测装置，包括
光学元件，其用来使电磁辐射的束指向纤维网；
波长选择设备，其用来为电磁辐射选择波长； 光学定向系统，其用来在电磁辐射束与纤维网的相互作用之后引导电磁辐射；
以及多个检测器，所述多个检测器用来接收被光学定向系统所引导的电磁辐射以
6及用来产生代表所接收的辐射的电子信号； 其中光学定向系统包括收集器，该收集器用来收集在电磁辐射穿过纤维网时被纤维网散射的电磁辐射，所述多个检测器中的一个被布置为从所述收集器接收所述散射的电磁辐射；以及其中所述光学定向系统还包括至少一个用来引导电磁辐射的其他定向装置，该其他定向装置选自直接透射定向装置和收集器，所述直接透射定向装置用于沿经过纤维网的光束的轴透射的电磁辐射，所述收集器用来收集在光束照射到纤维网时被纤维网反射和散射的电磁辐射，所述多个检测器中的一个或各自的的其他与所述其他定向装置或每一个所述其他定向装置关联。 现在将通过实施例的方式，并参照附图对本发明做进一步的描述，其中 图la至图If为代表不同种类的片材对测量光束的影响的图解，用来解释本发明
的背景； 图2为传统的纤维网制造过程和系统的示意图； 图3为用于图2中的系统的传感器的安装架的示意视图； 图4为传统的红外透射传感器的示意图； 图5为本发明的第一实施方式的示意图，该实施方式使用散射光检测器，适合用在图2和图3的系统和过程中； 图6为第一实施方式的进一步图解，以方块图的形式显示用来处理从检测器获得的测量信号的电路； 图7为本发明第二实施方式的图解，该实施方式使用散射光检测器； 图8为本发明第三实施方式的图解，该实施方式使用散射光检测器和直接透射光
检测器； 图9为本发明第四实施方式的图解，该实施方式使用散射光检测器和直接透射光检测器；

图10为本发明第五实施方式的图解，该实施方式使用散射光检测器和直接透射光检领lj器； 图11为本发明第六实施方式的图解，该实施方式使用散射光检测器和反射光检 图12为本发明第七实施方式的图解，该实施方式使用散射光检测器、直接透射光检测器和反射光检测器； 图13为本发明第八实施方式的图解，该实施方式使用散射光检测器、直接透射光检测器和反射光检测器； 图14为另一传统的纤维网制造过程和系统的示意图，在该过程和系统里可使用根据本发明的测量仪； 图15为显示使用传统的直接透射光测量仪和不同的轻量级纤维网样品所获得的结果的图示； 图16为显示使用根据本发明的测量仪及不同重量的聚丙烯无纺布网所获得的结果的图示； 图17为比较结果的图示，所述结果分别使用根据本发明的散射光测量仪和使用传统的直接透射光测量仪来获得；以及
图18为比较结果的图示，所述结果分别使用根据本发明的散射光测量仪和使用 传统的散射光测量仪来获得。 首先参考图2至图4，传统的纤维网制造过程和传统的红外直接透射光传感器或 测量仪将通过解释的方式来描述。 图2和图3显示了纤维网制造系统，其中纤维供给装置1在移动的线或带2上沉淀 (d印osit)并分配纤维。装置l可包括纤维形成塔(fibre formingtower)，该纤维形成塔 包含用来在带2上以单个绒毛层或多个绒毛层的形式沉淀纺制或吹制的纤维的模具，其中 塔气流被控制以在带2上一致地散布纤维。可替换地，装置l可包括包理顺(detangling) 装置l，所述包理顺装置1用来接收、理顺纤维包，并将其作为单个绒毛层或多个绒毛层分 配在带2上。绒毛层被提供给缠绕装置3，该缠绕装置3可使用空气和水或机械装置来缠绕 纤维以形成湿的毡层(felt layer)。湿的毡层被提供给干燥器4进行干燥并被提供给热辊 5a的压光机(calendaring stack) 5以开始结合成网30。压光机5使用多达16个的辊5a 来形成网表面的光滑性、图案和光泽，这些辊5a向网30提供压力和温度。然后网被提供给 处理器/涂层器/湿润器装置6来应用处理和/或表面涂覆和/或来湿润网30，并因此被 提供给干燥器7以在将它通过测量区8传递给巻绕机9之前干燥网30，巻绕机9用于在张 力下将网30巻绕成巻。 应该知道供给装置1、干燥器4、处理器/涂层器/湿润器装置6等的数量可根据 应用而变动。进一步，缠绕器3和干燥器4在一些应用里可被省略。 在生产过程中，带2上绒毛层的基本重量、由装置6产生的涂层重量、以及从干燥 器7出来的网30的湿度被不断地监测并在持续的基础上被调整。 为了这个目的，如图4所显示的测量仪10被置于测量区8来检测纤维网参数，如 基本重量、涂层重量和水分含量。仪表10向文件(profile)处理和显示系统11提供测量 信号，在系统11里测量信号被处理，结果被选择性地显示。基于测量结果，处理系统11向 过程控制系统13提供反馈信号，该过程控制系统13在纤维供给装置1、带2、干燥器4、处理 器/涂层器/湿润器6和干燥器7中的一个或更多上应用控制输出。处理系统11还向数 据记录质量控制系统15提供基于测量结果的前馈信号，所述数据记录质量控制系统15在 随后的巻纸加工(roll converting)过程中处理该结果以进行质量控制。
如在图3中所显示的，测量区8包括扫描架8a，其在两侧都横向延伸穿过网30，以 为测量仪10的上部传感器头部10a和下部传感器头部10b提供安装。在传统的方式里，扫 描架8a包括平行轨道(未显示)，头部10a、10b被安装在该平行轨道上，马达(未显示)按 惯例被提供来扫描同步往返正交穿过网30的宽度的传感器头部10a、10b，以获得跨网测量 文件。在这个安排的一种变形里，头部可被固定来提供在线趋势数据。
现在将参照图4描述传统的测量仪10。 已知的测量仪10为包括白色光源12的红外仪，白色光源的光被指向聚光反射镜 14，该聚光反射镜14被安排来使光聚集为照射滤波器轮16的光束。滤波器轮16由马达 (未显示)以传统的方式驱动。滤波器轮16载有一系列滤波器，例如5个滤波器，每个滤波 器被设计为传递红外辐射，所述红外辐射具有1-4 y m波长范围内的不同的选择的窄带发 射波段。各个滤波器所传递的光指向分束器18，该分束器18通过透镜20向校准检测器22 反射光束的一部分，校准检测器通过另一个透镜24朝向成角度的反射镜26透射光束的一部分。镜子26通过另一个透镜28朝向片材的纤维网30经过90度向下反射光束，该片材 纤维网的参数正在被测量。光束的轴垂直于网30，从而该光束直接透射经过网30并被放置 相同轴上的在网30下面的透射光检测器32收集。图4中所显示的网30之上的测量仪10 的部分由头部10a来荷载，显示在下面的那些，即检测器32，由头部10b来荷载。
回到图l，展示了提供网30的片材的不同的可能的实施例，在每种情形里，显示了 当光透射经过网30时对投射的光束的影响。 图la和图lb中网30的材料为透明塑料薄膜，由另一过程而不是参照图2和图3 所描述的过程来制造，图la中的投射光具有的波长使它在该波长处不被吸收，然而图lb中 的投射光具有的波长使得在该波长处发生明显的吸收。相应地，在图la的实施例里，大部 分的光穿过网30以被检测器32收集，以及，在图lb的实施例里，相当比例的光被吸收，仅 留下一小比例被检测器32采集。 图lc和图ld中网30的材料为重量级纤维材料薄片或填充塑料，典型地具有 60-100gsm的基本重量，其中纤维和填料具有散射透射的光的趋势。再次，在图lc的实施例 里，投射光具有的波长使得在该波长处网30不吸收光，然而，在图ld的实施例里，投射光具 有的波长使得在该波长处相当比例的光被吸收。然而，如所显示的那样在两种情况下，光被 从检测器32散射离开，在图lc的实施例里，相对一小比例的散射光仍然到达检测器32，以 及在图ld的实施例里，根本很少散射光到达检测器32。 转向图le和图lf，网30的材料为轻量级纤维薄片，典型地具有5-30gsm的基本重 量，该纤维薄片既直接透射投射的光又散射投射的光。在图le的实施例里，投射的光具有 的波长使得在该波长处网30进行的吸收很少发生，以及，在图lf的实施方式里，投射的光 具有的波长使得在该波长处网30的纤维吸收光。如所显示的，直接透射的光的比例在图le 的实施例和图lf的实施例之间可变化或不变化，在图lf的实施例里，直接透射的光的吸收 水平依赖于空隙与纤维的比例，即，依赖于网的空穴密度。通过对比，被散射的光的比例密 切依赖于射到网30上的光的波长。在图le的实施例的情形里，一比例的投射光被散射但 是没有被吸收，同时，在图lf的实施例里，相同比例的光既被散射又被吸收。相应地，在这 种情况下，落在检测器32上并被网30所影响的直接透射的光的比例是不确定的，因为不知 道这样的光是否与网30有相互作用，以及，被散射的投射光的比例在图le的实施例里将在 小的程度上落在检测器32上，以及在图lf的实施例里将几乎根本不到达检测器32。
从而这将是明显的，图4中所显示的传统的红外测量仪非常适合测量与如透明塑 料薄膜的材料相关的参数，但是在测量与重量级纤维网相关的参数时不那么有效，以及在 测量与轻量级纤维网相关的参数时完全难以有效。 转向图5和图6，将描述根据本发明的测量仪的第一实施方式，用来在图2和图3 的纤维网制造系统和过程中代替测量仪10。图5和图6显示了散射光红外测量仪50，它的 几何结构主要是传统的，但是其中相当数量的已示出元件的单独设计已经根据本发明进行 了修改。从而测量仪50的几何结构将首先被描述。 测量仪50包括提供白色光源的卤素灯52。来自灯52的光指向聚光反射镜54，该 聚光反射镜54将光聚集为照射到波长选择设备56的光束，在这种情况下，波长选择设备56 是由马达(未显示)以传统方式驱动的滤波器轮。滤波器轮56载有一系列滤波器，例如8 个滤波器，每个滤波器被设计为传递红外波长范围内的不同的选择的窄带发射波段，以使得在操作中多个离散的波长段在任何测量操作中都被传递。对任何特殊的测量操作，每个 滤波器的光谱特征根据其参数将被测量的纤维材料的具体多光谱特征来选择。所选择的波 长中的一些将位于那种材料的吸收光谱的非吸收区，同时其他的将位于吸收区。还有一些 波长可能位于由于填料和纤维结构的散射而出现的光谱的区域。 被每个各自的滤波器所传递的光，即离散的波段，指向分束器58，该分束器58通 过透镜60反射光束的一部分到校准检测器62上，校准检测器62通过另一透镜64向成直 角的反射镜66透射光束的一部分。反射镜66将光束转向90度，并通过另一个透镜68将 光束向下指向其参数正在被测量的片材纤维网70。光束的轴垂直于网70，光束穿过网70， 网70直接透射光的一部分并散射剩余的光，如所显示的那样。 本发明的一个特征是，直接透射的光，优选地，小角度的散射光，落在元件72上， 该元件作为用来分离直接透射的光和散射光的光束终止器。散射光的光晕按照惯例落在聚 光镜74上，聚光镜74向紧接在光束终止器72后面的聚焦镜76反射光。镜76反过来将光 聚焦到安装在镜74表面上的散射光测量检测器78上。光束终止器72、聚光镜74、聚焦镜 76和检测器78都位于照射到网70的投射光束的轴上，但是光束终止器72确保只有散射光 被检测器78收集。 根据本发明，元件72用来区分直接透射光和散射光，随后散射光被检测并被测 量。根据本发明的优选的实施方式，同样，滤波器轮56发射的红外辐射处于1至5 ii m的波 段里。值得注意的是，这个波段通过与在传统的直接透射红外测量仪里通常所使用的波段 进行比较而被延伸，如在图4里所显示的那样，在图4中，该波段典型地开始于NIR范围，部 分地延伸进MIR范围， 一般为大约1至4 ii m，并通过与在传统的基于散射的红外测量仪里通 常所使用的波段进行比较而被显著延伸，在所述传统的基于散射的红外测量仪里，波段处 于NIR范围里，通常为1至2. 5 ii m。为了这个目的，多个更改被要求用于在测量仪中所使用 的各种元件，如下。 首先，在滤波器轮56里通常所使用的滤波器被补充来包括额外的滤波器，该额外 的滤波器被安排来传递2. 5-5 ii m波长范围内的红外光，尤其是大于3. 5 ii m的范围内的红 外光。在本发明的滤波器轮56里，从而有至少一个传递处于小于2. 5ym的区域内的红外 光的滤波器，该滤波器已知用于基于散射的测量仪，以及至少一个传递处于大于2. 5ym的 区域内的红外光(优选地，大于3.5iim)的滤波器，该滤波器对基于散射的测量仪是新的。 剩余的六个滤波器可根据特定的应用，被安排来传递1-5 P m范围里任何区域内的光。
为了处理延伸的波长范围，多种光学元件的材料也必须改变，反射镜可能除外，因 为光学系统的透镜和分束器里所传统使用的玻璃(glass)不透射更高波长的红外光。相应 地，在本发明里，透镜60、64、68和分束器66替代性地由氟化f丐或蓝宝石制造，这尽管更贵， 但提供显著更大的光透射率以及从而更高的测量精确度。 而且，之前用于检测器62和78的硫化铅检测器无法提供更长波长处的检测测量， 从而，在本发明里使用了具有延伸范围能力的检测器。这样的检测器可以是，例如，硒化铅、 锑化铟、或碲镉汞检测器。 在使用中，参考检测器62和测量检测器78各自产生代表所接收到的光的强度的 模拟电子信号，这在检测器62的情形里代表投射光的强度，在检测器78的情形里代表在受 到网70的影响时的光的强度。如在图6里所显示的，这些电子信号被提供给相关的放大器
1080并被该相关的放大器80放大，接下来它们在信号解调电路82里被解调。电路82分离出 代表滤波器轮56的不同滤波器中的每一个所传递的光的信号，确定哪个信号脉冲与哪个 滤波器相关，并提取出分别与每一个滤波器相关的波长信息和对应的窄带波长。电路82也 执行各自信号的模拟到数字的转换。 数字信号于是被提供给处理器84，处理器84在来自检测器62的校准信号和来自 检测器78的参考信号的基础上，以传统的方式标准化测量信号，然后它产生用来输出到计 算电路86的波长数据信号。计算电路86对波长数据信号应用已知的算法技术来估计测量 的参数。这种计算的结果被作为代表例如水分含量或基本重量的数字值输出到输出电路 88，以对结果进行光滑和平均并将计算值转换成适当的形式来输出。输出电路然后向显示 或其他输出装置90提供输出，该显示或其他输出装置90可以是图2的文件处理和显示系 统11，用于过程控制的反馈目的和/或质量控制的前馈目的。 相应地，通过结合从一个或全部滤波器所获得的光谱数据，纤维材料不同参数，如 基本重量的测量可以被实现。使用多个具体波长的关键优势在于这允许在将被结合和被比 较的不同波长处进行响应，以消除环境变化和潜在的外来影响，这些外来影响将在其他方 面影响简单的单波长段的光学测量，例如 由于纤维材料里的填料等，散射效应影响材料的吸收特征。通过增加额外的波长 来跟踪由于这种影响引起的变化，填料等的影响可以被消除。 某些外部变化可通过使用数学比率函数比较来自吸收光谱的吸收和非吸收区域 的相对光谱数据信号来被补偿。因此仅通过实施例的方式，消除尘土污染物对滤波器窗口 的影响是可能的，因为两种波长都受该污染物的影响，尽管材料吸收波长本身仅受材料吸 收特征的强烈影响。 相似地，干扰环境影B向，如空气湿度和水分，可使用同样的方法进行校正和消除，
通过选择分别受到不利影响或不受影响的多个波长，以析出干扰因数或获得干扰的测量，
然后其能被包含进最终的算法来提供实时退敏感作用(desensitisation)。 使用多个波长还提供在材料内不同成分的不同光学光谱之间进行区分的方法，使
得多个参数的测量可行，所述参数如基本重量和湿度，添加剂，以及，在一些情形里混合的
聚合物、混合比例。 相应地，图5和图6的实施方式包括散射光红外测量仪，通过与传统散射光测量仪 比较，该散射光红外测量仪使用1至5 ii m的延伸的红外光波长范围，该范围既处于近红外 (NIR)范围之内又处于中红外(MIR)范围之内。 在实验性测试中已发现，通过与传统的红外测量仪比较，根据本发明的这种测量 仪在纤维网材料参数的测量中显示了非常显著改善的结果，不管是直接透射的种类还是 散射光种类。改进的结果特别地应用到轻量级网的参数测量，该轻量级网典型地具有5至 30gsm的基本重量，其中空隙与纤维质量的比例是大的，以及其中纤维直径是小的并通常小 于10至20践。 以上对图1的描述演示了为什么散射光测量在纤维网的情形里是有利的。延伸波 长范围的优点及显著提高根据本发明的红外检测仪的性能将在以下参照图15至图18来讨 论。 图15为显示使用传统的直接透射检测仪所获得的不同的红外光谱的图示，该检
11测仪应用于五种不同的轻量级纤维网样品的基本重量的测量，该纤维网具有5至30gsm范 围内的基本重量。这种传统的直接透射检测仪使用l至4ym范围内的测量波长。在每种 情形里，基本曲线具有由于由单独的纤维和填料所引起的相关影响及光学干扰而强加于其 上的波浪信号形式，这种干扰影响主要在波长接近纤维直径的量级时出现。而且，测量结果 由于关于被检测的光是来自纤维的吸收或来自直接通过网中空隙的不确定性而失真。
通过对比，图16显示了使用根据本发明的散射光测量所获得的聚丙烯无纺布片 材纤维网的三种不同重量的相似结果。可见一种更加清楚的检测模式出现了，因为穿过网 而很少或没有相互作用的光以及以其他方式将削弱光谱特征的光已经被拒绝，或在进一步 的尚未被描述的实施方式里，可能已经被单独测量并在测量计算中使用以增强测量结果。
测量最好在强吸收区域发生，S卩，在涉及聚合物的图16的实施例里在大约3.4ym 处，以及对于水，在大约2. 95 ii m处，因为这个区域提供对小变化的高灵敏度，并通过与使 用更短波长比较，最小化其他假象的影响。这种测量对由填料等引起的散射相对不敏感。
图17比较根据本发明的使用散射光检测的测量仪的性能和传统的使用直接透射 光检测的红外测量仪的性能。如所显示的，结果是可比较的，且对于具有大于30gsm的基本 重量的纤维网是极为相似的。然而，在这个重量之下，即，在具有5至30gsm范围内的基本 重量的轻量级纤维网的情形里，可以看出根据本发明的散射光的测量与剩余的散射光测量 是连贯一致的并成线性的，然而通过传统技术进行的透射光的测量产生非常不稳定和不可 预测的结果。 图18比较根据本发明的使用散射光检测的测量仪的性能和传统的使用散射光检 测的红外测量仪性能。根据本发明的测量仪包括整个1至5 ii m范围内的波长，其中所使用 的波长中的至少一些处于3至5iim的范围内，然而传统的测量仪使用仅处于1至2. 5iim 范围内的波长。如所显示的，由根据本发明的测量仪所获得的结果是一致的和线性的，而由 传统测量仪所获得的结果是非常不稳定和不可预测的。 本发明的第二实施方式在图7中显示。这个实施方式在许多方面与图5和图6的 实施方式相似。相像的部件由相同的参考数字来指示并不再进一步描述。为简便起见，仅 讨论不同于第一实施方式的特征。 除了聚光镜74被不对称聚光镜92所代替之外，第二实施方式包括第一实施方式 的所有特征，不对称聚光镜92也被相对于朝向网70投射并部分地直接透射通过网70的光 束的轴不对称地定位，以使得它的焦点相对于光束的轴偏移。因此，被镜92所反射的光没 有被向后朝向光束终止器72的后侧被引导，而是被朝向位于光束终止器72侧面的测量检 测器94被偏转，并具有相对于网70平面为锐角的中心轴。 第二实施方式的一个优势是测量检测器94被移至一侧并远离投射光束的轴，这 比起在第一实施方式的情形里，允许更紧凑的布置，或更小的轮廓(profile)。当温度稳定 的珀尔帖冷却检测器被用于测量检测器94时，另一个优势出现了 ，因为从落在镜92上的散 射光的区域内移除检测器使珀尔帖冷却器的操作所必需的组件的定位变得容易。然而在其 他方面，第二实施方式的性能与第一实施方式的相似。 本发明的第三实施方式在图8中显示，是第一实施方式的变形，包括不是一个而 是两个测量检测器。而且，相像的部件由相同的参考数字来指示并不再进一步地描述。仅 提到不同之处。
在第三实施方式的情形里，位于投射光束轴上的聚焦镜76和聚光镜74以与第一实施方式里完全相同的方式将光聚焦到散射光测量检测器78上。然而，在这个情形里，第一实施方式的光束终止器72在这里被可替换的光分离元件所代替，该光分离元件为正好位于投射光束的轴上的直接光测量检测器100的形式，用来采集并测量直接透射的光的比例，以及可选择地，散射光的非常窄的角度。 本发明的实施方式以与第一实施方式里相同的方式区分直接透射的光和散射光，通过使用分离元件来阻止直接透射的光到达检测器78，但是另外提供明显的进一步的优势，在于不仅是散射光被检测，还有直接透射的光也被检测。这允许采取比较性的测量并做出调整来移除干扰模式的影响。特别地，当测量仪被用于不同的产品类型，由直接透射的光所获得的测量结果可被当作尺度函数来补偿或调整由散射光所获得的测量结果。这允许测量仪在最小的调整下具有更广泛的应用，不需要昂贵的重新校准。 第三实施方式的变形在图9里示出，同样使用散射光测量检测器和直接透射光测量检测器。然而，在这种情况下，直接光透射检测器位于不同的位置。如前所述，相同的部件由相同的参考数字来指示并仅描述不同之处。 在这个第四实施方式里，来自经过网70直接透射的投射光束的光落在透镜102上以将光束聚焦到成直角的反射镜104上，来使光束向侧面转向经过90度到达直接透射光测量检测器106，该直接透射光测量检测器106位于远离投射光的轴的聚光镜74的一侧。这里，透镜102和反射镜104用作光分离元件。光测量与在第三实施方式里的完全一样，但是如前所述，当使用珀尔帖冷却检测器时，测量检测器106偏离中心的情况在改进的检测器热管理方面再次具有优势。这个安排的进一步的优势是使整个测量仪的更紧凑的布置成为可能，因为网70和直接光透射测量检测器106之间的必要的间距可以在不增加网70和检测器106之间的垂直距离的情况下实现。 图IO显示了本发明的第五实施方式，其是图7中所显示的第二实施方式变形，但是与第二实施方式形成对比，包括直接光透射测量检测器以及散射光测量检测器。如前所述，相像的部件由相同的参考数字来指示并不再进一步描述。仅不同之处将被提到。
相应地，第五实施方式包括离轴不对称聚光镜92，其将散射光指向散射光测量检测器94。然而，此外，位于直接透射光路径上的光束终止器72被透镜110所代替，其将光指向由聚光镜92所荷载的直接光透射测量检测器112。透镜110在这里用作光分离元件。
通过对散射光使用离轴测量检测器，允许当前实施方式拥有与图7实施方式同样的布置的紧凑性的优势，此外，如在图9的第四实施方式的情形里一样，拥有结合散射光测量和直接透射光测量二者的进一步的明显优势。 图5和图6的第一实施方式的进一步的变形在图11中显示，其中示出了本发明的第六实施方式。这个实施方式向第一实施方式的基本散射光测量检测器78再次添加第二测量检测器。然而，在这种情况下，第二测量检测器与投射光束位于网70的同一侧，从而被设计来测量反射光而不是穿过网70的光。如前所述，相像的部件将由相同的参考数字来指示，将仅描述不同之处。 如图11中所显示的，第六实施方式包括第二聚光镜120，其位于照射到网70的投射束的轴的中心，但是在与投射束在网70的同一侧的成直角的反射镜66之上。被网70的纤维所反射和散射而未穿过网的光的光晕照射在聚光镜120上，聚光镜120将这样的光指66后面的聚焦镜122，然后到达由镜120荷载的反射光测量检测器124上。 这个实施方式具有向图5和图6中所显示的本发明的基本形式添加漫反射系数测
量通道的优势。这种测量受到网表面的影响，这有利于表面涂层测量，在那里已经应用过表
面处理和/或在纤维网70的照明区域内允许针对纤维覆盖物的变动做出校正。 进一步的第七实施方式在图12中显示，第七实施方式结合图8的第三实施方式和
图11的第六实施方式的特征。相应地，第七实施方式使用网70侧面的直接光透射测量检
测器100和散射光测量检测器78 二者来检测经过网70的光，以及使用位于网70的入射到
网70的投射光束侧上反射光测量检测器124。相像的部件由相同的参考数字来指示，所有
三种测量检测器78、 100和124的情况已经被描述过，因此不需要进一步的描述。进一步的变形在图13中显示，图13示出了本发明的第八实施方式，其结合图9的
第四实施方式和图11的第六实施方式的特征。这样，图13的红外仪包括散射光测量检测
器78、直接透射光测量仪106以及反射光测量仪124。相像的部件由相同的参考数字来指
示，所有这些测量仪的情况已经被描述过，因此不需要进一步的描述。 所有描述的实施方式可用在用于纤维网的干法(dry laid)形成的系统中，如图2和图3中所显示的。他们也都适合用在用于纤维网的湿法(wetlaid)形成的系统中，如图14中所显示的。这个系统包括基片(base sheet)形成部分141，其包括被馈送给料斗142的纸浆纤维供给。料斗142持续地搅动纸浆来防止纤维聚集在一起，并在移动的线或带143上沉淀湿纤维。在这个阶段，配料为大约1%的纤维和99%的水当它沿着移动的带143的长度行进时，它快速脱水，纤维开始结合以形成垫或网170。湿网170传递到夹具(press) 144里，在那里它被在一系列压力辊144a之间挤压以降低水分含量，并因此到干燥器145，在干燥器145里，网的每一侧轮流通过一系列蒸汽加热干燥筒145a。根据它的预期的最终用途，网170然后可能被提供给处理器/涂层器/湿润器146和干燥器147，在那里网的每一侧被顺序地涂覆并干燥，例如，使用红外热、热气混入(hot air fold)或干燥筒147a。在干燥器147之后，或根据应用直接从自干燥器145，网170被传递给辊148a的压光机148以开始结合过程并通过向(被涂覆的)材料施加压力和温度在网的表面上形成光滑性和光泽度。这样，根据预期的最终用途，处理器/涂层器/湿润器146和干燥器147可被忽略。在压光机148中的结合之后，网170通过测量区149被提供给巻绕机150以使网170在张力下形成巻，测量区149包含如所描述的测量仪50。 如参照图2所描述的，从测量仪149所获得的测量结果被输出给文件处理和显示系统151，随后的处理控制输出可通过控制系统152被反馈给带143、干燥器145、处理器\涂层器\湿润器146及干燥器147中的任一个或所有。相似地，来自处理系统151的输出可被前馈给质量控制系统153以实现质量控制的目的。 现在已描述了本发明的八个实施方式，很明显，在本发明的范围内，许多进一步的开发和更改是可能的。 特别地，光区分或分离元件可被分别选择来阻挡、转向或聚焦直接透射的光，以及可选择地散射光的小角度，以确保被测量的散射光不受网的单独纤维的干扰模式的影响。
此外，尽管示出的实施方式都显示波长选择设备被放置在所有检测器和纤维网之前的光路径上，但是这种设备被放置来接收仅与纤维网相互作用之后的光是同样可能的，
14以及可选择地，单个这种设备被多个波长选择设备所替代。在这种情况下，强度调制器可被选择地放置在光源52和/或镜54之后以辅助信号检测。 举例来说，一种可能性是在与纤维网相互作用之后的光的路径上放置滤波器设备，使得来自每个滤波器的光被指向单个的各自的检测器。另一种可能性是使用紧紧位于每个检测器位置前面的滤波器阵列，对应的检测器阵列在他们后面。 应该知道，不同种类的波长选择设备可被用来代替所描述的滤波器设备，例如可调谐滤波器、线性可变滤波器、波长色散设备如棱镜和衍射光栅、使用傅立叶变换光谱学的波长编码设备等。 例如，单个可调谐滤波器，如声_光可调谐滤波器、液晶可调谐滤波器或可调谐标准具滤波器，可被用来代替所描述的滤波器轮56，这种可调谐滤波器在使用中被顺序地循环经过想要的波长以实现测量的目的。 单个可调谐固态源也是可行的，并能结合并代替光源52和滤波器轮56所提供的光学滤波。 波长选择也可在源处进行，通过使用多个源来代替光源52和滤波器轮56，每个源发射想要的波长，例如LED或激光或单独的白色光源和相关滤波器。 也可使用光学色散元件形式的波长选择设备的可替换形式，如调整衍射光栅和棱镜。 如果波长选择被放置在纤维网70的检测侧，如上面所提到的，可使用同样的波长选择方法。例如，可使用与波长选择设备结合的多个检测器，如滤波器阵列、线性可变滤波器、棱镜、衍射光栅或它们的结合。 进一步，所使用的测量检测器的数量和类型(即散射光、直接透射的光和反射光)可变化，纤维网70的入射光侧或出射光侧的不同检测器的位置可被改变来将测量检测器分别放置为在投射光束的轴上和离开投射光束的轴。 特别地，示出的实施方式都包括参考检测器62来标准化测量信号，但是这些可能被省去，标准化可改为相对于电子地存储在处理器84里的参考标准进行，如图6里所显示的。 而且，任何所描述的实施方式里的聚光镜可被透镜系统或其他光学装置代替，以定向散射光弓I导到相关检测器上。
1权利要求
一种测量纤维网的至少一个参数的方法，包括使电磁辐射的束指向所述纤维网；传递所述电磁辐射的束通过所述纤维网；通过波长选择设备为所述电磁辐射选择波长；区分从所述纤维网射出成为直接透射的电磁辐射的电磁辐射和散射的电磁辐射，所述直接透射的电磁辐射组成实质上直接透射通过所述纤维网的电磁辐射，所述散射的电磁辐射组成通过与所述纤维网的相互作用而被散射的电磁辐射；收集所述散射的电磁辐射；以及检测所收集的电磁辐射并产生代表所接收的辐射的电子信号；其中，所述波长选择设备为随后被检测以产生电子信号的所述电磁辐射选择的波长范围包括2.5-5μm的中红外(MIR)范围内的波长。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中所述波长选择设备选择的所述波长范围包括1-2. 5iim的近红外(NIR)范围并被延伸超过所述NIR范围进入2. 5-5iim的所述中红外(MIR)范围，以及其中所选择的波长包括所述NIR范围内的至少一个波长和所述MIR范围内的至少一个波长。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，还包括检测所述直接透射的电磁辐射。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括界定通过所述纤维网的直接透射轴，并引导将被检测的光远离所述直接透射轴以进行检测。
5. 根据任一项前述权利要求所述的方法，还包括收集并检测被所述纤维网反射和散射的电磁辐射。
6. 根据任一项前述权利要求所述的方法，其中多个离散的波长段被所述波长选择设备选择。
7. 根据任一项前述权利要求所述的方法，其用于在纤维网的连续制造过程中的纤维网的至少一个参数的在线测量，其中所述电子信号被处理以提供测量输出，以及优选地所述测量输出被反馈给生产装置来提供过程控制和/或被前馈给质量评估系统来提供质量控制。
8. 用于测量纤维网的参数的检测装置，包括光学元件，其用于使电磁辐射的束指向并通过所述纤维网；波长选择设备，其用于为所述电磁辐射选择波长；光学系统，其用于区分从所述纤维网射出成为直接透射的电磁辐射的电磁辐射和散射的电磁辐射，所述直接透射的电磁辐射组成实质上直接透射通过所述纤维网的电磁辐射，所述散射的电磁辐射组成通过与所述纤维网的相互作用而被散射的电磁辐射；所述光学系统包括用于分离直接透射的电磁辐射和散射的电磁辐射的被布置在从所述纤维网射出的电磁辐射的路径上的元件，和用于收集所述散射的电磁辐射的收集器；以及至少一个检测器，所述至少一个检测器用于检测被所述收集器收集的电磁辐射和用于生成代表所接收的辐射的电子信号；其中，所述波长选择设备为可被所述收集器和所述至少一个检测器接收的所述电磁辐射选择的波长范围包括2. 5-5ym的中红外(MIR)范围内的波长。
9. 根据权利要求8所述的装置，其中所述波长选择设备所选择的所述波长范围包括1-2. 5iim的近红外(NIR)范围并被延伸超过所述NIR范围进入2. 5-5iim的所述中红外(MIR)范围，以及其中所述波长选择设备被布置为选择包括所述NIR范围内的至少一个波长和所述MIR范围内的至少一个波长的波长。
10. 根据权利要求8或9所述的装置，其中所述分离元件包括用于检测所述直接透射的电磁辐射的检测器。
11. 根据权利要求8至10中的任一项所述的装置，还包括光学器具，所述光学器具用于弓I导将被检测的光远离通过所述纤维网的直接透射轴以进行检测。
12. 根据权利要求8至11中的任一项所述的装置，还包括收集器和检测器，所述收集器和检测器用于被所述纤维网反射并散射的电磁辐射。
13. 根据权利要求8至12中的任一项所述的装置，其中所述波长选择设备被布置为选择多个离散的波长段。
14. 根据权利要求8至13中的任一项所述的装置，其用于在纤维网的连续制造系统中的纤维网的至少一个参数的在线测量，所述装置包括处理器，所述处理器用来处理所述电子信号以提供测量输出，以及优选地还包括至少一个反馈系统和前馈系统，所述反馈系统响应于所述测量输出以向生产机器提供控制输出来提供过程控制，所述前馈系统响应于所述测量输出以向质量评估机器提供控制输出来提供质量控制。
全文摘要
一种用来测量参数的装置，所述参数如，例如纸或无纺布的纤维网的水分含量或基本重量，所述装置包括光学元件(52，54，58，64，66，68)和波长选择设备(56)来选择性地引导电磁辐射的束，所述电磁辐射束的包括在至少通过网(70)的中红外(MIR)光谱范围内的波长；被布置在从网射出的电磁辐射的路径上的元件，如光束终止器(72)，用来分离直接透射的和散射的电磁辐射；用来收集散射的辐射的收集器(74)；以及用来检测被收集器所收集的散射的辐射的至少一个检测器(78)。
文档编号G01N21/89GK101784883SQ200880103193
公开日2010年7月21日 申请日期2008年8月12日 优先权日2007年8月13日
发明者安东尼·道格拉斯·哈特尔, 菲利普·科尔曼·琼斯 申请人:Ndc红外技术公司