用于获得一致特性的材料测量系统及相关方法 【技术领域】
本发明一般涉及过程控制系统并且更具体地涉及用于控制所生产的材料 ( 诸如 纸 ) 的质量的基于兆兆赫兹谱测量 (terahertz spectroscopy) 的测量和控制系统。背景技术
通常， 使用过程控制系统和质量控制系统 (QCS) 来管理诸如造纸机和材料生产机 的处理设备。阀、 泵、 马达、 加热 / 冷却装置以及其它工业装备和电子器件通常执行在处理 设备中处理材料所需要的动作。除其它功能外， 过程控制系统和 QCS 经常管理工业装备在 处理设备中的使用。
过程控制系统可以包括分布式控制系统 (DCS)。 DCS 通常被连接到 QCS 并且与 QCS 配合工作， QCS 通常包括用于测量正被生产的产品 ( 例如， 纸 ) 的属性， 以及用于向工业装 备发送控制信号以调整它们正在生产的产品的质量的装置。 控制器经常被用于控制处理设备中的工业装备的操作。 控制器通常监视工业装备 的操作， 向工业备提供控制信号， 和 / 或在检测到故障时产生警报。现场装置可以包括传感 器 ( 例如， 温度、 压力和流速传感器 )， 以及其它无源和 / 或有源装置。 过程控制器能够接收 过程信息， 诸如由现场装置进行的现场测量， 以便执行控制例行程序。 然后可以产生控制信 号并且将其发送到工业装备以控制过程的操作和材料的生产。
举例来说， 在纸的生产中， 已知多个现场装置被用于在造纸过程期间测量水分含 量和纸的温度。在该过程中， 纸卷在移动式网眼造纸织物上从纤维 ( 原料 ) 的水性悬液形 成。纸中的水分通过重力和吸力 (suction) 经由所述织物排出。随后， 该卷被输送到压榨 区， 在该压榨区中通过压力和真空除去更多水分。 该卷接着进入干燥区， 在该干燥区中通过 蒸汽加热干燥器以及热空气完成烘干过程。造纸机在本质上是除水系统。
造纸系统的典型的形成区包括基本上连续不断的 (endless) 移动式造纸织物或 者金属丝网 (wire)， 其行进通过一系列除水元件， 诸如案辊、 箔、 真空箔和吸水箱。 原料在造 纸织物的顶面上被运载并且随原料行进通过相继的排水单元而被排水以形成纸片。 湿的纸 片 (sheet) 随后被输送到造纸系统的压榨区， 在造纸系统的压榨区中除去了足够的水从而 形成纸片。许多因素影响除水的速率， 该速率最终影响所生产的纸的质量。
在造纸过程中所进行的在线测量通常包括基本重量 (basisweight)、 湿度和纸片 测径 (caliper)， 即厚度。 测量可以被用于以保持输出质量并且因此使被拒绝的产品的数量 最小化为目标来控制过程变量。在线纸片特性测量经常由扫描传感器来完成， 该扫描传感 器周期性地在片状材料上从边到边来回移动。
参考图 1， 所示出的已知扫描装置 17 在造纸过程期间被用于在片状材料上 ( 例如， 纸 14) 从边到边来回移动， 并且测量出片状材料的一个或多个特性。扫描装置 17 包括被 布置成彼此相邻的多个传感器 S1、 S2 和 S3。这些传感器彼此不同， 因为每个传感器使用它 自己的特有的硬件来测量片状材料的特有的特性。 每个特有的特性通常需要不同的测量技 术。例如， S1 可以是用于在位置 P1 测量湿度的红外 (IR) 传感器， S2 可以是用于在位置 P2
测量基本重量的核元件 (nuclearelement)， 以及 S3 可以是用于在位置 P3 测量另一材料特 性的光学单元。
扫描装置 17 通常被放置在造纸过程的 “干” 端， 在造纸过程的 “干” 端传感器不被 暴露于高温或者高湿度的环境， 诸如与 “湿端” 关联的极端环境， 例如， 靠近蒸汽箱。扫描装 置 17 的传感器 S1、 S2 和 S3 处于干端， 因为它们的在板电子器件在 “湿端” 的高热量和潮湿 环境中可能无法适当地操作或者可能被损坏。另外， 传感器 S1、 S2 和 S3 三者一起通常在尺 寸上是大体积的并且不容易安装或者被放置在 “湿端” 内的关键性测量位置。因此， 造纸过 程中的 “干端” 通常被用于在造纸过程期间取得片状材料的特性的测量结果。
用于监视造纸过程的控制系统可以评估在处于 “干端” 的不同位置 P1、 P2 和 P3 所 测量的纸特性， 并且基于这些 “最终的” 测量结果来控制过程参数。在湿端、 造纸机的压榨 区、 干燥区以及完工区的系统制动通常全都由来自卷轴处的 “干端” 扫描仪的读数来控制。 例如， 常规的是在片状材料离开主干燥区时测量它的水分含量， 或者采用处于 “干端” 的扫 描传感器在卷取轴 (take up reel) 处测量水分含量。在 “干端” 的测量结果可以被用于调 整造纸过程的机器操作以实现期望的参数和性能。
虽然 “干端” 测量控制给造纸业提供了显著的益处， 但它具有一定的局限。 例如， 传 统的扫描装置， 诸如图 1 所示的扫描装置 17， 由于各个测量在纸 14 上的位置 (P1、 P2 和 P3) 的差异， 可能无法精确地测量基本重量或者测径。 尽管传感器彼此接近， 它们通常不能同时 测量特定位置处的离散的质量特性。而且， 扫描装置可能无法在过程中在不同点测量， 例 如， 在存在极高温度和湿度环境的 “湿端” ， 其如上所述将造成对接收传感器 (S1、 S2 和 S3) 的损坏。
“干端” 的测量结果通常不足以用于在造纸过程中在不同的过程点捕捉纸的变化。 这样的不完全的过程测量结果可导致生产缺陷， 诸如较低的质量和较高的成本。 而且， 当在 造纸过程中在 “干端” 取得的测量结果被用于估计在 “湿端” 的测量结果时， 误差可能作为估 计的结果被引入。 例如， 测量可能不是来自于纸的相同部位， 因此误差可能不是由相同过程 引起的。误差也可能由机器速度不精确、 不同的测量部位尺寸、 非线性收缩和 / 或纸片漂移 引起。另外， 在 “干端” 操作的传统的扫描装置难以将在压榨区中的稠化 (densification) 与在干燥区中的稠化分离， 并且因此通常不能提供对纸密度的精确测量。 发明内容
遵照 37C.F.R§1.73 提供发明内容， 其要求发明的内容简要地指出发明的性质和 主旨。发明内容以它将不会被用于解释或者限制权利要求的范围或者意义为条件被提交。
材料测量系统包括 THz 发生器， 所述 THz 发生器包括用于发射光脉冲的至少一个 激光源， 所述光脉冲被耦合到 THz 发射机， 所述 THz 发射机可操作用于在材料被生产系统处 理时朝材料上的样本位置发射脉冲 THz 辐射。接收机可操作用于接收所述光脉冲以及使用 所述光脉冲同步地检测来自所述样本位置的被反射或者被透射的 THz 辐射并且提供电检 测信号。同步光学器件可操作用于从激光器接收所述光脉冲并且向所述接收机和所述 THz 发射机两者都提供所述光脉冲。控制器包括至少一个处理器， 所述至少一个处理器用于接 收所述电检测信号并且提供经处理的电检测信号。 分析器可操作用于根据所述经处理的电 检测信号确定所述材料的至少一个 ( 通常是多个 ) 特性。在本发明的一个实施例中， 所述 THz 发射机发射脉冲 THz 辐射并且所述分析器可 操作用于根据所述经处理的电检测信号产生时域谱测量 (TDS) 的频谱。在本发明的实施例 中， 所述控制器和激光器离所述生产系统较远地被设置。如在本文中所使用的那样， “较远 地被设置” 是指最近地被设置在机器旁边， 最远地被设置在靠近造纸机的另一房间中的元 件， 通常距离机器为一到五十米。控制器可以包括多变量控制器。
所述 THz 发射机和接收机可以被合并在单个传感器模块中。在该实施例中， 所述 系统可以进一步包括被耦合到传感器模块的扫描仪， 以用于移动所述传感器进而从跨系统 宽度的多个样本位置获取片状材料的特性。 所述分析器可以可操作用于在样本位置同时测 量基本重量、 湿度和测径 ( 厚度 )、 构成和纤维取向的两个或多个。
用于形成材料的受控系统包括材料制造系统， 所述材料制造系统包括多个制动 器。控制系统被可操作性地耦合到所述材料制造系统， 所述控制系统包括 THz 发生器， 所述 THz 发生器包括用于发射光脉冲的至少一个激光源， 所述光脉冲被耦合到 THz 发射机， 所述 THz 发射机可操作用于朝正被所述材料制造系统处理的材料上的样本位置发射脉冲 THz 辐 射。 接收机可操作用于接收所述光脉冲以及使用所述光脉冲同步地检测来自所述样本位置 的被反射或者被透射的 THz 辐射并且提供电检测信号。同步光学器件可操作用于从激光器 接收所述光脉冲并且向所述接收机和 THz 发射机两者提供所述光脉冲。包括至少一个处理 器的控制器接收所述电检测信号并且提供经处理的电检测信号。 分析器可操作用于根据所 述经处理的电检测信号来确定所述材料的至少一个特性。 基于所述特性使用所述多个制动 器中的至少一个将控制器可操作地链接到所述造纸系统的控制操作。 在一个实施例中， 所述材料制造系统包括造纸系统， 所述造纸系统包括串行连接 的压榨区 (press section)、 干燥区 (dryer section)、 压光机组 (calendering stack) 和 卷取轴 (take-up reel)， 其中所述压榨区包括至少一个制动器， 所述至少一个制动器被配 置用于从湿浆材料 (wetstock material) 中机械除水以开始片状材料的形成 ； 所述干燥区 包括被配置用于控制所述片状材料的蒸发式烘干的至少一个制动器 ； 所述压光机组包括用 于控制到所述片状材料的压榨压力 (compressivepressure) 的至少一个制动器， 并且所述 卷取轴用于产生所述片状材料的连续卷。
用于由生产系统处理的材料的现场质量控制的方法包括以下步骤 ： 朝正被所述生 产系统处理的材料上的样本位置引导 THz 辐射， 测量来自所述样本位置的被反射的辐射或 者被透射的辐射并且根据其产生电检测信号， 将所述电检测信号传送到较远地被设置的控 制器， 所述控制器包括用于接收所述电检测信号并且提供经处理的电检测信号的至少一个 处理器。根据所述经处理的电检测信号确定所述材料的至少一个特性， 并且基于所述特性 自动地修改至少一个过程参数。所述至少一个特性可能包括多个所述特性， 其中根据对来 自单一样本位置的被反射的辐射或者被透射的辐射的一致测量来确定所述多个特性。 确定 步骤可以包括根据所述经处理的电检测信号产生时域谱测量 (TDS) 的频谱。
所述样本位置可以在所述系统的湿区内。 所述湿区在本文中被定义为水多于纤维 ( 根据重量 ) 的区域。通常， 干端测量是指在水少于纤维 ( 诸如小于 20％的湿度 ) 的地方 的测量。
附图说明 图 1 是已知传感器装置的示意图， 该已知传感器装置包括用于在纸上的不同位置 测量一个或多个纸特性的多个独立的传感器 ；
图 2 是根据本发明的实施例的、 用于在纸上的一致位置同时测量多个纸特性的示 范性的传感器装置的示意图 ；
图 3 是根据本发明的实施例、 包含图 2 的传感器装置的示范性的造纸系统的示意图 ；
图 4 是根据本发明实施例的、 包括用于过程控制的基于 THz 谱测量的控制系统的 示范性的造纸系统的示意图 ；
图 5 是根据本发明的实施例的、 包含图 2 的传感器装置的示范性的高速光纤反射 扫描系统的示意图 ；
图 6 是根据本发明的实施例的、 图 5 的示范性系统的更加详细的示意图 ；
图 7 是根据本发明的实施例的、 包含图 2 的传感器装置的示范性的高速光纤传输 扫描系统的示意图。
具体实施方式 参考图 2， 其示出了根据本发明的实施例用于同时测量材料 ( 诸如纸 14) 的至少一 个特性并且通常是多个特性的示范性的传感器装置 23。 在一种布置中， 传感器装置 23 可以 被耦合到扫描仪 27， 该扫描仪 27 可操作用于使传感器装置 23 跨纸的宽度移动， 横穿纸的平 移路径。在另一配置中， 传感器装置 23 可以保持在沿扫描仪 27 的长度的固定位置用于获 取固定点的测量结果。在该固定的实施例中， 用于传感器的安装装置通常不会跨越机器的 整个宽度， 但是通常会从一边突出一到二米。传感器装置 23 可以一致地， 即在相同的纸的 位置和在相同的时间， 获取对纸 14 的多个特性测量结果。例如， 传感器装置 23 可以在相同 的时间在所示出的相同的纸的位置 P0 测量特性 1、 特性 2 和特性 3， 诸如基本重量、 水分含 量、 纤维取向和测径。如在本文中所使用的那样， “相同的时间” 是指通常不大于 10 毫秒的 时间间隔。兆兆赫兹辐射被用于特性测量， 在一个实施例中采用了兆兆赫兹 / 时域谱测量 (THz/TDS)。
如在本领域中已知的那样， 兆兆赫兹时域谱测量 (THz-TDS) 是其中唯一的产生 和检测方案被用于通过 THz 辐射的短脉冲来探测材料特性的分光技术 (spectroscopic technique)。本发明的发明人已经发现对材料 ( 诸如片状材料 ) 对 THz 辐射的幅度和相位 两者的影响敏感的产生和检测方案。
THz 区域有时也被称为远红外或者亚毫米区域， 并且位于电磁波频谱的红外 (IR) 区域和微波区域之间。THz 区域的边界没有被准确地定义， 但是通常被认为在 30μm 和 1500μm 波长之间， 或者 10THz 和 0.2THz 频率之间， 或者 330cm-1 和 7cm-1 波数 (wavenumber) 之间。
扫描仪 27 和传感器装置 23 适合用在诸如片状材料生产过程的材料生产过程中。 一个例子是用于生产连续的纸片 14 的造纸系统， 诸如图 3 所示的根据本发明的实施例的系 统 300。 所示出的造纸系统 300 包括流料箱 (head box)32、 蒸汽箱 (steam box)28、 压光机组 (calendaringstack)30， 卷取轴 48、 处于 “干端” 的扫描仪系统 20 和处于 “湿端” 的包括一致 性传感器装置 (coincident sensor device)23 的扫描仪 27。传感器装置 23 通常包括 THz
发射机和 THz 接收机。尽管作为独立的模块被示出， 扫描仪 27 和传感器装置 23 可以与扫 描仪 20 集成或者代替扫描仪 20。在流料箱 32 中， 制动器被布置用于控制湿浆 (wetstock) 到支撑金属丝网 36 上的泄放。在金属丝网 36 上面形成的纤维状材料片在滚轴 34 和 38 之 间被对准 (train) 以在机器方向上行进并且通过压光机组 30。片状材料可以是以薄膜、 纸 卷或者纸片的形式。
压 光 机 组 30 包 括 控 制 跨 纸 幅 (paper web) 所 施 加 的 压 榨 压 力 (compressive pressure) 的制动器。 造纸系统 300 在机组 30 之前还包括压榨区 ( 未示出 )， 在该压榨区中 将水从纸片中机械地除去并且在其中该幅被加固。此后， 水在干燥区 ( 未示出 ) 中通过蒸 发被除去。完成的纸片产品 14 在卷轴 48 上被收集。图 3 所示的虚线将湿端与干端分离。 在本文中所使用的在各个湿端和干端之间的界限是指紧接在机组 30 之后， 在干燥区前部， 在该界限处纤维含量首先开始超过水分含量。
扫描仪 20 通常包括多对跨越纸 14 的宽度水平延伸的导轨 24。 导轨在它们相对端 (opposite end) 由直立的支柱 22 支撑并且垂直地隔开足够的距离以留出让纸 14 在轨迹 之间行进的间隙。常规的传感器 26 被固定于滑架 24， 在进行测量时， 该滑架 24 在纸 14 的 上方来回移动。传感器 26 可以被用于测量最终质量 ( 例如， 基本重量、 湿度、 测径 )。传感 器 23 可以被加入到已经具有传感器 26 的系统， 或者传感器 23 可以代替传感器 26。传感器 26 可以是测量一个特性的一个传感器， 或者它可以是测量若干个特性的若干个不同的传感 器。扫描仪 27 可以包括多对跨越纸 14 的宽度水平延伸的导轨 ( 未示出 )。传感器 23 还可 以被固定于扫描仪 27 上的小滑架 ( 未示出 )， 在进行测量时， 该小滑架在纸 14 的上方来回 移动。光纤电缆 39 是用于通信的一种工具， 它可以可传递地连接离传感器装置 23( 以及系 统 300 的造纸部件 ) 较远设置的 THz/TDS 光电子器件 110。THz/TDS 光电装置 110 包括如 下所述的激光系统和同步光学器件。光纤电缆 39 可以被用于路由， 以将来自激光器的光脉 冲耦合到包括接近系统 300 的造纸部件所设置的传感器 23。
光电子器件被可传递地连接到关联的控制器， 该控制器也被离系统 300 较远地设 置 ( 在图 3 中未示出 ； 见下述的图 5)。在这样的布置中， THz/TDS 光电装置 110 的敏感的电 子部件和控制器都没有被暴露在系统 300 的 “湿端” 的极高温度和湿度环境下。
如图 3 所示， 传感器装置 23 被放置在扫描仪 27 上， 处于造纸过程的 “湿端” 。在另 一布置中， 传感器装置 23 还可以被放置在蒸汽箱 28 附近， 与 “干端” 处的条件相比那里的 温度和湿度都非常高。传感器装置 23 还可以被放置在流料箱 32 或者靠近 “湿端” 的任何 其它部件附近。在另一实施例中， 传感器装置 23 被放置在系统 300 的干端。单独的或者组 合的扫描仪 27、 传感器装置 23 和光纤电缆 39 通常十分地灵活并且足够小以被设置在造纸 系统 300 的空间限定的区域中的任何位置。
被部署在 “湿端” 的传感器装置 23 允许对 “湿端” 环境的测量， 其允许同时在单个 纸位置对主要的纸质量参数的测量。对于传感器装置 23 有可能的小的不规则的形状因素 允许测量被放置在干扰源， 从而允许控制件 (controls) 和制动器在特定时间修正与造纸 过程关联的问题。在另一实施例中， 多传感器装置 23 还可以被放置在造纸系统 300 内的各 种位置使得每个传感器测量造纸系统 300 内的一致位置处的多个纸质量参数。
参考图 4， 其示出了根据本发明的实施例的、 用于过程控制的示范性的控制系统 10 的示意图。控制系统 10 包括包含用户界面 50 的控制器 25 以及建模工具 75。控制器 25被示出， 其包括处理器 ( 例如， 信号处理器 )87 和分析器 88。控制系统 10 可以包括能够接 收和 / 或取回操作参数 ； 取回、 接收和 / 或产生造纸过程模型、 和 / 或实现关于一个或多个 造纸过程或系统的控制的其它部件或者部件的组合。 控制器 25、 用户接口 50 以及建模工具 75 可以是独立的部件或者可以与彼此集成， 例如集成在单个处理器或计算机中。
控制器 25 被示出为被耦合到或者与过程设备 100 的一个或多个控制装置 150 通 信， 例如与图 3 的造纸系统关联的控制装置， 诸如通过使用接口 175。耦合或者通信可以通 过使用各种部件以及已知的技术， 包括硬线、 光和 / 或无线耦合。控制系统 10 可以与和造 纸过程关联的一个或多个控制装置 150 直接通信， 诸如直接控制装置中的每一个或者通过 装置的主从配置。尽管没有示出， 控制系统 10 可以通过应用服务器的方式被耦合到过程设 备 100。
控制装置 150 可以是被集成到过程设备 100 中的各种装置， 包括阀、 泵、 马达， 加热 / 冷却装置， 和其它工业装备， 以及传感器 ( 例如， 温度、 压力和流速传感器 )， 和其它无源和 / 或有源器件。例如， 控制装置 150 可以对应于与图 3 的造纸系统 300 的流料箱 32、 蒸汽箱 28、 压光机组 30、 卷取轴 48、 扫描系统 20、 扫描仪 27 或者诸如冷却设备或加热设备的其它部 件关联的控制件。本发明并不限于被用于实现对过程的控制的控制装置的类型， 并且可以 包括各种装置以及装置的组合， 诸如用于调整部分过程中的压力和 / 或温度的子系统。
接口 175 可以将一个或多个传感器装置 23 耦合到一个或多个控制装置 150 使得 每个传感器装置 23 在生产过程期间一致地测量片状材料 ( 诸如纸 ) 的一个或多个特性。 在 实践中， 控制器 25 可以被可操作地耦合到接口 175 以使用至少部分 THz 谱测量来评估多个 纸质量参数。在监视下的各个特性可以引起各种程度的控制复杂度。鉴于被测量的纸质量 特性， 控制器 25 还可以制动过程设备 100 的一个或多个控制装置 150 来控制造纸过程， 以 使过程效率和成本最优化。
在本发明的一个方面中， 控制器 25 监视造纸过程并且从形成到压榨到烘干到完 成把湿度分布 (moisture profile) 作为目标。 控制器 25 在造纸过程期间从传感器装置 23 的 THz 接收机部件接收电子检测信号。控制器 25 可以处理电检测信号并且通过分析确定 或者通过更多的纸质量特性来确定， 例如， 如何得到湿度分布以及在从 “湿端” 到压榨和从 压榨到 “干端” 的造纸过程期间湿度分布应当如何被更新。如在本领域中已知的那样， 湿度 分布对诸如纸片张力分布、 片破裂 (sheet break)、 收缩、 卷绕效率、 印刷间操作等变量， 可 能具有显著的影响。
图 4 所示的建模工具 75 可以评估纸质量特性并且在过程中以湿度分布作为目标 来预测实现最佳成本节省的控制设定。建模工具 75 还可以鉴于由一致性传感器装置 23 测 量的质量特性来预测纸质量的变化， 并且向操作员建议控制减少成本以提高效率的调整。 用户接口 50 可以显示一个或多个被测量的纸质量参数， 并且接收一个或多个用于调整一 个或多个控制装置 150 的制动的控制命令。作为示例， 控制器 25 可以监视由一致性传感器 装置 23 测量的质量特性以控制在稀释流控流料箱 32 上的横向 (CD) 重量分布。如果在 “湿 端” 没有把幅漂移 (web wander) 和非线性收缩改变测量区域到制动器区域的映射考虑在 内， 则这样的控制可能是成问题的。一致地在 “湿端” 对质量特性的监视还提供了对机械方 向 (MD) 和 CD 变化部件的分离。
显著地， 对单个纸位置的多个特性的测量可以帮助抑制与形成变化相关的误差。例如， 每个控制装置 150 可以被配备一致性传感器装置 23 以同时测量多个纸质量特性。在 这一点上， 可以围绕由烘干、 压榨以及 “湿端” 部件构成的主要的造纸机子过程而形成控制 循环。控制器 25 可以评估纸质量特性并且在它们的源头抑制或者除去纸质量变化， 以及允 许有效的、 对纸质量有益的路径被定为目标并且被复制。这可以提供优于当前的卷轴式的 以扫描仪为中心的模型的在造纸机控制方面的显著改进， 在当前的卷轴式的以扫描仪为中 心的模型中在 “干端” 的感测元件不是充分地不规则或者足够灵活， 以在 “湿端” 操作， 也不 足以能够在纸 14 上获取相同位置的一致测量结果。
控制系统 10 可以包括关联的可写存储器， 其优选地为非易失性的， 以充当用于各 种变量、 数据或其它信息的数据仓库， 诸如存储已经基于根据被控制的过程所计算、 模拟、 测量或者另外感测的操作参数被决定的操作变量。 存储器可以是控制系统 10 的控制器 25、 建模工具 75 和 / 或其它部件的部分， 诸如用于存储由建模工具所提供的模型。
现在参考图 5， 其示出了根据本发明的实施例的用于在片状材料 ( 诸如纸 14) 的生 产过程期间一致地测量该片状材料的一个或多个特性的示范性的基于兆兆赫兹时域谱测 量 (THz/TDS) 的测量系统 500 的示意图。所示出的系统 500 包括控制器 25、 包含激光器和 同步光学器件的兆兆赫兹 / 时域谱测量 (THz/TDS) 光电装置 110， 电接口 175 和耦合到传感 器装置 23 的扫描仪 120。传感器装置 23 可以包括 THz 发射传感器头 51(T) 和 THz 接收机 52(R)。在一个实施例中， THz 收发机提供 THz 发射传感器头 51(T) 和 THz 接收机 52(R) 两 者。在实践中， 如上所述， 传感器装置 23 可以被安置在正被处理的片状材料的 “湿端” 内的 样本位置， 而 THz/TDS 光电器件 110 被远离湿端布置。 简单来说， THz/TDS 光电器件 110 包括产生非常短的激光脉冲 ( 例如， 持续飞秒量 级的脉冲 ) 的激光源 ( 未示出 )。脉冲激光信号通过光纤链路 115 的传输激光路径从较远 地被设置的 THz/TDS 光电装置 110 被传送到在 “湿端” 的相同位置的传感器头 51。THz 传感 器头 51 通常包含半导体材料， 在半导体材料被暴露于脉冲激光信号时产生 THz 辐射脉冲。 THz 辐射脉冲指向样本位置 P0。超短激光信号通过光纤链路 115 的 Rx 激光路径从 THz/TDS 光电装置 110 被传送到 THz 接收机 52。当 THz 接收机 52 测量从样本发射发出的 THz 辐射 的电场的一部分时， 超短激光信号建立。显著地， THz 辐射响应于作为该样本的一个或者多 个特性的函数被施加的 THz 辐射脉冲而从该样本发出。电场可以被估计以标识样本的一个 或多个特性。
经由光纤链路 115 被耦合到 THz/TDS 光电装置 110 的 THz 传感器头 51， 响应于接 收脉冲激光信号， 在样本位置 P0 产生兆兆赫兹 (THz) 辐射脉冲。作为示例， THz 传感器 51 可以是包括电压被施加于其的半导体材料的光电导发射机 (photo-conductive emitter)。 作为示例， Tx 电子线可以用来偏置 THz 传感器头 51。半导体材料在被暴露于脉冲激光信号 时发射 THz 辐射脉冲。有效地， 半导体响应于接收脉冲激光信号而产生瞬时的电流， 这将导 致 THz 辐射脉冲的产生。
THz 传感器 51 可以各种已知的实施方式被提供。在一个实施例中， THz 传感器 51 包括透明的晶体材料， 该透明的晶体材料在被暴露于脉冲激光信号时发射 THz 辐射脉冲而 不用施加电压。在另一实施例中， THz 传感器头 51 可以包括以偶极天线形式的、 在砷化镓 (GaAs) 半导体材料上被图形化的两个电极。
THz 接收机 52 接近于 THz 传感器头部 51 被布置在片状材料上， 并且测量从样本位
置所反射或者通过样本位置所透射的被发射的 THz 辐射。作为一个示例， THz 接收机 52 可 以各种已知的实施方式被提供， 诸如被布置为偶极天线的晶体材料， 其在电场存在的情况 下变成双折射。
装载传感器装置 23 的扫描仪 120 可以提供到电接口 175 的有线或者无线链路， 以 便将时域电压信号 ( 例如， Rx 电信号和 Tx 电信号 ) 传递到电接口 175。在这一点上， 与被 发射的 Thz 辐射对应的电信号、 脉冲激光信号， 和被传送到电接口 175 的超短激光信号。电 接口 175 产生大体上与超短 THz 信号通过 THz 接收机 52 时的 THz 辐射脉冲的电场成比例 的传感信号。
控制器 25 可以向 THz/TDS 光电装置发送控制信号用于改变超短激光脉冲的定时 (timing)。更具体地， 控制器 25 可以改变超短脉冲的定时以对 THz 辐射脉冲进行采样并且 将它的电场构建为时间的函数。就是说， 控制器 25 重复改变超短 THz 脉冲的定时的过程同 时取得被发出的 THz 辐射的时域测量结果以构建样本位置 P0 的时变电场。
由传感器头 51 发射的 THz 辐射脉冲大体上集中在纸 14 上， 并且在它通过纸 14 时 通过选择性吸收而失真， 造成其到达检测器的时间的延迟。 通过改变超短 THz 脉冲到达 THz 接收机 52 的时间， THz 辐射脉冲的连续部分可以被检测并且就它的延迟时间而言或者在时 域中被构建成 THz 辐射脉冲的完整图像。然后数据可以通过快速傅立叶变换分析被处理以 将延迟时间转换成如前所述的到达 THz 接收机 52 的兆兆赫兹信号的频率。 被通信地链接到 THz 接收机 52 的信号处理器 87( 见图 4) 可以根据与被发出的 THz 辐射关联的时域数据产生样本的频谱。作为示例， 信号处理器 87 可以在接收的时域数 据上进行傅里叶变换以产生频谱。同样离过程较远地被设置的分析器 88( 见图 4) 在生产 过程期间从频谱获取纸 14 的多个特性。例如， 分析器 88 可以标识频谱中的幅度峰值或者 测量相位差来标识纸 14 的不同特性。控制器 25 随后可以响应于如前所述的传感器信号来 控制生产过程的一个或多个方面， 例如通过制动一个或多个控制装置。
如图 5 所示， 基于 THz-TDS 的测量系统 500 可以使用光纤手段在扫描或者非扫描 的单侧模式中被实现， 以将 THz/TDS 光电器件 110 的敏感的电子器件保持在过程外 ( 即， 在 “湿端” 环境之外 )。在扫描模式中， 传感器装置 23 沿着纸移动超短 THz 脉冲。在非扫描模 式 ( 固定点模式 ) 中， 传感器装置 23 在造纸过程期间测量固定位置处的纸特性。在任一模 式中， 结果可以是首要的特性测量结果的组合 ； 全都使用传感器 23 一致地被获取的重量、 湿度、 测径、 构成和取向。
作为示例， 反射扫描仪 120 可以被置于三压区压榨机 (tri-nip press) 上的第三 压区的出口以取得扫描单侧的 THz 测量结果。控制器 25 可以分析从纸显露出来的辐射频 谱并且根据对辐射频谱的分析计算一个或多个纸质量特性。例如， 控制器 25 可以通过检 查辐射频谱中的峰值和相位差来同时测量这个特定位置处的总的基本重量、 水重量以及测 径。由于基本重量和水重量根据纸的相同区域或者部位 P0 被测量， 这允许控制器 25 精确 地计算固体百分比。由于基本重量和测径两者也都根据纸的相同部位 P0 同时被测量， 控制 器 25 也可以准确地测量纸密度。应当注意的是， 如果需要， 扫描反射扫描仪 120 可以保持 在固定位置以取得固定点的测量结果。
现参考图 6， 其示出了图 5 的示范性的基于 THz-TDS 的测量系统 500 的更详细的示 意图。 特别地， THz-TDS 光电装置 110 可以包括用于产生激光光束的脉冲激光器 ( 诸如飞秒
激光器 111)， 以及同步光学器件， 所述同步光学器件包括用于将激光光束分成透射光束和 超短激光脉冲的分光器 112， 用于从分光器 112 接收发射光束 (Tx) 并且产生通过光纤电缆 115( 见图 5) 的 Tx 激光路径被传送到传感器头 51 的脉冲激光信号的断路器 113(chopper)。 分光器 112 和断路器 13 结构可以产生长度像 10-15 秒的光的超短激光脉冲。同步光学器 件还可以包括时间延迟线元件 114， 该时间延迟线元件 114 改变超短激光脉冲的定时并且 通过光纤链路 115 的 Rx 激光路径将超短激光脉冲传送到 THz 接收机 52。特别地， 控制器 25 指导时间延迟线元件 114 来调整超短激光脉冲的延迟， 从而使它与脉冲激光信号同时到 达。根据当由 THz 传感器头 51 产生的 THz 辐射脉冲的电场低或者高时超短激光脉冲是否 到达， THz 接收机 52 产生不同的电信号。
控制器 25( 见图 5) 根据被发出的 THz 辐射来分析样本位置 P0 的多个特性， 例如 通过谱分析。控制器 25 根据谱分析来计算一致的测量结果， 包括基本重量、 水分含量和测 径。显著地， 一致性传感器装置 23 根据谱分析来测量单个位置 P0 的多个纸质量特性。在 分析被测量的一致的纸质量参数时， 控制器 25 可以预测形成误差， 并且使用控制装置 150 来调节一个或多个过程参数以补偿该形成误差。在这一点上， 控制器 25 可以将造纸过程的 机器方向 (MD) 和横向 (CD) 变化的测量结果分离。 现在参考图 7， 其示出了实现双侧传输扫描仪 141 的基于 THz-TDS 的测量系统。 尽 管传输系统 700 由于下侧的传输扫描仪 142 而比反射扫描仪 120( 见图 7) 占据更多的空间， 它可以被放置在造纸过程内的关键性位置， 例如， 在蒸汽箱 28 或者压光机组 30 附近 ( 见图 3)， 在那里可以接近纸 14 的两侧。
传输扫描仪 141 可以包括 THz/TDS 光电器件 110， THz/TDS 光电子器件 110 远离生 产过程产生脉冲信号 60 和超短激光信号 63。在扫描仪 141 的第一侧上的传感器头 61 通 过光纤链路 115 的 Tx 激光路径接收脉冲激光信号 60。传感器头 61 将脉冲激光信号 60 转 换成 THz 辐射脉冲 71， 该 THz 辐射脉冲 71 被引导在样本位置 P0 通过片状材料。在扫描仪 142 的第二侧的 THz 接收机 62 从该样本接收被发出的 THz 辐射 72。THz 接收机 62 也经由 光纤链路 115 的 Tx 激光路径在样本测量期间接收一系列超短激光信号 63， 每个超短激光信 号 63 在不同的时间被选通 (gated)。当超短激光信号 63 在被选通的信号时间被接收时， THz 接收机 62 测量对应于从样本位置发出的 THz 辐射的电场的时域电压信号。
与所发出的 THz 辐射关联的电信号、 脉冲激光信号以及转换成电信号之后的超短 激光信号通过有线或者无线连接被传递到电接口 175。从电接口 175 接收传感信号的控制 器 25 改变超短激光脉冲的定时以在相同位置依照时间的函数来测量 THz 辐射脉冲的电场。 如前所述， 控制器 25 根据传感信号为 THz 辐射脉冲生成该样本的透射频谱。在生产过程期 间， 控制器 25 根据该透射频谱一致地测量片状材料的多个特性。例如， 控制器 25 根据该多 个特性在相同的采样位置计算片状材料的基本重量、 水分含量以及测径。
在本文中所描述的实施例的图示说明旨在提供对各种实施例的结构大体上的理 解， 并且不是打算将它们用作对可能利用在本文中所描述的结构的设备和系统的所有元件 及特征的完整描述。在阅读上述说明时， 许多其它实施例对于本领域的技术人员来说将是 显而易见的。其它实施例可以被使用并且根据其被产生， 使得结构上以及逻辑上的替换和 改变可以被进行而不背离本公开内容的范围。附图也仅是代表性的并且不是按照比例所 画。其某些比例可以被夸大， 而其它比例可以被减至最小。因此， 应当在示意性的而不是限
制性的意义上来看待本说明书和附图。
因此， 尽管已经在本文中示出并且描述了特定的实施例， 应当理解的是被计划用 于达到相同目的的任意配置可以被用于替代所示出的特定的实施例。 本公开内容旨在覆盖 各种实施例的任何一种以及所有的调整和变化。在阅读上述说明的时候， 上述实施例的组 合以及没有在本文中具体描述的其它实施例对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。 因此， 目的在于本公开内容不被限制于作为被预期用于实现本发明的最佳模式的 ( 一个或 者多个 ) 特定的实施例， 而是本发明将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施例。
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