CN102713581A - 用于在线幅材属性测量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

幅材测量系统在制造期间监视幅材的属性而不在幅材测量中截断测量辐射。在每个板边缘或每第n个板边缘处执行单个截断，以测量用于普朗克辐射校正的边缘温度和边缘热辐射。从幅材轮廓中的各点导出包含普朗克辐射校正因子的校正因子(R，W，F)。测量系统还使得能够在单个点的和类似机器操作模式的操作中导出校正因子。

Description

用于在线幅材属性测量的方法和装置
技术领域
本申请的发明涉及在线幅材(web)属性(property)测量的方法和装置，包括信号规格化方法和用于利用该方法的装置。将参照在制造期间测量纸的幅材的属性来描述该方法和装置，该方法和装置起初用于此情况。但是，很显然，该方法和装置适于其它的幅材制造处理。
背景技术
在诸如纸、塑料膜和织物等的平板材料的幅材的制造中，幅材被这里可被可互换地称为检测器或传感器的反馈用于控制制造的信息的装置监视。手动或自动处理控制系统可使用该信息。在处理控制系统中使用的传感器需要在高湿度的、脏的、热的和/或湿的环境中操作的同时精确地测量迅速移动、振抖的幅材的属性。这种传感器通常安装于测量平台上，该测量平台在处理幅材相对迅速地沿机器方向(MD)移动时沿横向机器方向(CD)扫描传感器。
红外分光传感器是用于这种控制系统的常用的监视装置。这些传感器测量特定波长带的红外辐射的吸收率，该吸收率表示特定的属性的有无和/或量值。传感器可测量的特定的特性包含诸如水、聚合物、涂敷矿物、纤维素和幅材的其它成分的属性。常见的应用是测量制造中的移动的纸幅材中的水的重量百分比(水分百分比)。
红外分光传感器测量利用幅材的水和其它成分对于一般为0.75μm～10.0μm的近红外区域中的各种波长带的差分吸收。处理控制器比较一个或更多个基准波长处的红外能量的透射和/或反射的测量与一个或更多个吸收波长处的透射和/或反射的测量。对于幅材的尽可能多的成分的相对低吸收系数选择基准波长，并且，对于相对高吸收系数选择吸收波长。可以使用大量的不同的波长测量，以确定和/舍弃诸如作为光学散射的结果的通过幅材的平均光路长度的其它干涉参数。
诸如硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)或砷化铟镓(InGaAs)传感器的红外辐射传感器一般测量几个光谱带中的红外能量，从而同时进行所有的测量，这些测量代表移动的处理幅材的同一区域。同时的测量一般需要多个空间上分开的传感器，这些传感器中的每一个检测所关注的谱带中的一个上的红外能量。由于影响各种红外波长的幅材的属性可在幅材上在短距离上改变，因此，呈现给传感器的幅材区域中的任何差异可能导致测量误差。简单地相互接近地设置各个传感器一般是不足以满足精确的要求的。来自这些传感器的信号可在数学上被组合以开发关注的测量。
砷化铟镓(InGaAs)传感器一般是优选的，原因是铅盐传感器对于温度更灵敏，并因此需要更频繁的规格化以校正由温度漂移和传感器暗电流产生的误差。几乎所有当前可用的幅材属性测量系统都通过使用诸如滤波器轮、音叉、旋转叶片或遮光器等的连续截断器件将传感器信号规格化。常规的连续截断减少测量信号。充其量，具有正弦截断的射束具有不被截断的射束的平均能量的一半。
发明内容
本申请的在线幅材属性测量系统使得能够在幅材测量中在不截断测量辐射射束的状态下在制造中进行材料的幅材的属性的在线监视。在本申请的测量系统中，不是使用每当截断器关闭时中断测量辐射射束的常规的连续截断，而是在板的各边缘或板的每第n个边缘处执行单次截断。在板边缘的截断中，边缘温度数据和边缘热辐射数据被测量并被用于校正幅材热辐射(即普朗克辐射)和系统的各测量信道中的电子偏移漂移。当幅材被扫描时，扫描头封装上的至少一个高温计测量幅材温度轮廓即跨着幅材的连续点处的温度。从在板的边缘上测量的数据，对于幅材轮廓中的各点导出包含对于普朗克辐射的校正的校正因子。当应用校正因子时，在各信道中测量的数据精确地代表要被测量的幅材的特性。
除了在板的边缘处执行截断以外，这些板边缘截断是在正常的板生产和扫描测量中执行，当使用停在单点的扫描测量系统或非扫描测量系统时，本申请的测量系统还使得能够进行在幅材横向方向上的单点处取得的测量中的校正因子的导出。
根据本发明的一个方面，提供一种用于通过在材料的幅材正在被制造并且沿机器方向(MD)移动时沿横向机器方向(CD)跨着材料的幅材往复扫描测量装置以测量幅材的至少一种属性的方法，测量装置包括被引向幅材的适于测量至少一种属性的辐射的源和从幅材接收测量辐射的至少第一和第二传感器，该方法包括：在跨着幅材的连续的点处接收代表幅材的至少一种属性的辐射；在跨着幅材的连续点处测量温度；在幅材的边缘处中断测量辐射；在测量辐射被中断时感测幅材的边缘处的辐射；测量幅材的边缘的温度；对于跨着幅材的连续点的中的每一个从幅材边缘温度和连续点的测量温度开发用于至少一种属性的校正因子；并且，在跨着幅材的连续点中的每一个处应用该校正因子，以校正包含于在跨着幅材的连续点接收的代表幅材的至少一种属性的辐射中的普朗克辐射。
根据本发明的另一方面，提供一种测量装置，该测量装置用于通过在材料的幅材正在被制造并且沿机器方向(MD)移动时沿横向机器方向(CD)跨着材料的幅材往复扫描测量装置以测量幅材的至少一种属性，测量装置包括：适于测量至少一种属性的测量辐射的源，测量辐射被引向幅材。至少第一和第二传感器从幅材接收辐射并产生代表辐射的信号。至少一个高温计测量幅材的温度。遮光器机构在传感器位于幅材的边缘上时中断测量辐射的源，其中，传感器响应在测量辐射的源不被中断时在幅材的边缘之间的跨着幅材延伸的连续点中的每一个的代表至少一种属性的测量辐射和普朗克辐射产生信号，并且，传感器响应在测量辐射的源被中断时幅材的边缘中的至少一个的普朗克辐射产生信号，并且，高温计测量跨着幅材延伸的连续点中的每一个的以及幅材的边缘中的至少一个的温度。控制器从测量的边缘温度和跨着幅材的连续点中的每一个的测量温度开发对于跨着幅材的连续点中的每一个的至少一种属性的校正因子并且对于跨着幅材的连续点中的每一个应用校正因子以校正包含于对于跨着幅材的连续点中的每一个感测的辐射中的普朗克辐射。
根据本发明的又一方面，提供一种测量装置，该测量装置用于通过在材料的幅材正在被制造并且沿机器方向(MD)移动时沿横向机器方向(CD)跨着材料的幅材往复扫描测量装置以测量幅材的至少一种属性，测量装置包括适于测量至少一种属性的测量辐射的源，测量辐射被引向幅材的第一侧。射束分离装置从幅材的与第一侧相反的第二侧接收辐射，射束分离装置具有指向幅材的被测量辐射照射的区域的辐射输入端口，以及至少第一输出端口和第二输出端口。第一传感器从射束分离装置的第一输出端口接收辐射并产生代表接收的辐射的信号。第二传感器从射束分离装置的第二输出端口接收辐射并产生代表接收的辐射的信号。高温计测量幅材的温度。遮光器机构在传感器位于幅材的边缘上时中断测量辐射的源，其中，第一和第二传感器响应在测量辐射的源不被中断时在幅材的边缘之间跨着幅材延伸的连续点中的每一个的测量辐射和普朗克辐射产生信号，并且，第一和第二传感器响应在测量辐射的源被中断时幅材的边缘中的至少一个的普朗克辐射产生信号，并且，高温计测量跨着幅材延伸的连续点中的每一个的以及幅材的边缘中的至少一个的温度。控制器从测量的边缘温度和跨着幅材的连续点中的每一个的测量温度开发对于跨着幅材的连续点中的每一个的至少一种属性的校正因子并且对于跨着幅材的连续点中的每一个应用校正因子以校正包含于对于在幅材的边缘之间跨着幅材延伸的连续点中的每一个感测的辐射中的普朗克辐射。
根据本发明的又一方面，提供一种用于在材料的幅材正在被制造并且沿机器方向(MD)移动时测量幅材的至少一种属性的方法，测量装置包括被引向幅材的适于测量至少一种属性的辐射的源和从幅材接收测量辐射的至少第一和第二传感器，该方法包括：从幅材的横向方向(CD)上的至少一个点接收代表幅材的至少一种属性的辐射；测量在幅材的CD上的至少一个点的温度；中断测量辐射；在测量辐射被中断的同时，感测从幅材接收的辐射；在测量辐射被中断时测量幅材的温度；从在中断测量辐射时测量的温度和幅材的至少一个点的测量温度开发用于至少一种属性的校正因子；和在幅材的至少一个点处应用校正因子，以校正包含于在幅材的至少一个点接收的代表幅材的至少一种属性的辐射中的普朗克辐射。
附图说明
结合附图阅读示出的实施例的以下的描述和所附的权利要求，对于本领域技术人员来说，本申请的发明的益处和优点将变得清晰。
图1是根据本申请的发明的装置的部分截面侧视图。
图2是可用于图1的装置中的遮光器叶片的平面图。
图3是图1所示的检测器组件的部分截面侧视图。
图4和图5是本申请的发明的兼用作光分配器和均化器两者的光纤射束分离器的示意图。
图6是表示检测器组件的面的片断部分，表示该面中的高温计的放置。
图7示出包含扫描仪的幅材测量系统。
图8示出一张薄纸的制造中的沿横向机器方向(CD)方向和机器方向(MD)两者的温度变化。
图9示出普朗克辐射的波长依赖性。
图10示出检测器元件的三个波长的普朗克辐射预测。
图11示出导出的换算因子对理想辐射估计的例子；
图12示意性示出利用本申请的发明并包含跨着制造的整个幅材延伸的固定传感器的阵列的非扫描测量系统。
具体实施方式
本申请的发明旨在提高在线幅材测量系统的信号噪声(S/N)比和带宽。通过提高S/N比和带宽，该系统能够在快速移动的幅材上以高的精度测量短期材料属性变化。
典型的在线测量系统使用在测量系统处于要被测量的幅材的部分上方时阻挡测量辐射的射束截断器，并且，在射束被阻挡期间，不能测量幅材材料属性。射束截断方案可使用音叉或具有齿或孔的自旋轮等。射束截断一般使总辐射通量减少50％或更多。本申请的发明使得能够在正常幅材生产操作中执行的测量期间在没有截断的状态下实现在线红外材料属性测量。作为替代，一般在板边缘处执行截断，在该处扫描仪反转方向以对于正被制造的幅材进行重复扫描。因此，在幅材测量操作中，更多的辐射通量是可用的，从而导致S/N比的提高。
射束截断用作采样系统，并因此对于测量带宽设定限制。现有的射束截断器在每秒200次到1000次之间截断或中断射束。因此，奈奎斯特(Nyquist)频率是100～500Hz，这是测量数据可明确代表的最高频率的上限。使用本申请的发明的非截断测量提供每秒至少5000次采样的离散采样，以提供至少2500Hz的数据可明确代表的最高频率的上限。对于本申请的发明的操作，也设想比每秒5000次采样快的采样率。
现在参照附图，其中，类似的附图标记始终表示相应的要素，图1表示根据本发明的用于测量幅材产品的特性或属性的红外测量装置100的实施例。虽然本发明一般适于测量各种幅材产品，但是，这里将参照在纸幅材102正在被制造时进行测量来描述本发明。红外测量装置100包含源组件104和检测器组件106。
源组件104利用宽带宽或白光源108(以下，称为光源108)，该光源108具有受向光源108施加的电压和/或电流的水平控制的光强度。光源108包含聚焦投影灯，诸如具有镀金的椭球反射器110和具有被卤素气体包围的钨丝的灯泡或灯112的卤素钨镀金反射灯。在工作实施例中，光源108是市售的电压控制的Gilway Technical Lamp(现在是International Light Technologies)零件号L6408-G。源组件104还包含源窗口104W，该源窗口104W由从Schott AG of Jena，Germany获得的硼硅酸盐玻璃制成，被用于工作实施例中，并且在内表面上被镀铝以形成图6所示的环形反射器AR。
由于检测器组件106检测2μm波长范围中或附近的光，因此，向光源108提供的电压可降低为低于设计电压以冷却灯并且使其发射曲线从约3500K的设计“颜色温度”向约2600K的目标温度偏离可见光谱。因此，光源108优选主要发射红外光。光源108优选将包含关注的红外和近红外波长的高能量密度宽带光发射到距反射器110的边缘的受控焦距处的约1厘米直径的焦斑上。光源108可通过使用铝灯块114中的通道被空气冷却或者以其它的方式冷却，以增加灯寿命并减少对于测量系统的热效应。源组件104还可包含用于引导来自光源108的光的光管116。光管116具有圆筒形状并具有反射性内表面。另外，如果希望的话，扩散器118可被安装在光管116最远离光源108的端部，以减少对于驻留于窗口104W上的灰尘中的水分的敏感度。
源组件104还包含具有遮光器控制器122和遮光器叶片124的遮光器系统120。示出的遮光器控制器122通过空气管126被气动操作；但是，控制器122也可以以电气或其它的方式被驱动。控制器122迅速地阻挡(闭合位置)和开通(unblock)(开放位置)来自光源108的射束。除了阻挡和开启光源108以外，控制器122还可具有用于向测量系统提供样品的可选的第三位置。例如，如图2所示，可在遮光器叶片124中包含用于可更换的标准化样品128的位置。
遮光器叶片124优选由例如钛、铝或其它适当金属的金属构成。遮光器叶片124优选在远离光源108的一侧被抛光，以降低其发射率，并在面向光源108的一侧包含光吸收涂层。光吸收涂层可以是平坦的黑漆，并且可有助于传导源自阻挡光源108的热离开遮光器叶片124。
通过系统处理器130控制测量装置100，该系统处理器130通过气动遮光器叶片控制器132控制遮光器系统120并通过光源强度控制器134控制光源108。源组件104还可包含用于监视源组件104的温度、功率状态和其它条件的换能器(未示出)。
参照图1和图3，检测器组件106包括包含将在后面更完整地描述的兼用作光分配器和均化器两者的光纤射束分离器140的射束分离装置。示出的检测器组件106具有在检测器外壳144内容纳3个光检测器元件142A、142B、142C(这里可由附图标记142统一表示)的容量。检测器外壳144还容纳用于测量装置100的操作的电子测量印刷电路板、干扰滤波器、锥形集光器等。
当然，在本申请的发明中，可以使用容纳多于3个光检测器元件或少于3个光检测器元件的外壳组件。例如，附加的检测器元件可被用于同步化，即，如在受让给本申请的受让人的美国专利No.6960769中教导的那样，它可用作用于处理由其它检测器元件产生的信号的“同步”检测器，在此通过引用加入该专利的全部内容。检测器元件142优选为砷化铟镓(InGaAs)检测器，但是，根据希望的属性，可以使用其它的检测器技术。例如，如果希望测量更长的波长，那么可以使用砷化铅或硅化铂检测器。
在本发明的工作实施例中，使用两个吸收波长检测器元件142A、142B和一个基准波长检测器元件142C。在整个说明书中更详细地讨论检测器元件142，并且，可以理解，各种检测器元件142的数量和放置的变化在本申请的发明的范围内。例如，附加的检测器元件142可检测温度测量波长以估计背景辐射或板温度。诸如检测器元件142A、142B、142C的单独的波长检测器元件的使用使得本申请的测量装置100能够基本上同时地测量来自幅材的同一采样部分的相应的波长上的能量，从而允许同时检测幅材102的多个特性。检测器窗口146覆盖检测器组件106的开口，并且可由在本申请的测量装置100中使用的波长中具有低的吸收性的诸如Schott Borofloat 33玻璃的硼硅酸盐玻璃形成。
图3～5所示的光纤射束分离器140具有形成为光纤捆150的光输入端口148。各个光纤被组装成捆，并且例如通过环氧树脂被固定到套圈148F中。套圈148F中的光纤150的尖端被抛光，以确保各个纤维可有效地接收入射光。光纤150单独地在外壳151内被路由(route)，以分离在输入端口148的基本上整个表面上接收的光的部分，使得在光学输入端口148接收的光被分配给多个光输出端口152、154、156。因此，由光纤150限定的光纤射束分离器140用作光分配器。
红外测量辐射通过纸幅材的透射一般具有由有时称为“形成(formation)”的幅材102的小尺度不均匀性所导致的大的点到点强度变化。当使用多个检测器时，如在本申请中那样，各检测器必须精确地具有幅材的同一视图，或者，幅材的视图需要被均匀化，使得视场不包含点到点强度变化。光纤射束分离器140中的小的模糊妨碍各检测器具有精确地相同的幅材视图。因此，需要有效的均化器。
在本申请的发明中，光纤射束分离器140被构建为使得，除了光分配以外，它还通过图5示意性示出的双重随机化过程使在输入端口148接收的光均匀化。光纤捆150被精细地随机化开分，从而在第一随机化158中形成光纤的第一、第二和第三子捆150A、150A、150C，其中，各子捆150A、150A、150C中的光纤随机地选自光纤150，即，选自输入端口148的基本上整个辐射输入表面。各得到的光纤的子集还精细地在第二随机化160中被随机化，即，各子集内的光纤随机地位于其相应的光输出端口内。
可以以在光输出端口152、154、156处导致均匀化的输出的任何的方式执行光纤150的双重随机化。从Schott North America ofElmsford，New York获得根据申请人的说明书的光纤射束分离器140中的工作实施例。Schott提供特殊的红外传送光纤材料，并且制造具有使用标识为PD0003的Schott专有的过程的第一随机化以及具有使用标识为PD0002的Schott专有的过程的第二随机化的射束分离器140。
如图3所示，来自分布式输出端口152、154、156的光信号通过与检测器元件142A、142B、142C相关联的优选为具有锥形形状的带通滤波器162、164、166和集光器168、170、172。带通滤波器162、164、166被尽可能接近地调谐，以优化各特定检测器元件正在测量的属性的吸收特性。优选地，相对于检测器140可调整地安装射束分离器140，使得光纤150的分配输出可移动以更接近或远离带通滤波器162、164、166，以由此通过改变由滤波器看到的光纤的立体角控制入射到带通滤波器162、164、166上的光的角度。
信号检测器元件142A、142B、142C被安装到包含用于处理由检测器元件142A、142B、142C产生的信号的电路176的检测器板174。来自检测器元件142A、142B、142C的信号是随测量的属性和基准值而变的电压。很显然，根据使用的电子器件，信号也可以是电流。检测器板174可以是与系统处理器130和根据需要用于系统处理和调整的附加的器件链接的印刷电路板。检测器板174从系统处理器130接收数字控制消息。数字控制消息包含增益、偏移和校准设定，并且对于检测器142A、142B、142C执行诊断。
在操作中，从光源108传送的红外光照射位于源组件104和检测器组件106之间的幅材102的小的区域，该区域以下被称为“测量区域”或单个采样部分。幅材102的材料与该入射红外光交互作用，并且根据测量的幅材属性吸收或透过各种谱成分。测量的属性可包含诸如水分(水)、聚合物、纤维素(纤维)和高岭石(黏土)等的具有特定且离散的红外吸收带的任何属性。
如图1所示，检测器组件106位于幅材102的与源组件104相反的一侧。如图1和图3所示的射束轴A所示，光输入端口148与光源108轴向对准，使得输入端口148的中心基本上在幅材102的测量区域上居中。当幅材102在源组件104和检测器组件106之间的间隙中下移动时，幅材102的平面和输入端口148之间的角度改变。角度改变可导致对于从幅材102散射的能量的波长依赖性，从而导致作为间隙中的幅材102的位置的函数的测量误差。这通常被称为通线(pass-line)敏感性或与幅材102的通线位置变化相关的测量误差。通过使光源108与输入端口148对准，通线敏感性降低。
图3的检测器元件142A、142B、142C包含多个扩展带隙砷化铟镓(InGaAs)传感器。虽然可以在本发明中使用任何尺寸的检测器元件，但是，当前优选地是具有约1毫米的直径的InGaAs检测器元件。“波长”检测器元件142A、142B、142C基本上同时测量不同的波长通带上的红外光并且输出相应的电压。各特定通带被选择为与诸如纸或塑料膜等的要测量的产品的属性的谱吸收对应。与现有的传感器同样，从通过调谐干涉滤波器、在示出的实施例通过带通滤波器162、164、166收集的红外光的更宽的带选择测量的频带。这些调谐干涉滤波器可倾斜以偏移通带的中心波长，或者，通过它们的光的角度可通过调整集光器168、170、172的反射率或通过调节光纤的孔径被控制。这些干涉滤波器对于沿不同的方向偏振的光具有不同的吸收系数。
在红外光谱分析中，众所周知，选择吸收率高的第一波长或希望的谱吸收波长。然后，选择吸收率低的第二附近波长或基准波长。透过产品的这两个波长上的红外光的比的函数与测量路径中的属性的重量成比例。对于水，通过将测量结果除以在相同的区域中产品的总重量，该测量结果被转换成含水百分比。在本申请的发明中，从测量的纸纤维重量的函数推断该总产品重量。红外光的实际吸收率由通过产品的通路的标准单位的吸收率和通过产品的光的路径长度确定。例如，对于光纤吸收波长使用第一InGaAs检测器元件，对于水或水分吸收波长使用第二InGaAs检测器元件，并且，使用第三InGaAs检测器元件作为用于光纤吸收波长和水分吸收波长的基准吸收波长。
虽然如上面提到的那样可以使用附加的检测器元件142以检测温度测量波长，但是，当前优选使用诸如温差电堆的红外温度传感器。可在本申请的发明中使用用于测量温度的各种温度计中的任一种，并且，任何这种温度感测/测量器件这里被统称为“高温计”。在示出的实施例中，图1和图6所示的高温计178沿机器方向(MD-如图1中180处所示进入纸)与传感器射束对准，但与传感器射束分开。假定在测量信号的处理中执行空间重新对准，图6所示的高温计178′也可沿CD与传感器射束对准但分开。高温计178通过绝缘支架184与面板182连接。对于通过面板182中的孔存在的空气，高温计178可具有低量空气吹扫。
参照图7，该图7示出包含跨着正在被制造并且沿机器方向(MD)180移动的幅材102沿横向机器方向(CD)往复移动的扫描仪188的幅材测量系统186。当扫描仪188跨着幅材102移动时，跨着幅材102取得一般称为“数据箱”的代表幅材102的连续点或小的段的测量信号。在本申请的发明中，基于位于扫描仪188上并包含测量装置100的扫描头封装的位置操作遮光器系统120。在正常的在线扫描中，遮光器叶片124回缩，使得遮光器打开并且来自光源108的射束被开通。但是，当扫描头封装处于幅材102的边缘190、192中的一个之上时，遮光器叶片124伸展，使得遮光器关闭并且来自光源108的射束被阻挡。
在头封装在刚刚经过第一或最后的有效的数据箱之后停在回转点时，遮光器叶片124可在各板边缘192、194处关闭。作为替代性的并且当前优选的方案，根据需要多频繁的规格化，遮光器叶片124在每第n个板边缘处关闭。当遮光器在幅材102的边缘190、192中的一个上关闭时，测量系统必须仍处于幅材102上，这称为“板上”，使得来自检测器142中的每一个的信号可被测量并且代表幅材102。在工作实施例中，通过使用沿MD与传感器源射束成直线设置的高温计178，幅材102的边缘(190或192)处的温度也在幅材102的边缘(190或192)上被测量。
对于边缘测量操作，头封装可在板边缘上停止，直到完成测量和规格化操作。该操作模式是简单的，并且，当扫描方向反转时，数据箱测量不被错过。但是，如果需要附加的过滤，在一些情况下是这种情况，那么，扫描数据可在规格化中被丢失并且扫描周期加长。
作为替代方案，当头封装从幅材的中心向幅材边缘移动时，在完成近或远数据箱测量的时刻，开始规格化操作。对于这种模式的操作，当头封装通过第一或最后的数据箱、停止并然后开始在板上反向加速时，规格化任务的至少一部分在转向时间中运行。在大多数情况下，规格化任务将不能及时完成以测量跟随扫描方向反转的最前面的一些数据箱的时间。在这些情况下，错失的数据箱被当头封装接近板的边缘时测量的值后填充。这种模式的操作具有使扫描周期最小化的优点；但是，与板边缘相邻地(在转向之后)测量的数据箱被先前的数据填充。这两种模式的使用将依赖于应用，并且可基于过程特性(基重)和/或顾客对于更快的扫描周期或更鲁棒的边缘测量的要求。
在几乎所有的在线纸幅材测量中，由于从幅材去除水的干燥器，幅材是热的，并且，幅材的温度改变。通过一张薄纸的温度记录取得的沿CD和MD的温度变化的例子如图8所示。温度的范围和变化依赖于制造的纸的类型、被监视的特定的机器和当前的操作条件等。
通过检测器元件142中的每一个检测来自热的板的辐射(普朗克辐射)。如图示出由具有约150℃的温度的纸幅材发射的辐射的图9所示，普朗克辐射是依赖波长的。由于普朗克辐射是波长依赖的并且检测器元件142中的每一个感测特定的波长，因此，普朗克辐射的量对于检测器元件142中的每一个是不同的。通过使用普朗克定律，对于示出的本申请的实施例的检测器元件142(基准(R)、水(W)和纤维(F))的三个波长预测的普朗克辐射如图10所示。
响应普朗克辐射产生的信号添加了使响应来自光源108的在透过幅材102之后的辐射射束产生的信号偏移的偏置。向各信号添加的这些普朗克辐射偏移在计算的被测量的材料属性中导致误差。在使用全时断路器的传感器中，通过在遮光器关闭时间期间测量普朗克辐射去除这些偏移。在本申请中，通过使用板温度和在幅材102的边缘190、192中的一个处在遮光器关闭时进行的检测器元件测量去除普朗克辐射偏移。更特别地，随着扫描仪188扫描幅材102，高温计178跨着幅材102测量各数据箱的温度，并且，基于板边缘的温度和数据箱温度之间的差值对于各数据箱产生普朗克校正因子。
由各检测器142检测的普朗克辐射至少受以下方面的影响：光纤射束分离器140的光纤150A、150B、150C的各子捆的光通过量(throughput)；光纤150的吸收特性；带通滤波器162、164、166的透过因子；电路176的电子增益的差异；和各检测器142的波长依赖性响应。这些效果导致检测信道之间的增益差，在示出的实施例中，检测信道是与检测器元件142A、142B、142C对应的三个信道。这些信道差在测量的普朗克辐射信号和如图10所示的由普朗克辐射定律预测的信号之间产生差异。
对于制造中的图3所示的传感器光学子组件的通过量的校准，在光学输入端口148被指向代表理论黑体的热黑板的同时，以高测量放大器增益测量普朗克信号。精确地测量黑板的温度，并且，测量各信道中的实际测量信号与理论普朗克辐射器之间的偏差。对于各信道找到单一比例因子或通过量头常数(throughput head constant)，以使得检测的信号等于理想的信号。比例因子不仅校正光学路径中的差异，而且将输出单位从μW/cm2/.01μm转换成电压水平。
图11中示出导出的比例因子对理想辐射的例子，其中，在顶部示出的校准比例因子，并且数据以213的测量放大器增益被测量并且被校正。通过传感器标准化中的校准步骤或通过电子设计，可在每个步骤的实际放大器增益被获知在合理的精度内的情况下在不同的增益设置上进行在线测量。在工作实施例中，20～215的16个增益步骤是可用的。因此，在任何已知的传感器增益步骤，可在任何测量的板温度下计算普朗克辐射的影响。
在板的每第n个边缘处测量的电压值由普朗克辐射和电子偏移漂移构成。实验表明，电子偏移漂移相对较慢，但是(如图8所示)，普朗克辐射可迅速地改变。电子偏移漂移的变化率确定多频繁地进行板边缘截断。
本申请的发明人确定，普朗克定律的预测很好地与实验室测量相关。对于本申请的红外测量，普朗克方程仅需要对于在线校正被换算到对于已知温度下的背景辐射的传感器电压响应。换算的普朗克校正函数对于基准(R)、水分(W)和纤维(F)测量信道被定义如下：
R _ planck ( T ) = S R U λ R 5 ( exp ( V ( T + 273.15 ) λ R ) - 1 ) - 1
W _ planck ( T ) = S w U λ w 5 ( exp ( V ( T + 273.15 ) λ w ) - 1 ) - 1
F _ planck ( T ) = S F U λ F 5 ( exp ( V ( T + 273.15 ) λ F ) - 1 ) - 1
这里，U和V是用于简化普朗克方程的形式的系数。
U＝2hc2，这里，h是普朗克常数，c是光速；
V＝hc/k，这里，k是玻耳兹曼常数，
λR是基准信号波长，λW是水信号波长，λF是纤维素信号波长，T是以℃为单位的幅材温度。SR、SW和SF是以上参照图11讨论的用于将理论谱辐照度(板温度和信号波长的函数)转换成在213的增益的传感器电压响应的信道换算因子。因此，使用这些函数的计算是在213的增益水平处的伏特为单位的，该增益水平是限定普朗克校正电压的任意的增益水平。这些函数是普朗克校正的基础。
基于板温度自最近的边缘扫描测量或基线规格化(BN)以来的变化，这些普朗克校正函数被用于估计背景辐射信号的变化、普朗克辐射偏移。因此，板温度的变化是当前数据箱的温度T_box与在最近的基线规格化中测量的温度T_BN之间的差值。
通过对于各温度使用换算的普朗克校正函数、减去结果并且对于当前增益设置N调整结果计算普朗克校正估计(dR_planck、dW_planck和dF_planck)。这些校正取以下的数学形式：
dR_planck(T_box，T_BN，N)＝(R_planck(T_box)-R_planck(T_BN))·2(N-13)
dW_planck(T_box，T_BN，N)＝(W_planck(T_box)-W_planck(T_BN))·2(N-13)
dF_planck(T_box，T_BN，N)＝(F_planck(T_box)-F_planck(T_BN))·2(N-13)
在在线扫描中，各测量信号被平均化为数据箱：R_box、W_box、F_box和T_box。在两个阶段中从波长信道去除信号偏移。首先，减去在最近的基线规格化中确定的电子漂移偏移值。第二，然后减去普朗克校正估计。
R＝R_box-R_BN-dR_Planck(T_box，T_BN，N)
M_w＝(W_box-W_BN)·GW(N)-dW_Planck(T_box，T_BN，N)
M_f＝(F_box-F_BN)·GF(N)-dF_Planck(T_box，T_BN，N)
在水和纤维信道的情况下，该结果是基于最近增益规格化数据和当前的传感器的增益N规格化的增益。这些信号R、M_w和M_f被用作用于确定基本上没有电子漂移偏移和普朗克偏移的精确的测量的原始输入数据。
以上的描述针对如下的扫描头封装的操作，该扫描头封装跨着沿MD移动的幅材沿CD扫描，并且，包括在幅材的每个边缘或每第n个边缘执行截断。虽然由于与用于幅材制造的通常的机器操作对应因此在大多数的时间执行扫描操作中的边缘截断，但是，本申请的测量系统也使得能够在单点和其它的可能的机器操作模式中的操作中导出校正因子。
在第一示例性单点操作模式中，扫描仪在特定的CD点处停留蓄积对于需要的操作足够的数据所需要的时间。该单点操作模式中的操作的例子包括收集数据以检测幅材制作机器中的不寻常的行为的来源，以调谐对于CD致动器的响应时间、检测板的边缘附近的湿或干问题等。虽然该单点模式中的时间可改变，但是，示例性范围可从一小时到一天。在称为校准采样模式的第二示例性单点模式中，扫描仪重新停在特定的CD点；但是，通常，对于诸如十分钟的更短的时间监视CD点。例如可以使用校准采样模式，以在选择的单个CD点产生传感器读数的打印报告，该选择的单个CD点通常是在生产之后可能从纸卷筒切割校准采样之处。
除了截断的定时以外，本申请的测量系统的非扫描操作基本上与以上对于扫描操作讨论的相同。在非扫描操作中，由于测量系统位于单个CD点上，因此，不使得截断操作与板的边缘一致，而基于经过的时间段执行截断操作。总体上，截断时间即遮光器阻挡光源的时间大致与扫描测量中的相同，只有板上的进行截断的位置不同。即，在幅材上的特定的CD点处进行截断，并且，如上面描述的那样产生包含普朗克校正的校正因子。
非扫描操作使得能够在不扫描的测量系统中使用本申请的发明。例如，如图12所示，可通过使用跨着整个幅材204延伸的固定传感器的阵列202构建测量系统200。固定传感器的阵列202包含红外传感器142，并且还可包含高温计。优选地，如果使用，则传感器的阵列202中的红外传感器和高温计会跨着幅材204对于各数据箱被设置。与图1的测量装置100同样，可对于要透过幅材204的光设置光源206。作为替代方案或者与光源206组合，如果要在测量系统200中在幅材204的与传感器阵列202相同的一侧设置照明，则可以使用光源208。
光源206、208被示为单独的分布式的光源，但是，也可在测量系统200中使用其它的光源。光源206、208可对于光截断操作被关断。作为替代方案，光源206、208可形成为具有用于照射幅材204的狭缝的光管。光管可旋转以截断光，从而对于长的分布源形成旋转遮光器。如果希望的话，光管可被构建为仅截断光源的一部分，即各边缘处的部分。本领域技术人员可以理解，可以以大量的方式执行分布式的源的截断。
虽然具体参照本发明的某些示出的实施例描述了本发明，但是，在以下权利要求的精神和范围内，可以实现本发明的变化和修改。
所要求权利的是：

Claims (18)

1.一种用于在材料的幅材正在被制造并且正在沿机器方向(MD)移动时通过沿横向机器方向(CD)跨着所述幅材往复扫描测量装置以测量所述幅材的至少一种属性的方法，所述测量装置包括被引向所述幅材的适于测量所述至少一种属性的辐射的源以及从所述幅材接收测量辐射的至少第一和第二传感器，所述方法包括：
在跨着所述幅材的连续点接收代表所述幅材的所述至少一种属性的辐射；
测量跨着所述幅材的所述连续点处的温度；
在所述幅材的边缘处中断所述测量辐射；
在所述测量辐射被中断时在所述幅材的所述边缘处感测辐射；
测量所述幅材的所述边缘的温度；
对于跨着所述幅材的所述连续点中的每一个，从所述幅材边缘温度和测量的所述连续点的温度开发对于所述至少一种属性的校正因子；以及
在跨着所述幅材的所述连续点中的每一个处应用所述校正因子，以校正包含于在跨着所述幅材的所述连续点处接收的代表所述幅材的至少一种属性的辐射中的普朗克辐射。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述幅材的边缘处中断所述测量辐射包含在所述幅材的每第n个边缘处中断所述测量辐射。
3.如权利要求1所述的方法，其中，开发校正因子包含开发电压水平形式的校正因子。
4.如权利要求3所述的方法，其中，开发电压水平形式的校正因子包含求解下式：
χ _ planck ( T ) = S χ U λ χ 5 ( exp ( V ( T + 273.15 ) λ χ ) - 1 ) - 1
这里，
χ＝至少一种属性；
U＝2hc2；
V＝hc/k；
λχ＝至少一种属性波长；
T＝幅材温度，单位为℃；以及
Sχ＝属性的通过量头常数。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在跨着所述幅材的连续点处接收代表所述幅材的所述至少一种属性的辐射还包含：
将代表所述幅材的所述至少一种属性的所述辐射分离成至少第一和第二部分；以及
将所述至少第一和第二部分分配给所述至少第一和第二传感器。
6.如权利要求5所述的方法，其中，分离代表所述幅材的所述至少一种属性的所述辐射以及将所述至少第一和第二部分分配给所述至少第一和第二传感器由射束分离装置执行，并进一步包含所述辐射的均匀化。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述辐射的均匀化由包含光纤捆的所述射束分离装置执行，并且包括：
从所述射束分离装置的输入端口的基本上整个辐射输入表面随机选择所述光纤中的多个；
分别路由所述光纤中的所述随机选择的多个，以形成与所述辐射的所述第一和第二部分对应的光纤的至少第一和第二子捆；和
在所述射束分离装置的至少第一和第二输出端口上随机分配所述至少第一和第二子捆的光纤。
8.一种测量装置，用于在材料的幅材正在被制造并且正在沿机器方向(MD)移动时通过沿横向机器方向(CD)跨着所述幅材往复扫描所述测量装置以测量所述幅材的至少一种属性，所述测量装置包括：
适于测量所述至少一种属性的测量辐射的源，所述测量辐射被引向所述幅材；
从所述幅材接收辐射并产生代表所述辐射的信号的至少第一和第二传感器；
测量所述幅材的温度的至少一个高温计；以及
当所述传感器位于所述幅材的边缘上时中断测量辐射的所述源的遮光器机构，其中，所述传感器响应在测量辐射的所述源不被中断时在所述幅材的边缘之间跨着所述幅材延伸的连续点中的每一个的代表所述至少一种属性的测量辐射和普朗克辐射产生信号，并且，所述传感器响应在测量辐射的所述源被中断时所述幅材的所述边缘中的至少一个的普朗克辐射产生信号，并且，所述高温计测量跨着所述幅材延伸的所述连续点中的每一个的以及所述幅材的所述边缘中的至少一个的温度；以及
控制器，所述控制器从测量的边缘温度和测量的跨着所述幅材的所述连续点中的每一个的温度，对于跨着所述幅材的所述连续点中的每一个开发对于所述至少一种属性的校正因子，并且对于跨着所述幅材的所述连续点中的每一个应用所述校正因子以校正包含于对于跨着所述幅材的所述连续点中的每一个感测的辐射中的普朗克辐射。
9.如权利要求8所述的测量装置，其中，测量辐射的所述源处于所述幅材的第一侧，并且，所述传感器处于所述幅材的与所述第一侧相反的第二侧。
10.如权利要求8所述的测量装置，其中，所述至少一个高温计包含沿机器方向(MD)与测量辐射的所述源对准但沿横向机器方向(CD)偏移的单个高温计。
11.如权利要求10所述的测量装置，其中，测量辐射的所述源处于所述幅材的第一侧，并且，所述传感器和高温计处于所述幅材的与所述第一侧相反的第二侧。
12.如权利要求8所述的测量装置，其中，所述至少一个高温计包含沿横向机器方向(CD)与测量辐射的所述源对准但沿机器方向(MD)偏移的单个高温计，并且，所述控制器在所述校正因子的开发期间应用空间重新对准。
13.如权利要求12所述的测量装置，其中，测量辐射的所述源位于所述幅材的第一侧，并且，所述传感器和高温计处于所述幅材的与所述第一侧相反的第二侧。
14.一种测量装置，用于在材料的幅材正在被制造并且正在沿机器方向(MD)移动时通过沿横向机器方向(CD)跨着所述幅材往复扫描所述测量装置以测量所述幅材的至少一种属性，所述测量装置包括：
适于测量所述至少一种属性的测量辐射的源，所述测量辐射被引向所述幅材的第一侧；
从所述幅材的与所述第一侧相反的第二侧接收辐射的射束分离装置，所述射束分离装置具有指向所述幅材的被所述测量辐射照射的区域的辐射输入端口以及至少第一输出端口和第二输出端口；
从所述射束分离装置的所述第一输出端口接收辐射并产生代表接收的辐射的信号的第一传感器；
从所述射束分离装置的所述第二输出端口接收辐射并产生代表接收的辐射的信号的第二传感器；
测量所述幅材的温度的高温计；以及
当所述传感器位于所述幅材的边缘上时中断测量辐射的所述源的遮光器机构，其中，所述第一和第二传感器响应在测量辐射的所述源不被中断时在所述幅材的边缘之间跨着所述幅材延伸的连续点中的每一个的测量辐射和普朗克辐射产生信号，并且，所述第一和第二传感器响应在测量辐射的所述源被中断时所述幅材的所述边缘中的至少一个的普朗克辐射产生信号，并且，所述高温计测量跨着所述幅材延伸的所述连续点中的每一个的以及所述幅材的所述边缘中的至少一个的温度；以及
控制器，所述控制器从测量的边缘温度和测量的跨着所述幅材的所述连续点中的每一个的温度，对于跨着所述幅材的所述连续点中的每一个开发对于所述至少一种属性的校正因子，并且对于跨着所述幅材的所述连续点中的每一个应用所述校正因子以校正包含于对于在所述幅材的所述边缘之间跨着所述幅材延伸的所述连续点中的每一个感测的辐射中的普朗克辐射。
15.如权利要求14所述的测量装置，其中，所述射束分离装置的所述辐射输入端口与测量辐射的所述源对准，并且，当接收到的辐射穿过所述射束分离装置时使所述接收到的辐射均匀化。
16.如权利要求15所述的测量装置，其中，所述射束分离装置的所述辐射输入端口包含光纤捆，所述光纤中的多个被随机地选自限定所述输入端口的所述光纤捆，并且被分别路由以形成将在所述输入端口的基本上整个表面上接收到的辐射的多个部分分到所述至少第一和第二输出端口的光纤的至少第一和第二子捆，所述至少第一和第二子捆的光纤随机分布于至少所述第一和第二输出端口上。
17.一种用于在材料的幅材正在被制造并且正在沿机器方向(MD)移动时测量所述幅材的至少一种属性的方法，所述测量装置包括：被引向所述幅材的适于测量所述至少一种属性的辐射的源；和从所述幅材接收测量辐射的至少第一和第二传感器，所述方法包括：
从所述幅材的沿横向方向(CD)的至少一个点接收代表所述幅材的所述至少一种属性的辐射；
测量在所述幅材的沿CD的所述至少一个点处的温度；
中断所述测量辐射；
在所述测量辐射被中断时，感测从所述幅材接收的辐射；
从在中断所述测量辐射时测量的所述温度和测量的所述幅材的所述至少一个点的温度开发对于所述至少一种属性的校正因子；以及
在所述幅材的所述至少一个点应用所述校正因子，以校正包含于在所述幅材的所述至少一个点接收的代表所述幅材的所述至少一种属性的辐射中的普朗克辐射。
18.如权利要求17所述的方法，其中，中断所述测量辐射包含在经过的时间段之后中断所述测量辐射。
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