CN101208596A - 用于测量移动片状产品中的选择成分的传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量如在移动的包括造纸设备中纸的片状物中水分这样的成分的长寿命传感器使用产生规定的感兴趣波长范围内的辐射的光源，并且利用非机械技术以高频率调制该光源。在保持信息分离的同时具有各种辐射源的单个检测器能在所有频率测量。为改进的噪声抑制能直接电调制超发光的发光二极光或激光二极管光源。这些较高功率和亮度光源提供极好的光纤光发射效率并允许传感器以快得多的速率在被监测的纸上方被扫描。

Description

用于测量移动片状产品中的选择成分的传感器和方法
技术领域
本发明一般涉及用于测量纸和其他片状产品中的如湿气这样的具体成分的存在和浓度的高速长寿命传感器和方法。该技术使用一种装置，这种装置从特定波长频带内的超发光的发光二极管(SLED)或激光二极管(LD)把红外辐射引向移动材料片，并且监测从材料出射的辐射。
背景技术
纸在连续造纸机上的生产中，纸页从纤维的水悬浮液(原浆)形成在行进的筛网造纸织物上，而水靠重力和经织物的吸收排出。然后，纸页被输送到压榨部分，在那里更多的水靠压榨和真空被排出。纸页接着进入烘干机部分，在那里蒸汽加热的烘干机和热空气完成烘干过程。造纸机本质上是个水排出系统。造纸机的典型形成部分包括循环行进造纸织物或线。造纸织物或线在一系列水排出构件上方行进，这些构件如辊、箔、真空箔和吸箱。原浆被运载在造纸织物的上表面上，随着原浆行进在接连的脱水构件上方行进被脱水，形成纸张。最后，湿片被传输到造纸机的压榨部分，在那里水被排出形成纸张。例如在“Handbook for Pulp& Paper Technologists(纸浆和纸工艺手册)”第二版，G.A.Smook，1992年，Angus Wilde出版公司和“Pulp and Paper Manufacture(纸浆和纸制造)”Vol.III(造纸和纸板制造)，R.MacDonald，1970年版，McGraw Hill中，描述了本专业中熟知的造纸设备。例如在授权给He的美国专利No.5539634、授权给Hu的美国专利No.5022966、授权给Balakrishnan的美国专利No.4982334、授权给Boissevain等人的美国专利No.4786817和授权给Anderson等人的美国专利No.4767935中，进一步描述了片状材制造系统。许多因素影响水以其排出的速率，这个速率最终影响所造纸的质量。
在现代高速造纸的专业中，众所周知，连续不断地测量纸材料的某些性质以便监测最后产品的质量。这些在线测量通常包括基重、水分含量和片卡尺即厚度。这些测量能用于在制造过程中控制具有保持产出质量目的的过程变量，和使由于干扰必须丢弃的产品数量最小。在线片材性质测量通常通过扫描传感器完成。该传感器周期地从边缘到边缘横过片状材料。例如，高速扫描传感器可以以如20秒那样短的周期完成一次扫描，在约10毫秒间隔从传感器读测量。一系列的固定传感器也能用于进行类似在线测量。
传统的是，在片状材料离开主烘干机部分时或者在捡拾滚筒应用扫描传感器时测量片状材料的含水量。这样的测量可以用于朝着达到要求参数调整机器的运行。一个用于测量含水量的技术是利用水在红外(IR)范围的吸收光谱。用于该目的的监测或测量设备普遍在使用中。这样的设备传统上不是使用固定量具就是使用安装在扫描头上的量具。按各个机器需要，安装在扫描头上的量具在从烘干机部分的出口处和/或在进到捡拾滚筒时横跨纸页重复扫描。这些量具一般使用如石英钨卤素(QTH)灯这样的宽带红外源和一个或几个检测器，检测器对于由例如干涉型滤光器的窄带滤光器选择的感兴趣波长。所使用的量具分成两个主要类型：透射型和散射型(一般称为“反射”型)，在透射型中，源和检测器在纸页的相对侧，扫描量具时横过纸页锁定地扫描；在散射型中，源和检测器在纸页的一侧的单个头中，检测器响应源辐射从纸页散射的数量。
虽然在较良好的干燥端环境中安置IR水分量具是最普遍的，同样的量具也应用在造纸机的湿端。湿端水分量具一般放置在压榨部分的端部或烘干机部分的开始端。对于纸机的压榨和形成部分的诊断或对于为进入到烘干机部分而“凝固”纸页，在这些位置的量具是有用的。
当前的IR湿度传感器的速度受机械调制源光的要求限制。为了检测纸中水分，传感器一般利用具有在1.9μm(测量)和1.8μm(参考)的波长的光。目前，在这些波长的足够大功率的可靠和经济的光源只是用QTH灯才可实现的，QTH灯用机械方法可调制到高达10000Hz，但实际上调制在小于1kHz。机械调制限制到这些较低频率，因为增加调制频率要求减少孔径，因此不是限制功率就是限制调制深度。而且，为获得可允许的调制上的颤动所需要的机械公差要求成为不可实现的。这些源也呈现有限的输出亮度(每单位立体角每单位面积功率)和一般具有只几千小时的寿命。这些热光源的有限亮度造成很差的到光纤中的耦合效率，也限制小抽样面积的准确测量。迄今，所有已知的用于纸和平片状产品的IR湿度传感器都使用QTH灯作为光源。对于QTH灯使用的实际机械调制频率限制传感器带宽到约100到500Hz。
发明内容
本发明部分地是以非常高速的小型长寿命传感器的研制为基础，这种传感器特别适于测量在造纸设备中移动的含纸片状物中的如湿气这样的成分。该传感器应用只产生规定的感兴趣波长范围的内的辐射的光源，利用非机械技术以高的频率调制该光源。与每个传感器至少使用两个光检测器的传统传感器相比较，本发明传感器只需要单个检测器，在这个检测器那里，以不同的频率调制光谱通道中的每一个，由此保持它们的信息分离。由于该传感器不需要在其中具有所有必需波长的光源即宽带光源，无需如在传统湿度传感器中的带通滤光片。除了消除对具有它们自己的单独滤光片的两个检测器的需要，也能消除电子部件中的多重复。例如，只需要一个互阻抗前置放大器。使用典型传感器的单个检测器和在参考和测量波长通道之间的共用电路也极大地有助于在通道中的某些噪声影响的共模抑制。例如，在使用分离的检测器时，在检测器之间的温差漂移可能产生传感器误差，但在只使用一个检测器部件(和共用电路)时，该影响的一部分被消除。
在一个实施例中，本发明以一种传感器为目标，这种传感器用于测量合成物中至少一个选择的成分。这种传感器包括：
至少一个光源，产生具有所期望波长范围的光以检测合成物中一种成分，其中至少一个光源配置成把光引向合成物；
用于调制至少一个光源的驱动装置，但是该驱动装置不机械调制这至少一个的光源；以及
用于接收从合成物出射的光的检测装置。
在另一个实施例中，本发明以一种设备为目标，这种设备用于测量合成物中至少一个选择的成分。这种传感器包括：
至少一个光源，产生具有所期望波长范围的光以检测合成物中一个成分，其中至少一个光源配置成把光传输到合成物上的多个位置；
用于调制至少一个光源的驱动装置，但是该驱动装置不机械调制这至少一个的光源；以及
用于接收在多个位置从合成物出射的光的检测装置。
在再一个实施例中，本发明以一种方法为目标，这种方法用于传感合成物中的一种物质。这种方法包括步骤：
(a)用包括在至少第一和第二单独波长范围中的波长的辐射照射合成物，其中辐射由非机械地调制的光源提供，在第一波长范围中的辐射对合成物中的物质是强烈敏感的，而在第二波长范围中的辐射对合成物中的物质是不太敏感的；
(b)检测在第一和第二单独的波长范围中的从合成物出射的辐射数量。
在一个优选实施例中，应用的光源是在其中电调制驱动电流的SLED。替换地，能应用外部电光或声光调制器来调制光源。有若干调制光源的原因：(1)和用于信噪比改善以及消除背景信号的锁定检测一起使用和(2)在使用多于一个的源时，例如通过频分多路复用，通过调制在不同频率的每个通道在源通道之间进行识别。SLED或LD源的高空间模质量允许有效使用在单模光纤光学器件中的这些类型的调制，在如QTH灯这样的低亮度热源的情况下，这是不可能的，在那里单模光纤耦合实际上是不可能的。
SLED源产生比用在传统湿度传感器中使用的例如宽度源的热源在湿度带宽中多100倍的功率和在湿度带宽中500000倍亮度。对于本发明传感器应用的光源的较高功率和亮度使传感器允许传感器可以在在被监测的例如纸的产品上方非常快地被扫描和可以达到高的空间分辨率。与SLED和LD光源附带的较高功率和亮度水平有关的另外益处是它们极好的光纤光发射效率。这些固态源同单模光纤和传统上在电信工业上使用的其他部件是可配合的，所以同单模光纤和相关部件一起使用固态光源的能力提供不能用如QTH灯这样的热光源实现的较低成本和较高效率的传感器系统。
红外光谱学是用于含水量测量的优选技术，一个方法是应用具有在预定的感兴趣吸收和参考波长发射IR辐射的SLED的传感器。虽然认为任何高功率、可靠的或稳定的SLED或LD源在1.9到2.0μm辐射范围当前是市场上购买不到的，但另一个水敏感吸收峰的确存在在1.4到1.5μm波长范围。尽管这个吸收峰对水分不太敏感，但有一些在这些波长可得到的合适的高功率和高速度SLED和可调谐LD光源。能容易地把这些光源从直流(DC)或连续波(CW)电平调制到高达GHz速率，这个速率与它们的高功率输出结合使传感器能够是更准确和工作在很高的带宽。以这些高得多的速率调制的能力允许锁定检测的输出滤波级中的较好的噪声抑制。
对于利用1.4到1.5μm水吸收频带有优于使用1.9到2.0μm水吸收频带的另一些优点。这些优点包括较低的光纤内损耗和较高的光电二极管光检测器的性能。例如，典型的InGaAs光电二极管的噪声等效功率(NEP)在1.5μm波长优于在1.9μm波长一个数量级。还有，带有内部增益的固态检测器即雪崩光二极管(APD)在1.5μm波长是容易获得的，但在1.9μm波长是得不到的。此外，可以应用具有非常高的数值孔径的硬包层石英(HCS)多模光纤，它们减少测量的光纤弯曲损耗灵敏度。HCS光纤也是比较廉价的。另外，本发明光源的增加亮度允许使用不太昂贵的较小核光纤。在经受小的弯曲时，这些光纤比较大核光纤可靠的多。
SLED或LD光源的典型寿命大约是20年，而QTH灯却有4000小时典型寿命。利用本发明，也消除了与QTH灯有关的机械马达和斩波器，由此减少了成本和复杂性以及增加了基于QTH灯的系统的可靠性。特别是，对于这样系统，单独的传感器一般为用于锁定检测电子部件的定相信号所需要。这允许用遮光器电或机械地关掉光源，以便阻断来自QTH灯的光，但电子部件继续运转。这个作用为背景光电平读出所需要或者使锁定电子部件以很低的光电平工作。在本发明的SLED或LD源的情况下，消除了这个额外的部件和有关的复杂性。
附图说明
图1和3是本发明的传感器设备的两个实施例的示意图；
图2说明光头；
图4说明结合本发明传感器的造纸系统；
图5是水重量对读数的曲线图；
图6是对于图5所示数据的作为积分时间函数的(基重)2σ百分比误差；
图7是水重量对读数的曲线图；以及
图8是对于图7所示数据的作为积分时间函数的(基重)2σ百分比误差。
具体实施方式
本发明涉及一种检测成分，特别是呈薄膜、页或薄片状的材料的性质的传感器系统。虽然就测量纸中水分来说明该传感器，但要理解到，能应用该传感器检测许多不同材料中的各种成分。这些材料包括，例如，涂层材料、塑料、纤维等等。
图1是一种高速湿度传感器的原理图，它特别适于测量移动的纸张中的水分。该系统包括：(i)测量(或者吸收)波长光源控制器42，它调制测量(或吸收)光源16并控制其温度；以及(ii)参考波长光源控制器40，它调制参考光源14并控制其温度。这些光源最好具有内置温度控制装置，例如珀尔帖冷却器。电源41连接到控制器40和42。光源14和16由单模光纤定向耦合器22耦合到多模渐变折射率光纤23和24。多模渐变折射率光纤23和24分别连接到多模阶跃折射率(step index)光纤26和27的远端，该多模阶跃折射率光纤26和27又在其近端连接到探头或者光头28。
被监测的如纸这样的移动材料片30最好安置在光头28附近，以致光31能从光头28引向片30。一些反射光33由光头28收集。光头28也连接到多模光纤32，多模光纤32把反射光从光头28传递到最好是PINInGaAs光电二极管的检测器34。在这种方式下，多模光纤26提供源光束，而多模光纤32提供检测光束。该系统还包括互阻抗前置放大器36、参考波长锁定放大器20和测量波长锁定放大器18。计算机19用来进行数据信号分析。互阻抗前置放大器36用来把来自PIN光电二极管34的光感应电流转换成用于到锁定放大器18、20的输入的电压信号。在一些情况下，互阻抗前置放大器可以是锁定放大器的组成部分。参考波长放大器20和测量波长锁定放大器18，通过同时放大调制信号、把其转换成比例直流电平信号以及经低通滤波器传递结果信号来抑制未调制的背景噪声，从背景提取低电平调制信号。该输出低通滤波器具有最好比调制频率的截止频率至少低2到3倍的截止频率，一般是至少比调制频率低10倍。低通输出滤波器和调制频率之间的频率差越大，锁定检测的噪声性能越好。比较起来，在有限的1kHz QTH灯源调制的情况下，锁定性能极其受限制，在本发明的情况下就不是这样，本发明应用SLED或LD源的高频调制能力。出自锁定放大器18、20的内部振荡器的波形用作对调制的光源14、16的光输出的用于光源控制器42、40的参考波形。
从参考光源14和测量光源16的光能够通过多路复用技术方便地被管理和经共用光纤23和24传输。一种优选技术是频分多路复用(FDM)。合适的多路复用器和去多路复用器能应用在光纤23和24的远端处和近端处。为执行FDM，控制器40和42分别以不同频率调制测量光源14和参考光源16。执行多路复用的益处在于，由于每个光源以不同频率被调制，为检测两个波长只需要一个单独的检测器34和前置放大器36。
传感器系统最好应用于通过扫描生产期间移动的纸张上方的设备来监测纸质量。光头28会沿相对移动纸张的交叉方向连续前后移动。光头38中的部件数目保持到最小，以便包含实质头部光学元件(head-essential optical element)，这些实质头部光学元件为光到纸张和从纸张的传递和收集所需要。检测系统的光源和如信号处理器部件和光纤耦合器这样的其他装置位于较良好环境，这种环境处于远离通常与纸张制造过程有关的腐蚀环境的位置。因此，远距离的处理器隔室离开在纸张上方前后行进的光头。光头的重量优选小于一千克，更优选小于200克。在这种情况下，光纤23、24、26、27和32可以是同光头28串联移动的电缆卷取机构的一部分。电缆卷取机构的用途是当光头38在被移动时操纵光纤以及保留全部弯曲的长度和半径。
图1上所说明的传感器系统是以反射模式工作。在这个模式下，它测量从在被监测的纸张反射的辐射。替换地，该传感器系统能够很容易地被修改以便测量经纸张30透射的辐射强度。在这个透射模式下，系统能应用一个检测器29，这个检测器安置在纸张30的反面，检测通过纸张30的辐射。检测器29的光学部件系统连接到光纤32。在任一情况下，通过检测在测量即吸收时从纸张30出射即反射或者透射的光以及参考频带波长，都能够确定纸张30中的湿气数量。
在应用本传感器系统检测含水量时，一个解决方法是，预先确定感兴趣的吸收和反射IR波长以及应用传感器提供所需波长内的不变的、可靠的能量流以获得适当的水重量测量。具体说，水吸收作为波长函数的跨越红外光谱的辐射。纸张中的含水量越高，将从纸张出射的在或接近水吸收峰的辐射越小。一个水敏感吸收峰存在于1.9到2.0μm辐射范围，而另一个水敏感吸收峰存在于大约1.4到1.5μm辐射范围。
利用吸收和参考IR频带波长，该传感器能同时测量从纸张出射即反射或透射的辐射。事实上，在吸收IR频带波长的吸收测量主要对纸张中水数量敏感。纸张干燥时，测量到较多的IR辐射；纸张潮湿时，测量到较少的红外辐射。相反地，对于参考测量，辐射处于有较少水分吸收的IR频带波长。在这个频带损失的光是由于从纸张中的非与水有关的损耗。这些损耗主要是由于从纸张中的散射以及纸张的非与水有关的衰减因素。参考测量校正来自纸张中的非与水有关的损耗。在本系统中，参考波长也能校正与水分无关的其他共用模式光损耗，例如光纤中的弯曲损耗。这是有可能的，因为测量和参考波长两者都受光纤定向耦合22之后的同一光纤弯曲影响。注意到，具有这样的参考波长是有利的，这个参考波长接近测量波长而又保留在水吸收频带之外。
如图2所示，一个合适的光头28包括同耦合器104和106一起的一个主体102，耦合器104和106合并成像透镜，分别用于连接传递源光束的光纤112和传递检测器光束的光纤114。光头可以任选地包括保护它避免环境影响的外壳。从光纤112传递的光116从旋转反射镜108反射到在被扫描的材料片上。可以应用适当的聚焦透镜(未示出)。从片散射的光从反射镜110反射到检测器束光纤114中。可以制作反射镜108和110的外形，使得能把光成像到上面，然后从相对在扫描的移动片的适当取向捕获。在这种情况下，可以省略聚焦透镜(未示出)。反射镜的反射表面可以包括金、银、铝、电介质或其他合适的反射材料层。
如图1所示，测量和参考光源40、42各个都提供测量所需要的波长内的恒定能量流，而且，没有如斩波器、遮光器、音叉等这样的装置也能幅度调制从各个光源的能量流。这些装置通过物理中断从光源的辐射流来“机械调制”光源。在本发明的情况下，光源易受非机械调制，例如通过直接调制连接到光源的驱动电流。其他典型调制技术应用如安置在光源的光束通路中的克尔盒和泡克尔斯盒这样的电光调制器或者如声光可调谐滤光器这样的声光器件。这些光纤内型调制器一般用于高速电信系统中。本发明的光源能有效地耦合到单模光纤中。一般地，以比1000Hz高的速率调制该光源，最好以最低5kHz的速率，更最好以到至少20kHz至1MHz和更高的速率。优选的光源装置是工作在相对高的功率并具有相对宽的频谱宽度的发光二极管，称为超发光的发光二极管(SLED)。SLED源与传统LED源区别在于，前者具有极其小的发光区发散产物，即允许它们有效地发射到单模光纤中的高亮度。具有典型地为20年长寿命的SLED能直接通过驱动电流以高频调制。SLED也能用以GHz频率调制的外部光纤调制器。
产生0.7到1.6μm波长范围光的SLED是市场上可购到的，光一般具有50μm量级的FWHM(半最大值的全宽度)线宽。因为SLED产生极其高亮度的光，它们一般能传递2-45mW的功率到单模光纤中。关于用于测量纸中湿度的测量光源，当前可利用的SLED源只工作在较小的敏感1.4到1.5μm波长频带，而不在1.9μm。关于参考光源，可以应用工作在0.83、0.93、1.3或1.55μm的市场可购SLED。在任一情况下，无需干涉滤光片，也就是说，这些传感器只能利用测量和参考SLED光源的自然线宽。同应用从宽带光源的光的现有装置比较，在这种方式下，非常多的经光纤传输的能量用于检测。如前述，和1.9到2.0μm水吸收频带相比，存在利用1.4到1.5μm水吸收频带有关的另一些优点，包括改进的性能和较低的成本。另外，能使用数值孔径HCS多模光纤。
用于本发明传感器的另一种光源是激光二极管。为了传感纸中湿度，可调谐激光源是优选的，因为水吸收峰是温度的函数，当在监测的纸的温度波动时，可调谐激光二极管使传感器能够跟随该吸收峰。例如，1.9μm吸收峰对温度的灵敏度大约是0.3nm/℃。已测量到不太敏感的1.4μm吸收峰具有0.47nm/℃的较大温度灵敏度。基于二极管泵送Nd：YAG激光器泵送和光参数振荡器(OPO)的在1.9μm波长范围的固态可调谐激光源是市场可购的，然而由于经济的或环境灵敏度的缘故，这些类型的源不太是优选的。产生在1.4到1.5μm波长范围的辐射的可调谐激光二极管可从例如New Focus(San Jose，CA)得到。
在作为本发明传感器中的光源应用时，除了在可调谐的激光二极管的情况下应该考虑到温度有关的波长漂移外，固定的和可调谐的激光二极管源呈现许多与SLED源有关的同样优点。能很容易地使该传感器最优化以对在其中工作的环境中的改变的动态特性进行调整。例如，已知对于纸中水分的吸收或者传感中心波长典型地是1.93μm，而参考波长在典型环境条件下典型地是1.84μm，但吸收波长是温度有关的。
除了测量含水量，还能监测片状材料的其他物理特性。例如，能检测如纤维素这样的纤维、橡胶浆、例如CaCO3和粘土的矿物等等。在每个情况下，需要选择适当的辐射范围，例如测量和参考IR带宽。在授权给Chase的美国专利No.5013403、授权给Chase等人的美国专利No.5235192和授权给Belotserkovsky等人的美国专利No.5795394中，进一步描述了由纸和包纸产品中不同成分的IR吸收。这些专利在这里引入作为参考。
本发明传感器系统还能用于测量在连续的塑料生产过程中形成的膜中聚合物。例如，能同用于塑料膜的连续生产的专业中已知的任何适当设备一起应用传感器系统。例如，在授权给Kirjavainen的美国专利No.6793854、授权给Krycki的美国专利No.6565343、授权给Hirokawa等人的美国专利No.5230923、授权给Reinke等人的的美国专利No.4797246、和美国专利No.4311658中，进一步描述了代表性的机器，这些专利在这里引入作为参考。本传感器能按要求安置沿生产线的任何地方。
本传感器的优选应用是通过测量形成膜的具体聚合物的浓度(每单位面积重量，一般以每平方米克，gsm，为单位来测量)监测膜厚度。在膜由单层的一种聚合物组成的情况下，放置传感器引导辐射，例如适当带宽的IR辐射，测量该聚合物。在塑料是包含两种或更多种不同聚合物的合成物的单层或者塑料是多层膜的情况下，可以应用多个传感器或者可以应用具有多路复用配置的传感器来检测各种聚合物成分。多层膜一般包括层叠在一起的多个层。优选的，在多层结构中，相邻层由不同的聚合物材料组成。通过应用具有不同物理性质的不同聚合物，多层膜可以具有不在单层膜出现的物理属性组合。例如，多层膜可以是耐潮湿的、耐磨损的，可是仍然是柔韧的。本发明的传感器在控制多层膜生产保证膜中每层具有适当厚度或重量(gsm)方面尤其有效，以致多层膜具有适当的性质组合。
高速湿度传感器系统也能应用于沿造纸机的横向方向、机器方向或这两个方向测量水分。如上所述，图1上描绘的光头28能横过移动的纸张扫描。为测量机器方向(MD)上的水分，较可取的是，在不同MD位置，但在相同的相对造纸机边缘的横向方向(CD)位置基本上一前一后地配置多个传感器。在这个方式下，产生水分MD分布。如是明显的，可以应用一些单独的传感器系统，每个具有至少两个SLED、单独的产生测量和参考波长的控制器。
替换地，如图3上所说明，可以应用这样的传感器系统，它只需要两个例如SLED的光源和相应的测量和参考波长光源控制器，但具有多个光头。如所示，该传感器系统包括参考波长光源控制器50和测量(或吸收)波长光源控制器52以及从1到12标记的12个湿度传感器。如是明显的，该传感器系统可以有或多或少的传感器。传感器1包括前置放大器138、锁定放大器134和136以及输入口139。其它11个传感器的每一个都优选有相同的配置。控制器50和52能控制安装在光纤和光电隔室54中的两个相应SLED源51和53的温度和驱动电流。从两个SLED(参考和测量)的光由单模光纤定向耦合器55耦合到单模光纤57，该单模光纤57又被分束器59分束并且连接到12个光输出口，分别如121和132所示的第一个和最后一个。
在这种方式下，输出口可以访问来自参考和测量SLED的光的一部分。在位于隔室54里的输出口中的每一个上都是可同时获得光的。从每个输出口的光都是用于单独的湿度传感器或光头的源束。例如，传感器12具有与其相关的输出口132和光头56。光经多模光纤引入线58传递到光头56。可替换地，能够用单模光纤代替多模光纤用作这个源引入线58。利用透镜和/或反射镜，光头56从引入线58把光141成像到纸张60上。从纸张60散射的光143利用另一个透镜和/或反射镜捕获并成像到接收光纤74中。这个接收的光然后经输入口140传递到解调电子部件，该解调电子部件包括如图所示的传感器12的具有光电二极管的接收口和前置放大器以及锁定放大器。从两个锁定放大器的解调输出然后被处理，以便获得如由传感器12测量的纸张中的水分含量。
本发明传感器可以用于测量在造纸系统中的含水混合物物(称为湿原浆)的物理特性。图4表示用于生产连续纸材料张94的典型造纸系统，该系统包括压头箱92、蒸汽箱88、压延栈(calendaring stack)90、捡拾滚筒78和包括本发明传感器的扫描器系统80。在压头箱92中布置传动装置控制湿原浆泄放到沿交叉方向支承线或网96上。形成在线96上部的纤维材料片上被拖拉，在滚94和98之间在机器方向上行进，再通过压延栈90。压延栈90包括控制横跨纸页施加的压榨压力的传动装置。造纸系统包括一个压榨部分(未示出)，其中使水机械地从片中排出，固结纸页。之后，通过在烘干机部分(未示出)蒸发来排出水。在滚筒78上收集最终的纸产品94。实际上，造纸过程的接近压头箱部分称作“湿端”，而造纸过程的接近捡拾滚筒部分称作“干端”。
扫描系统80一般包括多对水平延伸的导轨84，它们跨越纸产品94的宽度。导轨由直立的支柱82在其相对端支承，并按足以允许纸产品94在导轨之间行进的间距的距离垂直地间隔开。传感器固定到滑架86上，当进行测量时，滑架86在纸产品94上前后移动。在授权给Dahlquist的美国专利No.4879471、授权给Dahlquist等人的美国专利No.5094535和授权给Dahlquist的美国专利No.5166748中，披露了用于造纸生产的在线扫描传感器系统，所有这些专利在这里引入作为参考。
如图3上所说明的传感器系统特别适用于在造纸过程中在多位置在机器方向上测量水分含量。例如沿网上方的机器方向能应用该系统的12个传感器使造纸机最佳以产生与对于特级纸的“理想的”分布比较的网上的纸材料的连续水分分布。根据偏离理想的程度，可以相应地调整湿端和/或干端的参数。在授权给Hagart-Alexander的美国专利No.6092003中描述了适当的控制过程，这个专利在这里引入作为参考。虽然能控制干端参数，例如加热装置的温度，得到要求的最终产品，但一般地湿端参数更重要。例如，在授权给MacHattie等人的美国专利No.6805899、授权给Heaven等人的美国专利No.6466839、授权给Hu等人的美国专利No.6149770、授权给Hagart-Alexander等人的的美国专利No.6092003、授权给Heaven等人的美国专利No.6080278、授权给Hu等人的美国专利No.6059931授权给Hu等人的美国专利No.6853543和授权给He的美国专利No.5892679中，进一步描述了用于造纸机的技术，这些专利在这里引入作为参考。
光谱测定扫描系统被进一步描述，例如，授权给Belotservsky等人的美国专利No.5795394披露了扫描反射型红外镀膜传感器，授权给Preston等人的美国专利No.6404502披露了反射型光泽传感器，两个专利在这里引入作为参考。在授权给Dahlquist的美国专利No.4879471、授权给Dahlquist等人的美国专利No.5094535和授权给Dahlquist的美国专利No.5166748中，披露了用于在造纸生产期间光测量纤维片的干组分重量、组分重量和水含量的在线扫描传感器系统，所有这些专利在这里引入作为参考。
利用出自SuperLumDiodes有限公司(莫斯科，俄罗斯)的两个SLED构制了如图1和2所示配置的高速湿度测量传感器。具有分别约1310nm和50nm的标称中心波长和FWHM(半最大值的全宽度)的SLED用作参考光源；具有分别约1480nm和50nm的标称中心波长和FWHM(半最大值的全宽度)的SLED用作测量参考光源。之所以选择这些波长是因为高功率SLED源在这些波长上是市场上可购的，并且方便地在测量SLED的1480nm标称中心波长的带宽内有水吸收峰。出自ILX Lightwave公司(Bozeman，MT)的两个型号LCD-3724B激光二极管控制器用于既控制两个SLED的驱动电流又控制两个SLED的温度。正弦调制从出自SignalRecovery of Advanced Measurement Technology公司(Oak Ridge，TN)的两个数字信号处理锁定放大器中的内部振荡器经二极管控制器上的外部调制输入端施加到每个SLED上。在一个例子中，分别以48kHz和24.78kHz调制参考和测量SLED，然而有许多不同的可用调制频率组合。利用3dB单模光纤光定向耦合器组合来自两个SLED的光。定向耦合器的两个输出臂则耦合到多模光纤中。这些源传递光纤在光头处终结，从多模光纤的输出光则成像在测试中的纸上。
从纸散射的光的一部分由透镜捕获并耦合到与传递光纤相同类型的多模接收光纤中。要注意到，接收光纤不必是与源光纤相同类型的。从接收光纤输出端的光耦合到InGaAs PIN光电二极管(OSI Fibercomm公司(Hawthorne，CA))上。从光电二极管的输出然后被馈送到互阻抗前置放大器，该互阻抗前置放大器的输出被馈送到锁定放大器，该锁定放大器解调参考和测量信号。从锁定放大器的两个电压经抑制噪声的低通电子滤波器馈送到计算机供分析。
为了表示其性能特征，传感器用在了一种重复测试中。这种测试是，当抽样在烘干时候测量在不同水分含量的新闻纸抽样。由于这是动态抽样，所以进行了许多次重复测试以便覆盖从约100gsm水重量(67％水分)到约8gsm水重量(14％水分)的范围。新闻纸具有49.05gsm的干重量含水量。在环境温度下进行测量，并且利用出自National Instruments(Astin，TX)的LABVIEW软件用微处理器完成计算。在本发明传感器的情况下，非常快的积分时间，例如亚微秒积分时间是有可能的。图7和8表示对于具有12500Hz带宽(80微秒)的传感器的数据。作为比较，对于利用用工作在例如640Hz的斩波器机械调制的QTH光源的现有技术传感器，最小积分时间约为10毫秒(100Hz)。
在第一组测试中，对传感器的锁定时间常数是640微秒，而参考和测量调制频率分别是48kHz和24.78kHz。数据采集(或采样)速率是2kHz，而最小积分时间是500微秒。在这个实验中，当烘干纸时，纸的水含量被测量。在这期间，含水量从100.65降低到9.25gsm。图5表示作为读数(与时间相当)函数的8个单独数据组的水重量读数(标记A到H的)。图6表示作为积分时间函数的2σ重复性结果。从图6可以看到，对于1毫秒积分时间，约60％水分抽样的2σ重复性约为0.095％(或0.12gsm的水重量)。
在第二组测试中，对传感器的锁定时间常数是80微秒，而参考和测量调制频率分别是219081.10Hz和175500.00Hz。数据采集速率是50kHz，而积分时间是25微秒。在这个实验中，当纸被烘干从100.65到3.44gsm时，纸的水含量被测量。图7表示作为读数(或时间)函数的7个单独数据组的水重量读数(标记A到G的)。图8表示约1.2％(对于约60％水分)的2σ重复性，而在1毫秒的积分时间我们有约0.2％的2σ重复性(对于约60％水分)。
虽然对于80微秒时间常数的2σ结果差于640微秒时间常数的结果，但系统具有8倍高的带宽，因而能较快地响应水分变化。这意味着能较快地扫描传感器。应该从重复性曲线注意到，对数-对数曲线不是线性的，原因是按着频分多路复用光源，由于参考和测量源调制频率的混合和它们的谐波，电子噪声自然不再是随机白噪声并具有有限的频谱容量。
应该注意到，比这些实验中存在的传感器带宽高得多的传感器带宽是有可能的。所应用的带宽是用于实验中的个别设备的限制，而不是用来限制本发明的范围。
上文描述了本发明的原理、优选实施例和工作模式。然而，本发明不应该被解释为受限于所述的一些具体实施例。相反，上述实施例应该被看作是说明性的，而不是限制性的，而且应该意识到，不偏离如附属的权利要求书所限定的本发明范围，可以由本领域的技术人员做出一些变更。

Claims (31)

1.一种用于测量合成物中的至少一个选择成分的传感器，它包括：
至少一个光源，其产生具有所期望波长范围的光以检测该合成物中的一种成分，其中该至少一个光源将该光引向该合成物；
用于调制该至少一个光源的驱动装置，但是该驱动装置不机械调制该至少一个的光源；以及
检测装置，用于接收从该合成物出射的光。
2.权利要求1的传感器，其中至少一个光源包括超发光的发光二极管或激光二极管。
3.权利要求1的传感器，其中用于调制至少一个光源的驱动装置直接调制该至少一个光源的驱动电流。
4.权利要求1的传感器，其中用于调制至少一个光源的驱动装置使用一个或多个外部电光调制器。
5.权利要求1的传感器，其中用于调制至少一个光源的驱动装置使用一个或多个外部声光调制器。
6.权利要求1的传感器，其中用于调制至少一个光源的驱动装置以至少5kHz的速率进行调制。
7.权利要求1的传感器，其中至少一个光源包括发光器件，其包括超发光的发光二极管或激光二极管，该发光器件耦合到光纤以使得从该发光器件出来的光经过该光纤传输。
8.权利要求7的传感器，包括耦合到光纤并且将光引向合成物的光学器件。
9.权利要求8的传感器，其中光学器件被配置成接收从合成物出射的光。
10.权利要求1的传感器，其中用于接收光的检测装置产生与接收的光的强度成正比的信号，并且其中该传感器还包括用于从这些信号过滤噪声的装置。
11.权利要求10的传感器，其中用于过滤噪声的装置包括锁定放大器，其放大调制信号和在用低通滤波器同时抑制噪声的同时把调制信号转换至成比例的直流电平信号。
12.权利要求11的传感器，其中锁定放大器消除背景噪声。
13.权利要求1的传感器，其中用滤光器过滤光不需要产生具有所期望波长范围的光。
14.一种用于测量合成物中的至少一个选择成分的传感器，它包括：
第一光源，其产生具有对所述成分敏感的第一波长区域的第一光；
用于调制该第一光源的第一驱动装置，，但是该第一驱动装置不机械调制该第一光源；
第二光源，其产生具有对所述成分有不同灵敏度的第二波长区域的第二光；
用于调制该第二光源的第二驱动装置，但是该第二驱动装置不机械调制该第二光源。
15.权利要求14的传感器，其中用于调制第一光源的第一驱动装置以第一频率调制该第一光源以产生第一调制光信号，用于调制第二光源的第二驱动装置以第二频率调制该第二光源以产生第二调制光信号，其中第一频率与第二频率不同。
16.权利要求15的传感器，其中第一调制光信号与第二调制光信号一起被多路复用以便经过一条光纤传送。
17.权利要求16的传感器，其中频分多路复用被应用到多路复用的第一和第二调制光信号。
18.权利要求15的传感器，其中用于接收光的检测装置包括单个检测器和单个前置放大器，该前置放大器检测具有第一频率和第二频率的光。
19.权利要求14的传感器，其中(i)第一光源包括第一发光器件，其包括超发光的发光二极管或激光二极管，该第一发光器件耦合到光纤以使得从该第一发光器件出来的光经过该光纤传输；(ii)第二光源包括第二发光器件，其包括超发光的发光二极管或激光二极管，该第二发光器件耦合到光纤以使得从该第二发光器件出来的光经过该光纤传输。
20.一种用于测量合成物中的至少一个选择成分的设备，它包括：
至少一个光源，其产生具有所期望波长范围的光以检测该合成物中的一种成分，其中该至少一个光源被传递到该合成物上的多个位置；
用于调制该至少一个光源的驱动装置，但是该驱动装置不机械调制该至少一个的光源；以及
多个检测装置，用于接收从该合成物在多个位置上出射的光。
21.权利要求20的设备，包括：
第一光源，其产生具有对所述成分敏感的第一波长区域的第一光；
用于调制该第一光源的第一驱动装置但是该第一驱动装置不机械调制该第一光源；
第二光源，其产生具有对所述成分有不同灵敏度的第二波长区域的第二光；
用于调制该第二光源的第二驱动装置，但是该第二驱动装置不机械调制该第二光源。
22.权利要求21的设备，其中用于调制第一光源的第一驱动装置以第一频率调制该第一光源以产生第一调制光信号，用于调制第二光源的第二驱动装置以第二频率调制该第二光源以产生第二调制光信号，其中第一频率与第二频率不同。
23.权利要求22的设备，其中第一调制光信号与第二调制光信号一起被多路复用以便经过一条光纤传送。
24.权利要求23的设备，其中频分多路复用被应用到多路复用的第一和第二调制光信号。
25.一种用于感测合成物中的一种物质的方法，该方法包括步骤：
(a)使用包括在至少第一和第二单独波长区域的波长的辐射来照射该合成物，其中该辐射由非机械调制的光源提供，其中在第一波长区域的辐射对该合成物中的物质是强烈敏感的，在第二波长区域的辐射对该合成物中的物质是不太敏感的；
(b)检测从合成物出射的在第一和第二单独波长区域中的辐射量。
26.权利要求25的方法，其中步骤(a)包括用以第一频率调制的第一调制光信号和以第二频率调制的第二调制光信号照射该合成物，该第二频率与第一频率不同。
27.权利要求26的方法，其中第一调制光信号与第二调制光信号一起被多路复用以便经过一条光纤传输并且和被引向该合成物。
28.权利要求27的方法，其中频分多路复用被应用到多路复用的第一和第二调制光信号。
29.权利要求25的方法，还包括根据在第一和第二波长区域的辐射的检测数量来计算合成物中的物质的数量。
30.权利要求25的方法，其中该合成物是包括纸或塑料的平片状产品。
31.权利要求25的方法，其中计算纸中水的含量。
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