DE4008366A1

DE4008366A1 - Verfahren und system zum bestimmen der ausrichtung von fasern

Info

Publication number: DE4008366A1
Application number: DE4008366A
Authority: DE
Inventors: Nir Karasikov; Zehava Ben-Ezer
Original assignee: GALAI LAB Ltd
Current assignee: GALAI LAB Ltd
Priority date: 1989-03-17
Filing date: 1990-03-15
Publication date: 1990-09-20
Also published as: SE9000937L; SE9000937D0; IL89650A0; CA2012351A1; IL89650A

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Messen der Faseraus richtung in Bahnen und ein Verfahren zum Messen einer solchen Ausrichtung. Das System liefert Daten über die statistische Ausrichtung von Fasern in einer Mehr- bzw. Vielschichtstruk tur, die von Wert bei der Produktionskontrolle, -steuerung und/oder -regelung und bei Qualitätsmessungen in einer Viel falt von Industrien sind. Das System nach der Erfindung kann bei der Messung der Faserausrichtung in Bahnen aus Papier, von Kollagenfasern in Stoffen, Geweben, Floren, Netzen o.dg1., etc. verwendet werden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein elektro-optisches Verfahren und ein elektro-optisches System zur Verfügung ge stellt, worin ein Lichtstrahl bzw. -bündel (beispielsweise ein Laserstrahl bzw. -bündel) und spezialisierte Berechnungs methoden zum Messen der Faserausrichtung in einer Bahn ver wendet werden.

Ein bereits vorgeschlagenes elektro-optisches Verfahren und System, das der Anmelderin bekannt ist und worin ein Laser strahl bzw. -bündel verwendet wird, umfaßt eine Laserdioden quelle, Fokusierungsoptiken und einen Dioden-Photode tektoren-Sensor, mit Abbildungsoptik, welche die Ellipse auf die Ebene der Photodetektoren fokussiert (siehe Darstellung). Das Längen- bzw. Streckungsverhältnis und die Ausrichtung der Ellipse wird aus dem Niveau der relativen Signale dieser 6 Dioden (das linear von dem Betrag an Licht, der auf jede von ihnen fällt, abhängt) abgeleitet.

Dieses System ist sehr empfindlich für seitliche Verlagerun gen zwischen der optischen Achse der Quelle bzw. Laserdioden quelle und der optischen Achse des Sensors, was es ungeeignet für eine On-line-FO-Messung bzw. On-line-Faserausrichtungsmessung macht, wo eine mechanische Verlagerung von etwa 1 mm zwischen der Quelle bzw. Laserdi odenquelle und dem Sensor auftreten kann.

Andere bekannte Methoden benutzen Ultraschallwellen, Röntgen strahlenbeugung, Mikrowellendämpfung bzw. -schwächung und Anisotropie der Wärmeschrumpfung.

Kurz zusammengefaßt bezieht sich die Erfindung auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Faserausrichtung in Bahnen, die beispielsweise von Pulpenfasern in Papier, Kolla genfasern in Geweben, Floren, Netzen o.dgl. und dergleichen. Das System umfaßt eine geeignete Lichtquelle, die auf einen Lichtfleck von vorbestimmter Größe auf einer Oberfläche der zu messenden Bahn fokussieren wird, und einen geeigneten Sen sor, wie beispielsweise eine zweidimensionale CCD-Anordnung, insbesondere eine zweidimensionale regelmäßige CCD-Anordnung, deren Schärfepunkt auf der anderen Seite der Bahn liegt, wobei eine Einrichtung zum Auswerten der durch diese Aktivi tät gewonnenen Daten vorgesehen ist. Die Bahn läuft zwischen der Lichtquelle, die generell bzw. bevorzugt eine Laserdiode ist, und der CCD-Anordnung hindurch, was einen elliptischen Lichtfleck auf der anderen Seite der Bahn zur Folge hat, der von dem Sensor aufgenommen bzw. aufgefangen wird. Das System gewinnt das Bild des ellipsenförmigen Bilds mit einer Video rate und analysiert einen vorbestimmten Teil der Bilder mit einer gewünschten Rate. Zum Beispiel kann jedes dritte Bild mit einer Rate von zehn pro Sekunde ausgewertet werden. Die wichtigsten Parameter, die gemessen werden, sind die Ausrich tung der Ellipse und ihr Längen- bzw. Streckungsverhältnis. Diese können mathematisch ausgewertet werden, oder sie können graphisch auf zwei Kurvendarstellungen in Sichtwiedergabe wiedergegeben werden, welche das Längen- bzw. Streckenver hältnis und die Winkelausrichtung in Abhängigkeit von dem Ort der Messung in der Probe wiedergeben.

Die Faserausrichtung in einer Mehr- bzw. Vielschichtstruktur, wie beispielsweise einer Papierbahn, in den unterschiedlichen Schichten wird statistisch ausgewertet. Derartige Statistiken können für alle Schichten der Bahn gleichartig sein, oder sie können sich unterscheiden.

Ein Lichtfleck wird auf die Oberfläche der Bahn fokussiert und an den aufeinanderfolgenden Schichten gestreut, was als Ergebnis einen Lichtfleck auf der entgegengesetzten Oberfläche der Bahn zur Folge hat, der einem elliptischen Lichtfleck eng angenähert ist und der das Ergebnis des Lichtdurchgangs durch alle die Schichten ist. Messungen haben gezeigt, daß solche elliptischen Bilder für gegebene Arten von Bahnen statistisch konstant sind, und daß die Ergebnisse für jede spezielle Bahnprobe reproduzierbar sind. Das Phänomen der Faserausrichtung in solchen Faserbahnen ist ein Makrophänomen, und seine Messung ist von Wert in der Quali tätskontrolle bzw. -steuerung und/oder -regelung und zum Definieren der Papierqualität und der Qualität von anderen Produkten.

Es sei erwähnt, daß es eine klare bzw. deutliche Korrelation zwischen der mechanischen Festigkeit und der Faserausrichtung gibt, und es wurde gefunden, daß die mechanische Festigkeit von Produkten, wie beispielsweise Papier, um so höher ist, je größer der Grad an Ausrichtung der Fasern ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine geeignet Lichtquelle von weißem oder im wesentlichen mono chromatischem Licht, eine optische Fokusierungseinrichtung, eine Einrichtung zum Bewegen des Systems bezüglich der der Messung unterworfenen Bahn, und eine an der anderen Seite bzw. auf die andere Seite der Bahn fokussierten Sensorein richtung, die dazu geeignet ist, die Form und Größe des Lichtflecks an diesem resultierenden Lichtfleck zu bestimmen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Laser, wie beispielsweise eine Laserdiode, als Licht quelle verwendet, wobei der Lichtstrahl bzw. das Lichtbündel derselben mittels einer Linse oder mittels eines Linsensy stems auf die Oberfläche des Produkts fokussiert wird, an dem die Messung erfolgt (wie beispielsweise auf die Oberfläche von Papier), und es ist eine CCD-Kamera auf der anderen Seite der Bahn vorgesehen, die auf den Ort eines solchen bzw. des resultierenden Lichtflecks fokussiert ist, wobei das Sichtfeld dieser CCD-Kamera größer als dasjenige bzw. das Feld des resultierenden Flecks ist, was einen gewissen Grad an Fehlfluchtung der beiden Hauptkomponenten des Systems gestattet, die sich auf unterschiedlichen Seiten des Pro dukts, an dem die Messung durchgeführt wird, befinden. Der resultierende elliptische Lichtfleck wird ausgewertet, und generell sollte das Feld des CCD-Sensors, insbesondere der CCD-Kamera, oder eines anderen äquivalenten Sensors etwa drei mal so groß sein wie die Dimensionen der Ellipse (es sei bemerkt, daß CCD für "ladungsgekoppelte Einrichtung bzw. La dungsverschiebe-Element steht und daß im übrigen CCD-Kameras als solche bekannt sind).

Der fokussierte kreisförmige Lichtfleck wird mittels einer Linse auf einen vorbestimmten Durchmesser kollimiert bzw. eingestellt, und zwar generell in der Größenordnung von bevorzugt 50 bis etwa 300 µm, und das Licht wird durch die Fasern gestreut und geführt, die ihrerseits Teil einer Mehr bzw. Vielschichtstruktur sind, was einen elliptischen Licht fleck auf der anderen Seite der Bahn zur Folge hat. Es wurde gefunden, daß die Hauptachse der Ellipse mit der Richtung der wahrscheinlichsten Faserausrichtung übereinstimmt, wobei die Messung im wesentlichen eine statistische ist.

Das Längen- bzw. Streckungsverhältnis der Ellipse (Verhältnis zwischen den beiden Achsen) ist um so höher, je gleichförmi ger die Fasern richtungsmäßig ausgerichtet sind.

Diese beiden Parameter, Ellipsengröße und Längen- bzw. Strek kungsverhältnis, werden durch den im hohen Maße empfindlichen Sensor bestimmt und mittels einer Computereinrichtung ausge wertet.

Der Anhang A dieser Beschreibung stellt einige Algorithmen dar, die bei Messungen gemäß der vorliegenden Erfindung ver wendet werden. Die Anmelderin wünscht nicht, auf irgendeine spezielle Theorie beschränkt zu werden, und diese werden nur zur Illustration bzw. Erläuterung dargestellt.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügte schemati sche Zeichnung, die aus Darstellungsgründen nicht maßstabsge recht ist, anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Systems nach der Erfindung zeigt, mit einer Bahn, die in der vorgesehenen Position in diesem System dargestellt ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt das System eine Laser lichtquelle 11, die ein Parallellichtbündel 12 liefert, das mittels einer Linse 13 oder eines Linsensystems 13 auf einen Schärfe- bzw. Brennpunkt bei 14 fokussieren wird (auf der Vorderseite der Bahn 15), wobei der hierbei erhaltene Licht fleck bei 16 ein elliptisches Bild auf der anderen Seite der Bahn 15 zur Folge hat, und wobei ein CCD-Kamera-Sensor 17 auf das erwähnte Bild 16 fokussiert ist, und dieser Sensor 17 ist mit einem insgesamt mit 18 bezeichneten Einzelbildgreifer bzw. -fänger und Computer verbunden.

Das kohärente Lichtbündel des Lasers wird auf einen Fleck der Größenordnung von 50 bis 300 µm, was von der Art der Bahn und ihrer Dicke abhängt, fokussiert. Das Bild des Flecks auf der entgegengesetzte Seite der Bahn wird durch den Sensor 17 und den Einzelbildgreifer bzw. -fänger 18 mit Videorate gewonnen, wobei die Bildanalyse mittels eines Mikrocomputers bewirkt wird, der mit einem schnellen Algorithmus operiert, um die Parameter der Ellipse mit einer gewünschten Rate, von bei spielsweise 10 pro Sekunde, zu berechnen.

Eine experimentelle Einrichtung umfaßt eine Laserdiode im nahen Infrarot (etwa 800 nm), die auf einen Fleck von etwa 150 µm kollimiert bzw. eingestellt und auf einen Abstand von 250 mm fokussiert wird, wobei die Tiefe des Brenn- bzw. Schärfepunkts wenige Millimeter beträgt.

Laserdioden in der Größenordnung von 10 bis 100 mW haben zu friedenstellende Ergebnisse erbracht.

Als Sensor wird ein CCD-Kamera-Sensor von hoher Auflösung verwendet, der für ein niedriges Lichtniveau empfindlich ist und in einer industriellen Umgebung betrieben werden kann. Die verwendete Optik ist eine Linse oder ein Linsensystem mit einer Vergrößerung von etwa viermal. Vorteilhafterweise wird ein Interferenzfilter benutzt, um Hintergrundbeleuchtungsstö rungen auszuschalten.

Experimente mit On-line-Papierfaser-Messungen zeigen, daß die Faserausrichtung bei Papierblättern bzw. -bahnen bestimmt werden kann, die eine Breite in der Größenordnung von 10 Metern haben und die in der Maschine mit einer Geschwindig keit in der Größenordnung von 120 km/h (etwa 30 m/s) laufen, wobei das System nach der Erfindung dazu benutzt wird, in der Querrichtung längs der Papierfeldbreite bei bzw. mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 3 m/s abzutasten. Der Sensor und das Lichtquellensystem werden auf beiden Sei ten des Papierfelds in gleichzeitiger Weise angetrieben, vor zugsweise durch den gleichen Motor, auf gesonderten Schienen, da diese mechanisch nicht verbunden werden können.

Die Erfindung betrifft ein System bzw. eine Einrichtung zum Bestimmen der Faserausrichtung in einer stationären oder sich bewegenden Bahn von Fasern. Das System bzw. die Anordnung um faßt eine Lichtquelle, eine Einrichtung zum Fokusieren eines kleinen Lichtflecks auf die Oberfläche der Bahn, was einen ellipsenförmigen Fleck auf der entgegengesetzten Oberfläche der Bahn zur Folge hat, eine Anordnung, insbesondere eine regelmäßige Anordnung, von lichtempfindlichen Elementen, die auf der anderen Seite der Bahn positioniert sind, und zwar parallel und in einem vorbestimmten Abstand hiervon, sowie eine Einrichtung zum Fokussieren des elliptischen Lichtflecks auf die erwähnte Anordnung, und eine Einrichtung zum Auswerten des erwähnten Bilds auf der erwähnten Anordnung hinsichtlich der Größe, der Ausrichtung und des Längen- bzw. Streckungsverhältnisses der Ellipse. Mit der Erfindung wird weiter ein Verfahren zum Bestimmen der Faserausrichtung in Faserbahnen zur Verfügung gestellt, welches folgende Verfah rensschritte umfaßt: Fokusieren eines Lichtflecks auf die Oberfläche einer solchen Bahn, Fokussieren des auf der anderen Seite der Bahn gebildeten Bilds, welches Bild generell elliptisch ist, auf eine Anordnung, insbesondere regelmäßige Anordnung, von lichtempfindlichen Elementen, und Auswerten, insbesondere Berechnen, der wichtigen Parameter des elliptischen Lichtflecks.

Anhang A: Algorithmus

Der Algorithmus verwendet im allgemeinen Berechnungen von Momenten von einigen Ordnungen. Die Momente können für ein Grauniveaubild oder ebensogut bzw. auch für ein Schwellwert bild berechnet werden. (Das Schwellwertbild ist ein Ergebnis einer Transformation des Pixel bzw. Bildelementwerts, worin ein Schwellwert in Grauniveaueinheiten festgesetzt wird. Dann erhält jedes Pixel bzw. Bildelement mit einem Grauniveauwert unter diesem Schwellwert den Wert Null, während Pixel- bzw. Bildelemente mit Grauniveauwerten über dem Schwellwert den Wert "Eins" erhalten. Das resultierende Bild besteht aus Bildelementen mit nur zwei Niveaus.

Im allgemeinen sind die Grauniveaumomentsberechnungen ge nauer, jedoch zeitaufwendiger.

Es gibt zwei Möglichkeiten:

1. Grauniveaumomentberechnungen für genaue Ergebnisse jedoch langsame Meßrate bzw. -geschwindigkeit.
2. 1-Bit-Momentberechnungen (2-Niveau-Momentberechnungen) für weniger genaue Ergebnisse, jedoch schnelle Meßraten bzw. -geschwindigkeiten.

Das Bild ist aus 512×512 Bildelementen (oder 680×480 Elementen in einer anderen Version) zusammengesetzt.

Ein Moment der Ordnung i, j wird definiert durch:

Wir definieren M durch:

M _R = M _eo sin²R + 2 M _ÿ cosR sinR + M _oe cos²R

Die Winkelausrichtung der Ellipse wird berechnet durch:

und das Längen- bzw. Streckungsverhältnis wird berechnet durch:

Wenn man die 1-Bit-Momente benutzt, wird das Moment der Ordnung i, j nur für Bildelemente (x, y) mit f (x, y) = 1 berechnet
N = 0
FÜR Y = 1 bis 512 BEGINNE
M = M _ÿ + (Y-Y₀) _{* *} j) _* A
A = 0
FÜR x = 1 bis 512 BEGINNE
Wenn f (x, y) = 1 DANN BEGINNE
A = A + (x-x₀) _{* *} i
N = N+1
ENDE
ENDE
ENDE
M _ÿ = M _ÿ/N

Claims

1. System bzw. Einrichtung zum Bestimmen der Faseraus richtung in einer stationären oder sich bewegenden Bahn von Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß das System bzw. die Einrichtung folgendes umfaßt: eine Lichtquelle (11), eine Einrichtung zum Fokusieren eines kleinen Lichtflecks (14) auf die Oberfläche der Bahn (15), so daß ein ellipsenförmiger Fleck (16) auf der entgegengesetzten Oberfläche der Bahn (15) resultiert, eine Anordnung (17) von angemessener Größe, insbesondere eine regelmäßige Anordnung bzw. eine Gruppierung, von lichtempfindlichen Elementen, die auf der erwähnten anderen Seite der Bahn (15) positioniert ist, und zwar parallel und in einem vorbestimmten Abstand hiervon, eine Einrichtung zum Fokusieren des elliptischen Lichtflecks (16) auf die erwähnte Anordnung (17), wobei diese Anordnung (17) im wesentlichen unempfindlich für geringere Fehlausrichtungen der Lichtquelle (11) gegenüber der Anord nung (17) ist, und eine Einrichtung (18) zum Auswerten, insbesondere Berechnen, des Bilds auf der Anordnung (17) hinsichtlich Größe, Ausrichtung und Längen- bzw. Streckungs verhältnis der Ellipse.

2. System bzw. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn (15) eine Papierbahn oder eine nichtgewebter Faserstoff bzw. ein nichtgewebtes Textilmaterial oder eine Kollagenstruktur ist.

3. System bzw. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Einrichtung für die Bewegung der Bahn (15) zwischen der Lichtquelle (11) und der Anordnung (17) vorgesehen ist, und daß wiederholte Messungen in vorbestimmten Zeitintervallen bzw. -abständen ausgeführt werden, wenn die Bahn (15) zwischen der Quelle (11) und der Anordnung (17) hindurchgeht.

4. System bzw. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) eine Laserdiode ist, daß die lichtempfindliche Anordnung (17) eine CCD-Anordnung bzw. eine Ladungsspeicher-Baustein-Anordnung bzw. eine Anordnung von ladungsgekoppelten Bausteinen ist, insbesondere eine regelmä ßige CCD-Anordnung oder eine CCD-Gruppierung bzw. eine regel mäßige Anordnung oder eine Gruppierung der vorgenannten Bausteine.

5. System bzw. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (18) für die statistische Auswertung der Messung, insbesondere für die statistische Berechnung, basierend auf Algorithmen, die auf Mehr- bzw. Vielschicht-Faserbahnen an wendbar sind, vorgesehen ist.

6. System bzw. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) eine solche ist, welche momochromatisches Licht liefert; und daß das Licht mittels einer optischen Einrichtung fokussiert wird; und daß die Fläche der CCD (17) bzw. der Ladungsspeicher-Baustein-Anordnung (17) bzw. der Anordnung (17) von ladungsgekoppelten Bausteinen etwa das dreifache derjenigen des erzeugten Lichtfleckbilds ist.

7. System bzw. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtfleck auf einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 30 bis 400 µm fokussiert ist.

8. Verfahren zum Bestimmen der Faserausrichtung in Faserbahnen, insbesondere zum Berechnen der Faserausrichtung und des Grads an Ordnung bzw. Größe dieser Ausrichtung in einer Bahn von ungewebten Fasern, dadurch gekennzei chnet, daß das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfaßt: Fokussieren eines Lichtflecks (14) auf die Oberfläche einer solchen Bahn (15), Fokussieren des auf der anderen Seite der Bahn (15) gebildeten Bilds (16), welches allgemein elliptisch ist, auf eine Anordnung (17), insbesondere eine regelmäßige Anordnung oder Gruppierung, von lichtempfindli chen Elementen, und Auswerten, insbesondere Berechnen, der wichtigen Parameter des besagten elliptischen Lichtflecks (16).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewerteten, insbesondere berechneten, Elemente, die Ausrichtung der Ellipse und deren Längen- bzw. Streckungsverhältnis sind.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der fokussierte Lichtfleck (14) von einem Laser (11), insbesondere einer Laserdiode, ausgeht, und daß sein Bild (16) auf eine CCD-Anordnung (17) bzw. eine Ladungsspeicher-Baustein-Anordnung (17) bzw. eine Anordnung (17) von ladungsgekoppelten Bausteinen, welche vorzugsweise eine regelmäßige Anordnung oder eine Gruppierung ist, fokussiert wird, wobei die Auswertung, insbesondere die Berechnung, eine statistische ist.

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung, insbesondere Berechnung, auf einem Algorithmus basiert, insbesondere auf dem Algorithmus gemäß Anhang A.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung während eines Produktionsprozesses bewirkt wird, bei dem sich die Bahn (15) zwischen der Lichtquelle (11) und der lichtempfindlichen Anordnung (17) bewegt.