[发明专利]用于获得重合片材参数的基于时域频谱（TDS）的方法和系统

说明书

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1cm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 μm和1500 μm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。