專利名稱：近紅外紙張定量水分測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紙張定量水分的近紅外測量方法，具體涉及一種紙張定量水分的近紅外測量方法。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)尚未見報(bào)道采用近紅外線對紙張進(jìn)行定量水分一體化測量的。國外有采用紅外線對紙張進(jìn)行測量的，但其方法僅是針對單一量的測量。雖然通過兩臺甚至多臺設(shè)備也可實(shí)現(xiàn)紙張的纖維、水分的測量，但無法實(shí)現(xiàn)紙張中成份復(fù)雜的定量的測量，因而也就無法實(shí)現(xiàn)紙張的定量水分的在線一體化測量。目前國內(nèi)外對于紙張定量的測量普遍采用β射線技術(shù)，在造紙生產(chǎn)線的檢測過程中用近紅外水分儀測量水分，而用β射線定量儀測量定量，即，采用的是一種組合測量模式，設(shè)備成本相對較高。另外，采用β射線技術(shù)存在有放射性污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種近紅外紙張定量水分測量儀，其解決了背景技術(shù)中僅是針對單一量的測量，無法實(shí)現(xiàn)紙張定量水分的一體化在線測量的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種近紅外紙張定量水分測量方法，其特殊之處在于該方法包括以下步驟1).將由紅外光源1發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，濾出至少五束不同波長的、按時(shí)間順序排列的近紅外單色光；2).近紅外單色光依次照射至反射器10上，由反射器10將近紅外單色光反射到發(fā)射積分半球4上；3).發(fā)射積分半球4將近紅外單色光反射到被測物5上；4).穿過被測物5的近紅外光經(jīng)接受匯聚裝置匯聚，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器8上；5).光電轉(zhuǎn)換器8將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，送至信號處理系統(tǒng)7；6).所述信號處理系統(tǒng)7的處理包括如下步驟(1).光電轉(zhuǎn)換器8輸出的電信號輸入到信號處理系統(tǒng)7的前置放大器進(jìn)行放大；
(2).放大后的信號送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；(3).由A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號送至微處理機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理；(4).預(yù)處理后的數(shù)字信號通過串行數(shù)據(jù)通訊口送入數(shù)據(jù)集中處理單元；(5).數(shù)據(jù)集中處理單元首先識別接受到的數(shù)字信號，并將數(shù)字信號劃分為參比信號和測量信號；(6).經(jīng)處理后的參比信號的一路通過增益控制電路送至前置放大器，控制前置放大器的放大倍數(shù)，使前置放大器在被測物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，保持參比信號大小不變；另一路作為測量信號的參比信號；7).數(shù)據(jù)集中處理單元按照設(shè)定運(yùn)算模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，所述設(shè)定運(yùn)算模式遵循的原則是當(dāng)計(jì)算纖維、水分、填料三種成份中的一種成分含量時(shí)，其測量信號與參比信號對其余兩種成份的影響相同；8).被測物的厚度、密度及填料、紙漿配比變化否？是，則進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償、修正后，得到被測物的定量、水分含量結(jié)果；否，則直接得到被測物的定量、水分含量結(jié)果；9).將定量、水分含量結(jié)果送至顯示器顯示；或同時(shí)將定量、水分含量結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口或標(biāo)準(zhǔn)電流信號送入記錄設(shè)備或定量水分控制系統(tǒng)。
上述被測物5的定量主要包括纖維、填料和水分含量；所述近紅外單色光的參比波長、測量波長的選擇應(yīng)滿足在測量纖維時(shí)，其測量信號與參比信號對水分、填料的影響相同；測量水分時(shí)，水分的參比、測量信號對纖維、填料的影響相同；測量填料時(shí)，填料的參比測量信號對纖維、水分的影響相同。
上述的調(diào)制后濾出的近紅外單色光以采用不同波長的、按時(shí)間順序排列的五束近紅外單色光為宜。
上述調(diào)制方式可采用調(diào)制電機(jī)2帶動旋轉(zhuǎn)的裝有調(diào)制濾光片的濾光輪3獲得不同波長的單色光。
上述接受匯聚裝置可由光錐9和聚光鏡6組合構(gòu)成，或由積分半球與聚光鏡6組合構(gòu)成。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.用近紅外方法在線測量紙張的定量，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線紙張定量水分的實(shí)時(shí)過程檢測，沒有放射性污染。
2用一臺設(shè)備實(shí)現(xiàn)紙張的定量和水分兩個(gè)參數(shù)的在線動態(tài)測量，即實(shí)現(xiàn)了紙張定量水分的一體化測量，降低了設(shè)備成本。
3.根據(jù)紙張的不均勻性、相互交織的纖維對光的各向發(fā)散性等物理特性，選用大面積測量光斑，光信號經(jīng)過調(diào)制，測量時(shí)對紙張的物理狀態(tài)變化、紙張的波動、外界光線等影響不敏感，使儀器的抗干擾性強(qiáng)，對紙張及使用環(huán)境的適應(yīng)性增強(qiáng)。
4.通過單色光波長的準(zhǔn)確選擇、匹配，可使數(shù)據(jù)處理運(yùn)算模型的參數(shù)獲得最佳匹配，解決了填料變化對測量結(jié)果的影響。
5.對紙張中多種成份的準(zhǔn)確測量，采用至少五束近紅外單色光，形成單色光的最佳匹配，從而使測量具有較高的精度。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖示意圖；圖2為本發(fā)明信號處理系統(tǒng)的流程圖。
附圖標(biāo)號說明1-紅外光源，2-調(diào)制電機(jī)，3-濾光輪，4-發(fā)射積分半球，5-被測物，6-聚光鏡，7-信號處理系統(tǒng)，8-光電轉(zhuǎn)換器，9-光錐，10-反射器，11-透鏡，12-聚光鏡。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明根據(jù)紙張的不均勻性、相互交織的纖維對光的各向發(fā)散性等物理特性，選用大面積測量光斑，且光信號經(jīng)過調(diào)制，使儀器在測量時(shí)對紙張的物理狀態(tài)變化、紙張的波動及外界光線等影響不敏感，以此使本發(fā)明具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。
本發(fā)明利用紙張組分對近紅外光的吸收特性，找出各組分對近紅外光譜的選擇性吸收特征，通過濾色分光技術(shù)從紅外光譜濾出五至多束的近紅外單色光，采用透射式裝置，及通過修正函數(shù)克服附加誤差，利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對紙張定量水分的一體化在線測量。
實(shí)現(xiàn)紙張定量的準(zhǔn)確測量，必須準(zhǔn)確測量出紙張的纖維含量、填料含量及水分含量。近紅外單色光選取的光束個(gè)數(shù)越多，測量精度越高，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般以濾出五束近紅外單色光為宜。五個(gè)不同波長的單色光中，有三束單色光分別反映紙張的纖維、填料、水分的測量信號，一束單色光作為參比信號，還有一束單色光用于平衡纖維、填料、水分三者之間的關(guān)系。
本發(fā)明具體實(shí)施步驟如下
1.由紅外光源1發(fā)出的光，經(jīng)調(diào)制，濾出至少五束不同波長的、按時(shí)間順序排列的近紅外單色光。調(diào)制方式為調(diào)制電機(jī)2帶動旋轉(zhuǎn)的裝有濾光片的濾光輪3對光信號進(jìn)行調(diào)制。該調(diào)制方式便于數(shù)據(jù)采樣。
2.近紅外單色外光，依次照射到反射器10上，反射器10將近紅外單色光反射到發(fā)射積分半球4上。
3.發(fā)射積分半球4將近紅外光反射到被測物5即紙張上。
4.穿過被測紙張的近紅外光經(jīng)接受匯聚裝置，匯聚到光電轉(zhuǎn)換器8上。接受匯聚裝置可采用光錐9與聚光鏡6組合構(gòu)成，或由積分半球與聚光鏡6組合構(gòu)成，也可采用其他公知方法。
5.光電轉(zhuǎn)換器8將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，送至信號處理系統(tǒng)7進(jìn)行處理。參見圖1。
信號處理系統(tǒng)7的處理流程如下1)從光電轉(zhuǎn)換器8輸出的電信號輸入到信號處理系統(tǒng)7的前置放大器進(jìn)行放大。由于輸入到前置放大器的信號非常微弱，所以要求前置放大器具有增益高、噪聲小的特性。
2)前置放大器將微弱信號放大到一定幅度，送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
3)由A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號送至微處理機(jī)系統(tǒng)，由微處理機(jī)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即，將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號按參比信號、測量信號進(jìn)行分類，并進(jìn)行濾波，得到一組與模擬信號相對應(yīng)的數(shù)字信號傳送到數(shù)據(jù)集中處理單元。
4)經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過串行數(shù)據(jù)通訊口將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)集中處理單元。
5)數(shù)據(jù)集中處理單元首先識別接受到的數(shù)字信號，并按各信號的不同要求分成參比信號和測量信號兩大類。
6)參比信號是經(jīng)過兩路信號合成而得到的，參比信號的作用有二其一是經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，通過增益控制電路送至前置放大器，控制前置放大器的放大倍數(shù)，使前置放大器在被測物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，保持參比信號大小不變；其二是作為測量紙張纖維、填料、水分信號的參比信號。測量纖維、填料、水分含量時(shí)，參比信號合成時(shí)采用的方法雖不同，但都是為了確保纖維、填料、水分含量測量的準(zhǔn)確性。
6.數(shù)據(jù)集中處理單元按照設(shè)定運(yùn)算模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，所述設(shè)定運(yùn)算模式遵循的原則是當(dāng)計(jì)算纖維、水分、填料三種成份中的一種成分含量時(shí)，其測量信號與參比信號對其余兩種成分的影響相同；7.被測物的厚度、密度及填料、紙漿配比變化否？是，則進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償、修正后，得到被測物的定量、水分含量結(jié)果；否，則直接得到被測物的定量、水分含量結(jié)果；8.將定量、水分含量結(jié)果送至數(shù)碼管或液晶屏顯示器顯示；同時(shí)可將定量、水分含量結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口或標(biāo)準(zhǔn)電流信號0～10mA、4～20mA送入記錄設(shè)備或定量水分控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄或定量水分控制系統(tǒng)。參見圖2。
本發(fā)明被測物即紙張的成份組成非常復(fù)雜，雖然只有纖維、填料、水分三種基本成份，但對于不同品種、用途的紙張，其纖維、填料、水分的組成均不同。紙張定量主要包括三部分1)纖維。分為木纖維、革纖維、棉纖維、竹纖維等，纖維的種類不同，則其分子結(jié)構(gòu)、光譜特性不同。
2)填料。紙張的品種不同、用途不同，則填料的種類成份不同。
3)水分。
測出紙張纖維、填料、水分這三個(gè)成份的含量，即得紙張定量。在測量各種成份時(shí)，需考慮各成份之間的相互影響。因此，對紙張中多種成份的準(zhǔn)確測量，采用五束或五束以上的近紅外單色光，形成單色光的最佳匹配，不僅可提高測量精度，而且可實(shí)現(xiàn)紙張定量水分的一體化測量。
本發(fā)明相關(guān)參數(shù)的選擇、修正以遵循下述原則為宜1.近紅外參比波長、測量波長的選擇應(yīng)滿足在測量纖維時(shí)，其測量信號與參比信號對水分、填料的影響是相同的。
2.測量水分時(shí)，水分的參比、測量信號對纖維、填料的影響是相同的。
3.測量填料時(shí)，填料的參比測量信號對纖維、水分的影響是相同的。
4.當(dāng)紙張的厚度、密度發(fā)生變化時(shí)，近紅外光穿透紙張的路徑會發(fā)生變化，可采用修正函數(shù)對測量結(jié)果進(jìn)行修正。
5.生產(chǎn)工藝因素的變化，如填料多少的變化、紙漿配料比例的變化、紙張厚度的變化、紙張密度的變化等，都會給測量結(jié)果帶來附加誤差，需要對這個(gè)附加誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
6.補(bǔ)償誤差的原則根據(jù)纖維、填料、水分的內(nèi)在關(guān)系及相互影響的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行動態(tài)修正。
權(quán)利要求
1.一種近紅外紙張定量水分測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟1).將由紅外光源(1)發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，濾出至少五束不同波長的、按時(shí)間順序排列的近紅外單色光；2).近紅外單色光依次照射至反射器(10)上，由反射器(10)將近紅外單色光反射到發(fā)射積分半球(4)上；3).發(fā)射積分半球(4)將近紅外單色光反射到被測物(5)上；4).穿過被測物(5)的近紅外光經(jīng)接受匯聚裝置匯聚，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器(8)上；5).光電轉(zhuǎn)換器(8)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，送至信號處理系統(tǒng)(7)；6).所述信號處理系統(tǒng)(7)的處理包括如下步驟(1).光電轉(zhuǎn)換器(8)輸出的電信號輸入到信號處理系統(tǒng)(7)的前置放大器進(jìn)行放大；(2).放大后的信號送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；(3).由A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號送至微處理機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理；(4).預(yù)處理后的數(shù)字信號通過串行數(shù)據(jù)通訊口送入數(shù)據(jù)集中處理單元；(5).數(shù)據(jù)集中處理單元首先識別接受到的數(shù)字信號，并將數(shù)字信號劃分為參比信號和測量信號；(6).經(jīng)處理后的參比信號的一路通過增益控制電路送至前置放大器，控制前置放大器的放大倍數(shù)，使前置放大器在被測物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，保持參比信號大小不變；另一路作為測量信號的參比信號；7).數(shù)據(jù)集中處理單元按照設(shè)定運(yùn)算模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，所述設(shè)定運(yùn)算模式遵循的原則是當(dāng)計(jì)算纖維、水分、填料三種成份中的一種成份含量時(shí)，其測量信號與參比信號對其余兩種成份的影響相同；8).被測物的厚度、密度及填料、紙漿配比變化否？是，則進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償、修正后，得到被測物的定量、水分含量結(jié)果；否，則直接得到被測物的定量、水分含量結(jié)果；9).將定量、水分含量結(jié)果送至顯示器顯示；或同時(shí)將定量、水分含量結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口或標(biāo)準(zhǔn)電流信號送入記錄設(shè)備或定量水分控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外紙張定量水分測量方法，其特征在于所述被測物5的定量主要包括纖維、填料和水分含量；所述近紅外單色光的參比波長、測量波長的選擇應(yīng)滿足在測量纖維時(shí)，其測量信號與參比信號對水分、填料的影響相同；測量水分時(shí)，水分的參比、測量信號對纖維、填料的影響相同；測量填料時(shí)，填料的參比測量信號對纖維、水分的影響相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的近紅外紙張定量水分測量方法，其特征在于所述調(diào)制后濾出的近紅外單色光為不同波長的、按時(shí)間順序排列的五束近紅外單色光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近紅外紙張定量水分測量方法，其特征在于所述的調(diào)制方式是調(diào)制電機(jī)2帶動旋轉(zhuǎn)的裝有調(diào)制濾光片的濾光輪3獲得不同波長的單色光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的近紅外紙張定量水分測量方法，其特征在于所述的接受匯聚裝置由光錐(9)與聚光鏡(6)組合構(gòu)成，或由積分半球與聚光鏡(6)組合構(gòu)成。
全文摘要
一種近紅外紙張定量水分測量方法，其將紅外光調(diào)制濾出不同波長、按時(shí)間順序排列的近紅外單色光，經(jīng)反射器反射到發(fā)射積分半球上，經(jīng)發(fā)射積分半球反射、穿過紙張，經(jīng)接受匯聚裝置匯聚到光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換為電信號后送至信號處理系統(tǒng)。信號處理系統(tǒng)將電信號送到前置放大器，在經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送至微處理機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理，送入數(shù)據(jù)集中處理單元識別、劃分為參比信號和測量信號。參比信號的一路控制前置放大器，另一路作為測量信號的參比信號。數(shù)據(jù)集中處理單元按運(yùn)算模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到紙張的定量、水分含量結(jié)果。本發(fā)明解決了背景技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)紙張定量水分一體化在線測量的技術(shù)問題，儀器測量精度高，且設(shè)備成本低。
文檔編號G01N21/17GK1800825SQ200410073599
公開日2006年7月12日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月31日
發(fā)明者李衛(wèi)國 申請人:西安力源光電科技有限責(zé)任公司