專利名稱：在板材制造系統(tǒng)中測(cè)量選擇組分的傳感器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大##及用于控制連續(xù)的板材制造系統(tǒng)的系統(tǒng)，更具體地，涉及用 于測(cè)量紙張、塑料等中具體組分濃度的傳感器和方法。該技術(shù)采用入射紅外輻 射到材料層上且檢測(cè)來(lái)自該材料的輻射的裝置，其中該紅外輻射在具體波長(zhǎng)帶 寬上。 10 背景技術(shù)在現(xiàn)代高，氏技術(shù)中，已知連續(xù)測(cè)量該紙張材料的某一屬性以監(jiān)測(cè)成品 質(zhì)量。這些在線測(cè)量方法通常包括基本重量、水含量和層厚即厚度。這些測(cè)量 方法可用于控制目標(biāo)的工藝變量，該目標(biāo)為在制造過(guò)程中保持輸出質(zhì)量且最小 化由于擾動(dòng)必須退回的產(chǎn)品數(shù)量。 15 對(duì)以地，在塑料生產(chǎn)中，已知地，當(dāng)曝露在具有某一波長(zhǎng)的輻射下時(shí)，可M它們的特征吸收峰值來(lái)識(shí)別特定聚合體。實(shí)際上，可采用這種在線測(cè)量方 法來(lái)檢測(cè)生產(chǎn)中、隨意使用的或回收的塑料制品中具體聚合體的存在和濃度。該在線層屬性測(cè)量方法經(jīng)常通過(guò)掃描傳感器來(lái)完成，該掃描傳自周期地從一邊到另一邊地橫穿該層材料。例如，高速掃描傳感器可如在20秒這么短 20的周期內(nèi)完成掃描，通過(guò)以約50毫秒間隔從該傳感器讀出觀懂結(jié)果。 一系列靜^#感器還可用于進(jìn)4于類似的在線測(cè)量。在連續(xù)造纟勁幾器上的紙張生產(chǎn)中，從4，進(jìn)的網(wǎng)格造紙織物上的纖維(原料)7K懸浮液形成紙幅，且通過(guò)重力和抽吸以通過(guò)該織物排水。然后將紙幅傳送到加壓段，其中可通過(guò)壓力和真空去除更多水分。該紙幅然后iiA干燥段，在這25里蒸氣加熱干燥器和熱氣完成干燥程序。實(shí)質(zhì)上，該造纟辯幾器是一種去水系統(tǒng)。 造紙機(jī)器的典型形成段包括環(huán)形行進(jìn)造紙織物或金屬絲，其4f進(jìn)在一系列的去 水元件比如臺(tái)輥、箔片、真空箔片和抽吸箱上方。該原料被攜載在造紙織物頂 面上，并且當(dāng)該織物1亍進(jìn)在連續(xù)的抽7乂元件上方時(shí)被抽水以形成紙張層。最后， 將該濕層傳送到造紙機(jī)器的加壓段，其中去除足夠的水分以形成紙張層。本領(lǐng)30 域公知的造紙裝置例如在G.A. Smook 1992年Angus Wilde Publications,Inc, Pulp& Paper Technologists第二版手冊(cè)中描述了 ，其還在R. MacDonald Pulp, 1970年 版，McGraw Hill的Paper Manufacture第三巻(Papermaking and Paperboard Making)中描述了。造縣鄉(xiāng)一步在例如He的美國(guó)專利Nos.5,539,634、 Hu 的5,022,966、 Balakrishnan的4,982,334、 Boissevain等人的4,786,817、 Anderson 5等人的4,767,935中描述了。許多因素影響去水率，該去水率最終影響生產(chǎn)的 紙張質(zhì)量。明顯地，監(jiān)測(cè)最終的紙品是有利地，尤其是預(yù)觀,控制生產(chǎn)的紙張 的干織物重量。傳統(tǒng)地，根據(jù)其離開主干燥段或者在巻帶軸處采用掃描傳SI來(lái)測(cè)量層材 料的7jC含量。這種觀糧方法可用于朝實(shí)現(xiàn)預(yù)期參數(shù)來(lái)調(diào)整機(jī)器工作。用于測(cè)量io水含量的一種技術(shù)是采用紅外區(qū)域中水的吸收頻段。為此，通常使用監(jiān)測(cè)或測(cè) 量設(shè)備。這種設(shè)備傳統(tǒng)地使用固定測(cè)量計(jì)或安裝在掃描頭上的測(cè)量計(jì)，當(dāng)單個(gè) 機(jī)器需要時(shí)，該掃描頭在干燥段出口和/或在巻帶軸入口處往返地橫穿該織物掃 描。這些測(cè)量計(jì)典型地使用寬帶紅外源和一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器，所述檢測(cè)器具有 由窄帶濾波器選擇的所關(guān)注的波長(zhǎng)，該窄帶濾波器例如是干涉型濾波器。使用15的這些測(cè)量計(jì)分為兩個(gè)主要M:翻型，其中該源和檢測(cè)驗(yàn)該織物相對(duì)側(cè) 上并且在掃描測(cè)量計(jì)中其橫穿它同步掃描；以及散射型(有時(shí)稱為反射型)， 其中該源和檢測(cè)器在該織物一側(cè)上的一個(gè)頭中，該檢測(cè)器響應(yīng)從該織物散射的 源輻射量。盡管最常用的是定位IR濕度計(jì)在更良性的干端環(huán)境中，但是類似的測(cè)量20計(jì)也可在造紙機(jī)器的濕端采用。該濕端濕度計(jì)通常位于壓力段一端或干燥段的始端。在這些位置中的測(cè)量計(jì)對(duì)于診斷造紙機(jī)器的壓力和形成段是有利的，或 者對(duì)于"設(shè)立"該織物用于進(jìn)入該干燥段是有利的。塑料膜可以皿各種方式生產(chǎn)。典型地，原材料、比如熱塑性塑料被融化 為橡膠狀塊，然后穿過(guò)由許多加熱協(xié)作輥組成的一系列夾具以形成具體厚度的25膜、層或幅。此外，不同類型的聚合體膜可層壓在一起以形成多層膜。期望工 藝控制來(lái)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)的膜厚。許多當(dāng)前的光譜學(xué)型傳mi依靠非通用的、非普通的技術(shù)來(lái)檢測(cè)紙張和聚 合體產(chǎn)品的各種特性或組成。這些現(xiàn)有技術(shù)典型地JOT無(wú)源散裝光學(xué)元件例如 分束器(或者振幅或dichoric)和單個(gè)的固定濾波器。明顯地， 一，陷是這30些傳感器不容易重構(gòu)以檢測(cè)不同組分。此外難以采用最佳的濾波器帶寬或移動(dòng)濾波器中心波長(zhǎng)以補(bǔ)償溫度在光譜學(xué)材料特征中引起的波長(zhǎng)偏移?，F(xiàn)有技術(shù)的 傳感器還不可提供允許從第一工作模式轉(zhuǎn)換到第二工作模式的通用性，在該第 一工作模式中，使用光譜學(xué)技術(shù)檢測(cè)各種組分的重量，在該第二工作模式中，例如4頓干涉觀糧技術(shù)來(lái)測(cè)量涂層厚度。具體地，M31干涉測(cè)量技術(shù)，采用波5長(zhǎng)變化方法是尤其有用的，該波長(zhǎng)變化方法有能力以具體頻譜分辨率在某一波 長(zhǎng)范圍上調(diào)整，該具體頻譜分辨率將取決于光學(xué)厚度，對(duì)于所關(guān)注的具體涂層 來(lái)說(shuō)，其是折射率和物理厚度的乘積。這種通用性是f細(xì)固定寬度和定位濾波 器的現(xiàn)有技術(shù)傳感器無(wú)法獲得的。最終，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的離散濾波器在平坦層 中測(cè)量許多組分必需要相應(yīng)地大量檢測(cè)器和濾波器。假設(shè)信號(hào)必須分割許多 10次，那么將不利地影響信號(hào)強(qiáng)度，并且伴隨有信噪比減小?，F(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量計(jì)通常為被配置用于具體應(yīng)用的硬件。這必須限定大量通道、典型地在從2到12或更多波^ait的范圍內(nèi)，每一個(gè)波長(zhǎng)通道具有專門的濾波器，該專門的濾波器具有其自己的具體中心波長(zhǎng)和頻譜寬度。該工藝是 勞動(dòng)密集的、昂貴的且效率低下的，而且，這些測(cè)量計(jì)包括許多多余的組件。15 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明部分基于可為有效的且通用的光譜學(xué)傳,配置聲光可調(diào)濾波器的 認(rèn)識(shí)。通過(guò)該變化的頻譜濾波器，該濾波器的中心波長(zhǎng)和帶寬可M調(diào)節(jié)到預(yù) 期波長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種傳感器，用于測(cè)量組合物中的至少一個(gè) 20選擇組分的基礎(chǔ)重量，其包括(a) 寬帶光源；(b) 聲光可調(diào)微器(AOTF);(c) 用于從光源產(chǎn)生光束的裝置，并且其入射光束到AOTF上，其中可 調(diào)節(jié)AOTF以通過(guò)具有預(yù)期波長(zhǎng)范圍的檢測(cè)光來(lái)檢測(cè)該組合物中至少一種組分25 的存在；(d) 用于入射已知波長(zhǎng)檢測(cè)光到該組合物的裝置；(e) 用于接收來(lái)自組合物的光的檢測(cè)裝置；以及(f) 程序結(jié)構(gòu)(program structure),其耦合到AOTF，該程序結(jié)構(gòu)可為AOTF 提供作為該組合物中至少一種組分特性的至少一個(gè)預(yù)期波長(zhǎng)范圍。30 在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種傳S^，用于測(cè)量光學(xué)透明膜的厚度， 其包括(a) 寬帶光源；(b) 聲光可調(diào)^l^波器(AOTF);(c) 用于從光源產(chǎn)生光束的裝置，并且其入射光束到AOTF上，其中動(dòng) 5態(tài)地在可在該透明膜中產(chǎn)生干涉的波長(zhǎng)范圍上調(diào)節(jié)AOTF;(d) 用于入射已知波長(zhǎng)檢測(cè)光到該摸的裝置；(e) 用于接收來(lái)自該膜的光的檢測(cè)裝置；以及(f) 禾聘結(jié)構(gòu)，其耦合到AOTF,該，將結(jié)構(gòu)可為AOTF提供至少一個(gè) 預(yù)期波長(zhǎng)范圍，該至少一個(gè)預(yù)期波長(zhǎng)范圍可在該透明膜中產(chǎn)生干涉。io 在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種傳感器，用于測(cè)量組和物中至少一種選擇組分的基礎(chǔ)重量，其包括(a) 寬帶光源，其產(chǎn)生入射到該組和物的光；(b) 聲光可調(diào)濾波器(AOTF)，將其定位以接收來(lái)自該組合物的光，其 中調(diào)整AOTF以M31具有預(yù)期波長(zhǎng)范圍的檢測(cè)光以檢測(cè)該組和物中至少一種組15分的存在；(C)用于接收該檢測(cè)光的檢測(cè)裝置；以及(d)程序結(jié)構(gòu)，其耦合到AOTF，該程序結(jié)構(gòu)可為AOTF提供至少一個(gè) 預(yù)期波長(zhǎng)范圍，該至少一個(gè)預(yù)期波長(zhǎng)范圍是該組合物中至少一種組分的特性。 在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種傳 ，用于測(cè)量光學(xué)透明膜的厚度，20其包括(a) 寬帶光源，其產(chǎn)生入射到該膜的光；(b) 聲光可調(diào)濾波器(AOTF)，將其定位以接收來(lái)自該膜的光，其中動(dòng) 態(tài)地在可在該透明膜中產(chǎn)生干涉的波長(zhǎng)范圍上調(diào)節(jié)AOTF;;(C)用于接收準(zhǔn)直檢測(cè)光的檢測(cè)體；以及 25 (d)程序結(jié)構(gòu)，其耦合到AOTF,該程序結(jié)構(gòu)可為AOTF提供至少一個(gè)預(yù)期波長(zhǎng)范圍，該至少一個(gè)預(yù)期波長(zhǎng)范圍可在該透明膜中產(chǎn)生干涉。在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種方法，用于測(cè)量組合物中的至少一個(gè)選擇組分的數(shù)量，其包括以下步驟(a)入射寬帶光到聲光可調(diào)搶波器(AOTF); 30 (b)調(diào)整AOTF以M:具有預(yù)期波長(zhǎng)的第一檢測(cè)光，以檢測(cè)組合物中第 一組分的存在；(C) ^!t第一1^測(cè)光到該組合物；(d) 檢測(cè)來(lái)自該組合物的第一檢測(cè)光的強(qiáng)度；(e) 調(diào)整AOTF以改變?cè)摍z測(cè)光的波長(zhǎng)，以產(chǎn)生第二檢測(cè)光來(lái)測(cè)量該組 5合物中的第二組分；(f) /Jt第二檢測(cè)光到該組合物；(g) 檢測(cè)來(lái)自該組合物的第二檢測(cè)光纟販；(h) 任選地，重復(fù)步驟(f)和(g)，但是4吏用不同的波長(zhǎng)，以測(cè)量不同 于第一和第二組分的一個(gè)或多種組分；以及10 (0任選地，測(cè)量組合物溫度并改變第一或第二檢測(cè)光的波長(zhǎng)，使得對(duì)于檢測(cè)中所關(guān)注的具體組分的靈ioS最優(yōu)化。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種方法，用于澳糧光學(xué)透明膜的厚度， 其包括以下步驟(a)入射寬帶光到聲光可調(diào)濾波器(AOTF); 15 (b)動(dòng)態(tài)調(diào)整AOTF以通過(guò)具有預(yù)期掃頻波長(zhǎng)頻帶的第一檢測(cè)光，以在光學(xué)透明膜中產(chǎn)生干涉；(c) 入射第一1t測(cè)光到該膜；(d) 檢測(cè)來(lái)自該膜的第一檢測(cè)光的5破；(e) 當(dāng)用于光學(xué)透明膜厚度的干涉條件達(dá)到時(shí)，檢觀U第一檢觀恍的強(qiáng)度 20變化；以及(f) 禾,產(chǎn)生干涉劍牛的波長(zhǎng)計(jì)算膜厚。在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種方法，用于測(cè)量組合物中的至少一個(gè) 選擇組分的基礎(chǔ)重量，其包括以下步驟 (a)入射寬帶光到該組和物； 25 (b)入射來(lái)自該組合物的光到聲光可調(diào)濾波器(AOTF);(c) 調(diào)整AOTF以通過(guò)具有預(yù)期波長(zhǎng)的第一檢測(cè)光，以檢測(cè)該組合物中 第一組分的存在；(d) 檢測(cè)來(lái)自該組合物的第一檢測(cè)光的5販；(e) 調(diào)整AOTF以改變?cè)摍z測(cè)光的波長(zhǎng)，以產(chǎn)生第二檢測(cè)光來(lái)測(cè)量該組 30合物中的第二組分；(f) 檢測(cè)來(lái)自該組合物的第二檢測(cè)光強(qiáng)度；(g) 任選地，重復(fù)步驟(e)和(f)，但是使用不同的波長(zhǎng)，以測(cè)量不同 于第一和第二組分的一個(gè)或多種組分；以及(h) 任選地，測(cè)量組合物^it并改麟一或第二檢測(cè)光的波長(zhǎng)，使得測(cè) 5量的檢測(cè)光強(qiáng)度最優(yōu)化。最后，在另一實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種方法，用于測(cè)量光學(xué)透明膜的厚 度，其包括以下步驟(a) 入射寬帶光到該膜；(b) 入射來(lái)自該膜的光到聲光可調(diào)濾波器(AOTF);o (c)動(dòng)態(tài)調(diào)整AOTF以fflil具有預(yù)期掃頻波長(zhǎng)頻帶的第一檢測(cè)光，以在光學(xué)透明膜中產(chǎn)生干涉；(d) 檢測(cè)來(lái)自該膜的第一檢測(cè)光的纟販；(e) 當(dāng)用于光學(xué)透明膜厚度的干涉條件達(dá)到時(shí)，檢測(cè)第一檢觀恍的強(qiáng)度 變化；以及5 (f)利用產(chǎn)生干涉條件的波長(zhǎng)計(jì)算膜厚。


圖1A和1B是本發(fā)明傳感器設(shè)備的兩個(gè)實(shí)施例的示意亂 圖2說(shuō)明了包括本發(fā)明傳自的板材制造系統(tǒng)；以及 圖3說(shuō)明了塑料薄膜制造設(shè)備側(cè)視圖。 ,o具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)組合物尤其是薄膜、織物或薄片形式的材料屬性的傳 感器設(shè)備。雖然以觀糧紙張和塑料產(chǎn)品來(lái)闡述該傳感器，但是可以理解的是， 可采用該傳感器來(lái)檢測(cè)其他材料的屬性，例如涂層材料和織物等的屬性。該傳 感器設(shè)備還可測(cè)量光學(xué)透明膜等的厚度。 :5 如圖1A中所示，采用該傳感器測(cè)量紙5域塑料30板的物理特性。來(lái)自寬帶光源12例如白光源的光M3t鏡14和/或拋物面反射境10準(zhǔn)直。合適的 光源包括例如發(fā)光二極管(LED)和石英鉤鹵素(QTH)燈。如果需要，則可 使用常規(guī)調(diào)i皆音叉或調(diào)制盤通過(guò)直接振幅調(diào)制來(lái)調(diào)制該光。如果使用LED光 源，則可ilil其驅(qū)動(dòng)電流直接完成調(diào)制。 ;o 4紛隹直的寬帶光8引到聲光可調(diào)濾波器(AOTF)。為了過(guò)慮紅外輻射頻
譜的光，例如波長(zhǎng)在l到大于4nm的范圍，AOTF te包括具有壓電傳麟比 如壓電換能器(PZT) 18的聲光晶體16，比如碲氧化物(Te02)或鈮酸鋰 (LiNb03)，該壓電傳感器連接到該晶體的一面上?？勺兩漕l(RF)產(chǎn)生器6 施加RF信號(hào)給PZT，以產(chǎn)生折射率調(diào)制，例如衍射光柵，該折射率調(diào)制在聲 5光晶體中產(chǎn)生。因此，分散穿過(guò)調(diào)制晶體的寬帶光8以形成光22的頻譜或具 有掃頻波長(zhǎng)的光束。通31i^擇施加的RF信號(hào)的合適頻率，可調(diào)整分散度。將 RF信號(hào)橫向施加到光8。在該傳感器中還可采用其中光和RF信號(hào)在同一直線上傳播的聲光可調(diào)濾 波器。 地，AOTF包括聲吸收器4，該聲吸收器4阻止不期望的RF信號(hào) io向后反射。合適的AOTFs可從以下制造商獲得，所述制造商包括BrimoroseCoip. (Baltimore MD)、 Isomet (SpringfieHVA)和Gooch &Housego (U.K.)。由不可透過(guò)光22的材料制成的掩蔽物24吸收或湖光22，除了光22的 專門選擇的部分之外，該專門選擇的部分穿過(guò)掩蔽物24中的孔或縫隙26。穿 過(guò)孔26的光將具有預(yù)期帶寬以用于分析該板材30的一個(gè)或多個(gè)成分。由于是 15透明的，所以施加到晶體16上的RF信號(hào)的頻率改變偏移了穿過(guò) L 26的輻射 波長(zhǎng)。期望的是，可典型地在10微秒內(nèi)將在1,到大于4拜波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅 外輻射從一個(gè)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)到另一個(gè)波長(zhǎng)?？商鎿Q地，代替改變RF信號(hào)的頻率， 移動(dòng)該掩蔽物24以調(diào)動(dòng)該孔26使得穿過(guò)預(yù)期帶寬的輻射。與該板材相鄰地設(shè) 置非接觸^^傳感器27，以測(cè)量其溫度，并將來(lái)自這里的溫度信號(hào)傳送或傳送 20至啦制器25，比如微處理器。當(dāng)該板材的溫度變換時(shí)，必須調(diào)整預(yù)期帶寬的中 心波長(zhǎng)以最優(yōu)化檢測(cè)。該瞎形中，控制器25改變來(lái)自RF產(chǎn)生器6的RF信號(hào) 的頻率。此外，如這里進(jìn)一步描述的，該控制器可具有存儲(chǔ)關(guān)于不同組分信息的數(shù) 據(jù)庫(kù)，該不同組分是可檢觀啲，例如聚合體和與它們相關(guān)的檢測(cè)輻射帶寬。因 25此，控制器25可自動(dòng)改變來(lái)自產(chǎn)生器6的RF信號(hào)以檢測(cè)不同組分。亍繼地，定位適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)光學(xué)器件例如聚焦透鏡28以將光束20入射到該 織物30上。光從織物30形成為發(fā)散光或透射光。在一個(gè)實(shí)施例中，該傳繊 采用聚焦透鏡34和檢測(cè)器38以測(cè)量來(lái)自織物30 TO的光的強(qiáng)度。可替換的， 結(jié)合或代替透鏡34和檢測(cè)器38， j頓聚焦透鏡36和檢測(cè)器32來(lái)測(cè)量M織 30物30邀寸的光強(qiáng)。
圖iB說(shuō)明了該傳ii^設(shè)備的另一實(shí)施例，配置該傳,設(shè)備以j吏得將來(lái)自!tt測(cè)材料的^A射到AOTF。來(lái)自寬帶光源12A的^13iM 14A禾P/或 拋物線反射器10A準(zhǔn)直。將該準(zhǔn)直寬帶光8A朝板材30A入射。穿過(guò)板材30 的^i!M^ 38A準(zhǔn)直以形成入射到AOTF上的光束9A， AOTF包括帶有壓 5電傳,18A (PZT)的聲光晶體16A，該壓電傳感器18A連接到該晶體的一 面上。RF產(chǎn)生器6A施加RF信號(hào)給該P(yáng)ZT，以產(chǎn)生折射率調(diào)制，以在聲光晶 體中產(chǎn)生例如衍射光柵。因此，穿過(guò)該調(diào)制晶體的寬帶光9A被分散以形成光 22A的頻譜或者帶有掃頻波長(zhǎng)的光束。 地，AOTF包括阻止不期望的RF 信號(hào)后反射的聲吸收器4A。io 除了光22A的專門選擇的部分之夕卜，掩蔽物24A吸收或反射光22A，該專門選擇的部分穿過(guò)掩蔽物24A中的孔或縫隙26A。穿過(guò)孔26A的光將具有 預(yù)期帶寬和中心波長(zhǎng)以用于分析該板材30A的一個(gè)或多個(gè)成分。由于是透明 的，所以施加到晶體16A上的RF信號(hào)的頻率改變偏移了穿過(guò) L 26A的輻射波 長(zhǎng)?？商鎿Q地，代替改變RF信號(hào)的頻率，移動(dòng)該掩蔽物24A以調(diào)動(dòng)該孔26A15使得穿過(guò)預(yù)期帶寬的輻射。該設(shè)備還包括非接觸溫度傳感器27A和控制器 25A。圖1B中示出的設(shè)備測(cè)量邀寸光?？商鎿Q地，如圖1A所示，可配置該設(shè) 備以測(cè)量來(lái)自板材30A的發(fā)散光?？扇菀椎嘏渲脠D1A和1B中示出的該傳li^設(shè)備以M31干涉測(cè)量模式操 20作來(lái)測(cè)量光學(xué)透明薄膜厚度。具體地，在可在該膜中產(chǎn)生干涉的波長(zhǎng)范圍上動(dòng) 態(tài)調(diào)節(jié)AOFT。當(dāng)連續(xù)地在波長(zhǎng)范圍上調(diào)節(jié)該波長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生周期強(qiáng)度圖案以作 為波長(zhǎng)的函數(shù)?？稍L問(wèn)合適的數(shù)據(jù)庫(kù)或?qū)嵤┻m當(dāng)?shù)能浖?，以根?jù)產(chǎn)生的干涉圖 案的周斯性計(jì)算薄膜厚度。在一個(gè)實(shí)施例中，可4OT該創(chuàng)造性的傳感器以在板材制造系統(tǒng)中測(cè)量含水 25混合物(指濕原料)的物理特性。圖2示出了用于生產(chǎn)連續(xù)的紙張材料層54 的典型板材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括操縱機(jī)構(gòu)罩殼40、蒸氣罩42、分類暫存器50、 巻帶軸52和包括該傳感器的掃描系統(tǒng)60。在該f喿縱機(jī)構(gòu)罩殼40中，布置致動(dòng) 器以控制沿橫向(CD)卸出濕原料到支撐金屬絲或網(wǎng)46上。形成在該金屬絲 46頂部的纖維材料層連串地朝滾輪44和48之間的機(jī)器方向(MD)行進(jìn)并穿 30過(guò)分類暫存器50。該分類暫存器50包括控制橫向施加在紙張網(wǎng)上的壓縮力的
致動(dòng)器。該系統(tǒng)包括壓搾部(未示出)，其中從該層中機(jī)械地去除水分并且合并該網(wǎng)。之后，M31在千燥部分(未示出)中蒸發(fā)去除7jC分。完成的層產(chǎn)品54 收集在巻帶軸52上。實(shí)際上，該紙張制造工藝的接,縱機(jī)構(gòu)罩殼的部分成 為"濕端"，而該工藝接近巻帶軸的部分成為"干端"。紙張制造機(jī)皿現(xiàn)有技 5術(shù)中是已知的，且例如在美國(guó)專利No.6,780,284中有所描述，其中該專利在此 引作參考。該掃描系統(tǒng)60通常包括水平延伸導(dǎo)軌對(duì)64，其橫跨紙產(chǎn)品54的寬度。 M直立的支柱62在它們的相對(duì)端處支撐該導(dǎo)軌，且該導(dǎo)軌垂直方向上間隔 足夠的距離，以存在用于紙產(chǎn)品54在這些導(dǎo)軌之間行進(jìn)的間隙。將該傳感器 io固定到托架66上，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)該托架66在紙產(chǎn)品54上方來(lái)回移動(dòng)。用于 紙張制造生產(chǎn)的在線掃描傳感器系統(tǒng)在Dahlquist的美國(guó)專利Nos.4,879,471、 Dahlquist等人的5,094,535、 Dahlquist的5,166,748中公開了，上述專利全部在 此引作參考。紅夕卜(IR)光譜學(xué)是一種用于7jC含量測(cè)量的技術(shù)。 一種方法是預(yù)先確定吸 15收和所關(guān)注的參考IR波長(zhǎng)，并采用該創(chuàng)造性的傳感器提供恒定的、可靠的、 在所需波長(zhǎng)范圍內(nèi)的能流以產(chǎn)生合適的水重觀糧值。具體地，水吸收作為波長(zhǎng) 函數(shù)的、橫穿該紅外頻譜的輻射。層中水含量越高，水吸收峰值處或其附近的、 將穿過(guò)該層或由該層反射的輻射就越少。該傳 可使用吸收IR頻段波長(zhǎng)來(lái)首先測(cè)量來(lái)自紙張層的輻射強(qiáng)度。之 20后，皿改 加到AOTF的RF信號(hào)，將該參考頻段波長(zhǎng)處的IR輻射入射 至U紙張層上并測(cè)量其強(qiáng)度。實(shí)際上，第一測(cè)量主要對(duì)該層中水含量敏感，并且 當(dāng)該層干燥時(shí)測(cè)量到更多的紅外輻射，而當(dāng)該層濕潤(rùn)時(shí)測(cè)量到更少的紅外輻 射。相反，對(duì)于第二測(cè)量來(lái)說(shuō)，該輻射是IR頻段波長(zhǎng)，其中有很少量的水吸 收。該頻段中的光損失是由于該層的非7K相關(guān)損失。這些損失的原因主要是從 25該層駒寸和該層的非水相關(guān)衰減因素。因此，當(dāng)層纖維的基本重量即每單位面 積重量增加時(shí)，第二測(cè)量檢測(cè)到更少的紅外輻射。第二測(cè)量校正該層的非水相 關(guān)損失。可容易地最優(yōu)化該創(chuàng)造性的傳感器以調(diào)整改變其工作環(huán)境中的動(dòng)態(tài)變化。 例如，已知地，在典型的環(huán)境^#下，用于紙張中濕氣的吸收或傳感中心波長(zhǎng) 30典型地為1.93pm且參考波長(zhǎng)典型地是1.84nm，但是該吸收波長(zhǎng)是與溫度相關(guān)
的。換言之，最優(yōu)的吸收波長(zhǎng)隨著溫度改變。不管紙張中的溫度波動(dòng)，而保持 準(zhǔn)確且精準(zhǔn)觀糧的一種技術(shù)是在保持最優(yōu)帶寬的同時(shí)偏移該中心波長(zhǎng)。因此，隨著紙張鵬變化，調(diào)整RF信號(hào)頻率以適當(dāng)偏移輻射波長(zhǎng)，因此，該吸收IR保持中心位于該頻譜吸收的最敏感區(qū)域。在補(bǔ)償溫度變換的同時(shí)，這有效地阻5止了該傳自的濕氣靈敏度。關(guān)于使用離散濾波器的現(xiàn)有技術(shù)光譜傳感器，必 需增加濾波器帶寬以使皿減少該傳感器的感光性。不幸地，皿影響了傳感 器,氣的靈驗(yàn)。除了測(cè)量7K含量外，該層材料的其他物理特性也可被監(jiān)測(cè)。這些成洲洳 包括纖維，象纖維素、橡膠；無(wú)機(jī)物等，例如CaC03和粘土。在每一種情況 10下，需要選擇合適的輻射區(qū)域例如紅外帶寬。通過(guò)紙張和涂覆有紙張的產(chǎn)品中不同組分的IR吸收在Chase的美國(guó)專利5,013,403、 Chase等人的5,235,192、 Bdotserkovsky等人的5,795,394中進(jìn)一步描述了，，專利以全部在此引作參可采用本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)傳感器來(lái)最優(yōu)化紙張制造機(jī)器。用于紙張制造15機(jī)器的步驟控制技術(shù)進(jìn)一步在例如Hu等人的美國(guó)專利Nos.6,149,770、 Hagart-Alexander等人的6,092,003、 Heaven等人的6,080,278、 Hu等人的6,059,931、 Hu等人的6,853,543、 He的5,892,679中描述了 ，戰(zhàn)專利全部在此弓l作參考。 由于^3S明的，因此如圖2中所示，可調(diào)整紙張制造機(jī)器的濕端和干端的 大量參數(shù)。例如，M:該掃描器系統(tǒng)60，可產(chǎn)生紙張的連續(xù)水分圖表并將其與20用于制造具體等級(jí)紙張的"理想"圖表比較。根據(jù)與理想的偏差程度，可因此 調(diào)整濕端和/或干端的參數(shù)。參見例如Hagart-Alexander等人的美國(guó)專利 6,092,003，將該專利在此引作參考。使用致動(dòng)器例如蒸氣室或力口濕噴7K器可控 制干端和濕端參數(shù)比如水分圖表。在另一實(shí)施例中，可使用該創(chuàng)造性傳麟140來(lái)測(cè)量在連續(xù)塑料生產(chǎn)工藝25中形成的薄膜中的聚合##度。圖3說(shuō)明了一種設(shè)備，用于制造塑料薄膜，其 包括錐形擠壓機(jī)101，該錐形擠壓機(jī)101包括錐形轉(zhuǎn)子102、外部定子103和 內(nèi)部定子104。當(dāng)該轉(zhuǎn)子102旋轉(zhuǎn)時(shí)，它從擠壓機(jī)101擠壓轉(zhuǎn)子102與定子103 禾口104之間的原料。該內(nèi)定子104的端部是寬的且在垂直方向上逐漸變細(xì)，因 此與噴嘴106 —起形成相對(duì)平坦且寬的縫隙，M該縫隙擠壓塑料105。在該30噴嘴106之后，有校準(zhǔn)件107，該校準(zhǔn)件107的螺母用于調(diào)整該縫隙的高度，
這允許限定將從該擠壓機(jī)101獲得的塑料薄膜150的厚度。在離開該擠壓機(jī)101后，通過(guò)7轉(zhuǎn)卩裝置108 7襯卩該塑料膜150，該冷卻裝 置108可包括冷卻輥109，其布置在裝有水的冷卻箱110中。布置該塑料膜150 以通過(guò)冷卻輥109擠壓。該設(shè)備具有輔助輥lll以用于在幾個(gè)點(diǎn)上引導(dǎo)該塑料 5膜105。在y襯卩后，引導(dǎo)該塑料膜150到包括定位輥113和加熱錢114的機(jī)器方 向定位體112，可調(diào)整定位輥113的速度使得它們可用于拉伸該塑料膜150， 該加熱裝置114比如輻射加熱器用于加熱該塑料膜150。因此，該塑料膜150 移動(dòng)到壓縮室115，該壓縮室115裝有由泵116供給的壓縮空氣。在壓縮室115io的尾端和前》瑞提供有密封室127。當(dāng)壓縮室115中的壓力M31泵116增加時(shí)， 該溫度也隨著壓縮氣體而升高。該熱量被用來(lái)加熱該塑料膜150。還可為壓縮 室115提供加熱電阻器，設(shè)置該加熱電阻器以加熱塑料膜150。因此，該壓縮 室即可用于供氣給塑料膜還可用于加熱塑料膜150以用于在橫向上定向。當(dāng)添加原料到該塑料中時(shí)可形成空化氣泡。當(dāng)在定向后對(duì)該塑料膜150施15加加壓氣體時(shí)，該氣體擴(kuò)散為空化氣泡并在這些氣泡中產(chǎn)生過(guò)壓。在壓縮室115 中，力啦氣體可作用在塑料膜150的兩側(cè)，因此，氣泡均勻地在塑料膜150中 形成。接著，塑料膜150 m橫向定向裝置117，該裝置117中該塑料膜150橫 向伸展，所述橫向橫切該機(jī)器方向體112中執(zhí)行的定向方向。該橫向定向裝20置117包括兩個(gè)定向輪118，并且靠著兩個(gè)輪布置定向帶119。該定向帶119 是無(wú)端頭帶，其M31帶弓I導(dǎo)輥120引導(dǎo)?；狙刂鴻M向定向裝置117的整個(gè)行 程，該定向帶119穩(wěn)固地且均勻地?cái)D壓定向輪118和定向帶119之間的塑料膜 150的邊緣，在該情形下，不會(huì)對(duì)該膜施加變化的壓應(yīng)力和拉伸應(yīng)變，并且該 塑料膜因此向一旁伸展而不會(huì)斷開。謝黃向定向驢117可定位在該罩126中。25最后，將塑料膜150弓l導(dǎo)到松弛單元122，在該松弛單元122中力対公該塑料膜 150并將其纏繞在巻軸123上。如圖3中所示，定位本發(fā)明的傳麟140以在纏繞于巻軸之前監(jiān)測(cè)該塑料 膜?？梢岳斫猓裳刂a(chǎn)線如所期望的那樣在任何地方定位該傳mi 140。 可與現(xiàn)有技術(shù)中已知的連續(xù)生產(chǎn)塑料膜的任何合適設(shè)備一起采用本發(fā)明的傳感30器。代表性的機(jī)器例如在Kiijavainen的美國(guó)專利6,793,854、 Krycki的6,565,343、他okawa等人的5,230,923、 Reinke等人的4,797,246和4,311,658，這些專利在此引作參考。該傳繊的4腿應(yīng)用是艦測(cè)量形成該膜的具體聚合微度(每單位面積重量，其中典型地以克每平方米計(jì)量，gsm)來(lái)監(jiān)測(cè)薄膜厚度。在該膜包括單 5層的一個(gè)聚合體的情形下，設(shè)定該傳感器140以入射合適帶寬的輻射例如紅外 輻射來(lái)測(cè)量該聚合體。在該塑料為包括兩種或更多種聚合體的混合物單層的情 形下，或者在該塑料為多層膜的情形下，可對(duì)該傳感器中的AOTF編程，以連 續(xù)改變帶寬，以測(cè)量存在的不同聚合體。可替換地，可對(duì)AOFT (通過(guò)RF產(chǎn) 生器)編程，以順序地進(jìn)入所關(guān)注的具微長(zhǎng)頻段，該具體波長(zhǎng)頻段用于該塑io料膜中所關(guān)注的具體組分。多層膜典型地包括層壓在一起的多層。優(yōu)選地，在 該多層結(jié)構(gòu)中，相鄰層由不同聚合體材料形成。通過(guò)采用具有不同物理屬性的 不同聚合體，該多層膜可具有單層膜中不存在的組合物理屬性。例如，多層膜 可抗?jié)駳?、抗磨損且還保持柔軟。尤其，本發(fā)明的傳感皿效地控制多層膜的 生產(chǎn)，以確保該膜中的每一層都具有正確的厚度或重量(gsm)，因此該多層膜15具有正確的組合屬性。如上所述，可采用大量AOFT傳感器以并行處理數(shù)據(jù)。 每一個(gè)聚合tt特定波長(zhǎng)具有吸收峰值。M產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫(kù)或相反在該傳感 器中對(duì)控制器編程，來(lái)自傳感器的輻射帶寬可順序地通過(guò)每一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，以 測(cè)量所關(guān)注的聚合體。如果該多層膜中的具體聚合體組分的密度是已知的，那 么可確定該膜組分的厚度。該厚度可通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算。通常，不計(jì)算該膜厚并20且組分的重量(gsm)是用戶用于質(zhì)量控制所需要的全部。前面描述了本發(fā)明的原理、 實(shí)施例和工作方式。然而，本發(fā)明的構(gòu)建 可不限于討論的具體實(shí)施例。代替地，，實(shí)施例應(yīng)理解為示例性的而不是限 制性的，并且可以理解，不脫離下面的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明范圍，本領(lǐng)域 技術(shù)人員可在那些實(shí)施例中進(jìn)行變化。
權(quán)利要求
1. 一種傳感器，用于測(cè)量組合物中的至少一種選擇組分，包括 (a)寬帶光源(12);5 (b)聲光可調(diào)i^波器(AOTF) (16， 18);(c) 用于從光源(12)產(chǎn)生光束(10， 14)的裝置，并且其入射光束到 AOTF (16， 18)上，其中調(diào)節(jié)AOTF (16， 18)，以通過(guò)具有預(yù)期波長(zhǎng)范圍的 檢測(cè)光來(lái)檢測(cè)該組合物中至少一種組分的濃度；(d) 用于入射已知波長(zhǎng)檢測(cè)光(34， 36)到該組合物的裝置； io (e)用于接收來(lái)自組合物的光(32， 34)的檢測(cè)裝置；(f)程序結(jié)構(gòu)(25)，其耦合到AOTF (16， 18)，該程序結(jié)構(gòu)(25)可 為AOTF (16， 18)提供作為該組合物中至少一種組分纟爭(zhēng)性的至少一個(gè)預(yù)期波 長(zhǎng)范圍。
2. 如權(quán)利要求l所述的傳麟，其特征在于，還包括15 持久的存儲(chǔ)器(25)，其耦合到程序結(jié)構(gòu)(25)，其中該持久的存儲(chǔ)器(25)可根據(jù)該組合物的一種組分或多種組分為程序結(jié)構(gòu)(25)提供至少一個(gè)預(yù)期的 波長(zhǎng)范圍。
3. 如權(quán)利要求l所述的傳麟，其特征在于，還包括 鵬傳感器(27)，其測(cè)量組合物溫度且產(chǎn)生表示該溫度的溫度信號(hào)；以20 及響應(yīng)溫度信號(hào)(25)的裝置，其調(diào)整至少一個(gè)預(yù)期的波長(zhǎng)范圍，使得對(duì)于 正在觀懂的至少一種組分的靈驗(yàn)最優(yōu)化。
4. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，該被調(diào)整的AOTF(16， 18) 產(chǎn)生具有掃頻波長(zhǎng)的光束，并且該傳感器包括孔(26)，通過(guò)該孔(26)并具25有預(yù)期波長(zhǎng)的光5I31該組合物。
5. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，AOTF (16， 18)通過(guò)可 變頻率的RF產(chǎn)生器(6)控制。
6. —種用于測(cè)量組合物中至少一種選擇組分的數(shù)量的方法，包括以下步驟30 (a)入射寬帶光到聲光可調(diào)濾波器(AOTF) (16， 18);(b) 調(diào)整AOTF (16， 18)，以通過(guò)具有預(yù)期波長(zhǎng)的第一檢測(cè)光(22)， 以檢測(cè)組合物中第一組分的濃度；(c) 入射第一檢測(cè)光(22)到該組合物；(d) 檢測(cè)來(lái)自該組合物的第一檢觀恍(22)的纟販；(e)調(diào)整AOTF (16， 18)以改變?cè)摍z測(cè)光的波長(zhǎng)，以產(chǎn)生第二檢領(lǐng)恍來(lái)測(cè)量該組合物中的第二組分；(f) 入射第二檢觀恍到該組合物；(g) 檢測(cè)來(lái)自該組合物的第二檢測(cè)光^販；(h) 任選地，重復(fù)步驟(f)和(g)，但是使用不同的波長(zhǎng)，以測(cè)量不同 10于第一和第二組分的一個(gè)或多種組分；以及(h)任選地，測(cè)量組合物溫度并改變第一或第二檢測(cè)光的波長(zhǎng)，j吏得測(cè)量的檢測(cè)光纟M最優(yōu)化。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括測(cè)量組合物纟，；以及 15 調(diào)整至少一個(gè)預(yù)期波長(zhǎng)范圍，使得對(duì)于觀懂的至少一種組分的靈敏度最優(yōu)化。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，AOTF (16， 18)產(chǎn)生具有 掃頻波長(zhǎng)的光束且具有預(yù)期波長(zhǎng)的光ffi51 L (26)到達(dá)該組合物。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，AOTF (16， 18)通過(guò)可變 20頻率的RF產(chǎn)生器(6)控制。
10. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該組合物包括紙張或塑料。
全文摘要
一種有效的且通用的光譜學(xué)傳感器可被配置成具有聲光可調(diào)的濾波器。通過(guò)該不同頻譜濾波器，可快速調(diào)整濾波器的中心波長(zhǎng)和帶寬。一種傳感器，用于測(cè)量組合物中的至少一種選擇組分，其可以包括(a)寬帶光源；(b)聲光可調(diào)濾波器(AOTF)；(c)用于從光源產(chǎn)生光束的裝置，并且其入射光束到AOTF上，其中可調(diào)節(jié)AOTF以通過(guò)具有預(yù)期波長(zhǎng)范圍的檢測(cè)光來(lái)檢測(cè)該組合物中至少一種組分的濃度；(d)用于入射已知波長(zhǎng)檢測(cè)光到該組合物的裝置；(e)用于接收來(lái)自組合物的光的檢測(cè)裝置；(f)程序結(jié)構(gòu)，其耦合到AOTF，該程序結(jié)構(gòu)(25)可為AOTF提供作為該組合物中至少一種組分特性的至少一個(gè)預(yù)期波長(zhǎng)范圍。此外，可配置該裝置以使AOTF處于該傳感器的檢測(cè)側(cè)上。可使用這些傳感器來(lái)測(cè)量光學(xué)透明膜的厚度。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101124475SQ200580048241
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
發(fā)明者F·M·哈蘭 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司