[发明专利]用于纤维取向测量的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及确定由非织造材料形成的纤维网中的纤维取向的技术，具体涉及基于图像的并使用线偏振光或平面偏振光的弥散(dispersion)来对纸张的纤维取向平均值进行的测量。

背景技术

在连续造纸机械上的造纸过程中，在移动的筛网，造纸帆布，或夹网(wire)上会从水状纤维悬浮液(原料)中形成一张纸纤维网，且水分则在重力和吸力作用下穿过帆布排出。所述纤维网然后被传送到挤压区，在该区用压力和真空去除更多的水分。接下来所述纤维网进入干燥区，在该区域由蒸汽加热干燥机和热空气完成干燥过程。造纸机实质上是一个水分去除系统。本技术领域内熟知的造纸设备在如下的文献中有描述，例如：Angus Wilde出版有限公司，1992年，G.A.Smook著，纸浆和造纸技术人员手册(第2版)；以及McGraw Hill公司，1970年版，R.MacDonald著，纸浆和造纸第三卷(造纸和纸板制造)。而纸张制造系统则在如下文献中有进一步的描述，例如：授予He的美国专利No.5,539,634，授予Hu的美国专利No.5,022,966，授予Balakrishnan的美国专利No.4,982,334，授予Boissevain等人的美国专利No.4,786,817，以及授予Anderson等人的美国专利No.4,767,935。

在现代高速造纸技术中，众所周知，为了监测完成产品的质量，需要持续测量纸张材料的某些属性。这些在线测量值常包括纤维取向(FO)，纸张基重，水分含量，以及纸张厚度，即厚度。测量值可用于控制过程变量，其目的在于保持产出品质，并使得由于制造过程中的扰动而导致必须拒收的产品数量最少。所述在线纸张属性测量常通过周期性地从一边到另一边横跨纸张材料的扫描传感器完成。

造纸中的纤维取向指的是纤维网上个体纤维的优先方向。由于流浆箱内的流动状态和夹网上的喷气冲击，纤维有在纤维网里按照纵向(MD)而非其他方向排列的趋势。如果纤维网里所有的纤维都完美地分布，则纸张在所有方向都将有相同的属性。这种纸称为各向同性纸，且它的纤维分布可在极坐标图上以圆圈的形式绘制曲线。

如果一个方向上的纤维比其他方向上的纤维多，那么纤维就是非均匀分布，且纸张为各向异性。如图22所示，所述各向异性纤维分布可在极坐标图上绘制成对称的椭圆形几何图2。各向异性纸张的纤维率大于1，对于较高的纤维率，极性分布趋向于数字8的形状。所述纤维率(各向异性)被定义为彼此分开90°的最大分布和最小分布之间的比值，各向同性纸张的纤维率为1。纤维角α被定义为椭圆2的主轴6与纵向4之间的夹角。副轴8与主轴6垂直。图23还显示了一张纸中的FO比(Max3和Min5的比值)的定义以及纤维分布的FO角。对于其它垂直方向也可以定义纤维率，且在造纸中也经常使用纵向4的纤维分布与垂直纵向9的纤维分布之间的比值。

已成形纤维网中的纤维取向可对最终产品的许多属性产生影响。特别是如果所述纤维取向分布不正确，那么将会发生以扭曲，卷曲，以及歪斜形式出现的尺寸不稳定性，且强度轴线也不会和制造轴线对应。这会导致有缺陷的产品，例如在打印机/复印机中发生卡纸的纸张，在弥散项目集装箱中发生压碎的包装箱，以及堆放时发生歪斜或倒塌的盒子。通过在生产过程中精确地在线测量纤维取向，可以由人工干预或纤维取向控制系统及时地纠正问题。

人们已经提出了多种测量纤维取向的技术，其中有一些基于激光的传播或基于来自偏振或非偏振光源的微波激射点(maser spot)。通过这些技术可以测量到，穿过纤维网时光斑在传输中的变形，或照射光斑反射亮度的镜像式或非镜像式方向性变化。由于光斑照射区域相对较小，这些技术不需要因为纸张而放弃代表性测量值。许多这种测量纤维定向的非直接技术都基于这一物理原理，即纤维在垂直其对齐方向上对光的散射要比沿其对齐方向上对光的散射多。

例如，授予Karasikov等人的CA 2,012,351文献公开了一种确定静止或移动纤维网中纤维取向的系统，其中一个小圆形光斑被聚焦在纤维网的第一表面上，从而在纤维网的第二或相反表面上形成椭圆形的光斑。所述椭圆形光斑被聚焦到一个光敏元件阵列上，这些光敏元件按预先设定的距离在纤维网的第二表面上平行排列。所述纤维取向通过对图像中椭圆形光斑的大小，方向和纵横比进行评估而定。