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用于确定纸片材品质参数的 传感器系统和方法

阅读：712发布：2024-01-10

专利汇可以提供用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法。提供一种非接触式传感器系统和方法，用于基于THz 辐射来确定纸片材品质参数，诸如尺寸、基本重量和片材水分。方法包括：通过发射器系统(10)，将THz辐射信号 (60)发射向纸片材材料(2)，使得THz辐射与纸片材材料相互作用；通过检测器系统(20)，检测已与纸片材材料(2)相互作用的THz辐射信号(70)的依赖时间和/或频率的响应(74)；通过优化模型参数使得物理模型的预测响应与检测到的响应拟合，来确定物理模型的模型参数，模型参数指示在纸片材材料与周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数；以及根据确定的模型参数，来确定纸片材品质参数(91)中的至少一些。，下面是用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1. 一种基于对物理模型的拟合，通过非接触式传感器系统(1)来确定纸片材材料(2)的多个纸片材品质参数(91)的方法，其中
所述纸片材品质参数至少包括片材尺寸、基本重量、片材水分，其中
所述传感器系统包括用于发射THz 辐射的发射器系统(10)、用于检测THz辐射的检测器系统(20)，以及操作地联接到所述发射器系统(10)和所述检测器系统(20)上的处理单元(30)，
所述方法包括：
- 通过所述发射器系统(10)，将THz辐射信号(60)发射向所述纸片材材料(2)，使得所述THz辐射与所述纸片材材料相互作用；
- 通过所述检测器系统(20)，检测已与所述纸片材材料(2)相互作用的THz辐射信号(70)的依赖时间和/或频率的响应(74)；
- 通过优化所述模型参数使得所述物理模型的预测响应与检测到的响应拟合，来确定所述物理模型的模型参数，所述模型参数指示在所述纸片材材料与周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数；
- 根据确定的模型参数，确定所述纸片材品质参数(91)中的至少一个，其中，通过迭代过程(86)来使所述物理模型的参数拟合检测到的响应，所述迭代过程(86)包括以下步骤：
(a)基于所述物理模型，使用关于所述模型参数(92，93)的初始推测，来计算模拟响应(94)；
(b)计算表示所述预测响应(94)和检测到的响应(74)之间的偏差(95)的误差函数；
(c)重复步骤(a)和(b)，其中改变所述模型参数(92，93)，直到所述误差函数满足最佳拟合标准，
(d)获得作为满足步骤(c)中的最佳拟合标准的最终参数的拟合参数，以及根据所述拟合参数(92，93)来计算所述纸片材品质参数中的至少一个。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纸片材品质参数进一步包括所述纸片材材料的纤维定向和可选的纤维方向性，以及其中，所述检测器系统(10)对极化状态互不相同的极化THz辐射敏感，以及其中
- 在所述发射步骤中，由所述发射器系统发射的THz辐射信号具有不止一个线极化分量；
- 在所述检测步骤中，针对两个极化方向中的各个，检测检测到的依赖时间和/或频率的响应；
- 在所述确定模型参数的步骤中，针对所述两个极化方向中的各个，确定相应的一组检测坐标系模型参数，所述检测坐标系模型参数指示在相应的极化方向上，在所述纸片材材料与所述周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数，
所述方法进一步包括：
- 根据所述检测坐标系模型参数，确定作为所述纸片材材料的光学轴线的纤维定向；
- 依赖于在相应的极化方向和确定的光学轴线之间的角度，结合所述检测坐标系模型参数，从而获得轴线坐标系模型参数，其指示分别针对平行于确定的光学轴线的方向和垂直于确定的光学轴线的方向，在所述纸片材材料与所述周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数；
- 根据所述轴线坐标系参数来确定其余纸片材品质参数中的至少一个，所述至少一个纸片材品质参数优选包括纤维方向性。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，依赖于频率而确定所述纤维定向和所述纤维方向性中的至少一个。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，使用整个检测到的响应(74)来确定所述模型参数，检测到的响应占至少500 fs的时间，并且具有至少100 fs的时间分辨率。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，根据单个THz辐射信号来确定所有所述纸片材品质参数。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器系统进一步包括背侧式THz反射器(46)，以及其中，所述发射器系统(10)和所述检测器系统(20)布置在所述纸片材材料(2)的一侧，而所述背侧式THz反射器(46)布置在所述纸片材材料(2)的另一侧。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述物理模型中没有对于纸片材材料的种类特定的任何校准数据的输入的情况下，确定所述纸片材品质参数。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器系统(1)进一步包括操作地联接到所述处理单元(30)上的空气水分传感器(26)和温度传感器(28)，其中，所述方法进一步包括从所述空气水分传感器(26)获得环境空气水分值，从所述温度传感器(28)获得温度值，以及将获得的温度值和环境空气水分值输入所述处理单元中。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括将基准信号序列(72)输入所述物理模型中，其中，所述基准信号序列描述发射的未与所述纸片材材料(2)相互作用的THz辐射信号。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，确定的模型参数包括折射率的参数化，其中，优选地，通过对确定的折射率进行谱分析，来确定灰和水分。
11. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括相对于所述纸片材材料的馈送方向沿横向移动所述发射器系统(10)和所述检测器系统(20)。
12. 一种用于以非接触式方式确定纸片材材料的多个纸片材品质参数(91)的传感器系统(1)，所述传感器系统包括：
- 用于发射THz辐射的发射器系统(10)，
- 用于检测THz辐射的检测器系统(20)，以及
- 操作地联接到所述发射器系统(10)和所述检测器系统(20)上的处理单元(30)，其中
所述传感器系统(1)构造成用根据前述权利要求中的任一项所述的方法来确定所述多个纸片材品质参数(91)。
13. 一种用于搬运纸片材材料(2)的设备，所述设备包括根据权利要求12所述的传感器系统(1)和用于馈送所述纸片材材料的纸片材馈送系统，所述传感器系统布置成在所述纸片材输送系统输送所述纸片材材料时，确定多个纸片材品质参数。
14. 根据权利要求13所述的用于搬运纸片材材料(2)的设备，其特征在于，所述设备进一步包括至少一个纸处理区段和控制区段，所述控制区段构造成依赖于由所述传感器系统(1)确定的纸片材品质参数，来调节所述至少一个纸处理区段的运行。

说明书全文

用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法

技术领域

[0001] 本发明的各方面涉及用于通过使用THz 辐射的非接触式传感器系统来确定纸片材品质参数(诸如片材尺寸(caliper)、基本重量、水分等)的方法。本发明的另外的方面涉及对应的传感器系统，以及用于搬运纸片材材料的具有这种传感器系统的设备。

背景技术

[0002] 由于从经济优化到物理性能的一系列原因，诸如纸的片材材料的品质控制对于诸如纸处理(例如在纸生产中)的工业过程是至关重要的。存在两种类型的品质控制：离线和在线。在纸处理之外(例如作为处理后检验)进行离线品质控制，并且通常在实验室中进行。相比之下，在线品质控制作为纸处理的一部分而实时进行。在线品质控制例如可在过程的干燥端执行，并且可用作湿润端过程的反馈。针对纸的在线品质控制所确定的参数可包括纸的尺寸(厚度)、基本重量、水分、灰、亮度、光泽度和颜色。也可确定其它参数，例如涂层重量和纤维定向和方向性(anisotropy)。

[0003] 目前的在线品质控制系统典型地包括重型框架，传感器头盒安装在框架上，传感器头盒包含许多传感器元件，它们各个都用来刻画移动的纸的单独的参数。传感器头垂直于纸馈送方向进行扫描，以获得经处理的材料的品质的代表性度量。典型的传感器头的一些传感器可能需要β辐射，β辐射需要特定的屏蔽和维护。一些其它传感器需要与纸片材材料进行物理接触，并且可因此干扰纸的搬运，例如因为增加损害纸的风险。

[0004] 最近，已经提出的使用THz辐射的无接触测量技术。已经在US于2009/0128799 A1中描述了一种用于基于THz辐射来在线测量片材尺寸的系统。

[0005] 尽管如此，仍然需要一种以可靠方式从THz测量信号中提取有关品质参数以获得稳定可靠且有意义的品质参数的系统。

发明内容

[0006] 考虑到以上，提供根据权利要求1的方法、根据权利要求13的传感器系统和根据权利要求14的设备。

[0007] 根据第一方面，提供一种用于用非接触式传感器系统来确定纸片材材料的多个纸片材品质参数的方法。纸片材品质参数至少包括片材尺寸、基本重量，以及优选还包括片材水分。传感器系统包括用于发射THz辐射的发射器系统，用于检测THz辐射的检测器系统，以及操作地联接到发射器系统和检测器系统上的处理单元。该方法基于对物理模型的拟合，并且包括：通过发射器系统，将THz辐射信号发射向纸片材材料，使得THz辐射与纸片材材料相互作用；通过检测器系统，检测已与纸片材材料相互作用的THz辐射信号的依赖时间和/或频率的响应；通过优化模型参数使得物理模型的预测响应与检测到的响应拟合，来确定物理模型的模型参数，模型参数指示在纸片材材料与周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数；以及根据确定的模型参数，确定纸片材品质参数中的至少一个(例如尺寸，以及优选还有基本重量)。

[0008] 根据第二方面，提供一种用于以非接触式方式确定纸片材材料的多个纸片材品质参数的传感器系统。传感器系统包括：用于发射THz辐射的发射器系统、用于检测THz辐射的检测器系统，以及操作地联接到发射器系统和检测器系统上的处理单元。传感器系统构造成用本文描述的(任何)方法来确定多个纸片材品质参数。

[0009] 传感器组件和方法允许使用来自片材材料的检测到的THz辐射响应的大量信息，通过使物理模型的预测响应与检测到的响应拟合，来获得稳定可靠且有意义的一组品质参数。

[0010] 根据从属权利要求、描述和附图，可与本文描述的实施例结合的另外的优点、特征、方面和细节是显而易见的。

附图说明

[0011] 将在下面参照附图来描述细节，其中图1是根据本发明的实施例的传感器系统的示意性侧视图；
图2a和2b是图1的传感器系统的另外的可行细节和变型的示意性侧视图；
图3a至3c是示出纸片材材料与由根据本发明的实施例的传感器系统发射的THz辐射的相互作用的示意图；
图4是示出根据本发明的实施例的确定纸片材品质参数的方法的框图；
图5是表示已与纸片材材料相互作用的THz辐射的检测和/或模拟的时间响应的示意图；
图6是表示根据本发明的实施例所确定的纸片材材料的折射率的实部(Re)和虚部(Im)的示意图；
图7是表示各种湿度的纸片材材料的透射谱的示意图；
图8是表示已与单个经涂覆的纸片材材料相互作用的THz辐射的检测到的时间响应的示意图；以及
图9是表示纸片材材料的透射幅度数据随纸片材材料的旋转角度而改变的示意图。

具体实施方式

[0012] 在下面，描述本发明的一些更详细的方面。方面和方面的一部分彼此独立，并且可按任何方式结合。例如，本文中描述的任何方面或实施例可与任何其它方面或实施例结合。

[0013] 首先，描述一些一般方面和定义。根据本发明的一方面，获得一种用于通过使用THz辐射的非接触式测量来确定多个片材品质参数的方法和系统。

[0014] 根据另一方面，使用来自相同数据源(一个或多个)的度量同时获得多个片材品质参数。数据源(一个或多个)包括THz传感器系统。优选地，使用单个测得的波形或谱来确定品质参数。优选地，不使用对材料特定的校准数据来获得品质参数。

[0015] 待确定的纸片材品质参数至少包括片材尺寸(即，厚度)、基本重量，以及优选包括片材水分。可选地，也包括其它纸片材品质参数，诸如涂层重量、纤维定向、纤维方向性和灰(即，不可燃要素的含量)。根据该方法，所有这些参数都由非接触式传感器系统确定，即，在不在物理上接触纸片材材料的情况下获得这些参数的系统。特别地，传感器系统是通过检测和分析已与纸片材材料相互作用的电磁THz辐射来确定所有纸片材品质参数的光学系统。在本文，THz辐射被定义为范围为0.01-10 THz的频率的电磁辐射(即，包括具有0.01-10 THz的频率范围的不可忽略的信号分量)。检测到的信号(例如检测到的THz辐射的时域波形或频域谱)也被称为对(发射的)THz辐射信号的响应。

[0016] 通过优化物理模型的参数诸如以便获得模型预测与检测到的辐射的最佳拟合来分析THz辐射信号。这确保考虑到包含在检测到的THz辐射信号中的整个信息的可靠分析。因此，即使有噪声，结果也是稳定可靠的，因为结果基于大量数据点，即便仅测量到一个或几个时间轨迹。另外，此方法允许结果与对存在于纸片材材料中的根本物理现象的实际理解一致。物理模型可为用于纸的在光学上有关的参数的有效模型。

[0017] 一旦确定模型参数，则根据模型参数计算至少一些纸片材品质参数。

[0018] 这里，基于物理考量，物理模型被定义为预测响应关于模型参数的函数。模型参数指示(允许计算)在纸片材材料与周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数。

[0019] 选择这些模型参数是有利的，因为透射系数和/或反射系数或者它们的适当的参数化允许较直接地计算至少一些纸片材品质参数。同时，透射系数和/或反射系数直接关联到检测到的已与纸片材材料相互作用的THz信号的响应，并且从而允许已与纸片材材料相互作用的THz信号的响应有良好且稳定可靠的模型，其不需要任何校准参数。因此，有利地使用这些透射系数和/或反射系数(或指示它们的参数)作为模型参数。

[0020] 指示透射系数和/或反射系数的可行的模型参数的示例包括纸片材材料的(复数)折射率或其参数化。其它可行的模型参数包括透射系数和/或反射系数本身。

[0021] 优选地，选择物理模型，使得它允许使依赖于频率的透射系数和/或反射系数参数化，以及/或者可能允许针对纸片材材料(双折射)的各个光学轴线有单独的透射系数和/或反射系数。在示例中，可通过在依赖频率的折射率方面表示透射系数和/或反射系数，来获得频率依赖性。进而可用各种方式使依赖频率的折射率n(f)参数化。例如，基于物理考量，n(f)的函数形式可由多个参数表示，或者使用足够好地逼近预期频率依赖性的参数化来表示n(f)的函数形式。一个示例是以下参数化：n(f) = n0 + ∑k nk * pk (f)　　　　(1)
这里，n(f) 是依赖频率的折射率，f是频率，k=1…N是指数(N是自然数，例如N=1)，并且n0、nk是模型参数，并且pk(f) 是表示纸中的物理现象的依赖频率的函数。

[0022] 方程(1)的参数化不仅具有良好地逼近纸的折射率的预期形式的优点，而且还允许在物理上将频率依赖性解释为由纸片材材料中的振荡模式引起。

[0023] 然后可通过例如菲涅耳(Fresnel)方程，在(依赖频率的)折射率n(f)的方面表示透射系数和/或反射系数。透射系数和/或反射系数的其它参数化也是可行的。因而，根据一般方面，模型参数可为表示透射率和/或反射率和/或折射率的参数。

[0024] 接下来，更详细地描述关于用于找出优化(最佳拟合)预测响应的算法的一些方面。算法包括以下输入数据：基准波形(在时域中)或基准谱(在频域中)或描述发射的未与纸片材材料相互作用的THz辐射信号的一些其它信号序列，以及检测到的响应。另外，可输入环境水分值和/或温度值。

[0025] 优选地，使用迭代算法。迭代算法包括以下步骤：(a)基于物理模型，使用模型参数的初始推测，来计算模拟响应；(b)计算表示预测响应和检测到的响应之间的偏差的误差函数；(c)重复步骤(a)和(b)，其中改变模型参数，直到误差函数满足最佳拟合标准，以及(d)获得作为满足步骤(c)中的最佳拟合标准的最终参数的拟合参数。然后，根据拟合参数来计算至少一些品质参数(例如尺寸、基本重量和/或涂层重量)。

[0026] 因而通过计算随模型参数而改变的最佳拟合响应使得最佳拟合响应满足表示预测响应和检测到的响应之间的偏差的误差函数的预定最佳拟合标准，来确定片材品质参2
数。最佳拟合标准可包括误差函数的最小化标准(例如L 范数)。可能地，可对误差函数添加额外的项，例如惩罚物理上不合理的预测响应的“惩罚项”。

[0027] 接下来，更详细地描述关于经分析的THz辐射信号的一些方面。根据一般方面，使用整个检测到的响应(检测到的响应的基本所有数据点)来确定模型参数。因而，将响应的基本所有数据点输入模型参数的计算中，并且在计算模型参数时使用它们，使得任一个数据点的变化都至少以最小方式影响结果(不考虑数量的取整或舍位)。例如，如果响应是具有给定取样速率的时域波形，则使用时域波形的整个形状(基本所有数据点)。

[0028] 根据另一方面，检测到的响应占至少500 fs的时间。因此，使用的所有数据点都占至少500 fs的信号长度。优选地，响应甚至占至少1 ps或至少2 ps。根据另一方面，检测到的响应具有至少100 fs的时间分辨率(数据点的以时间为单位的平均间距，也被称为取样速率的倒数值)。因此，每100 fs时间间隔使用至少一个数据点。优选地，取样速率为-1至少0.02 fs 。根据另一方面，THz辐射是脉冲束，并且优选地，使用整个脉冲来确定模型参数。

[0029] 根据另一方面，根据单个THz辐射信号(可能具有两个极化分量)，确定所有纸片材品质参数(即，至少片材尺寸、基本重量和任何其它要求的纸片材品质参数)作为响应。辐射信号可为连续信号、THz脉冲或THz脉冲的一部分。

[0030] 根据另一方面，测量的持续时间(即，获得上述时间轨迹所花的时长)小于纸片材材料的平均同质长度除以纸片材材料在用于搬运纸片材材料的设备中相对于传感器组件的最大额定传播速率。在没有任何相反信息的情况下，同质长度是平均纤维长度，典型地2.5mm至4mm。

[0031] 根据另一方面，确定品质参数包括组合使用单个公共THz辐射信号(响应)作为输入的几种不同的分析方法。分析方法可包括上面描述的参数拟合，以及另外，检测到的响应的谱分析或根据谱分析获得的数量中的至少一个。由于所有参数都得自通过片材材料上的纤维长度同质性内的单个位置处的测量获得的单个检测到的响应，所以相互使用分析的中间参数不会引入误差。

[0032] 根据一般方面，通过分析响应的时域波形来获得一些品质参数，以及通过分析同一响应的频域谱来获得一些品质参数。例如，从时域波形获得尺寸和基本重量和可选的涂层重量；可从频域谱获得水分和可选的灰。

[0033] 接下来，更详细地描述关于另一个输入数据的一些方面。根据一方面，在不输入对于纸片材材料的种类特定的任何校准数据的情况下确定纸片材品质参数。在本文，这个校准数据应理解为不来自THz检测器的外部输入数据，纸片材材料的种类必须针对THz检测器。因而，例如，由检测器系统检测到的辐射，以及可能的温度和环境水分，不是校准数据，因为不必输入纸片材材料的种类。另外，预先存储的参数(诸如特定物质(诸如水或灰)的基本光学跃迁概率)和材料常数不是校准数据，只要它们独立于使用的纸片材材料的种类。相比之下，校准数据需要输入纸片材材料的种类，典型地通过手动输入(例如通过键盘，或者通过条码阅读器)。使用物理模型的优点在于，可在不输入这种校准数据的情况下获得可靠的结果。

[0034] 根据另一方面，传感器系统进一步包括操作地联接到处理单元上的空气水分传感器和/或温度传感器，其中，方法进一步包括从空气水分传感器获得环境空气水分值，从温度传感器获得温度值，以及将获得的温度值和/或环境空气水分值输入到处理单元中。

[0035] 接下来，更详细地描述关于传感器设备的地理布置的一些方面。根据一方面，传感器系统包括背侧式THz反射器。另外，发射器系统和检测器系统可布置在纸片材材料的一侧，并且背侧式THz反射器可布置在纸片材材料的另一侧。THz反射器可包括一层金属、玻璃、硅，或者在相关频率范围中具有与周围介质大不相同的折射率的另一种材料。THz反射器可布置成基本平行于纸片材材料。

[0036] 根据另一方面，传感器系统可包括半透明THz反射器作为光束分离器。光束分离器可布置成相对于纸片材成角度，使得来自发射器系统的光学路径和通往检测器系统的光学路径被引导到/引导出基本垂直于纸片材材料的光学路径。因此，发射器系统和检测器系统布置成分别发射和检测相对于纸片材材料具有直角入射角的光线。

[0037] 接下来，更详细地描述关于确定特定品质参数的一些方面。在本文，首先，描述确定纤维定向的一些方面：检测器系统对极化状态互不相同的极化THz辐射敏感(即，可区分这样的极化状态，诸如两个或更多个不同的线极化、圆极化或椭圆极化状态)。优选地，至少两个不同的极化状态彼此倾斜90°之外的角度。确定纤维定向可包括下者中的至少一个：在发射步骤中，由发射器系统发射的THz辐射信号具有不止一个线极化分量(例如至少一个圆极化或椭圆极化或两个独立的线极化)。

[0038] 根据另一方面，THz辐射检测器系统对至少两个独立的线极化方向敏感，优选对三个独立的线极化方向敏感，即，能够分解这些极化方向之间的信号差。因此，在检测步骤中，针对至少两个极化方向中的各个检测(优选同时)检测依赖时间和/或频率的响应。在确定模型参数的步骤中，针对两个极化方向中的各个确定相应的一组检测坐标系模型参数，检测坐标系模型参数指示在相应的极化方向上，在纸片材材料与周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数。

[0039] 根据另一方面，方法进一步包括根据检测坐标系模型参数，确定作为纸片材材料的光学轴线(光学轴线之一)的纤维定向。根据另一方面，方法进一步包括依赖于相应的(线)极化方向和确定的光学轴线之间的角度而组合检测坐标系模型参数，从而获得轴线坐标系模型参数，其指示分别对于平行于确定的光学轴线的方向和垂直于确定的光学轴线的方向，在纸片材材料与周围介质的界面处的透射系数和/或反射系数。例如可通过对检测坐标系模型参数进行线性变换，特别是通过使它们旋转一旋转角(其为一个极化方向和光学轴线之间的差)，来获得这个组合。例如，模型参数可包括检测坐标系中的琼斯(Jones)参数，并且旋转由依赖于旋转角的2×2旋转矩阵实现。根据另一方面，然后根据旋转的(轴线坐标系)参数来确定纤维定向和可能的方向性之外的其余纸片材品质参数中的至少一个。

[0040] 根据另一方面，确定的光学轴线，或垂直于确定的光学轴线方向，作为纤维定向输出。根据另一方面，在例如描述与电磁场的相互作用的复数2×2矩阵的琼斯参数方面，来使光学参数进行参数化。

[0041] 根据另一方面，依赖于频率而确定光学方向性。根据这方面，例如通过对时域响应波形进行傅里叶变换来获得依赖频率的响应谱。然后单独对各个频率执行用于确定光学方向性的步骤。从而，获得依赖频率的光学方向性。

[0042] 接下来，描述确定灰和/或水分的一些方面。根据一方面，例如根据谱权重对折射率的贡献(例如方程(1)中的参数nk)或其它确定的表示灰含量的模型参数，来确定灰/水分。根据另一方面，根据依赖频率的光学系数(例如透射系数、反射系数或吸收系数或折射率)，例如通过对系数进行谱分析，来确定灰/水分。

[0043] 接下来，更详细地描述关于可行的传感器系统和设备的一些方面。根据一方面，传感器系统包括用于发射THz辐射的发射器系统、用于检测THz辐射的检测器系统，以及操作地联接到发射器系统和检测器系统上的处理单元，并且传感器系统构造成(即，配备和编程成)用根据本文描述的任何方面的方法来确定多个纸片材品质参数。为此，处理单元的存储器可配备有用于使处理单元的处理器执行根据本文描述的任何方面的方法的程序代码。

[0044] 根据另一方面，设备进一步包括用于输送纸片材材料的纸片材输送系统，并且传感器系统布置成在线地(即，在纸片材材料被纸片材输送系统输送和优选地处理时)确定多个纸片材品质参数。根据另一方面，使用确定的参数来调节依赖于纸片材品质参数的至少一个纸处理区段的运行。照这样，产生反馈控制回路。

[0045] 根据另一方面，发射器系统和检测器系统相对于纸片材材料的馈送方向沿横向移动。从而，可在不同的横向位置处分析纸。相应地，设备可包括可相对于纸片材材料的馈送方向沿横向移动的传感器安装件，其中，发射器系统和检测器系统安装在传感器安装件上。

[0046] 图和实施例的详细描述：现在将更详细地参照各种实施例，在各图中示出实施例的一个或多个示例。以说明的方式提供各个示例，并且它们不表示限制。例如，示为或描述成一个实施例的一部分的特征可用于任何其它实施例或与其结合起来使用，以产生又一个实施例。意于的是本公开包括这样的修改和变型。

[0047] 在图的以下描述内，相同参考标号表示相同或相似的构件。大体上，仅描述关于单独的实施例的区别。除非另有规定，对一个实施例中的一部分或方面的描述也适用于另一个实施例中的对应的部分或方面。

[0048] 图1是根据本发明的实施例的传感器系统1的示意性侧视图。传感器系统1具有用于发射THz辐射的发射器系统10、用于检测THz辐射的检测器系统20、操作地联接到发射器系统10和检测器系统20上的处理单元30，以及THz反射器46。另外，图1显示操作地联接到处理单元30上的可选的空气水分传感器26和可选的温度传感器28。

[0049] 另外，纸片材材料2布置在一边的发射器系统10(和检测器系统20)和另一边的THz反射器46之间，在发射器、检测器系统10、20和纸片材材料2之间有空气间隙42，以及在纸片材材料2和THz反射器46之间有空气间隙44。因而THz反射器46用作背侧式反射器，发射器系统10和检测器系统20布置在纸片材材料2的一侧，而反射器46则布置在纸片材材料2的另一侧。

[0050] 图1还显示从发射器系统10中发射出的THz辐射信号60的路径。THz辐射信号60(实线)横穿空气间隙42、纸片材材料2和空气间隙44，被反射器46反射，以相反的顺序再次横穿空气间隙和纸片材材料2，并且最终被检测器系统20检测到。在这个传播期间， THz辐射信号60的一部分与纸片材材料2相互作用，例如如由虚线指示的那样在纸片材材料2与周围介质(空气间隙42、44)的界面处反射，以及/或者被吸收、减速和经历相移，或者在透射通过纸片材材料2时以别的方式与其相互作用。所有这些相互作用的结果是被检测器系统20检测到的是已与纸片材材料2相互作用的THz辐射响应70。

[0051] 电磁辐射与这个多层叠堆(空气间隙42、44、纸片材材料2，反射器46)的相互作用对产生复数型式的反射和透射信号，信号被检测器系统20检测到，信号随时间(时域中的波形)和/或频率(频域中的谱)而改变，或以一些其它方式改变。以下说明主要基于时域。但是，类似的考量也适用于频域响应，频域响应是时域响应的傅立叶变换，并且因此包含相似(相同)量的信息。因此，虽然本文的论述主要基于时域波形，但它也可适于谱(或者波形的一些其它表示)的频域分析。处理区段30接收响应波形(THz辐射响应)70，并且还接收(或者已经存储在其中)由发射器发射的波形。然后处理区段30对响应波形执行分析(考虑到原来的波形和其它信息，诸如检测到的水分和/或温度)，并且从而用本文描述的方法获得品质参数。

[0052] 在图1中，以及在下面进一步论述的图3a-3c中，显示了辐射相对于纸片材材料2的法线方向沿着一角度传播。这个传播方向主要用于说明目的，因为它允许在视觉上分开进入和反射的THz辐射。在实际装置中，THz辐射的主要传播方向优选垂直于纸片材材料，如下面的图2a和2b中显示的那样，使得发送和接收到的THz信号在同一直线上，并且垂直于纸片材材料2的表面。照这样，最大部分的反射信号被检测器捕捉，并且反射最小地受几何构造影响，并且最大地反映材料2的属性，因为表示透射/反射的菲涅耳方程采取特别简单的形式。

[0053] 图2a和2b是图1的传感器系统的可行实现或变型的另外的可行细节的示意性侧视图。在图2中，发射器系统10和检测器系统20布置成使得它们的轴线成角度(这里：90°)，并且光束分离器12布置成诸如与轴线共同对齐，使得发送和接收到的THz信号在同一直线上，并且垂直于纸片材材料2的表面。

[0054] 在图2b，发射器系统10和检测器系统20布置在纸片材材料2的相对的侧，它们的光学轴线(它们之间的直线)基本垂直于纸片材材料2。照这样，执行简单透射测量，而非图1的实施例的双重透射测量(由于反射器46的原因)。

[0055] 在下文中以及参照另外的图，更详细地描述用于获得单独的品质参数的特定方面。首先，描述用于获得尺寸的一些方面。

[0056] 图3a至3c是示出纸片材材料与由根据本发明的实施例的传感器系统发射的THz辐射相互作用的示意图。在本文，图3a显示没有图1的片材材料2的图1的装置；图3b和3c显示具有片材材料2的装置。图1的描述同样适用于图3a至3c。而且，图3a-3c类似于图1地显示发射的THz辐射信号60和待作为射线(线)检测的THz辐射响应70。

[0057] 在下文，简单地实现Hz辐射响应70的产生的波形包含足以确定片材尺寸(即，厚度d)的信息。对于这个论述，假设发射的信号60是单个(无穷)短脉冲。对于这种短脉冲，可根据以下确定尺寸：对于有片材材料2(图3b、c)和没有片材材料2(图3a)的情况，将双重透射反射脉冲的到达时间差表示为：t* – t = 2(nd – d)/c，
当n是片材材料2的折射率时，d是物理厚度，而c是光在真空中的速度。另外，将纸片材本身的前反射和后反射之间的到达时间差(参见图3b)表示为：
t2 – t1 = 2nd/c。

[0058] 一旦知道这些量，可通过下者获得尺寸d2d = c(t2 – t1) – c(t* – t)。

[0059] 实际波函数不同于无穷短脉冲，而且此外，折射率n可依赖于频率。在这种设置中，一个可行过程将包括识别发射的波形(例如峰值)的可认出部分，以及针对图3b中显示各个反射信号识别检测到的响应70中的这些部分，从而获得时间t1、t2、t*。这示出可行性，即，足够的信息包含在检测到的响应70以及发射波形(在没有片材材料2的情况下检测到的响应)中。

[0060] 发明人已经发现，通过使用物理模型来确定参数n和d会获得较稳定和可靠的算法。在图4的框图中更详细地示出这个算法。这个算法基于将纸片材品质参数91关联到作为输出的预测波形94(图3b、3c中显示的响应70的预测形式)的物理(光学)模型81。

[0061] 模型81具有以下构件：将纸片材品质参数91关联到折射率n和厚度d的映射82。在尺寸=厚度d的情况下，这个映射82可为恒等式，并且可包含n的参数化，另外，参数n和d通过菲涅耳方程83映射到片材材料2和空气间隙42、44之间的界面处的反射和透射系数(r, t)93 (参见图3a-3c)。其中，可使用其它输入参数(例如空气42、44的折射率)。

[0062] 模型81进一步包括一组光学方程84，该组光学方程84用于使用以下输入参数来计算预测响应(预测检测到的波形)94：(i)发射的THz辐射信号72的波形(即，图3a-3c的发射辐射60的波形)，以及(ii)反射和透射系数(r, t)93。也可包括其它输入参数(例如反射材料46的光学属性，其中，在诸如Au、Cu、Al的金属的情况下，实际上可假设有100%的反射)。这些光学方程84取决于详细几何构造，但为标准知识，并且可从标准光学教科书获得。

[0063] 算法进一步包括表示一边的预测响应94和另一边的检测到的响应74(图3a-3c2
的检测辐射70的波形)之间的偏差95的误差函数85。这个误差函数85例如可为L 范数。

[0064] 迭代算法使用参数91、92或93中的任一个作为输入参数(模型参数)，因为这些参数通过方程82、83关联。在下文，描述使用透射和反射系数93作为输入参数的方法。

[0065] 在第一步骤中，设定初始系数93，例如随机值或可能的初始值。然后，基于这些初始系数93，使用上面描述的光学方程84来计算预测(模拟)响应94。然后，使用误差函数85计算偏差95。然后依赖于前面的步骤的系数和误差函数85而改变系数93。使用最终接近最小偏差的策略来执行这个改变。例如，可使用基于Levenberg-Marquardt技术的最小化算法。

[0066] 照这样，改变模型参数93，并且重复计算对应的偏差94(箭头86)，直到偏差94满足最佳拟合标准(即，充分最小化)。然后，通过映射83和82，使用模型参数93来计算片材品质参数91(例如尺寸d)。照这样，通过计算最佳拟合响应94来确定片材品质参数91，最佳拟合响应94使偏差95充分最小化，即，使得物理模型的预测响应94与检测到的响应74拟合。

[0067] 由于算法通过误差函数85而考虑到检测到的响应74的全波形，而且不仅仅是单独的地标性特征，所以结果稳定且可靠，因为以合适的方式解决由物理模型给出的各个单独的频率分量。

[0068] 图5显示三类不同的纸片材材料的测得的时域谱(“纸”)，对应的基准谱(“基准”)对应于没有片材材料的图3a的设置，以及最佳拟合的预测波形(图4的预测响应94)对应于随时间改变的数据(“时域拟合”)。从上面描述的拟合参数中直接获得尺寸和基本重量(图4中的91)。片材材料从上到下的厚度为38μm、88μm和275μm。

[0069] 接下来，描述用于确定基本重量w的一些方面。在纸的情况下，已经发现在折射率n和质量密度之间存在线性关系，并且因而在光学密度n*d和基本重量w之间存在线性关系：w = a*n*d，
a是比例常数。根据上面参照图4描述的迭代过程来获得数量n(折射率)和d(尺寸)。例如可从之前已经对许多可行种类的纸执行过的校准测量获得比例常数a，并且将比例常数a存储在系统存储器中。比例常数a对于所有不同种类的纸和板材材料有效，即，不依赖于纸片材材料的种类。因而，不需要进行依赖材料的校准。

[0070] 接下来，描述用于确定灰的一些方面。灰被定义为当纸加热到高达525℃时仍然存在的所有矿物。普通示例是碳酸钙、瓷土、滑石和二氧化钛。这些物质吸收0.01–10THz之间的THz辐射，从而产生典型线宽为0.5–1THz的吸收线。可从不同的灰的特性THz吸收特征获得片材材料的灰含量。这些在频域中是最容易看见和分析的。

[0071] 因而可直接从频域中的吸收谱的谱权重分析获得片材材料的灰含量。例如，可通过对接收响应70(参见图3c)或其一部分进行傅里叶变换或从中得出的量来获得谱权重分析。根据特别有利的方面，通过对包括已经横穿纸片材材料至少两次的发射峰值(例如由图3b和3c中的t*表示的响应的部分，其对应于片材材料的双重路径透射)的检测到的时间-信号部分进行傅里叶分析来确定灰。

[0072] 根据备选方面，通过对用本文描述的方法获得的折射率进行傅里叶分析来确定灰。

[0073] 图6是表示根据图4的示例算法确定的各种示例纸片材材料的折射率的实部和虚部的示意图。纸片材材料包各种浓度的含碳酸钙，作为填料。实部和虚部两者都清楚地显示由碳酸钙引起的大约3THz的激励。

[0074] 因此基于复数折射率的谱权重分析指示片材材料的灰含量。例如，如果使用上面的方程(1)使折射率n参数化，其中，函数pk表示碳酸钙对折射率的(已知)贡献，则可通过分析这个贡献的权重nk来计算灰含量。在本文，通过用权重nk乘以转换因子来获得灰含量，使用对碳酸钙特定的(不依赖于纸的)校准测量来获得转换因子，然后将转换因子存储在系统的存储器中。因此，根据一方面，从折射率的分析获得灰含量。

[0075] 接下来，描述用于确定水分的一些方面。类似于灰，也以特定频率吸收水分(水)。为了说明，图7表示两个不同湿度的(“干”和“不干”)的纸片材材料的透射谱。如可从图
7中看到的那样，处于THz范围的水的吸收谱的特征在于由于旋转跃迁(可被THz 光子激励)的原因，在吸收背景的顶部上有许多尖锐且强的吸收线。图7显示处于真空中的干透纸、处于25℃、RH(相对湿度)为29%的湿润空气中的干透纸，以及处于同一湿润空气环境中的湿纸的典型谱。在0.5THz以上可清楚地看见水吸收线。

[0076] 可使用频域中的这些特性吸收线来获得片材材料的水分含量。作为一般方面，可用类似于灰的方式计算水含量(水分)。与灰不同，水对折射率的贡献可由额外添加到方程(1)的项描述，额外项是w*nw(f)。在本文，w是水的权重因子(待确定的模型参数)，而nw(f)是单位量水分对折射率引起的变化(存储在系统存储器中)。

[0077] 备选地，在图2b的构造中，可直接通过光学透射测量来获得水含量(水分)。根据透射的辐射，获得频率-范围吸收谱，诸如图7中显示的一个，它允许量化处于THz范围的水的特性吸收型式引起的水分。为此，可分析全吸收谱或其一个或多个单独的吸收峰值。

[0078] 水分的特殊性在于，由于THz束也横穿一般也具有一定湿度含量的环境空气，所以由于这个环境湿度，除了片材2中的水分之外，每单位长度有额外的吸收。可通过对环境空气的折射率添加另一项来考虑这个环境湿度，额外的项是wa*nw(f)。在本文， wa是与环境空气的湿度含量成比例的材料常数。例如可独立于得自图1中显示的外部湿度传感器26的湿度值(和由温度传感器28设定的温度)来设定参数wa。

[0079] 备选地，首先可将水分计算为辐射经历的总水分(片材水分加空气中的水量)，例如通过分析上面提到的吸收测量。然后，从总水分中减去空气中的水量，以获得片材水分。例如可从得自图1中显示的外部湿度传感器26和温度传感器28的空气湿度值和THz光束路径的长度获得空气中的水量。除了本文提到的特殊性之外，对确定灰的描述也适用于确定水分。

[0080] 接下来，描述用于确定涂层重量的一些方面。以类似于确定基本重量的方式获得涂层重量，例如用上面描述的迭代算法。另外，将具有折射率nc和厚度dc的涂层层添加到模型。通过菲涅耳方程，在基本片材上存在这种涂层会改变前和/或后反射幅度。这个改变以特性方式影响图5中显示的种类的时域波形。因此，在示例中，除了其它模型参数，涂层层的光学密度nc*dc也被考虑到物理模型中，并且被优化，经获得最佳拟合预测响应。

[0081] 图8显示使用类似于图1、2a和3a-3c中显示的一个的装置而测得的时域中的实验THz响应，其中，使用单侧经涂覆的片材材料来获得响应。因此，除了片材材料中的这个区别，图8的示意图类似于图5的示意图。更确切地说，图8显示叠堆中不存在片材材料的基准谱(“基准”)，未经涂覆的那侧朝向光源(实线“纸”1)的、具有最佳拟合预测响应(“拟合涂层侧”)的片材材料的谱，以及经涂覆的那侧朝向光源(实线“纸”2)的、具有最佳拟合预测响应(“拟合背侧”)的片材材料的谱。

[0082] 在图8中显示的时域响应信号中，时间延迟为大约50 ps的峰值结构是对应于反射器材料(46)处的反射的信号分量(即，在图3b、3c中被标为t*的射线)引起的。时间延迟为大约85 ps的峰值结构(图8中的峰值1和2)是对应于纸-片材材料表面处的后续反射的信号分量(即，图c中的最右边的射线)引起的。

[0083] 如预期的那样，这些峰值1和2受到涂层的存在或不存在的影响：图8清楚地显示反射自前表面和后表面的波形的形状，它取决于片材的定向(参照峰值1和2)。当未经涂覆的侧面向光源(峰值1)时，波形的第一部分的幅度(这里包括涂层的反射)大于经涂覆的侧转向光源(峰值2)时。后一种情况下的幅度较低是因为未经涂覆的侧的模糊的外观也处于THz频率。即使在仅获得谱1或2的情况下，这些变化也允许十分确定的一组数据获得上面描述的涂层的光学厚度nc*dc(例如使用上面描述的迭代算法)。

[0084] 涂层重量与确定的光学厚度成比例，并且因此可根据后者获得涂层重量，如上面针对基本重量所描述的那样：也就是说，类似于基本重量分析，涂层的光学密度nc*dc和涂层重量之间的比例因子提供独立于材料的单值校准常数。通过用涂层的确定的光学密度乘以这个比例因子，获得涂层重量。

[0085] 最后，参照图9来描述确定纤维定向和纤维方向性的一些细节。纤维材料通常使它们的成分优选地对齐，这会产生线性双折射。因此，沿着且垂直于纤维定向的折射率可略微不同。通过将至少两个不同的极化状态(例如线极化状态)的THz辐射发射到片材材料上，以及在与纸相互作用之后使用极化状态敏感检测系统来分析相应的极化状态的变化，来确定纤维定向和方向性。在存在双折射时，纸会使极化状态旋转。通过测量双折射轴线的方向和幅度(即，n)来获得纤维定向(方向)和方向性(幅度)。

[0086] 图9是示意图表示纸片材材料的透射幅度(在使用图2b中显示的装置所进行的测量中)随极化方向相对于纸片材材料的旋转角改变。也就是说，将线极化THz辐射照射到片材材料上，然后使用检测器检测，以检测由发射器(具有分析器过滤器功能，它将辐射投影到由发射器发射的极化状态)发射的极化状态。

[0087] 然后分析器和检测器相对于片材材料旋转(例如通过旋转片材材料)。图8显示纸的透射幅度随旋转角改变。在片材材料中的零线性双折射的情况下，图8中的曲线将是正圆。但是，实验性透射幅度看起来可略微像椭圆形，椭圆的长轴以非零值定向。椭圆的长轴的角度指示片材材料的纤维定向角。长轴与短轴的比指示片材材料中的纤维方向性。

[0088] 可改变测量装置。例如，发射器可发射圆极化辐射或没有优选的线极化轴线的一些其它辐射；并且检测器可适于以某个(可旋转)角度检测极化状态(例如通过可旋转式线极化过滤器，其布置成检测器前面的分析器，以及/或者通过使用极化敏感检测器，例如它具有对齐的检测天线，以检测特定线极化的辐射)。在这些情况下，随线极化角改变的产生的检测强度具有与图9中显示的结果相同的品质特征，并且按在下面描述的方式分析产生的检测强度。

[0089] 为了确定纤维方向性，可按以下方式分析测量，诸如图9中显示的一个：图9中显示的随角度改变的检测辐射强度具有周期性π(180°)。

[0090] 大体上，并且独立于测量装置的细节，检测器包括线极化分析器，并且可将由检测器检测到的辐射强度写成I(α – α0)。

[0091] 其中，I(φ)是周期性π的函数，它描述随检测器的线极化分析器的检测器轴线和纸片材材料的主光学轴线之间的角度而改变的强度，其中，φ=0对应于两个轴线之间的平行对齐。这里，角度φ是未知的，而且仅相对于实验室系统的检测器角度α = φ + α0是已知的。这里，α0(未知)是描述纸片材材料的主光学轴线和实验室角度之间的差别的偏移角。

[0092] I(φ)的详细函数形式取决于测量装置的几何构造和纸片材材料的透射系数，并且可使用标准光学方程(例如参见2005年的H.G. Tompkins的“Handbook of ellipsometry(椭圆计测量手册)”)以分析的方式获得I(φ)的详细函数形式。大体上，并且独立于详细的测量装置，当φ=0和φ=π/2时，函数I(φ)具有极值(分别为最小值和最大值)，而且它们的差|I(0)-I(π/2)|取决于光学方向性。

[0093] 找出纸片材材料量的光学轴线，因而找出偏移角α0。由于I(φ)的详细函数形式是已知的(除了纸片材材料的透射系数值)，所以可根据不同的角αi下的多个测量Ii (例如两个或三个测量)，通过根据I(φ)的(已知)函数形式求解未知参数α0和透射系数的产生的方程Ii = I(αi)，以数值的方式获得纤维定向。

[0094] 优选地，获得两个或三个测量(I1、I2和可选地I3)。然后，针对三个未知量(偏移角α0，以及两个极化轴线的透射系数)解出结果。如果选择几何构造设置/两个测量的相对角使得测量仅取决于两个透射系数的特定组合，则两个测量就足够了。大体上，这在检测器的不同极化方向之间的角相差90°时是可行的。

[0095] 因此，根据一般方面，不同地检测至少两个(线)极化方向的响应；并且根据检测到的响应的相应的强度，特别是根据偏移角α0与函数I(α – α0)的拟合，来确定光学轴线(偏移角α0)(即，光学轴线中的一个)，其中，I(φ)是在0处具有极值的周期函数。

[0096] 根据一般方面，THz检测器构造成检测不同地检测到的至少两个(线)极化方向，其中，优选地，检测器的两个极化方向之间的角相差90°。

[0097] 然后，可线性地组合响应，诸如为了将它们变换成轴线坐标系(即，平行于且垂直于确定的光学轴线的分量)。在(线)极化为垂直的情况下，这是旋转偏移角α0。否则，这是将检测坐标系响应映射到轴线坐标系的较一般的线性变换。

[0098] 备选地，可根据检测坐标系中的响应来计算模型参数，然后可将模型参数变换(旋转或线性地组合)成轴线坐标系。

[0099] 按照图9中显示的图表，过程可描述成通过以下来进行：测量几个方向上的强度(即，收集图9中显示的一些测量，例如在0°和60°下)；以及通过确定相对于这些测得强度的角偏移来获得光学轴线。然后，将测得的光学响应本身或得自光学响应的模型参数变换成轴线坐标系。

[0100] 另外，根据测得强度，不仅可计算偏移角α0，而且还可计算方向性。可通过解上面描述的方程Ii = I(αi)来获得方向性。备选地，在上面描述的轴线坐标系获得模型参数，然后在轴线坐标系中计算方向性aa = (2π / λ) × d × Re(n1-n2)，
这里，λ是辐射的波长，d是纸片材材料的厚度，n1和n2是沿着光学轴线测得的折射系数。因而，一旦获得沿着纸片材材料的相应的光学轴线的折射率(的实部)，可使用以上公式获得(依赖频率的)方向性。

[0101] 图9显示随角度改变的准连续数量的透射测量，它允许提取测得椭圆的长轴(纤维定向)。

[0102] 大体上，如上面描述的那样，可从三个不同的角度下的三个这样的透射测量获得光学轴线和它们的纵横比。因此，根据一般方面，检测器对至少三个不同的极化敏感。可通过提供对各个线极化具有单独的检测器输出的检测器系统来实现这一点。检测器系统可包括单独的检测器，各个线极化有一个检测器，或者检测器系统可包括具有单独的天线型式的检测器，各个线极化有一个天线型式。天线型式可交迭，或者在检测器的单独检测区域中提供天线型式。发射辐射可为已知极化的辐射，例如圆形极化的发射的辐射或具有与检测到的辐射相同的极化(一个或多个)的辐射。

[0103] 一旦获得光学轴线，计算轴线坐标系中的其余参数是有利的。为此，将检测到的响应信号的极化分量线性地组合(旋转)到轴线坐标系，一个分量平行于纤维方向(主光学轴线)，一个分量垂直于纤维方向。

[0104] 根据优选的一般方面，首先确定纤维定向；然后将检测到的响应变换成轴线坐标系，然后使用轴线坐标系响应来确定其余品质参数。

[0105] 虽然以上针对实施例，但可设想其它和另外的实施例，而不偏离所附权利要求确定的基本范围。

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