CN102483352B - 利用宽带源的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
光纤传感器采用高亮度光源诸如光纤超连续谱源、多路复用超辐射发光二极管或者宽带可调谐激光二极管。光经由光纤被递送到测量位置并且传感器光学器件将红外辐射导引到位于不利的环境中的、正被监视的材料上。分散元件位于探测束路中从而分离波长并且执行光谱分析。从片材出现的辐射的光谱分析给出关于材料的多个参数的信息。对于造纸应用，能够获得在纸张中的湿度水平、温度和纤维素含量。
Description
技术领域
本发明一般地涉及用于控制连续片材制造系统的系统，并且更加具体地涉及用于同时地测量多个参数诸如在纸张中的湿度水平、温度和纤维素含量和在塑料中的特殊聚合物的浓度的传感器和方法。该项技术采用被耦接到光学传感器的高亮度光源诸如光纤超连续谱源、多路复用超辐射发光二极管（SLED）或者宽带可调谐激光二极管，该光学传感器在正被监视的材料之上扫描。
背景技术
在于连续造纸机器上造纸时，从在行进中的网状造纸织物上的纤维的水悬浮液（原料）形成纸幅（web of paper），并且水通过重力和抽吸而通过织物排出。纸幅然后被转移到挤压部，在此处利用压力和真空将更多的水移除。纸幅接着进入干燥器部，在此处利用蒸汽加热的干燥器和热空气完成干燥过程。纸机本质上是一种水移除系统。造纸机器的、典型的形成部包括在一系列水移除元件诸如案辊、箔片、真空箔片和吸水箱之上行进的循环行进造纸织物或者丝线。原料在造纸织物的顶表面上携带并且当原料在相继的除水元件之上行进时被除水以形成纸张片材。最终，湿润片材被转移到造纸机器的挤压部，在此处足够的水被移除以形成纸张片材。很多因素影响水被移除的速率，这最终影响所生产的纸张的质量。
连续地测量纸张材料的某些性质从而监视成品的质量是众所周知的。这些在线测量经常包括基础重量、水分含量和片材厚度即厚度。所述测量能够被用于控制工艺变量，其目标在于维持输出质量并且最小化由于在制造过程中的干扰而应该被废弃的产品的数量。经常利用扫描传感器实现在线片材性质测量，该扫描传感器周期地从边缘到边缘地横越片材材料。
传统上采用扫描传感器在它离开主干燥器部时或者在拾取卷轴处测量片材材料的水分含量。可以使用这种测量来朝向实现所期参数地调节机器操作。用于测量水分含量的一项技术是利用水在红外（IR）区域中的吸收光谱。通常地采用用于此目的的监视或者量计设备。这种设备传统上使用或者固定量计或者被安装在扫描头上的量计，被安装在扫描头上的量计根据各台机器的要求在从干燥器部离开时和/或在进入拾取卷轴时横向地越过纸幅地反复地扫描。量计通常使用宽带红外源诸如石英钨卤素灯和一个或者多个探测器，其中利用窄带滤波器例如干涉型滤波器选择感兴趣的波长。所使用的量计分为两种主要的类型：透射性类型，其中源和探测器在纸幅的相对侧上，并且在扫描量计的情形中越过它地同步地扫描；和散射型（通常被称为“反射性”类型），其中源和探测器在纸幅的一侧上的单一端头中，探测器响应于从纸幅散射的源辐射的数量。虽然最通常地是在更加良好的干燥端环境中定位IR湿度计，但是还在造纸机器的、不利的湿润端中采用类似的量计。湿润端湿度计通常位于挤压部的端部或者干燥器部的开始部分处。在这些位置中的量计对于诊断纸机的挤压和形成部，或者对于为了进入干燥器部中而“设置”纸幅而言是有用的。
授予Haran 等人的US专利No.7，291，856描述了一种湿度传感器，该湿度传感器使用高亮度超辐射发光二极管（SLED）与光纤递送相结合以在不利的和空间受到限制的环境中实现小的和紧凑的湿度测量。具体地，产生在纸张中的水的非色散性分光镜测量的湿度传感器被如此配置，使得敏感的光电子和光机械构件远离不利环境地定位。同时，传感器能够向测量位置递送足够的光功率水平，这使得传感器能够维持测量速度和可重复性。这项技术的一个缺陷是它的、有限的粗糙的光谱分辨率和有限的波长范围，这最终限制了它对于测量湿度的应用。而且，在监视纸张中的湿度的情形中，光源的、有限的频谱差别给出了具有特定分级（grade
specific）的数据。由于这个分级依赖性，要求精细的校准手续从而适合产生一系列的重量分级或者包含不同的成分例如纸张添加剂的纸张的造纸机器。
在工业中需要一种通用传感器，该传感器能够在早期造纸过程中测量多个不同的参数，包括湿度、温度和纤维素纤维含量。这种传感器将使得能够实现更好的工艺控制，由此最小化不合格的产品和最小化纸张断裂。
发明内容
本发明涉及用于在不利的片材制造环境中同时地测量材料的多个参数的技术。本发明部分地基于以下认识，即，能够通过采用高亮度光源而配置一种紧凑的光学传感器以实现鲁棒性的一致测量，其中通过光纤，高光谱强度光被递送至片材位置和被从那里取回。
相应地，在一个方面，本发明涉及一种传感器系统，该传感器系统被配置为将照明光导引到组合物上，从而沿着探测束路产生探测辐射以测量组合物中的多个参数，该传感器系统包括：
高亮度光源；
用于从高亮度光源产生探测辐射的装置，其中该探测辐射具有预定的波长范围以探测组合物中的多个参数；
向光学头递送探测辐射的光纤辐射递送系统，该光学头包括能够被操作用于将探测辐射导引到组合物的第一光学器件和能够被操作用于将从组合物出现的光导引到光纤辐射取回系统的第二光学器件；
能够被操作用于接收和测量来自第二光纤辐射递送系统的光的探测器；
被置放在探测束路中的色散性元件；和
用于分析来自光纤辐射取回系统的光以计算组合物的该多个参数的装置。
在另一个方面，本发明涉及一种利用探测组合物中的多个参数的传感器执行测量的方法，该方法包括以下步骤：
提供远离组合物地定位的高亮度光源；
提供光学头，该光学头包括将辐射导引到组合物的第一光学器件和收集从组合物出现的辐射的第二光学器件；
提供用于将辐射从高亮度光源导引到第一光学器件的光纤辐射递送系统；
提供用于接收从第二光学器件导引的辐射并且用于向辐射探测器传输辐射的光纤辐射取回系统，其中高亮度光源产生具有足够的光学功率密度的照明辐射以沿着到辐射探测器的探测束路产生探测辐射；
在探测束路中定位色散性元件；和
分析来自光纤辐射取回系统的光以计算组合物的该多个参数。
优选的高亮度光源呈现高光谱带宽并且这些包括例如光纤超连续谱源、多路复用SLED和宽带可调谐激光二极管。为了测量纸张的性质，高亮度光源通常产生近红外辐射。本发明的特征在于，色散性元件沿着探测束路定位从而分离波长并且执行光谱分析。例如，能够采用快速地通过全部源波长调谐到单一探测器上的可调谐带通滤波器或者空间地将源波长分散到探测器阵列上的衍射光栅。利用色散性元件，获得了能够与参考光谱相比较的、在与样本例如纸张或者塑料相互作用之后出现的光的全光谱。而且，从红外光谱的多变量校准分析，在纸张的情形中，能够获得在样本中的水的温度，以及存在的水和纤维素的数量。假设本项创造性技术给出关于纸张的多个参数的信息，预期根据数据推导的湿度校准将是更加鲁棒性的，即，校准能够被容易地应用于不同等级的纸张。同样的技术还能够被应用于测量其它多成分材料诸如塑料片材的性质。
附图说明
图1是光纤传感器系统的概略；
图2是对于不同宽带光源的光学功率密度与波长关系的曲线图；
图3是对于可调谐光源的输出功率与波长关系的曲线图；
图4是由多路复用SLED组成的宽带辐射源的概略；
图5示意带有单一元件光电二极管的可调谐辐射探测器；
图6示意由光电二极管阵列分光计组成的探测器；
图7示意光学头；
图8A和8B示意在反射几何形状中操作的扫描光纤传感器系统；
图8C示意在透射几何形状中操作的扫描光纤传感器系统；
图9A和9B是光纤光缆拾取机构的侧概略视图；
图10是光纤光缆拾取机构的顶平面概略视图；并且
图11示意结合光纤传感器系统的片材制造系统。
具体实施方式
本发明涉及一种用于探测组合物特别地形式为膜、纸幅或者片材的材料的性质的光纤传感器系统。虽然将在纸张的性质测量中示意传感器系统，但是理解到能够采用该传感器系统来测量在包括例如涂层材料、塑料、织物等的多个不同的材料中的各种分光镜可测量成分的存在和含量。
图1示意特别地适合于测量材料片材10诸如纸张的参数的、本发明的传感器系统。该传感器系统包括高亮度辐射源12、传感器或者光学头14、辐射探测器16和信号处理器例如计算机15。来自高亮度辐射源12的探测光通过光纤辐射递送系统18而被递送到优选地能够移动的传感器头14。传感器头14被配置为将辐射22聚焦到片材10上并且收集从片材10出现即从片材10反射或者通过片材10透射的辐射24。来自传感器头14的辐射通过光纤辐射取回系统20而被递送到辐射探测器16。虽然示出色散性元件13位于源12和光纤递送系统18之间，但是色散性元件能够沿着在高亮度辐射源12和辐射探测器16之间的探测束路位于任何位置。来自辐射探测器16的电信号被传送到处理器15，在此处利用数学模型处理该电信号从而关于片材10的多个参数提供有用的测量。高亮度辐射源12、辐射探测器16、信号处理器15和它们的相关联构件优选地远离传感器头14在此处操作的不利环境定位。它们的位置可以距传感器头14 1到100米或者更大的距离。适当的高亮度辐射源具有极小的发射区域分散产物（divergence
product）即高的亮度，这允许它们被有效率地发射到光纤中。优选的高亮度辐射源是宽带光源诸如 （i）纤维超连续谱源或者（ii）例如可从DenseLight Semiconductors Pte. Ltd. （新加坡）获得的、被称作超辐射发光二极管（SLED）的、以较高功率操作并且具有比较宽的光谱宽度的发光二极管。例如，在授予Kuksenkov等人的US专利No. 7，130，512、授予 Brown 等人的No. 7，116，874和授予Nicholson等人的No. 6，775，447中描述了纤维超连续谱源，这些专利全部在此通过引用而被并入。通过将较高功率的光脉冲发射到光纤或者微观结构中实现了超连续谱的产生，在光纤或者微观结构处，脉冲光由于在纤维中的非线性交互作用而经历显著的光谱增宽。高亮度光源能够是连续波（CW）源或者调制源；能够使用调制源以经由传统技术诸如锁定探测改进信噪比。
图2展示关于三个不同的宽带光源，即：白炽灯，来自是来自KOHERAS
A/S （Birkerød，
Denmark）的型号SuperK™的纤维超连续谱源的白光，和多路复用SLED的光学光谱规格。（来自这些源的光谱延伸超过1750 nm波长但是由于用于获得曲线图的分光计的限制而被截断。）在这个比较中，纤维连续谱源产生呈现非常高的光功率密度的宽带辐射，而白炽灯产生具有不足以由光纤传感器系统使用的功率密度的宽带辐射。应该指出，可从诸如来自DenseLight的那些获得SLED，该SLED呈现比在该实例中采用的SuperK™产生的更高的光谱功率密度。
可替代地，高亮度辐射源包括可调谐辐射源，诸如例如可从例如New Focus， Inc.（San Jose， CA.）获得的微机电系统（MEMS）扫描激光二极管源。图3示出与来自示例性扫描激光二极管源的、在从1520nm到1820nm的调谐范围内的波长有关系的功率输出。与在光纤传感器系统中使用的高亮度源无关，所产生的探测辐射被选择为包括具有测量片材10（图1）中的多个参数所必需的波长的辐射。在测量纸张的性质的情形中，探测辐射包括具有范围从1微米到2.6微米的波长的近红外辐射。如明显地，并非必须包括全部的波长，即，能够采用在这个窗口内的子范围。
当采用SLED时，来自每一个均以不同的带宽产生辐射的多个SLED的探测光优选地通过多路复用而得到管理并且通过光纤辐射递送系统18（图1）传输。图4示意包括被单模光纤定向耦合器4耦接到复用器6的多个SLED2（1）到2（n）的一种宽带辐射源布置，复用器6具有被耦合到各根单模光纤的相应的输出1到m。可替代地，来自复用器的输出能够被耦合到多模光纤。
当高亮度光源12（图1）是宽带光源时，辐射探测器16（图1）优选地包括可调谐探测器诸如（i）配备有MEMS可调谐带通滤波器的单一元件光电二极管或者 （ii）探测器阵列。可替代地，当高亮度光源12是可调谐源时，辐射探测器16优选地是宽带探测器诸如单一元件光电二极管。
图5示意测量来自宽带光32的选定波长的光的可调谐辐射探测器8，宽带光32是从光纤辐射取回系统20（图1）的光纤30的远端发射的。可调谐辐射探测器包括透镜26，透镜26会聚光32并且将其导引到可调谐带通滤波器9中从而选定频率的光34被透镜28导引到单一元件光电二极管36中。适当的可调谐带通滤波器包括MEMS可调谐带通滤波器。如明显地，可调谐带通滤波器9能够位于任何适当的位置处，诸如在高亮度光源12和片材10（图1）之间。
图6示意包括衍射光栅46和48和镜子50的可调谐辐射探测器。从光纤辐射取回系统20（图1）的光纤的远端发射的宽带光40被透镜42准直朝向衍射光栅46。色散性构件46、48的操作将宽带辐射分离成利用光电二极管52的阵列测量的频谱。当采用探测器阵列时，色散性元件优选地包括线性可变滤波器或者光栅。
当色散性元件是可调谐滤波器时，它能够在高亮度源12和辐射探测器16（图1）之间沿着探测束路位于任何位置。优选地，可调谐滤波器位于高亮度源12和光纤辐射递送系统18之间或者光纤辐射递送系统18和材料片材10（图1）之间。
图7描绘包括带有耦合器134和132的本体146的传感器或者光学头128，耦合器结合适当的透镜以分别地连接递送探测辐射的光纤138和递送反射辐射的光纤140。光学头可以可选地包括针对环境对其进行保护的外罩。从光纤138递送的光144被从转镜136反射到正被扫描的材料片材10（图1）上。，能够采用在耦合器132、134内结合的适当的透镜。来自片材的散射光142被从镜子130反射到反射辐射光纤140中。镜子136和130的轮廓能够具有一定式样从而能够相对于正被扫描的移动片材将光成像到适当定向上并且然后从适当的定向捕捉所述的光；在此情形中，能够省略聚焦透镜（未示出）。镜子的反射性表面能够包括金、银、铝、电介质或者其它适当的反射性材料的层。光学头128的配置是用于在反射性模式中操作的光纤传感器的。当光纤传感器在透射模式中操作时，采用如进一步描述的双光学头。
参考图1，光纤递送系统18将静止的高亮度辐射源12光学连接到可移动传感器头14。光纤递送系统18包括包含一根或者多根光纤的光纤光缆。光纤呈现必需的耦合效率从而从高亮度辐射输出的高的光功率并不显著地衰减。另外，光纤递送系统18包括布线光纤光缆通过限定的路径以当可移动传感器头14在片材10之上前后地扫描时控制光缆的弯曲的光纤光缆拾取机构。类似地，光纤取回系统20将传感器头14光学连接到辐射探测器16并且采用布线通过拾取机构的光纤光缆。参考图1，将静止的高亮度辐射源12光学连接到可移动传感器头14的光纤辐射递送系统18包括包含一根或者多根光纤的光纤光缆。光纤呈现必需的耦合效率从而从高亮度辐射输出的高的光功率并不显著地衰减。另外，如在这里描述地，光纤辐射递送系统18包括布线光纤光缆通过限定的路径以当可移动传感器头14在片材10之上前后地扫描时控制光缆的弯曲的光缆拾取机构。类似地，光纤取回系统20将传感器头14光学连接到辐射探测器16并且采用布线通过拾取机构的、包含一根或者多根光纤的光纤光缆。
图8A 和8B描绘了与扫描光纤传感器的构件有关系的拾取机构186，该扫描光纤传感器在反射几何形状中操作，其中传感器头170被设计成沿着在造纸机器中的移动片材132诸如纸张的主扫描方向而沿着横向方向前后地行进。这个宽度能够是一到十二米或者更大。在图8A的实施例中，高亮度辐射源12、辐射探测器16和信号处理器15（图1）被容纳在静止的隔室160中，该隔室远离扫描传感器头170定位。光纤光缆106和116能够在单一光缆中被捆束到一起并且被布线通过拾取机构186并且因此在隔室160内的构件和传感器头170之间提供光学通信。在授予Beselt等人的US专利申请2006/0109519中描述了适当的拾取机构，该专利申请在此通过引用而被并入。当传感器头170从片材132的一个边缘向另一个边缘移动时，拾取机构控制在光纤光缆中的弯曲。
在同一光缆结构中具有递送光纤光缆6和16的一个优点在于，两根光缆均经受相同的温度环境，当在扫描传感器系统中存在温度变化时，这可能是重要的。可替代地，替代在一个结构中具有两根光缆，该两根光缆能够被并排地安置，在此情形中，如在这里进一步描述地，拾取机构的滑轮将具有双凹槽。
图8B描绘一个可替代实施例，其中具有单一传感器头170的光纤传感器系统被配置成在反射模式中操作。高亮度辐射源12、辐射探测器16和信号处理器15（图1）被容纳在隔室160中，而如在这里进一步描述地，光纤光缆106和116被分开地布线通过同一拾取机构186。在光缆未被暴露于显著的温度变化的情况下，这个布置是特别地适当的。在隔室160内的构件和传感器头170之间的光学通信得以维持。
当在透射模式中操作时，光纤传感器系统具有位于正被监视的材料的相对侧上的双传感器头。一个传感器头与高亮度光源通信并且用于将探测器辐射导引到材料上，而第二传感器头与探测器通信并且用于接收被从该材料透射的辐射。图8C相对于扫描光纤传感器系统的构件描绘了拾取机构162、164，该扫描光纤传感器系统在透射几何形状中操作，其中双传感器头182、184被设计成沿着移动片材132的主扫描方向沿着横向方向前后地行进。高亮度辐射源12、辐射探测器16和信号处理器15（图1）被容纳在静止的隔室160中。当传感器头182从片材132的一个边缘移动到另一个边缘时，拾取机构控制在光纤光缆中的弯曲。类似地，对于也被设计成沿着移动片材132的横向方向移动的传感器头182，传感器头182与被布线通过拾取机构162的光纤光缆116光学通信。
在操作中，双扫描器头182、184的运动关于速度和方向被同步化从而它们相互对准。例如，在授予Shead的US 专利5，773，714和授予Dahlquist的US专利5，166，748中描述了具有在正被分析的片材的相对侧上的传感器构件的扫描系统，所述专利在此通过引用而被并入。
图9A和9B示意促进扫描器头230沿着移动片材或者纸幅240的横向方向的运动的光缆拾取机构210的实施例。第一固定转向滑轮214位于框架212的一侧上，第一固定转向滑轮214被销钉216紧固到框架。第二固定转向滑轮218位于框架的另一侧上，第二固定转向滑轮218被销钉220紧固。在销钉216和220之间的距离范围优选地从一到十二米。该两个固定转向滑轮214，218的直径优选地是相同的。每一个滑轮均优选地具有围绕它的外周边的凹槽，凹槽的尺寸被确定用于容纳柔性光缆。
被刚性部件228相互关联的一对可移动或者平移滑轮221、224处于框架212内并且位于该两个固定滑轮214、218之间。该一对可移动滑轮221、224分别地被销钉222和226紧固到轨道242，该轨道允许可移动滑轮221、224沿着在固定转向滑轮214、218之间的线性路径前后地移动。优选地，可移动滑轮221和224的直径是相同的，但是它们优选地小于固定转向滑轮214、218的直径。该四个滑轮214、218、221和224的中心优选地沿着水平轴线对准。
在其中光纤传感器系统在反射模式中操作从而仅仅要求单一拾取机构的情形中，代表光纤光缆106（图8A）的光纤光缆236被部分地围绕滑轮221和218缠绕。光缆236终止于传感器头230处，而光缆在位置232处被紧固到框架212或者其它静止结构。代表光纤光缆116（图8A）的另一根光纤光缆237被部分地围绕滑轮224和214缠绕。光缆237也终止于传感器头230处，而光缆在位置234处被紧固到框架212或者其它静止结构。两根光缆236和237应该被以充分的张力紧固以避免过度松弛。不需要任何弹簧或者其它张力器件来紧固两个端部。
当它在移动片材240的侧边之间沿着横向方向前后地扫描时，扫描器头230被以可操作方式连接到光缆236和237。被关联的平移滑轮221、224沿着与扫描器头230的相反的方向移动，但是以一半的速度行进。以这个方式，即使当扫描器头230处于运动中时，光缆236和237也从一端232到另一端234地始终保持拉紧。在另一实施例中，认识到当拾取机构随着时间操作时，特定程度的蠕变可以在光缆中形成。因此，拾取机构能够在端部232和234之一或这两者处配备有弹簧或者其它张力器件。这将防止光缆呈现过度松弛。可替代地，弹簧能够位于拾取机构的另一个部分中诸如该一对可移动滑轮221、224之间。在此情形中，替代被刚性部件228连接，能够采用带有弹簧器件的部件来连接该两个可移动滑轮221、224。
如明显地，在如在图9A和9B中所示光缆拾取机构中，光纤光缆被围绕确定每一根光纤光缆的弯曲直径的一系列滑轮引导。光缆被通过限定的路线操控。该组平移滑轮221、224允许光缆保持处于张力下而无需弹簧或者加载器件。一致地移动的平移滑轮确保了在光缆上的张力在每一根光缆的全部长度上维持基本恒定。平移滑轮沿着与扫描头230的相反的方向的运动用于沿着其中响应于移动扫描器头230的作用力而需要该运动的方向分布每一根光缆。如在图9A和9B中所示意地，当扫描器头230从光缆拾取机构210的一侧朝向中间移动时，在固定转向滑轮214和平移滑轮224之间的一根光缆的长度的减小被在固定转向滑轮218和平移滑轮221之间的另一根光缆的长度的、相应的增加抵消或者补偿。
能够利用多个机构沿着横向方向前后地推进扫描器头230。在一个实施例中，如在图10中所示意地，光缆拾取机构260包括被杆294关联的轨道262和264、固定转向滑轮266和268，和一对移动滑轮280和282。载架272在轨道262、264上的顶部上止靠，当它前后地行进时，轨道262、264为载架272用作低摩擦引导件。能够是带有辊子的平台的载架272支撑扫描器头274。在这个布置中，扫描器头274位于所要分析的纸幅的下面，然而，理解到能够采用光缆拾取机构260从而扫描器头274在纸幅正上方或者相对于纸幅成一定角度以从它的顶表面测量性质。
在反射模式中，扫描器头274能够具有图7所示配置。因此，探测器信号通过光缆270被从扫描器头274传输到隔室278。载架272被连接到围绕驱动滑轮276和从动滑轮288缠绕的皮带284，驱动滑轮276和从动滑轮288被以可操作方式连接到电机290。在操作中，电机290的控制调整载架272的运动的速度和方向。可替代地，皮带284能够被直接地紧固到杆294，杆294关联该一对可移动滑轮280、282。以这种方式，电机290的致动还移动光缆270。作为另一个替代，电机290能够被以可操作方式连接到固定转向滑轮266以驱动扫描器头274。
在其中光纤扫描传感器在如在图8C中所示意的、在正被测量的产品的每一侧上带有独立拾取机构的透射模式中操作的情形中，除了光缆236或者237中的仅仅一根是递送光纤光缆106或者116（图8C）之外，如在图9A和9B中所示意的光缆获取机构210基本上以与在前描述的相同的方式操作。另一根光缆能够包括非工作光缆以维持对称性。
在其中光纤扫描传感器在如在图8A中所示意的、带有单一拾取机构（如在图9A和9B中所示意的光缆获取机构210）的反射模式中操作的情形中，光缆236或者237之一由包括递送光纤光缆106和116（图8C）这两者的单一光缆结构组成。以这种方式，该两根光纤光缆被沿着有共同边界的路径布线通过拾取机构。另一根光缆能够包括非工作光缆以维持对称性。可替代地，如果该两根递送光纤光缆被分开地但是并排地安置，则在拾取机构中的滑轮具有双凹槽以容纳它们。该一对非工作光缆能够被并排地安置以维持对称性。
利用光缆拾取机构，当光学头在扫描期间前后地移动时的总弯曲损失基本得以保持。对于使用测量在两个或者更多不同的波长带中的相对功率的分光镜传感器的扫描器而言，这是重要的。在光纤中的弯曲损失依赖于弯曲半径和总弯曲长度。如果在可移动光学头扫描时弯曲长度或者弯曲半径改变，则将引入测量误差。即使当光学头正在移动时，光缆拾取机构也保持角弯曲长度和弯曲半径是恒定的；这进而最小化任何传感器误差。（然而注意弯曲位置改变。）关于光纤的弯曲长度类似于圆弧的长度，圆弧是圆的一个片段。关于圆弧的弯曲长度等于直径和如以弧度为单位测量的、在两条半径之间的角度的乘积。因此，展开90度的圆弧具有仅仅展开45度的、具有相同半径的圆弧的两倍弯曲长度。光缆拾取机构在扫描期间实质上维持相同的总弯曲长度。控制在两根递送光纤光缆106和116之间的弯曲长度和张力有助于保持在电源和探测器光纤光缆之间的光程差。
光纤传感器能够被用于测量在片材制造系统中的水性混合物的物理特性，并且特别地适合于获得湿润端同时的纤维素、温度和湿度测量。在这里作为扫描系统的一个部分示意了光纤传感器，然而理解到能够使用标准多路复用技术在多个固定点位置处采用光纤传感器。图11示出用于生产纸张材料的连续片材74的一种典型的片材制造系统，该片材制造系统包括流浆箱（headbox）60、蒸汽箱62、压光堆（calendaring stack）70、拾取卷轴72和包括本创造性光纤传感器系统的扫描器系统80。在流浆箱60中，致动器被布置成控制湿原料沿着横向方向（CD）到支撑丝线或者纸幅66上的排放。在丝线66的顶部上形成的纤维性材料的片材被排成序列以在辊子64和68之间沿着机器方向（MD）行进并且通过包括控制越过纸幅施加的压缩压力的致动器的压光堆70。该片材制造系统包括在蒸汽箱62前面的挤压部，在此处水被从片材以机械方式移除并且在此处纸幅被强化。此后，通过在干燥器部中蒸发，水被移除。片材成品74被收集于卷轴72上。
扫描器系统80通常包括跨越纸张产品74的宽度的、成对的、水平地延伸的引导轨道84。引导轨道在它们的相对端处被直立的支柱82支撑并且被以足以允许使得纸张产品74在轨道之间行进的间隙的距离竖直地隔开。传感器被紧固到当进行测量时前后地移动到纸张产品74上的载架86。在授予Dahlquist的美国专利No. 4，879，471、授予 Dahlquist等人的美国专利No.5，094，535和授予Dahlquist的美国专利No.5，166，748中公开了用于造纸的在线扫描传感器系统，所述专利全部在这里完全地通过引用并入。
利用该光纤传感器系统，预期能够即刻地在纸张从丝线66离开形成部之后早期地在造纸过程中进行测量。而且，通过利用宽带源，传感器能够在仍然在不利的空间、受限的环境中维持测量速度和可重复性时实现全光谱分析。预期包括正被监视产品的多个参数的测量将是更加鲁棒性的。在纸张的情形中，除了水分含量，存在的纤维素数量以及片材温度能够得以确认。通过增加光谱分辨率和传感器的范围以产生快速的、准确的高分辨率近红外光谱而使得这些另外的测量是可能的。通过在小的、鲁棒性的传感器中存在这些另外的测量，进一步地在造纸机器上控制温度和纤维（纤维素）重量参数以实现更加严格的控制环是可能的。
纸张的所期性质是利用标准的化学计量技术确定的。例如，使用多变量模型来使得多变量分析测量诸如红外光谱（独立变量）与成分浓度和物理性质（从属变量）相关。在校准这些模型时，对于一组校准样本测量数据（光谱和浓度/性质）并且回归模型得以推导以使得从属变量与独立变量相关。通常在适合于运行在商业上可以获得的软件程序的通用计算机中执行多变量数学技术。当前可以获得多个软件包。可获得的软件包的实例包括但是不限于可从Pomona， Calif.的Orbital Sciences
获得的“AnaGrams”；可从Natick，Mass.的The Math Works，Inc.获得的MATLAB®；可从Woodinville，Wash.的Infometrix，Inc.获得的Pirouette®；和可从Salem，N.H.的Thermo Galactic获得的 Spectral ID®。
前面已经描述了本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，本发明不应该被理解为受限于所讨论的具体实施例。相反，上述实施例应该被视为是示意性的而非限制性的，并且应该理解，在不偏离如由以下权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以在那些实施例中作出改变。
Claims (8)
1.一种传感器系统，所述传感器系统被配置为将照明光导引到组合物上从而沿着探测束路产生探测辐射以测量组合物（10）中的多个参数，所述传感器系统包括：
高亮度光源（12），其包括多个超辐射发光二极管（2）和光学复用器（6），所述光学复用器具有（i）被配置为接收来自所述多个超辐射发光二极管（2）的光的输入和（ii）被配置为向光纤辐射递送系统（18）递送光的多个输出；
用于从高亮度光源（12）产生探测辐射（4，6）的装置，其中所述探测辐射具有预定的波长范围以探测组合物（10）中的多个参数；
光学头（14，128），其包括第一光学器件（136）和第二光学器件（130）；
向光学头（14，128）递送探测辐射的所述光纤辐射递送系统（18），其中第一光学器件（136）能够被操作用于将探测辐射导引到组合物（10）；
光纤辐射取回系统（20），其中第二光学器件（130）能够被操作用于将从组合物（10）出现的光导引到光纤辐射取回系统（20）；
能够被操作用于接收和测量来自光纤辐射取回系统（20）的光的探测器（16）；
被置放在所述探测束路中的在高亮度辐射源（12）和光纤辐射递送系统（18）之间的色散性元件（13）；和
用于分析来自光纤辐射取回系统（20）的光（15）以计算组合物（10）的所述多个参数的装置。
2.根据权利要求1的传感器系统，其中高亮度光源（12）包括纤维超连续谱源。
3.根据权利要求2的传感器系统，其中色散性元件（13）包括可调谐带通滤波器或者光栅分光计。
4.根据权利要求2的传感器系统，其中探测器（16）包括探测器阵列（52）并且色散性元件（13）包括光栅分光计或者线性可变滤波器。
5.一种利用探测组合物（10）中的多个参数的传感器执行测量的方法，包括以下步骤：
提供远离组合物（10）定位的高亮度光源（12），其包括多个超辐射发光二极管（2）和光学复用器（6），所述光学复用器具有（i）被配置为接收来自所述多个超辐射发光二极管（2）的光的输入和（ii）被配置为向光纤辐射递送系统（18）递送光的多个输出；
提供光学头（14，128），所述光学头包括将辐射导引到所述组合物的第一光学器件（136）和收集从组合物（10）出现的辐射的第二光学器件（130）；
所述光纤辐射递送系统（18）将辐射从高亮度光源（12）导引到第一光学器件（136）；
提供用于接收从第二光学器件（130）导引的辐射并且用于向辐射探测器（16）传输辐射的光纤辐射取回系统（20），其中高亮度光源（12）产生具有足够的光学功率密度的照明辐射以沿着到辐射探测器（16）的探测束路产生探测辐射；
在所述探测束路中在高亮度辐射源（12）和光纤辐射递送系统（18）之间定位色散性元件（13）；和
分析来自光纤辐射取回系统（20）的光以计算组合物（10）的所述多个参数。
6.根据权利要求5的方法，其中高亮度光源（12）包括纤维超连续谱源。
7.根据权利要求6的方法，其中色散性元件（13）包括可调谐带通滤波器或者光栅分光计。
8.根据权利要求6的方法，其中探测器（16）包括探测器阵列（52）并且色散性元件（13）包括光栅分光计或者线性可变滤波器。
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