CN111712729A - 使用太赫兹的用于片材产品的扫描厚度和基重传感器 - Google Patents

使用太赫兹的用于片材产品的扫描厚度和基重传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN111712729A
CN111712729A CN201980012943.7A CN201980012943A CN111712729A CN 111712729 A CN111712729 A CN 111712729A CN 201980012943 A CN201980012943 A CN 201980012943A CN 111712729 A CN111712729 A CN 111712729A
Authority
CN
China
Prior art keywords
terahertz radiation
sensor
sheet
terahertz
outer side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980012943.7A
Other languages
English (en)
Inventor
塞巴斯蒂安·蒂克西尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honeywell Inc
Original Assignee
Honeywell Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honeywell Inc filed Critical Honeywell Inc
Publication of CN111712729A publication Critical patent/CN111712729A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0691—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of objects while moving
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G17/00—Apparatus for or methods of weighing material of special form or property
    • G01G17/02—Apparatus for or methods of weighing material of special form or property for weighing material of filamentary or sheet form
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/34—Paper
    • G01N33/346—Paper paper sheets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/24—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by observing the transmission of wave or particle radiation through the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/36—Analysing materials by measuring the density or specific gravity, e.g. determining quantity of moisture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/40—Caliper-like sensors
    • G01B2210/42—Caliper-like sensors with one or more detectors on a single side of the object to be measured and with a backing surface of support or reference on the other side
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/0011—Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight
    • G01B5/0014—Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight due to temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures

Abstract

飞行时间测量独立于膜的折射率来计算移动膜的绝对厚度。耦接反射纤维的太赫兹计与定位在扫描仪头部内的温度稳定的Z传感器同轴安装。太赫兹计监测四种反射：(1)来自传感器窗口的反射，(2，3)来自被测量的片材产品的顶表面和底表面的反射，以及(4)来自放置在片材后面的反射器的反射。Z传感器监测反射器与传感器窗口之间的距离。太赫兹反射延迟与Z距离测量一起允许提取厚度。由于由片材引起的时间延迟是厚度和折射率的函数，因此片材的基重可通过使用传感器的校准来确定，该校准将产品的基重与时间延迟相关联。

Description

使用太赫兹的用于片材产品的扫描厚度和基重传感器
技术领域
本发明整体涉及使用太赫兹飞行时间技术对移动片材、幅材或膜诸如聚合物和纸材进行非接触厚度和基重测量的技术。
背景技术
红外传感器和核传感器用于平板工业中的在线测量。由于光在重型或不透明产品中的弱穿透性，因此红外传感器在应用中受到限制。红外传感器还存在需要复杂校准程序的问题，尤其是在测量多重或多层产品的情况下。核传感器具有能够直接测量基重而对确切产品组分的敏感度较低的优点，但这些传感器无法测量多重应用中的各个层。此外，核传感器造成严重的安全问题，并且维护成本很高。太赫兹传感器可解决这些缺点，但当前太赫兹装置的一个问题在于产品的折射率必须是已知的以便产生绝对厚度。制造商通常不知道他们产品的折射率，该折射率随组分和材料密度而变化。
发明内容
本发明部分地基于以下认识：飞行时间测量值可用于计算移动膜的绝对厚度，而不必知道膜的折射率。本发明的扫描太赫兹传感器可独立于产品密度实现稳健、准确的厚度测量。
在一个方面，本发明涉及一种测量移动膜的至少一个特性的非接触方法，该移动膜具有第一外(顶)侧、第二外(底)侧、第一内侧和第二内侧，并且沿纵向行进，该方法包括：
(a)提供传感器装置，该传感器装置包括(i)具有透明材料层的第一扫描仪头部，该透明材料层对太赫兹透明并且限定第一(上部)
片材引导表面，(ii)具有反射表面的反射构件，该反射表面反射太赫兹辐射，其中该反射表面限定第二(下部)片材引导表面，并且其中该第一(上部)片材引导表面和该第二(下部)片材引导表面限定测量间隙，移动膜沿纵向行进穿过该测量间隙；
(b)测量该测量间隙的距离；
(c)提供产生太赫兹辐射的太赫兹辐射源，该太赫兹辐射源定位在第一扫描仪头部中，以及引导该太赫兹辐射穿过第一材料层并且朝向行进穿过测量间隙的移动膜的第一外侧，使得第一片材引导件面向移动膜的第一外侧并且第二片材引导件面向移动膜的第二外侧；
(d)提供检测器，该检测器定位在第一扫描仪头部中，以接收(i)从透明材料层的内表面反射的第一太赫兹辐射，(ii)从膜的第一外(顶)侧反射的第二太赫兹辐射，(iii)从膜的第二内表面反射的第三太赫兹辐射，以及(iv)从反射表面反射的第四太赫兹辐射，其中检测器被配置为输出与该第一太赫兹辐射、该第二太赫兹辐射、该第三太赫兹辐射和该第四太赫兹辐射的检测对应的测量数据；以及
(e)(i)基于第一太赫兹辐射、第二太赫兹辐射、第三太赫兹辐射和第四太赫兹辐射的到达时间而独立于移动膜的折射率计算移动膜的厚度，和/或(ii)基于第一太赫兹辐射、第二太赫兹辐射、第三太赫兹辐射和第四太赫兹辐射的到达时间计算移动膜的基重。
在另一方面，本发明涉及一种用于测量连续片材的至少一个特性的扫描传感器，该连续片材具有第一外(顶)侧、第二外(底)侧、第一内侧和第二内侧，并且沿纵向行进，该扫描传感器包括：
第一扫描仪头部，该第一扫描仪头部邻近片材的第一外侧设置并且包括透明材料层，该透明材料层面向片材的第一外侧，并且对太赫兹辐射是透明的，并且限定第一(上部)片材引导表面；
反射构件，该反射构件具有反射太赫兹辐射并面向片材的第二外侧的反射表面，其中该反射表面限定第二(下部)片材引导表面，并且其中该第一(上部)片材引导表面和该第二片材引导表面限定测量间隙，连续片材沿纵向行进穿过该测量间隙；
太赫兹辐射源，该太赫兹辐射源定位在第一扫描仪头部中，并且被配置为产生太赫兹辐射，该太赫兹辐射透射穿过第一材料层并且朝向连续片材的第一外侧；
用于测量该测量间隙的距离的装置；
检测器，该检测器定位在第一扫描仪头部中，该检测器被配置为接收(i)从透明材料层的内表面反射的第一太赫兹辐射，(ii)从片材的第一外(顶)侧反射的第二太赫兹辐射，(iii)从片材的第二内表面反射的第三太赫兹辐射，以及(iv)从反射表面反射的第四太赫兹辐射，其中该检测器被配置为输出与该第一太赫兹辐射、该第二太赫兹辐射、该第三太赫兹辐射和该第四太赫兹辐射的检测对应的测量数据；和
处理器，该处理器与太赫兹辐射源连通并且与检测器连通，并且被配置为(i)基于第一太赫兹辐射、第二太赫兹辐射、第三太赫兹辐射和第四太赫兹辐射的到达时间而独立于片材的折射率确定片材的厚度，并且/或者(ii)基于第一太赫兹辐射、第二太赫兹辐射、第三太赫兹辐射和第四太赫兹辐射的到达时间确定片材的基重。
太赫兹辐射，也称为太赫兹波、太赫辐射或T射线，一般是指介于300千兆赫(3×1011Hz)和3太赫(3×1012Hz)之间的电磁光谱区域，其对应于介于1毫米(微波带的高频边缘)和100微米(远红外辐射的长波长边缘)之间的亚毫米波长范围。为了测量纸材和塑料的厚度和基重，太赫兹辐射源产生频率在300GHz至大于4THz范围内的太赫兹辐射脉冲。窄辐射脉冲(在时间上)产生宽频率带宽。即，非常窄的尖脉冲具有非常宽的频谱，反之亦然。优选的是，太赫兹传感器采用宽频率带宽。
在一个优选的实施方案中，太赫兹扫描传感器包括耦接反射纤维的太赫兹计，该太赫兹计与定位在扫描仪头部中的温度稳定的涡流Z传感器同轴安装。Z线圈的温度用热电冷却器控制。此外，特别优选的是，扫描仪头部的壳体内的环境温度用热交换器控制。调节Z传感器和壳体两者的温度确保了厚度测量的亚微米精度和稳定性。太赫兹计监测四种反射：(1)来自传感器窗口的反射，(2，3)来自被测量的片材产品的顶表面和底表面的反射，以及(4)来自放置在片材后面的反射器的反射。此外，当扫描头在片材上移动时，Z传感器连续监测反射器与传感器窗口之间的间距。了解太赫兹反射延迟以及传感器窗口与反射器之间的距离允许独立于产品的折射率或密度来提取产品的厚度。由于由片材引起的时间延迟是厚度和折射率的函数，因此片材的基重可通过开发将产品的基重与时间延迟相关联的校准公式或库来确定。
虽然在计算纸材的厚度和基重时将示出非接触传感器，但应当理解，该传感器还可测量包括例如涂覆材料、塑料、织物等膜、幅材或片材形式的多种平面材料的物理特性。太赫兹传感器尤其适用于测量具有5微米到至少3mm厚度的纸材的厚度，并且适用于具有5微米至3cm厚度的塑料。塑料的较高厚度限制归因于太赫兹辐射与大多数塑料的相互作用强度较低。
附图说明
图1A示出了当入射太赫兹辐射光束透射穿过位于上部片材引导件和下部片材引导件之间的测量间隙中的片材或膜产品时该光束的反射；
图1B是来自对应于反射辐射的检测器辐射强度测量的振幅与时间的曲线图；
图2示出了用于绝对厚度和基重测量的在线扫描太赫兹传感器系统；
图3示出了在太赫兹传感器的操作期间入射太赫兹辐射光束的反射；
图4示出了当入射太赫兹辐射光束透射穿过位于上部片材引导件和下部片材引导件之间的测量间隙中的多层膜产品时该光束的反射；并且
图5示出了具有同步的双扫描仪头部的在线扫描系统。
具体实施方式
图1A和1B示出了用于测量片材或膜产品10的绝对厚度的技术，该片材或膜产品具有上部外表面21和内表面14，并且沿纵向(MD)行进通过形成于上部片材引导件28和下部片材引导件18之间的测量间隙或通道26。上部片材引导件或窗口28优选地由硅、蓝宝石、塑料或对太赫兹辐射透明的其他太赫兹级材料制成并且通常为500微米至2mm-3mm厚。窗口28具有上部外表面20和内表面22。下部片材引导件或反射器18具有反射太赫兹辐射的上表面24。上表面24可以是由金、银、铝镀膜玻璃或抛光铝制成的金属反射镜或反射器。
入射太赫兹辐射光束28以入射角θ被朝向窗口28导向，其中辐射光束到达暴露表面20上的固定位置30。入射角相对于片材表面法线通常为0度至60度。辐射光束1、2、3和4分别从表面22、21、14和24反射。反射的辐射由太赫兹检测器检测。
图1B示出了检测到的辐射的振幅与时间的关系。ToF12和ToF34是由于光行进通过在产品10上方的测量间隙的部分(也称为“时间延迟”)以及行进通过在产品10下方的部分所花费的时间而引起的飞行时间差值。产品10的绝对厚度可通过如下方式来计算：ToF空值(其为间隙中不存在产品时的飞行时间)减去ToF12和ToF34，并且将该差值乘以测量间隙内的空气中的光速c。空气对太赫兹辐射的折射率为约1.0003，其非常接近真空中的折射率。以这种方式，为了计算产品的绝对厚度，无需测量光行进穿过产品所花费的时间。除了使用太赫兹计测量ToF空值(其被称为“片材外”测量)之外或代替该方式，还可采用Z传感器来在产品移动通过间隙时连续地确定表面22和24之间的测量间隙距离。间隙距离可由于温度变化和其中结合了在线扫描太赫兹传感器的扫描系统的机械缺陷(诸如光束垂度、光束未对准和扫描仪头部滑架轮磨损)而变化。
图2示出了具有用于监测移动片材或幅材材料10的至少一个特性的太赫兹时域光谱仪的扫描传感器。光谱仪的基本部件包括：脉冲激光源58、分束器66、太赫兹发射器80、调制电源84、太赫兹接收器或检测器82、光谱分析仪86、以及光学延迟装置60，它们中的每一者均由常规装置组成。脉冲激光源58(诸如飞秒脉冲激光器)产生泵浦信号68，该泵浦信号被导向分束器66，该分束器66使泵浦信号68的光脉冲分离以产生激发光70和检测器选通光72。太赫兹发射器和检测器可包括光电导天线，该光电导天线由具有两个电接触焊盘的高反射直接半导体薄膜诸如GaAs组成。就THz发射器而言，电压连接到触点。对于检测器，放大器连接到触点；在该配置中，太赫兹电场被测量，这意味着通过GaAs检测器的信号可以是正的或负的，这取决于电场的取向。
激发光70由物镜64聚焦，并且发射到递送光纤电缆或光纤78中并透射穿过该递送光纤电缆或光纤。激发光70照射发射器80以产生由分束器88引导到移动片材10中的太赫兹辐射或T射线91。调制电源84将电气输入96提供到太赫兹发射器80中。从上部片材引导件或窗口28、移动片材10和下部片材引导件或反射器18反射的辐射94穿过分束器88并且被检测器82捕获。
检测器选通光72被引导到光学延迟装置60，该光学延迟装置用于设置或修改检测器选通光72的计时与激发光70的计时之间的差值。光学延迟装置60包括可移动回射器。改变可移动回射器的位置改变检测器选通光72的光学路径的长度，从而改变和设置激发光照射计时(T射线产生计时)与检测器选通光照射计时(T射线检测计时)之间的差值。物镜62引导来自光学延迟装置80的检测器选通光74，并将该光发射到递送光纤电缆或光纤76中并发射到接收器或检测器82中。从光纤电缆76的末端离开的激光脉冲用于在同步检测方案中有效地接通太赫兹接收器。当这些同步脉冲到达太赫兹接收器的时间变化时，可追踪出太赫兹脉冲。来自接收器82的输出98是电信号，该电信号通常被放大并数字化然后被读取到计算机中以用于分析，或者另选地，该电信号可在数字信号处理器中被分析。该电信号可用互阻抗放大器放大，然后馈送到锁定放大器中。如果采用锁定检测，则通常将调制的偏置电压施加到电源84。然后将锁定检测器与该偏置调制同步。代替调制偏置电压，可用斩波器来调制太赫兹光束。
检测器82产生检测信号98，该检测信号被传输到光谱分析仪86，该光谱分析仪通常为计算机。在计算机中，从时域或频域分析由检测器产生的包含输出测量数据的电信号。例如，该分析也可在现场可编程门阵列或数字信号处理器中完成。虽然光学延迟装置60定位在检测器光72的光学路径中，但光学延迟装置也可替代地定位在激发光74的光学路径中。优选地，激光源58、分束器66、光学延迟装置60以及物镜64和62容纳在隔室56中。太赫兹发射器80和接收器82位于上部传感器头50的壳体59内。
壳体59还容纳测量下部片材引导件18和上部片材引导件28的平坦操作表面之间的垂直距离(z)的位移或距离测量装置。例如，合适的装置包括温度稳定的磁传感器、电感传感器和涡流传感器。这些传感器需要金属靶。作为感应型传感器的涡流传感器是优选的。如图所示，涡流传感器61包括高导热氮化铝外壳54，该高导热氮化铝外壳包含由铜或其他非铁材料制成的RF或Z线圈57。RF或Z线圈57与太赫兹光束92同心。Z线圈57的温度由珀耳帖冷却器55控制，该珀耳帖冷却器与氮化铝外壳54热接触。扫描仪头部50的壳体59内的空气环境温度可用控制器134来调节，该控制器响应于来自温度传感器130的信号而致动热交换器132。该热交换器通常包括循环冷却剂和风扇。同时采用珀耳帖冷却器进行Z线圈温度控制并采用热交换器进行扫描仪头部温度控制，这为连续厚度测量提供了稳健的亚微米精度和稳定性。
因此，下部片材引导件18的上部外表面用作太赫兹辐射的反射器表面并且用作Z线圈基准表面或靶材。在该布置中，Z传感器54测量从线圈到基准表面的距离，因此有必要减去上部片材引导件28的厚度来计算间隙距离。上部扫描仪头部50中的Z线圈的温度下部扫描仪头部52用作下部片材引导件18的支撑构件。
太赫兹辐射的优选入射角垂直于窗片材引导件的上表面，即，入射角θ(图1A)为零。在该配置中，传感器更不受相隔距离变化的影响，该相隔距离是从传感器到移动片材的距离。即使当太赫兹辐射脉冲以法向角度进入片材产品时，也存在足够的折射率(或介电常数)对比度以获得反射。如果窗片材引导件太薄，则可能存在可能的抵消和/或畸变效应，因为来自空气到窗口界面的反射和来自窗口到空气界面的反射具有相反的符号。然而，当使用2mm-3mm厚的窗口时，这些反射在时间上足够分开。
图3示出了在传感器的操作期间的太赫兹辐射的反射，其中太赫兹辐射的光束100以法向入射角被引导。反射光线是分开的以便于说明，应当理解，反射光线沿着与光束100相同的光束路径行进。在太赫兹辐射的脉冲穿透窗口28和产品10之后，太赫兹辐射从窗口28的内表面、产品10的外表面和内表面以及反射器表面18的外表面反射。这些反射分别被指定为101、102、103和104。太赫兹可用于分析多层产品。可检测和测量来自所有产品界面的反射。该技术要求相邻层之间的折射率(或介电性质)有所不同，并且每个相邻层为至少10微米到20微米厚。
来自太赫兹扫描仪的测量值也可用于计算基重(BW)，其对于纸材以克/平方米(gsm)表示。图3所示的由于片材10引起的时间延迟是其厚度和折射率的函数。使用已知组分、折射率、基重和厚度的标准来校准仪表以从通常以皮秒(ps)为单位的时间延迟中输出BW(以gsm为单位)。校准曲线或关系为线性关系：BW＝BWslope×延迟+BWint，其中BWslope和BWint为校准常数。校准常数将对精确的样本组分敏感。由于线性拟合可能不够充分，因此可能需要针对大基重范围的高阶多项式拟合。可建立并使用基重到时间延迟数据的库。
图4示出当分析行进通过由上部片材引导件28和下部片材引导件18限定的测量间隙的多层膜时的太赫兹辐射的反射。上部片材引导件或窗口具有上部外表面20和内表面22，并且下部片材引导件或反射器18具有上表面24。平面产品37是由三个层32、32和35组成的多层膜。该膜具有上表面38和下部内表面44。在层32和34之间存在界面40，并且在层34和36之间存在界面42。
入射太赫兹辐射光束28以入射角θ被朝向窗口28导向，其中辐射光束到达暴露表面20上的固定位置30。辐射光束11、12、13、14、15和16分别从表面22、38、界面40和42以及表面44和24反射。反射的辐射由太赫兹检测器(未示出)检测，并且可记录检测到的辐射的振幅与时间的关系。ToF12和ToF34是由于光行进通过在产品37上方的测量间隙的部分以及行进通过在产品下方的部分所花费的时间而引起的飞行时间差值。产品37的绝对厚度可通过用ToF空值减去ToF12和ToF34来测量，该ToF空值为当间隙中不存在产品时的飞行时间。以这种方式，无需测量光行进穿过产品所花费的时间。代替测量ToF空值，还可采用Z传感器连续测量表面22和24之间的测量间隙距离。反射光束12、13、14、15和16为对应于多层膜中的多个层的立即反射。可计算产品的各个层厚度，但这将不是绝对测量，绝对测量将需要知道折射率以提取物理厚度。膜的折射率可用折射计独立地测量。如果膜由已知的组分制成，则其折射率通常能够从公开来源获得。
图5示出了图2所示的传感器的具体实施，该传感器在纸材或塑料的生产期间用于提供在线厚度测量。扫描系统110包括两个横向梁112和114，上部扫描头部116和下部扫描头部118分别安装在这两个梁上。下部扫描仪头部和上部扫描仪头部的平坦操作面限定容纳片材122的测量间隙或窗口。辐射源和检测器容纳在上部头部扫描仪116中。下部扫描仪头部56可包括片材稳定系统，例如空气轴承稳定器(未示出)，以在片材穿过测量窗口时将其保持在一致的平面上。双扫描仪头部的移动在速度和方向上是同步的，使得它们彼此对准。扫描仪头在移动片材的整个宽度上沿横向反复来回移动，该移动片材沿纵向移动，使得整个片材的特性可被测量。
前述内容描述了本发明的原理、优选实施方案和操作模式。然而，不应将本发明理解为限于所讨论的具体实施方案。相反，上述实施方案应被视为示例性的而非限制性的，并且应当理解，在不脱离由以下权利要求书限定的本发明的范围的情况下，本领域的技术人员可在这些实施方案中作出变型。

Claims (10)

1.一种用于测量连续片材的至少一个特性的扫描传感器，所述连续片材具有第一外侧、第二外侧、第一内侧和第二内侧，并且沿纵向行进，所述扫描传感器包括：
第一扫描仪头部(50)，所述第一扫描仪头部邻近所述片材(10)的所述第一外侧设置并且包括透明材料层(28)，所述透明材料层面向所述片材(10)的所述第一外侧，并且对太赫兹辐射是透明的，并且限定第一片材引导表面；
反射构件(18)，所述反射构件具有反射太赫兹辐射并面向所述片材(10)的所述第二外侧的反射表面，其中所述反射表面限定第二片材引导表面，并且其中所述第一片材引导表面和所述第二片材引导表面限定测量间隙(26)，所述连续片材(10)沿纵向行进穿过所述测量间隙；
太赫兹辐射源(80)，所述太赫兹辐射源定位在所述第一扫描仪头部(50)中，并且被配置为产生太赫兹辐射，所述太赫兹辐射透射穿过所述透明材料层(28)并且朝向所述连续片材(10)的所述第一外侧；
温度稳定的Z传感器(61)，所述Z传感器被配置为测量所述测量间隙(26)的距离；
检测器(82)，所述检测器定位在所述第一扫描仪头部(50)中，所述检测器被配置为接收(i)从所述透明材料层(28)的内表面反射的第一太赫兹辐射，(ii)从所述片材(10)的所述第一外侧反射的第二太赫兹辐射，(iii)从所述片材(10)的第二内表面反射的第三太赫兹辐射，以及(iv)从所述反射表面反射的第四太赫兹辐射，其中所述检测器(82)被配置为输出与所述第一太赫兹辐射、所述第二太赫兹辐射、所述第三太赫兹辐射和所述第四太赫兹辐射的检测对应的测量数据；和
处理器(130)，所述处理器与所述太赫兹辐射源(80)连通并且与所述检测器(82)连通，并且被配置为(i)基于所述第一太赫兹辐射、所述第二太赫兹辐射、所述第三太赫兹辐射和所述第四太赫兹辐射的到达时间而独立于所述片材(10)的折射率来确定所述片材(10)的厚度，并且/或者(ii)基于所述第一太赫兹辐射、所述第二太赫兹辐射、所述第三太赫兹辐射和所述第四太赫兹辐射的到达时间确定所述片材(10)的基重。
2.根据权利要求1所述的扫描传感器，其中所述第一扫描仪头部(50)包括容纳所述Z传感器(61)的壳体(59)，并且所述第一扫描仪头部(50)包括用于调节所述壳体(59)内的环境温度的装置(130，132)。
3.根据权利要求1所述的扫描传感器，其中所述Z传感器(61)是磁传感器、电感传感器或涡流传感器。
4.根据权利要求3所述的扫描传感器，其中所述太赫兹辐射源(80)产生太赫兹辐射光束(92)，并且其中所述磁传感器、所述电感传感器或所述涡流传感器(61)与所述太赫兹辐射光束(92)同心。
5.根据权利要求1所述的扫描传感器，其中所述太赫兹辐射源(80)产生太赫兹辐射的脉冲。
6.一种测量移动膜的至少一个特性的非接触方法，所述移动膜具有第一外侧、第二外侧、第一内侧和第二内侧，并且沿纵向行进，所述方法包括：
(a)提供传感器装置，所述传感器装置包括(i)具有透明材料层(28)的第一扫描仪头部(50)，所述透明材料层对太赫兹透明并且限定第一片材引导件，(ii)具有反射表面的反射构件(18)，所述反射表面反射太赫兹辐射，其中所述反射表面限定第二片材引导表面，并且其中第一片材引导表面和所述第二片材引导表面限定测量间隙(26)，所述移动膜(10)沿所述纵向行进穿过所述测量间隙；
(b)用温度稳定的Z传感器(61)测量所述测量间隙(26)的距离；
(c)提供产生太赫兹辐射的太赫兹辐射源(80)，所述太赫兹辐射源定位在所述第一扫描仪头部(50)中，以及引导所述太赫兹辐射穿过所述透明材料层(28)并且朝向行进穿过所述测量间隙(26)的所述移动膜(10)的所述第一外侧，使得所述第一片材引导件面向所述移动膜(10)的所述第一外侧并且所述第二片材引导件面向所述移动膜(10)的所述第二外侧；
(d)提供检测器(82)，所述检测器定位在所述第一扫描仪头部(50)中，以接收(i)从所述透明材料层(28)的内表面反射的第一太赫兹辐射，(ii)从所述膜(10)的所述第一外侧反射的第二太赫兹辐射，(iii)从所述膜(10)的所述第二内表面反射的第三太赫兹辐射，以及(iv)从所述反射表面反射的第四太赫兹辐射，其中所述检测器(82)被配置为输出与所述第一太赫兹辐射、所述第二太赫兹辐射、所述第三太赫兹辐射和所述第四太赫兹辐射的检测对应的测量数据；以及
(e)(i)基于所述第一太赫兹辐射、所述第二太赫兹辐射、所述第三太赫兹辐射和所述第四太赫兹辐射的到达时间而独立于所述移动膜(10)的折射率来计算所述移动膜(10)的厚度，和/或(ii)基于所述第一太赫兹辐射、所述第二太赫兹辐射、所述第三太赫兹辐射和所述第四太赫兹辐射的到达时间计算所述移动膜(10)的基重。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述移动膜(10)包括具有两个或更多个层(32，34，36)的多层结构(37)，所述两个或更多个层具有相邻层之间的对应的一个或多个界面(40，42)，并且在步骤(d)中，所述检测器(82)接收从每组相邻层之间的所述界面反射的太赫兹辐射，并且步骤(e)包括(i)基于所述第一太赫兹辐射、所述第二太赫兹辐射、所述第三太赫兹辐射和所述第四太赫兹辐射的到达时间而独立于所述移动膜(10)的各个层(32，34，36)的折射率来计算所述移动膜(10)的一个或多个层(32，34，36)的厚度，和/或(ii)基于所述第一太赫兹辐射、所述第二太赫兹辐射、所述第三太赫兹辐射和所述第四太赫兹辐射的到达时间计算所述移动膜(10)的一个或多个层(32，34，36)的基重。
8.根据权利要求6所述的方法，其中步骤(b)包括使用磁传感器、电感传感器或涡流传感器(61)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述太赫兹辐射源(80)产生太赫兹辐射光束(92)，并且其中所述磁传感器、所述电感传感器或所述涡流传感器(61)与所述太赫兹辐射光束(92)同心。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一扫描仪头部(50)包括容纳所述Z传感器(61)的壳体(59)，并且所述方法还包括调节所述壳体(59)内的环境温度。
CN201980012943.7A 2018-03-14 2019-03-05 使用太赫兹的用于片材产品的扫描厚度和基重传感器 Pending CN111712729A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/921,600 2018-03-14
US15/921,600 US10935368B2 (en) 2018-03-14 2018-03-14 Scanning caliper and basis weight sensor for sheet products using terahertz
PCT/CA2019/050259 WO2019173900A1 (en) 2018-03-14 2019-03-05 Scanning caliper and basis weight sensor for sheet product using terahertz

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111712729A true CN111712729A (zh) 2020-09-25

Family

ID=67903963

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980012943.7A Pending CN111712729A (zh) 2018-03-14 2019-03-05 使用太赫兹的用于片材产品的扫描厚度和基重传感器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10935368B2 (zh)
CN (1) CN111712729A (zh)
WO (1) WO2019173900A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI788105B (zh) * 2021-08-09 2022-12-21 筑波醫電股份有限公司 半導體晶圓檢測方法及半導體晶圓檢測裝置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI130248B (en) * 2019-09-23 2023-05-08 Valmet Automation Oy Measuring device and method for a paper web
US11519710B2 (en) 2020-02-26 2022-12-06 Honeywell Limited High accuracy and high stability magnetic displacement sensor in the presence of electromagnetic interferences

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150268030A1 (en) * 2012-10-19 2015-09-24 Jeffrey S. White System for calculation of material properties using reflection terahertz radiation and an external reference structure
US20160282277A1 (en) * 2015-03-24 2016-09-29 Honeywell Asca Inc. Spectroscopic Sensor for Thickness or Weight Measurement of Thin Plastic Films
US20170023469A1 (en) * 2013-11-15 2017-01-26 Picometrix, Llc System for determining at least one property of a sheet dielectric sample using terahertz radiation

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4160204A (en) 1974-11-11 1979-07-03 Kaman Sciences Corporation Non-contact distance measurement system
US6281679B1 (en) 1998-12-21 2001-08-28 Honeywell - Measurex Web thickness measurement system
US6967726B2 (en) 2003-10-03 2005-11-22 Honeywell International Inc. Means for in-place automated calibration of optically-based thickness sensor
US7837833B2 (en) 2007-10-23 2010-11-23 Honeywell Asca Inc. Method for characterizing fibrous materials using stokes parameters
US8314391B2 (en) 2007-12-31 2012-11-20 Honeywell Asca Inc. Controlling the bends in a fiber optic cable to eliminate measurement error in a scanning terahertz sensor
US8378304B2 (en) 2010-08-24 2013-02-19 Honeywell Asca Inc. Continuous referencing for increasing measurement precision in time-domain spectroscopy
US8660682B2 (en) 2010-11-22 2014-02-25 Honeywell Asca Inc. Air wipe and sheet guide temperature control on paper and continuous web scanners
US8527212B2 (en) 2011-02-14 2013-09-03 Honeywell Asca Inc. Increased absorption-measurement accuracy through windowing of photon-transit times to account for scattering in continuous webs and powders
US8760669B2 (en) 2011-09-30 2014-06-24 Honeywell Asca Inc. Method of measuring the thickness of a moving web
EP2788741B1 (en) 2011-12-11 2019-04-03 Tetechs Inc. Method and system for identifying and sorting materials using terahertz waves
US9441961B2 (en) 2012-04-30 2016-09-13 Honeywell Limited System and method for correcting caliper measurements of sheet products in sheet manufacturing or processing systems
US9581433B2 (en) * 2013-12-11 2017-02-28 Honeywell Asca Inc. Caliper sensor and method using mid-infrared interferometry
US9182281B1 (en) 2014-05-30 2015-11-10 Honeywell Asca Inc. Robust terahertz spectrometer configuration against scanner heads misalignment

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150268030A1 (en) * 2012-10-19 2015-09-24 Jeffrey S. White System for calculation of material properties using reflection terahertz radiation and an external reference structure
US20170023469A1 (en) * 2013-11-15 2017-01-26 Picometrix, Llc System for determining at least one property of a sheet dielectric sample using terahertz radiation
US20160282277A1 (en) * 2015-03-24 2016-09-29 Honeywell Asca Inc. Spectroscopic Sensor for Thickness or Weight Measurement of Thin Plastic Films

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI788105B (zh) * 2021-08-09 2022-12-21 筑波醫電股份有限公司 半導體晶圓檢測方法及半導體晶圓檢測裝置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019173900A1 (en) 2019-09-19
US10935368B2 (en) 2021-03-02
US20190285527A1 (en) 2019-09-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6151721B2 (ja) Ｔｈｚセンサを用いた連続不均一性のウェブ上のキャリパー・コーティング測定
US10215696B2 (en) System for determining at least one property of a sheet dielectric sample using terahertz radiation
CN104870931B (zh) 利用反射太赫兹辐射计算材料属性
CN111712729A (zh) 使用太赫兹的用于片材产品的扫描厚度和基重传感器
JP5173850B2 (ja) 検査装置
US7528958B2 (en) Optical scanner for measuring sheet properties
US4503708A (en) Reflection acoustic microscope for precision differential phase imaging
US3449051A (en) Differential optical system and optical elements therefor
US20150346030A1 (en) Robust Terahertz Spectrometer Configuration Against Scanner Heads Misalignment
RU2645008C1 (ru) Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны
US6831747B2 (en) Spectrometry and filtering with high rejection of stray light
JP3776073B2 (ja) 半導体キャリアの寿命測定方法及びその装置
RU2681427C1 (ru) Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны
US20150241348A1 (en) Information acquiring apparatus and information acquiring method
RU2491533C1 (ru) Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду
JP3674738B2 (ja) 少数キャリアのライフタイム測定装置
RU2629909C1 (ru) Статическое устройство для определения распределения интенсивности поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны вдоль её трека
JPS61249198A (ja) センサ−装置
Herrmann et al. Refractive index measurement with a THz triangulator and radar
JPH01181434A (ja) ビーム変調分光装置
Mittleman Terahertz imaging: a new technique for inspection of dielectric materials
JP2003315424A (ja) 電気的特性評価装置，その方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination