一种用于造纸生产线的纸张色度在线检测系统 【技术领域】
本发明涉及一种测量系统，具体涉及一种用于造纸生产线的在线检测系统。
背景技术
纸张的光学性能包括白度、色度、不透明度等，属于纸张的漫反射特性，是文化纸、新闻纸、装饰纸、高档铜板纸等纸种非常重要的指标。根据色度学原理，色度测量包括照明与观测条件、观测者(人或观测仪器)、观测对象，国际照明协会(CIE)制定有详细的标准，根据这些标准，造纸行业针对纸张的光学性能制定有相应的国家标准，纸张色度测量必须满足这些标准要求。
现在用于纸张色度测量的仪器有两种，一种是色度计，另一种是光谱分光测色仪。色度计获得色度值的方法是由仪器内部光学模拟积分来完成的，也就是用滤色器来校正仪器光源和探测元件的光谱特性，使输出电信号大小正比于颜色的三刺激值，所以与人的视觉相协调。目前，先进的色度计内部装有计算机及多组滤色片模拟的分光效果与人眼非常接近，测量精度可达千分之一。
光谱分光测色仪国内产品较多，如JY2000。根据国际照明委员会(CIE)规定的颜色测量标准，依照ISO2469(GB/T7973)标准规定的几何光学特性要求来开发的。该光谱分光测色仪主要针对实验室环境使用条件进行设计，基于传统的积分球技术，测试纸张必须紧贴测量窗口。这种仪器测量精度高，在实验室获得广泛使用，但这种光学架构无法用于生产线进行在线测量。
而且这两种仪器的存在着以下缺陷：
(1)必须接触测量
测量时检测对象必须紧贴在检测窗口，才能进行正常测量。而生产线上要求非接触测量。这是因为接触测量容易划伤测量对象，而且纸张表面的胶状物、纤维、粉尘容易污染检测窗口影响测量精度。
(2)只能多层测量
在测量纸张色度时需要多层纸张叠在一起进行测量，来消除纸张的透光性影响，尤其是透光性较强的低定量文化纸，叠加层数更多，对于单层测量，测量精度无法保证。而生产线上只能进行单层测量。
(3)测量环境要求苛刻
主要针对实验室环境应用，对于造纸生产线上环境温度高达70度以上，灰尘大、湿度大、静电强的恶劣工作环境，测量精度无法保证。
(4)检测手段滞后
现有检测手段是在生产过程的一个阶段完成后，成纸下线，进行取样，送实验室检测才能知道纸张的色度值，而在这段生产过程中无法预知，即事后检测，严重滞后，不能及时调整工艺，影响产品质量，甚至产生次品，降低生产效率。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种根据造纸生产线的工艺条件、工作环境、工艺过程，针对性地设计的在造纸生产线上使用的纸张色度在线检测系统，能够及时准确地检测生产过程中纸张色度等指标，满足了生产的迫切需要，提高产品质量和生产效率。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于造纸生产线的纸张色度在线检测系统，该系统包括在线检测系统
用于带动在线检测系统运动的扫描架和控制系统、计算机数据处理系统；该扫描架包括支撑和安装在线检测系统的装置、驱动传动装置以及控制电气结构；控制系统通过接口接收扫描架中控制电气结构的信号，通过接口将信号传输至扫描架的驱动传动装置，再带动支撑和安装在线检测系统的装置运动；控制系统通过接口与在线检测系统进行数据通信，接收在线检测系统的检测反馈信号，再通过网络接口将反馈信号传给计算机数据处理系统进行处理。
更进一步的技术方案是：所述的在线检测系统分为上检测头、下检测头；所述的上检测头内部包括三个单元，第一单元包括恒流源、光源、透镜、光纤，第二单元包括双路微型分光器和光电探测器；第三单元包括单片机系统和数据接口；纸张的漫反射光经过透镜聚焦，光纤传输，分光器分光，在光电探测器光敏面形成光谱带，经过曝光后，在光电探测器中形成电脉冲信号，由单片机系统进行数字化采集和控制，通过数据接口与计算机数据处理系统通讯。
所述上检测头内部的光信号检测分为两路，一路经第一光纤前端装有的透镜，在垂直于纸张方向收集纸张反射的光信号，经过第一光纤送入第一分光器，第一分光器分光，经第一光电探测器光敏面形成光谱带，经过曝光，将光谱带转换为电信号，经过第一A/D转换器的数字化处理，数字信号在第一缓存中存储；另一路经第二光纤前端装有的透镜，在垂直于纸张方向收集纸张反射的光信号，经过第二光纤送入第二分光器，第二分光器分光，在第二光电探测器光敏面形成光谱带，第二光电探测器将光谱带转换为电信号，经过第二A/D转换器的数字化处理，数字信号在第二缓存中存储。
所述的下检测头包括四个单元，第一单元包括色度板和驱动色度板的驱动系统，第二单元是纸张稳定单元，第三单元为升降台系统单元，第四单元是单片机系统；由单片机系统发出指令，控制升降台系统单元的位置，发送脉冲控制色度板和驱动色度板的驱动系统，同时单片机还要控制纸张稳定单元。
本发明还可以：
所述的下检测头的第四单元单片机系统通过I/O接口接收下检测头的第一单元色度板转动指令，并发送脉冲给步进电机驱动器驱动步机电机，在步进电机的转子上安装有色度板转轮，色度板安装在色度板转轮上；所述下检测头的第二单元包括第一节气阀、第一电磁阀和纸张稳定器，压缩空气通过第一节气阀调节气量大小后进入第一电磁阀，单片机控制第一电磁阀开闭，使压缩空气通过第一电磁阀进入纸张稳定器用来稳定纸张；下检测头的第三单元包括第二节气阀、第二电磁阀和升降台，压缩空气通过第二节气阀调节气量大小后进入第二电磁阀，单片机控制第二电磁阀的开闭，第二电磁阀的开闭控制升降台的气缸的进气和排气，从而控制升降台的位置。
所述地光源采用卤钨光源，发射的可见光经过平衡滤光片，得到照明光，卤钨灯由恒流源供电，稳定发光强度。
最后所述的扫描架的支撑和安装在线检测系统的装置包括扫描架横梁、支撑框、用于安装上、下检测头的上检测仓、下检测仓，驱动传动装置和控制电气结构包括变频器、电机、主动轮、从动轮和线性导轨，扫描架横梁一端安装变频器、另一端安装电机，电机轴上安装有主动轮，在扫描架横梁安装变频器的一端安装从动轮，主动轮和从动轮之间有皮带连接，线性导轨安装在扫描架横梁上，线性导轨上的滑块安装支撑小车，支撑小车上安装支撑框，用于安装上、下检测头的上检测仓、下检测仓安装在支撑框上；扫描时，变频器驱动电机转动，带动主动轮转动，从而带动皮带运动，皮带带动小车沿着线性导轨(73)来回移动。
所述的电机轴上安装编码器，该编码器与控制系统相连，并同安装于扫描架横梁上的接近传感器配合用于监测小车扫描的移动。
本发明的工作原理如下：用于造纸生产线的纸张色度在线测量系统包括在线检测头、控制系统、计算机数据处理系统、扫描架等。检测头由上下两部分组成，扫描架带动检测头在纸张上移动，移动距离1米，实现在线非接触测量纸张的色度，测量位置可根据需要设定，系统可自动回库进行标准化操作等。系统采用45度环形照明0度观测位置方式，双路检测技术，在线实时检测纸张的反射光成分，数据信息由SOC系统经过以太网接口传输到计算机，分析处理数据，建立数据库，实时计算。
特点体现在以下几点：
(1)光源
采用卤钨光源，发射的可见光经过平衡滤光片，得到照明光。卤钨灯由恒流源供电，稳定发光强度。
(2)45/0环形照明
光经过反射锥和环形反射器，在360度方向上以45度角投射到纸张上，形成均匀的照明光斑，可解决纸张纹理对测量的影响。
(3)检测器
采用双路微型分光器和CCD探测器，同时检测纸页在不同背垫上的反射光谱。纸张的漫反射光经过透镜聚焦，光纤传输，光栅分光，在CCD探测器光敏面形成光谱带，经过曝光后，在CCD中形成电脉冲信号，由单片机系统进行数字化采集和控制，并实现单片机与计算机数据通讯，计算机系统进行数据处理。
(4)纸张稳定器
纸张稳定器，通过高速气流产生的吸力，保证高速运动的纸张平稳地穿过传感器，减小纸张抖动，并使纸张保持在接近背垫而不接触的位置，从而保证测量结果的准确性。
(5)扫描架
由支撑横梁、C型框、驱动控制单元组成。检测头移动距离1米，可根据实际用户需要进行调整。采用变频控制技术控制电机驱动C型框在纸张上移动，实现动态、定点测量，以及进行标准化操作等功能。
(6)计算机数据处理
采样AD值规格化，根据曝光时间和放大倍数进行归一化处理；去杂散光、暗电流，消除漂移、环境光影响；清洁标准化，得到样本的反射率数据；根据测量得到的两路反射率数据，计算内反射因数，计算色度坐标；根据在线测量结果与用户目标参量进行比较分析，指导生产；建立数据库，保存生产记录，配置参数等信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据造纸生产线的工艺条件、工作环境、工艺过程，针对性地设计了在生产线上使用的纸张色度测量系统，可以及时准确地检测生产过程中纸张色度指标；而且检测传感器与纸进行非接触检测，自动标准化处理，内置色度板自动校准，特有的纸张稳定技术，纸张透光性补偿，具有动态数据实时显示，超差检测报警，记录生产过程的检测结果，建立数据库便于查询等，满足了生产的迫切需要，提高了产品质量和生产效率。
【附图说明】
图1为本发明实施例的扫描架结构示意图；
图2是上、下检测头结构框图；
图3是控制系统和扫描架电气结构连接框图；
图4是计算机软件流程图。
附图中：60--接近传感器、61-变频器、62-电机、63-编码器、70--从动轮、71-皮带、72-限位开关、73--线性导轨、74-小车、75--主动轮、76C型框、77-检测头上舱、78--检测头下舱
1-纸张
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的优选实施方式作进一步阐述。
如图1所示，在扫描架横梁10的一端安装变频器61，另一端安装电机62，在电机轴上安装有主动轮75，变频器61一端安装从动轮70，在主动轮75和从动轮70之间有齿形皮带71连接。齿形皮带71中间连接在小车74上。在扫描架横梁10安装有一对线性导轨73，线性导轨73上的滑块支撑小车74。小车74上安装有C型框76，C型框76上安装有检测仓77和检测仓78，其中检测仓77安装上检测头，检测仓78安装下检测头，上、下检测头在竖直方向相隔一定距离容纸张1从上下检测头中间穿过。编码器63安装电机轴上，产生光电脉冲，与接近传感器60信号一起用于监测小车扫描时的位置，限位开关72避免小车扫描出有效范围。扫描时，变频器61驱动电机62转动，带动主动轮75转动，从而带动皮带71运动，皮带71带动小车74沿着线性导轨73来回移动。扫描架就可以带动检测头在纸张上移动，移动距离在1米左右，因此就实现了在线非接触测量纸张的色度，而测量位置也可根据需要设定。
图2是检测头的内部电路框图，其中上半部分为上检测头的电路框图，上检测头中光源是12伏长寿命卤钨灯，产生连续光谱的可见光，恒流源给光源供电，保证光源稳定地发光。可见光经过光筒准直，滤除红外光，产生的平行光照射到光锥上，与光锥的锥面成45度角，经过光锥的锥面的镜面反射，形成环形光环，照射到柱面反射器上，反射器是环形柱面镜，凹面镀有高反射膜，光在反射膜上产生镜面反射，以45度角环形照射测试物，均匀照亮，形成测试光斑，光斑直径20至30厘米。环形照明使得光斑亮度均匀。光信号检测分为两路，一路经第一光纤前端装有的透镜，在垂直于纸张方向收集纸张反射的光信号，经过第一光纤送入第一分光器，第一分光器分光形成光谱带，第一光电探测器是线阵CCD，有2048个像素单元，这些像素单元经过曝光，将光谱带转换为电信号，经过数字化处理，第一A/D转换器的分辨率是16比特，即一个像素单元产生两个字节的数字信号，数字信号在第一缓存中存储。另一路经第二光纤前端装有的透镜，在垂直于纸张方向收集纸张反射的光信号，经过第二光纤送入第二分光器，第二分光器分光形成光谱带，第二光电探测器是线阵CCD，有2048个像素单元，这些像素单元经过曝光，将光谱带转换为电信号，经过数字化处理，第二A/D转换器的分辨率是16比特，即一个像素单元产生两个字节的数字信号，数字信号在第二缓存中存储。SOC是嵌入式单片机系统，产生控制信号，经过门阵列产生时序逻辑信号，控制第一光电探测器，第一A/D转换器，进行数据采集和存储。SOC读取第一缓存的数据，经过滤波处理，通过串口和驱动器与上位机通讯。
图2中下半部分，是下检测头的电路框图。单片机通过I/O接口接收色度板转动指令。单片机发送脉冲通过步进电机驱动器驱动步进电机，在步进电机的转子上安装有色度板转轮，色度板安装在转轮上。色度板有三种板，标准白板，检验板，黑白板。标准白板在系统进行标准化时使用，系统自检时使用检验板，在正常测量时使用黑白板。压缩空气通过第一节气阀调节气量大小后进入第一电磁阀，单片机控制第一电磁阀开闭，使得压缩空气通过第一电磁阀进入纸张稳定器，产生气旋，形成负压，稳定纸张。压缩空气通过第二节气阀调节气量大小后进入第二电磁阀，单片机控制第二电磁阀开闭，第二电磁阀的开闭控制升降台的气缸的进气和排气，从而控制升降台的伸出和回缩。当需要选择色度板时，单片机首先发送指令，使得升降台升起，再发送脉冲控制步进电机旋转，在旋转到位后，步进电机停止转动，单片机发送指令使得升降台回位。
图3是控制柜的电路框图。SOC是嵌入式单片机系统，主要功能是通过485接口和上检测头进行数据通信。通过TCP/IP接口和计算机系统通信。通过I/O接口、光隔接收接近传感器、光电编码器信号，发送信号控制变频器工作，从而控制电机的运行。按键产生开关信号，实现扫描架回库，系统联机、脱机功能，手动标准化功能。
计算机数据处理
计算机软件处理流程如图4所示。包括主程序、波长定标子程序、标准化子程序。
主程序：
系统开机和初始化S1，和下位机建立联机，下载状态参数，判断是否波长定标S2，如无时判断是否进行标准化S3，如无时进入测试程序，对接收的AD值进行平滑滤波S4，根据当前的曝光量和放大器的放大倍数，对AD值进行归一化S5，利用标准化过程得到的标准化结果和当前的归一化AD值进行计算S6，得到反射率数据，利用两通道的反射率数据进行内反射因数计算S7，利用计算结果计算出色度坐标S8，动态显示S9色度坐标以及反射率数曲线，判断S10是否继续测试，否时继续进行下一循环测试，是时停止S11测试。
波长定标子程序：
进入子程序后，首先进行平滑滤波S30处理，将多次测量结果的相同像元值取平均的方法来消除抖动，输出一帧AD数据流。然后对AD数据流的每一单元值和定标特征波长进行比对，建立像元序号和波长的对应关系，进行曲线拟合，得到定标系数S32，保存S33和下载定标系数，停止定标。
标准化子程序：
进入子程序后，曝光量和放大倍数等状态参数S20下载到下位机，发送扫描架回库S2指令，发送指令选择标准化色度板，收集标准化，进行AD值归一化S22，对多次AD值归一化结果进行平滑滤波S23，更新参与色度计算的标准化结果，并保存标准化结果S24。