CN110645897A - 一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于纸张厚度检测技术领域，公开了一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法和设备，其中所述方法包括如下步骤：实施动态检测，发射太赫兹脉冲；根据脉冲反射获取太赫兹时域波形图并进行处理；建立厚度提取模型，计算待测纸张折射率和纸张厚度；动态检测结束，获得实时二维纸张厚度曲线图；其中所述设备包括检测组件、驱动组件和安装组件，驱动组件用于驱动安装组件，并且通过安装组件的配合带动检测组件产生往复移动；本发明提供的一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法和设备，可提高工业纸张检测中的检测精度和检测效率，同时能够实现动态检测、实时和在线监控工业纸张制造流程，满足实际工业检测实时性需求。

Description

一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法和设备

技术领域

本发明属于纸张厚度检测技术领域，具体涉及一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法和设备。

背景技术

纸张厚度是表征纸张质量的重要指标之一，因此，在纸张的生产过程中，常将纸张厚度作为生产过程参数进行监控。纸张厚度的检测有接触式和非接触式两种。接触式使用卡尺等工具测量，所用设备具有结构简单成本低廉的优势，但是直接接触纸张可能会对产品质量产生不利影响，且不适合在线检测。非接触式测量工具不与纸张直接接触，适合在线检测。目前，工业上常用于纸张检测的方法是基于β射线和x射线传感器，但是β射线和x射线存在电离辐射，会对人体存在一定损害。

太赫兹(THz)波是指位于微波和红外频段之间的电磁波，频率范围在0.1-10THz之间。太赫兹波技术具有如下技术特点：(1)太赫兹波长比可见光和红外光要长，受物质颗粒散射影响较小；(2)THz光子的能量辐射低且只有10^-3量级，比X射线的10^3量级要小得多，不易破坏被检测的物质，可以用于无损检测；(3)利用太赫兹时域光谱技术可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，信噪比高；(4)太赫兹时域光谱技术采用光脉冲取样探测方法，可以获得太赫兹波的瞬态电场，即同时得到振幅和相位信息。

在现有技术中，提出了多种实现太赫兹无损检测的方式，但是在纸张的制造工艺流程中，实时在线动态监控纸张的制造质量对于快速制造高质量和稳定的纸质显得异常重要，这对太赫兹装置设计和检测流程设计提出很高的要求。

发明内容

鉴于此，本发明有必要提供一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法，以提高工业纸张检测中的检测精度和检测效率；同时，还有必要提供一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备，能够实现动态检测、实时和在线监控工业纸张制造流程，以满足实际工业检测实时性需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法，包括如下步骤：

S1.动态测定纸张样品，以S11或S12的工作方式进行，使得检测组件向被检测纸张样品发射太赫兹脉冲；其中，S11.被检测纸张相对于检测组件静止，检测组件进行移动检测，并在移动过程中接收反射的太赫兹回波信号，以形成太赫兹时域波形图；S12.检测组件相对于被检测纸张静止，被检测纸张进行移动检测，由检测组件接收反射的太赫兹回波信号，以形成太赫兹时域波形图；

S2.获取脉冲与纸张样品作用后的太赫兹时域波形图；

S3.对太赫兹时域波形图的动态光谱数据进行处理；排除因背景噪声及杂质因素引起的抖动，以提高检测的准确度；具体为将太赫兹时域波形图进行平滑处理，消除上述波形图中的细小杂峰；

S4.动态测定待测纸张，检测组件向待测纸张发射太赫兹脉冲，脉冲在空气与待测纸张交界面产生第一次反射，记为第一太赫兹回波信号，并获取回波时间t1；

S5.太赫兹脉冲透射至待测纸张内部，并在待测纸张的另一侧产生第二次反射，该发射中携带有待测纸张的内部信息，记为第二太赫兹回波信号，并获取回波时间t2；

S6.计算第二太赫兹回波信号相对于第一太赫兹回波信号的延迟时间ΔT，其中ΔT＝|t2-t1|；

S7.建立厚度提取模型：

S71.当太赫兹脉冲垂直入射到被测纸张样品表面时，测得两者时间差为ΔT1，则纸张样品厚度d1为：d1＝c·ΔT1/(2n)，其中c为真空中的光速，n为纸张样品的折射率；

S72.当太赫兹脉冲以θ角度入射到被测纸张样品表面，测得两者时间差为ΔT2，则纸张样品厚度d2为：

其中c为真空中的光速，n为纸张样品的折射率；

S73.基于(1)与(2)所测的纸张样品相同，因此d1＝d2，得出纸张样品的折射率n为：

S74.得出待测纸张折射率n后依据折射率n计算待测纸张厚度。

另外，还包括厚度相关系数M，并通过M简化厚度提取模型：d＝M·ΔT；所述厚度相关系数M采用人为设置、或通过检测标准纸张样品的若干分布点采用飞行时间差平均化的方法形成；

S8.结束动态检测，获得二维纸张厚度曲线图。

本发明还提供一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备，包括检测组件、驱动组件和安装组件，其中所述检测组件固定于安装组件上，且通过安装组件形成可调式安装，所述驱动组件用于驱动安装组件，并且通过安装组件的配合带动检测组件产生往复移动。

优选的，所述检测组件包括底座、分光镜、接收装置和发射装置，其中所述底座直接与安装组件固定，所述发射装置用于向待测纸张发射太赫兹波，所述接收装置用于接收经待测纸张反射回的太赫兹波，所述分光镜为半透半反镜头构成，用于改变太赫兹回波信号的反射方向，并保证接收装置能接收到太赫兹回波信号。

优选的，所述安装组件包括延伸架、滑台和调节组件，其中所述调节组件包括第一连接耳和转台，所述第一连接耳直接焊接于底座的底端，所述转台的顶部延伸有第二连接耳，所述第二连接耳与第一连接耳上均开设有通孔，且通孔内贯穿有限位螺栓，形成第二连接耳与第一连接耳的连接，所述限位螺栓的一端套有锁紧螺母，实现调节组件的锁紧固定。

优选的，所述滑台顶部焊接有与转台适配的弧形固定座，且弧形固定座上开设有滑孔，所述转台沿滑孔产生相对转动，且转台内贯穿有定位销，实现转台的定位固定。

优选的，所述滑台的一侧焊接延伸架，且延伸架上安装有马达，所述滑台远离延伸架的一侧形成有配合凹槽，且配合凹槽的一侧配合有导轨，所述导轨与马达组合形成驱动组件，且通过马达的驱动使安装组件沿导轨往复移动。

优选的，所述导轨的一侧外壁上设有直齿条，所述马达的输出端转动连接有齿轮，且齿轮与直齿条啮合连接。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)基于本发明所提供的检测方法能有效实现工业纸张的多张同检，同时基于筛选或补差计算的方式还保证了多张同检时的检测精度，既满工业应用中检测精确度的需求，又满足检测效率的需求。

(2)本发明所提供一种太赫兹检测纸张厚度的设备，能够实现动态检测、实时和在线监控工业纸张制造流程，满足实际工业检测实时性的需求。

(3)本发明所提供的检测设备中，还基于安装组件的设置实现了检测组件的活动调节，以保证检测组件与待测纸张能有效保持相对垂直的位置，进而保证太赫兹波射入和反射的精度。

附图说明

图1为本发明中一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法的一实施例的流程图；

图2为本发明中一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法的另一实施例的流程图；

图3为本发明中一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备的立体图；

图4为本发明中检测组件的俯视示意图；

图5为图3中的A处放大图；

图6为本发明中安装组件的结构示意图；

图7为本发明中一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备的一使用示意图；

图8为本发明中一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备的另一使用示意图；

图中：10-检测组件、11-底座、12-分光镜、13-发射装置、14-接收装置、20-驱动组件、21-导轨、22-马达、23-齿轮、30-安装组件、31-延伸架、32-滑台、321-配合凹槽、322-弧形固定座、323-滑孔、324-定位销、33-调节组件、331-第一连接耳、332-转台、333-第二连接耳、334-锁紧螺母、40-待测纸张。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1所示，本发明提供了一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法，取纸张样品N＝1时，实施动态在线检测包括如下步骤：

S1.动态测定纸张样品，以S11或S12的工作方式进行，使得检测组件向被检测纸张样品发射太赫兹脉冲；

其中：S11.如图7所示，被检测纸张相对于检测组件静止，检测组件进行移动检测，并在移动过程中接收反射的太赫兹回波信号，以形成太赫兹时域波形图；

S12.如图8所示，检测组件相对于被检测纸张静止，被检测纸张进行移动检测，由检测组件接收反射的太赫兹回波信号，以形成太赫兹时域波形图；

S2.获取脉冲与纸张样品作用后的太赫兹时域波形图；

S3.对太赫兹时域波形图的动态光谱数据进行处理；排除因背景噪声及杂质因素引起的抖动，以提高检测的准确度；具体为将太赫兹时域波形图进行平滑处理，消除上述波形图中的细小杂峰；

S4.提取波形图中的最高峰作为第一太赫兹回波信号，即空气与纸张界面的反射峰，以最高峰顶点对应的时间作为回波时间t1；

S5.提取波形图中的次高峰作为第二太赫兹回波信号，即纸张与空气界面的反射峰，以次高峰顶点对应的时间作为回波时间t2；

S6.计算第二太赫兹回波信号相对于第一太赫兹回波信号的延迟时间ΔT，其中ΔT＝|t2-t1|；

S7.建立厚度提取模型：

S71.当太赫兹脉冲垂直入射到被测纸张样品表面时，测得两者时间差为ΔT1，则纸张样品厚度d1为：d1＝c·ΔT1/(2n)，其中c为真空中的光速，n为纸张样品的折射率；

S72.当太赫兹脉冲以θ角度入射到被测纸张样品表面，测得两者时间差为ΔT2，则纸张样品厚度d2为：

其中c为真空中的光速，n为纸张样品的折射率；

S73.基于S71与S72所测的纸张样品相同，因此d1＝d2，得出纸张样品的折射率n为：

S74.得出待测纸张40折射率n后即可根据折射率n计算得出待测纸张40厚度。

另外，还包括厚度相关系数M，并通过M简化厚度提取模型：d＝M·ΔT；所述厚度相关系数M采用人为设置、或通过检测标准纸张样品的若干分布点采用飞行时间差平均化的方法形成；

S8.结束动态检测，获得二维纸张厚度曲线图。

实施例2

请参阅图2所示，包括如下步骤：

S1.制作标准纸张样品，测定标准纸张样品厚度，测定标准纸张样品的太赫兹时域波形；并依据标准纸张样品厚度和太赫兹时域波形建立标准纸张的数学模型；

S2.取N张待测纸张，发射太赫兹波至待测纸张40表面，得到N张待测纸张40所对应的N+1个太赫兹时域波形；

S3.根据时域波形获得的时间先后对N+1个太赫兹时域波形进行排序；

S4.由太赫兹时域波形判断待测纸张40的信噪比，与预设定的信噪比数值α做比较，若待测纸张40的信噪比大于预设定的信噪比数值α，则做出预警，显示该待测纸张40不合格，需要重新调制做相应的处理，如烘干之类的处理，制作出新的纸张再进行测试；

S5.若待测纸张40的信噪比小于预设定的信噪比数值α，将待测纸张40的太赫兹时域波形图与数学模型图做对比，若待测纸张40的太赫兹时域波形图与数学模型图偏离度相差大于设定的偏离度β，则显示该待测纸张40不合格，需要重新调制，做相应的处理，制作出新的纸张再进行测试；

S6.若待测纸张40的太赫兹时域波形图与数学模型图偏离度相差小于设定的偏离度β，则筛选S3的排序中的前N/2取整数个的太赫兹时域波形；

S7.将筛选所得的N/2取整数个太赫兹时域波形与标准纸张的数学模型相对比，并计算得到靠近太赫兹波发射起点的N/2取整张待测纸张40的厚度。

基于上述方法

设定N＝18，发射的太赫兹波强度能有效穿过18张待测纸张40，在反射得到18张待测纸张40所对应的太赫兹时域波形后，判断其信噪比小于预设定的信噪比数值α后，筛选最先得到的9个太赫兹时域波形，然后将筛选的9个太赫兹时域波形与标准纸张的数学模型相对比，若被测纸张的太赫兹时域波形图与数学模型图偏离度相差小于设定的偏离度β，计算得到9张靠近太赫兹波发射起点的待测纸张40厚度；

具体，是由太赫兹波在穿透张待测纸张40的过程中存在损耗，而越靠近发射起点处的强度越大，因而检测所得的纸张厚度越精确，因此设定发射的太赫兹波强度为计算的待测纸张40数量的两倍，能有效保证计算所得的纸张厚度的精准性；

而在工业的在线检测过程中，将18张待测纸张40置于检测装置的检测方向上，在完成一次检测后取走靠近检测装置的9张待测纸张40，然后通过在后方补入待测纸张40的方式检测剩下的9张待测纸张40，以形成持续化检测，并且具有检测效率高、精度高的优点。

实施例3

请参阅图3-图7所示，本发明还提供了一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备，包括检测组件10、驱动组件20和安装组件30，其中检测组件10固定于安装组件30上，且通过安装组件30形成可调式安装，驱动组件20用于驱动安装组件30，并且通过安装组件30的配合带动检测组件10产生往复移动。

优选的，检测组件10包括底座11、分光镜12、发射装置13和接收装置14，其中底座11直接与安装组件30固定，发射装置13用于向待测纸张40发射太赫兹波，接收装置14用于接收经待测纸张40反射回的太赫兹波，分光镜12为半透半反镜头构成，用于改变太赫兹回波信号的反射反向，并保证接收装置13能接收到太赫兹回波信号。

在实际检测过程中，结合图7的使用状态可知：发射装置13发出太赫兹波，太赫兹波穿过分光镜12后射至待测纸张40的表面，然后经待测纸张40反射并由接收装置14进行接收，以此在检测组件10中形成该待测纸张40的太赫兹时域波形；

另外，为进一步保证检测的完整性和精准性，可通过驱动组件20驱使检测组件10沿图7中箭头所指的方向进行往复移动，保证整张待测纸张40检测的完整性；而安装组件30则实现检测组件10定位方向的活动调节，以保证检测组件10与待测纸张40能形成相对垂直的状态，从而进一步保证检测操作的精准性。

进一步的，如图6所示，安装组件30包括延伸架31、滑台32和调节组件33，其中调节组件33包括第一连接耳331和转台332，第一连接耳331直接焊接于底座11的底端，转台332的顶部延伸有第二连接耳333，第二连接耳333与第一连接耳331上均开设有通孔，且通孔内贯穿有限位螺栓，形成第二连接耳333与第一连接耳331的连接，限位螺栓的一端套有锁紧螺母334，实现调节组件33的锁紧固定。

根据上述结构可有效实现检测组件10在竖直方向上的转动，具体转动时：首先拧松锁紧螺母334，使得第一连接耳331与第二连接耳333形成相对可活动的转动，然后沿以Y轴作为轴线进行顺时针或逆时针的转动，以调整检测组件10与待测纸张40的相对位置，调整完成后在拧紧锁紧螺母334即可，操作简单。

进一步的，如图6所示，滑台32顶部焊接有与转台332适配的弧形固定座322，且弧形固定座322上开设有滑孔323，转台332沿滑孔323产生相对转动，且转台332内贯穿有定位销324，实现转台332的定位固定。

根据上述结构可有效实现检测组件10在水平方向上的转动，具体转动时：松开定位销324，优选的定位销324为螺纹销，与转台332旋合连接，以便于进行拆装，接着以Z轴为轴线转动检测组件10，使得转台332进行转动，同时带动定位销324在滑孔323内滑动，进一步改变检测组件10的定位位置，以满足提高检测精度的需求。

更进一步的，如图1所示，滑台32的一侧焊接延伸架31，且延伸架31上安装有马达22，滑台32远离延伸架31的一侧形成有配合凹槽321，且配合凹槽321的一侧配合有导轨21，导轨21与马达22组合形成驱动组件20，且通过马达22的驱动使安装组件30沿导轨21往复移动；

导轨21的一侧外壁上设有直齿条，马达22的输出端转动连接有齿轮23，且齿轮23与直齿条啮合连接。

根据上述结构可有效实现检测组件10在Y轴方向上的移动，具体移动时：启动马达22，通过马达22的输出轴驱动齿轮23进行转动，齿轮23则与直齿条啮合从而带动整体安装组件30进行移动，安装组件30又带动安装于其上的检测组件10进行移动，从而满足完整检测的需要。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.动态测定纸张样品，检测组件向被检测纸张样品发射太赫兹脉冲；

S2.获取脉冲与纸张样品作用后的太赫兹时域波形图；

S3.对太赫兹时域波形图的动态光谱数据进行处理；

S4.动态测定待测纸张，检测组件向待测纸张发射太赫兹脉冲，脉冲在空气与待测纸张交界面产生第一次反射，记为第一太赫兹回波信号，并获取回波时间t1；

S5.太赫兹脉冲透射至待测纸张内部，并在待测纸张的另一侧产生第二次反射，该发射中携带有待测纸张的内部信息，记为第二太赫兹回波信号，并获取回波时间t2；

S6.计算第二太赫兹回波信号相对于第一太赫兹回波信号的延迟时间ΔT，其中ΔT＝|t2-t1|；

S7.建立厚度提取模型，根据延迟时间ΔT计算纸张折射率，并以此计算待测纸张厚度；

S8.结束动态检测，获得二维纸张厚度曲线图。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法，其特征在于，所述步骤S1中的动态检测包括S11和S12两种使用方式：

S11.被检测纸张相对于检测组件静止，检测组件进行移动检测，并在移动过程中接收反射的太赫兹回波信号，以形成太赫兹时域波形图；

S12.检测组件相对于被检测纸张静止，被检测纸张进行移动检测，由检测组件接收反射的太赫兹回波信号，以形成太赫兹时域波形图。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法，其特征在于，所述步骤S7中的建立厚度提取模型的方法如下：

S71.太赫兹脉冲垂直入射到被测纸张样品表面，测得两者时间差为ΔT1，则纸张样品厚度d1为：d1＝c·ΔT1/(2n)，其中c为真空中的光速，n为纸张样品的折射率；

S72.太赫兹脉冲以θ角度入射到被测纸张样品表面，测得两者时间差为ΔT2，则纸张样品厚度d2为：

其中c为真空中的光速，n为纸张样品的折射率；

S73.基于S71与S72所测的纸张样品相同，因此d1＝d2，得出纸张样品的折射率n为：

S74.根据S73所形成的计算公式，计算待测纸张的折射率，并依据折射率计算待测纸张厚度。

4.根据权利要求3所述的一种太赫兹动态检测纸张厚度的方法，其特征在于，还包括厚度相关系数M，并通过M简化厚度提取模型：d＝M·ΔT；所述厚度相关系数M采用人为设置、或通过检测标准纸张样品的若干分布点采用飞行时间差平均化的方法形成。

5.一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备，其特征在于：包括检测组件(10)、驱动组件(20)和安装组件(30)，其中所述检测组件(10)固定于安装组件(30)上，且通过安装组件(30)形成可调式安装，所述驱动组件(20)用于驱动安装组件(30)，并且通过安装组件(30)的配合带动检测组件(10)产生往复移动。

6.根据权利要求5所述的一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备，其特征在于：所述检测组件(10)包括底座(11)、分光镜(12)、发射装置(13)和接收装置(14)，其中所述底座(11)直接与安装组件(30)固定，所述发射装置(13)用于向待测纸张(40)发射太赫兹波，所述接收装置(14)用于接收经待测纸张(40)反射回的太赫兹波，所述分光镜(12)为半透半反镜头构成，用于改变太赫兹回波信号的反射方向，并保证接收装置(14)能接收到太赫兹回波信号。

7.根据权利要求6所述的一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备，其特征在于：所述安装组件(30)包括延伸架(31)、滑台(32)和调节组件(33)，其中所述调节组件(33)包括第一连接耳(331)和转台(332)，所述第一连接耳(331)直接焊接于底座(11)的底端，所述转台(332)的顶部延伸有第二连接耳(333)，所述第二连接耳(333)与第一连接耳(331)上均开设有通孔，且通孔内贯穿有限位螺栓，形成第二连接耳(333)与第一连接耳(331)的连接，所述限位螺栓的一端套有锁紧螺母(334)，实现调节组件(33)的锁紧固定。

8.根据权利要求7所述的一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备，其特征在于：所述滑台(32)顶部焊接有与转台(332)适配的弧形固定座(322)，且弧形固定座(322)上开设有滑孔(323)，所述转台(332)沿滑孔(323)产生相对转动，且转台(332)内贯穿有定位销(324)，实现转台(332)的定位固定。

9.根据权利要求8所述的一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备，其特征在于：所述滑台(32)的一侧焊接延伸架(31)，且延伸架(31)上安装有马达(22)，所述滑台(32)远离延伸架(31)的一侧形成有配合凹槽(321)，且配合凹槽(321)的一侧配合有导轨(21)，所述导轨(21)与马达(22)组合形成驱动组件(20)，且通过马达(22)的驱动使安装组件(30)沿导轨(21)往复移动。

10.根据权利要求9所述的一种太赫兹动态检测纸张厚度的设备，其特征在于：所述导轨(21)的一侧外壁上设有直齿条，所述马达(22)的输出端转动连接有齿轮(23)，且齿轮(23)与直齿条啮合连接。

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