CN118032818A - 紧凑型横向c型框架扫描仪 - Google Patents

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Abstract

紧凑型C型扫描仪采用至少两个传感器并且具有用于对传感器进行标准化或校准的机构。C型框架的上部细长梁和下部细长梁包括中间梁传感器和外部梁传感器。通过使扫描仪沿着仅为片材宽度的大约一半的扫描距离来回推进，扫描仪可监测连续片材的整个宽度，从而使所需的片材外距离减小了接近被监测片材宽度的一半的量。由横向定位在移动片材的边缘的参考材料组成的标准化块允许对在透射或反射模式下操作的传感器进行校准。可测量片材的所选片材特性或特征。两个传感器可在透射模式下操作，或者四个传感器可在反射模式下操作。

Description

紧凑型横向C型框架扫描仪
技术领域
本发明整体涉及用于确定连续片材的参数的扫描仪测量系统，并且更具体地涉及一种非接触测量系统，该非接触测量系统采用具有用于校准传感器的标准化块的C型框架扫描仪，并且其中与常规C型框架扫描仪相比，该系统的扫描操作需要显著更小的片材外位移距离或空间。
背景技术
扫描仪系统被用来测量连续移动的幅材或片材的特性。通常，辐射源和检测器安装在头部上，该头部被支撑用于横跨连续生产的幅材的梁或框架上的往复运动。使头部在幅材上大致以与幅材移动方向成直角的方式往复运动，同时头部横跨幅材以恒定速度移动。支撑头部的梁或框架可以是直的单个梁，其经过幅材移动的路径并且支撑辐射源和检测器。另选地，扫描仪可具有C型或O型框架，该框架包围幅材移动路径，使得源和检测器可位于幅材的相对面上。
对于大多数O型扫描仪，框架是静止的，并且双头部在移动幅材上沿横向来回移动。O型扫描仪特别适合用于工业过程，其中诸如在纸张生产中，幅材或片材的宽度可达数十米。
相反，在C型扫描仪的操作期间，整个框架在移动幅材上沿横向来回移动。以这种方式，分别与上臂和下臂对准并固定的上头部和下头部能够从边缘到边缘扫描移动幅材。C型扫描仪特别适合用于移动幅材宽度相对较窄的应用，诸如在占地面积有限的设施中生产锂离子电池的阳极和阴极。然而，当前C型扫描仪的多功能性受到其设计的限制，这要求框架移动的距离必须至少等于被监测的幅材的宽度。
发明内容
本发明部分地基于紧凑型C型扫描仪的发展，该C型扫描仪采用两个或更多个传感器并且具有用于对传感器进行标准化或校准的机构。通过使扫描仪沿着仅等于片材宽度的大约一半的扫描距离来回推进，扫描仪可以监测连续片材的整个宽度。本发明将所需的片材外扫描仪位移距离减小了接近被监测片材宽度的一半的量。
在一个方面，本发明涉及一种用于监测沿纵向(MD)行进的连续材料片材的特性或特征的系统，并且其中该片材具有第一侧和第二侧，该系统包括：
第一构件，该第一构件邻近片材的第一侧设置，其中第一构件具有第一近侧端部和第一远侧端部，并且具有(i)第一传感器装置，该第一传感器装置用于测量片材的特性并且定位在第一远侧端部处，和(ii)第二传感器装置，该第二传感器装置用于测量片材的特性并且定位在第一近侧端部与第一远侧端部之间；
第二构件，该第二构件邻近片材的第二侧设置，其中第二构件具有第二近侧端部和第二远侧端部，并且其中第一构件和第二构件是平行的并且限定测量间隙，连续材料片材行进通过该测量间隙；和
用于沿着垂直于MD的横向(CD)来回驱动第一构件和第二构件的装置，使得第一传感器和第二传感器在材料片材的多个位置处测量片材的特性。
在另一方面，本发明涉及一种传感器设备，该传感器设备包括：
C型框架，该C型框架包括具有第一臂或梁和第二臂或梁的支撑件，该第一臂或梁和第二臂或梁是平行的并且限定容纳移动片材的测量间隙，其中第一臂具有第一近侧端部和第一远侧端部，并且第二臂具有第二近侧端部和第二远侧端部，其中；
安装在第一臂的第一位置上的第一传感器和安装在第一臂的第二位置上的第二传感器，其中第一传感器和第二传感器沿着第一臂的长度横向间隔开；
第一标准化块或板；
第二标准化块或板，该第二标准化块或板与第一标准化块横向间隔开；
第一装置，该第一装置用于沿着扫描路径横向地来回操纵C型框架，使得第一传感器测量位于片材的第一边缘到片材的中间区域之间的片材的特性，并且第二传感器测量位于片材的中间区域到片材的第二边缘之间的片材的特性；和
第二装置，该第二装置用于沿着扫描路径将C型框架操纵到第一校准位置和第二校准位置，在第一校准位置，第一标准化块校准第一传感器，在第二校准位置，第二标准化块校准第二传感器。该块或板包括特性已知并模拟片材的稳定的参考材料。
在另一方面，本发明涉及一种测量具有纵向和横向的连续片材或幅材工艺中的工艺变量的方法，该方法包括：
提供支撑第一传感器和第二传感器的第一细长构件，其中第一传感器和第二传感器沿着第一细长构件横向分离；
沿纵向引导连续移动的材料片材，其中该片材具有第一侧和第二侧以及第一边缘和第二边缘，并且其中第一细长构件沿CD邻近连续移动的材料片材定位；
在第一扫描位置与第二扫描位置之间来回操纵第一细长构件，使得第一传感器测量位于材料片材的第一边缘与中间区域之间的片材的特性，并且第二传感器测量位于中间区域与第二边缘之间的片材的特性；
邻近第一边缘定位第一标准化块；
邻近第二边缘定位第二标准化块；
将第一细长构件操纵到第一校准位置，其中第一传感器使用第一标准化块获得参考测量；以及
将第一细长构件操纵到第二校准位置，其中第二传感器使用第二标准化块获得参考测量。
传感器可固定到细长构件或梁，或者传感器部件可集成到C型框架的构件中。扫描系统可用于检测诸如纸、塑料、薄金属衬底、织物等材料的特征。传感器能够在透射模式或反射模式下操作。通过在连续移动的材料上周期性地来回移动，可以测量所选片材特性的值，诸如基重、厚度、水分含量、组成和温度。在每次扫描期间，被监测的移动片材从边缘横穿到边缘。
附图说明
图1和图2是在线扫描系统的剖视图，其中扫描仪头部安装到在平移机构上传送的C型框架结构；
图3是示出扫描传感器系统的操作的平面图；并且
图4和图5是配备有标准化块或板的在线扫描系统的剖视图，该标准化块或板由参考材料制成并且定位在移动膜或衬底的任一侧上并且在校准模式下操作。
具体实施方式
图1示出了扫描传感器系统2，其包括竖直支撑件4，该竖直支撑件固定彼此平行的细长上臂6和细长下臂8的近侧端部。下臂8可移动地固定到平移机构10上，该平移机构包括伺服马达12和直线滑动件或导轨24。上臂6具有安装在其远侧端部处的传感器16和安装在朝向其近侧端部的位置处的传感器18。类似地，下臂8具有安装在其远侧端部处的传感器20和安装在朝向其近侧端部的位置处的传感器22。竖直支撑件和细长臂可被构造为一体结构。传感器16和20沿竖直轴线对齐，并且传感器18和22沿另一竖直轴线对齐。
上臂和下臂限定测量间隙或通道14，该测量间隙或通道容纳被监测的连续移动的幅材或片材26。幅材或片材26在纵向(MD)上向下游行进。伺服马达12驱动传动带、线缆或链条以使C型框架沿着垂直于MD的横向方向(CD)来回推进。在该过程中，传感器16和18扫描幅材或片材26的上侧，而传感器20和22扫描幅材或片材26的下侧。在双传感器安装在每个细长臂上的情况下，C型框架仅需要行进幅材或片材26的宽度的大约一半，以便从边缘到边缘监测整个幅材或片材。如本文所述，C型框架在完全插入位置与完全回缩位置之间来回推进。
如图1所示，扫描传感器系统2处于完全插入位置，其中上臂6和下臂8包围测量间隙14。外部传感器16被定位成使得其测量在幅材或片材26的外边缘28处或其附近的材料的上表面上的特性，而中间传感器18被定位成使得其测量在沿着幅材或片材26的宽度的距边缘28和30相等距离的中点32处的材料的特性。优选地，中间传感器18与传感器16横向间隔开的距离等于片材的CD宽度的一半。类似地，外部传感器20被定位成使得其测量在幅材或片材26的边缘28处或其附近的材料的底表面上的特性，而中间传感器22被定位成使得其测量在沿着幅材或片材26的宽度的距边缘28和30相等距离的中点34处的材料的特性。优选地，中间传感器22与传感器20横向间隔开的距离等于片材的CD宽度的一半。从该初始扫描位置，当C型框架沿CD向后移动时，传感器16在材料的顶表面上从边缘28扫描到中点32，而传感器18从中点32扫描到边缘30。同时，传感器20在材料的下表面上从边缘28扫描到中点34，而传感器22从中点34扫描到边缘30。
图2示出了已经移动到完全回缩位置的扫描传感器系统2，其中C型框架在反转方向以沿CD在导轨24上前进之前已经暂时停止。外部传感器16现在被定位成使得其测量在幅材或片材26的中点32处的材料的上表面上的特性，而中间传感器18现在被定位成使得其测量在内边缘30处或附近的材料的特性。类似地，外部传感器20现在被定位成使得其测量在幅材或片材26的中点34处的材料的底表面上的特性，而中间传感器22现在被定位成使得其测量在内边缘30处或附近的材料的特性。从该回缩扫描位置，当C型框架反转方向并沿CD向前移动时，传感器16在材料的顶表面上从中点32扫描到边缘28，而传感器18在顶表面上从边缘30扫描到中点32。同时，传感器20在材料的下表面上从中点34扫描到边缘28，而传感器22从边缘30扫描到中点34。
对于图1和图2中所示的扫描传感器系统2，传感器被示出为在透射模式下操作。例如，传感器16和18可各自包括将辐射束引导到移动幅材或片材26中的辐射源，并且传感器20和22可各自包括检测透射通过材料的辐射的辐射接收器。两组传感器操作以测量幅材或片材26的一个或多个特性。当C型框架沿CD来回推进时，传感器16和20测量从边缘28到中点32的幅材或片材26的一个或多个特性，并且传感器18和22测量中点32与边缘30之间的幅材或片材26的相同的一个或多个特性。例如，在授予Tixier和Hughes的美国专利9,182,360号、授予Hughes和Tixier的美国专利8,527,212号、授予Tixier的美国专利7,298,492号、授予Hughes等人的US2021/0382173以及授予Tixier和Hughes的US2021/0262776中描述了在透射模式下操作的传感器，这些专利以引用方式并入本文。
另选地，扫描传感器系统2的传感器可在反射模式下操作。例如，传感器16和18中的每一者可包括辐射源和检测器两者以测量幅材或片材26的一个或多个特征。在该布置中，当C型框架沿CD来回推进时，传感器16测量位于边缘28与中点32之间的幅材或片材26的一个或多个特性，并且传感器18测量位于中点32与边缘30之间的幅材或片材26的相同的一个或多个特性。此外，在该反射模式布置中，传感器20和22中的每一者也可包括辐射源和检测器两者以测量幅材或片材26的一个或多个特征。当C型框架沿CD来回推进时，传感器20测量位于边缘28与中点34之间的幅材或片材26的一个或多个特性，并且传感器22测量位于中点34与边缘30之间的幅材或片材26的相同的一个或多个特性。显然，上部传感器16和18可被配置为测量与由下部传感器20和22测量的特性不同的特性。例如，在授予Hughes等人的美国专利9,182,360号、美国专利8,527,212号、美国专利7,298,492号和US2020/0096308中描述了在反射模式下操作的传感器，这些专利以引用方式并入本文。传感器还可包括反射传感器和透射传感器的组合。
图3示出了包括C型框架56的扫描传感器系统在片材50沿MD行进时通过测量该片材的一个或多个特征来监测移动片材50的操作。一对辊58、78支撑并引导连续片材50。马达62操作辊78，并且编码器64监测其速度。当C型框架56通常以恒定速度周期性地横穿片材50时，两对测量仪器(即，如图1和图2所示的传感器16、20和18、22)分别测量询问点或区域72和74。点72和74以固定的偏移距离横向分离。对于此说明，传感器被配置为在透射模式下操作。C型框架56可在由虚线76表示的完全回缩位置和由实线56表示的完全插入位置之间移动。当C型框架在完全回缩位置和完全插入位置之间周期性扫描时，C型框架行进的距离等于点72和74之间的偏移距离。
这两个传感器不在与片材50的纵向边缘52、54完全垂直对准的位置处测量所选择的特性。相反，由于片材速度，扫描C型框架沿对角线跨衬底表面行进，其结果是，连续扫描路径相对于垂直于纵向边缘50、54的方向具有Z字形图案。
作为此类Z字形图案的示例是扫描测量路径或轮廓68和70，当C型框架在来回连续扫描期间横穿片材50的表面时，扫描测量路径或轮廓将被两对测量仪器跟踪。扫描路径中的每一者相对于真实CD的角度取决于扫描装置的横向速度和已知的片材60的纵向速度。两个Z字形图案中的每一者覆盖衬底表面的相对较小的部分，其中测量轮廓68覆盖位于边缘52与中线66之间的片材，并且测量轮廓70覆盖位于中线66与边缘55之间的片材。
如果C型框架76具有在反射模式下操作的四个传感器，其中每个细长臂支撑双传感器，则四个传感器中的每一者产生单独的Z字形测量轮廓。
标准化块或板40连接到马达44，并且标准化块或板42连接到马达46。当系统56在校准模式下操作时，每个块可通过轴的旋转而枢转，该轴由旋转螺线管单元驱动通过万向点。应当理解，每个标准化块40和42可表示具有参考材料诸如塑料膜的多个块，该参考材料具有不同的已知特性，以便允许在模拟的特性级别的范围内重新校准。稳定的参考材料可储存在具有弹簧加载的塑料盖的块状或板状隔室中；在校准期间，螺线管将盖拉出以暴露参考材料。
标准化块40和42可分别与边缘52和54并列地永久定位在适当位置，而不是如图3所示连接到马达。只要需要对传感器进行重新校准，就可以使用这些块。
在传感器在反射模式下操作的情况下，每个标准化块优选地被配置为同时校准上部传感器和下部传感器。该块包括反射金属，该反射金属具有固定到该反射金属每一侧的参考材料。
如图4所示，利用机动化机构46(图3)将标准化块42操纵到与片材26的外边缘相邻的位置，并且利用机动化机构44(图3)将标准化块40操纵到与片材26的内边缘相邻的位置。在该插入的校准位置中，标准化块42串联定位在外部传感器16和20之间。如图5所示的扫描传感器系统2处于回缩校准位置，其中标准化块40串联定位在中间传感器18和22之间。
通常，在传感器在透射模式下操作的情况下，在例如图1的源16和检测器20已经在工厂组装之后，首先通过传感器测量所选特性(诸如厚度)建立“参考”值来对它们进行校准，其中在辐射源16和检测器20之间的间隙中不存在样本。接下来，通过将具有已知特性(例如，厚度)水平的连续实际样本定位到间隙中来凭经验校准传感器。生成校准曲线、查找表和/或数学模型(统称为“校准数据”)，并将其存储在计算机存储器中，该校准曲线、查找表和/或数学模型将所计算的片材厚度水平表示为检测器所测量的辐射的函数。当传感器被安装在设施中时，它就可以供客户使用了。
在扫描操作期间，标准化块40、42中的每一者允许传感器的周期性在线重新校准。选择稳定的校准参考材料来模拟片材。利用本发明，传感器16和20的标准化或重新校准例如可基于来自具有标准化块的传感器的读数。
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。因此，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)

1.一种用于监测沿纵向行进的连续材料片材(26)的特性的系统，并且其中所述片材(26)具有第一侧和第二侧，所述系统包括：
第一构件(6)，所述第一构件邻近所述片材(26)的所述第一侧设置，其中所述第一构件(6)具有第一近侧端部和第一远侧端部，并且具有(i)第一传感器(16)装置，所述第一传感器装置用于测量所述片材(26)的特性并且定位在所述第一远侧端部处，和(ii)第二传感器(18)装置，所述第二传感器装置用于测量所述片材(26)的特性并且定位在所述第一近侧端部与所述第一远侧端部之间；
第二构件(8)，所述第二构件邻近所述片材(26)的所述第二侧设置，其中所述第二构件(8)具有第二近侧端部和第二远侧端部，并且其中所述第一构件(6)和所述第二构件(8)是平行的并且限定测量间隙(14)，所述连续材料片材(26)行进通过所述测量间隙；和
用于沿横向来回驱动所述第一构件(6)和所述第二构件(8)的装置(10,12,24)，使得所述第一传感器(16)和所述第二传感器(18)在所述材料片材(26)的多个位置处测量所述片材(26)的特性。
2.根据权利要求1所述的系统，所述系统包括被配置为校准所述第一传感器(16)的第一标准化块(42)和被配置为校准所述第二传感器(18)的第二标准化块(40)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器(16)包括将第一辐射引导到所述材料片材(26)中的第一源，并且所述第二传感器(18)包括将第二辐射引导到所述材料片材(26)中的第二源，并且其中所述第二构件(18)具有(i)用于接收透射通过所述材料片材(26)的所述第一辐射的第一检测器和(ii)用于接收透射通过所述材料片材(26)的所述第二辐射的第二检测器。
4.根据权利要求3所述的系统，所述系统包括被配置为校准所述第一源(16)和所述第一检测器(20)的第一标准化块(42)和被配置为校准所述第二源(18)和所述第二检测器(22)的第二标准化块(40)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器(16)包括第一源和第一检测器，其中所述第一源将第一辐射朝向所述第一侧引导，并且所述第一检测器检测从所述第一侧反射的第一反射辐射，并且所述第二传感器(18)包括第二源和第二检测器，其中所述第二源将第二辐射朝向所述第一侧引导，并且其中所述第二检测器检测从所述第一侧反射的第二反射辐射。
6.根据权利要求5所述的系统，所述系统包括被配置为校准所述第一源和所述第一检测器的第一标准化块(42)和被配置为校准所述第二源和所述第二检测器的第二标准化块(40)。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第二构件(8)具有：(i)包括第三源和第三检测器的第三传感器(20)，其中所述第三源将第三辐射朝向所述第二侧引导，并且所述第三检测器检测从所述第二侧反射的第三反射辐射；和(ii)包括第四源和第四检测器的第四传感器(22)，其中所述第四源将第四辐射朝向所述第二侧引导，并且所述第四检测器检测从所述第二侧反射的第四反射辐射，并且其中所述驱动装置(10,12,24)沿所述横向来回驱动所述第一构件(6)和所述第二构件(8)，使得所述第一传感器(16)和所述第二传感器(18)从所述第一侧上的多个位置测量所述片材(26)的第一特性，并且所述第三传感器(20)和所述第四传感器(22)从所述第二侧上的多个位置测量所述片材(26)的第二特性。
8.根据权利要求7所述的系统，所述系统包括被配置为校准所述(i)第一源和所述第一检测器以及(ii)所述第三源和所述第三检测器的第一标准化块(42)和被配置为校准所述(i)第二源和所述第二检测器以及(ii)所述第四源和所述第四检测器的第二标准化块(40)。
9.一种传感器设备，所述传感器设备包括：
C型框架，所述C型框架包括具有第一臂(6)和第二臂(8)的支撑件(4)，所述第一臂和所述第二臂限定容纳移动片材(26)的测量间隙(14)，其中所述第一臂(6)具有第一近侧端部和第一远侧端部，并且所述第二臂(8)具有第二近侧端部和第二远侧端部；
第一传感器(16)和第二传感器(18)，所述第一传感器安装在所述第一臂(6)的第一位置上，所述第二传感器安装在所述第一臂(6)的第二位置上，其中所述第一传感器和所述第二传感器沿着所述第一臂(6)的长度横向间隔开；
第一标准化块(42)；
第二标准化块(40)，所述第二标准化块与所述第一标准化块(42)横向间隔开；
第一装置(10,12,24)，所述第一装置用于沿着扫描路径横向地来回操纵所述C型框架，使得所述第一传感器(16)测量位于所述片材(26)的第一边缘(28)到所述片材(26)的中间区域(32)之间的所述片材的特征，并且所述第二传感器(18)测量位于所述片材(26)的所述中间区域(32)到所述片材(26)的第二边缘(30)之间的所述片材(26)的特征；和
第二装置(10,12,24)，所述第二装置用于沿着所述扫描路径将所述C型框架操纵到第一校准位置和第二校准位置，在所述第一校准位置，所述第一标准化块(42)校准所述第一传感器(16)，在所述第二校准位置，所述第二标准化块(40)校准所述第二传感器(18)。
10.一种测量具有纵向和横向的连续片材工艺中的工艺变量的方法，所述方法包括：
(i)提供支撑第一传感器(16)和第二传感器(18)的第一细长构件(6)，其中所述第一传感器和所述第二传感器沿着所述第一细长构件(6)横向分离；
(ii)沿纵向引导连续移动的材料片材(26)，其中所述片材(26)具有第一侧和第二侧以及第一边缘(28)和第二边缘(30)，并且其中所述第一细长构件(6)沿横向邻近所述连续移动的材料片材(26)定位；
(iii)在第一扫描位置与第二扫描位置之间来回操纵所述第一细长构件(6)，使得所述第一传感器(16)测量位于所述材料片材(26)的所述第一边缘(28)与中间区域(32)之间的所述片材的特性，并且所述第二传感器(18)测量位于所述中间区域(32)到所述第二边缘(30)之间的所述片材(26)的特性；(iv)邻近所述第一边缘(28)定位第一标准化块(42)；
(v)邻近所述第二边缘(30)定位第二标准化块(40)；
(vi)将所述第一细长构件(6)操纵到第一校准位置，其中所述第一传感器(16)使用所述第一标准化块(42)获得参考测量；以及
(vii)将所述第一细长构件(6)操纵到第二标准化位置，其中所述第二传感器(18)使用所述第二标准化块(40)获得参考测量。
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