具体实施方式
参照附图并且具体参照图1，依据本发明的一个示例性实施例的监视系统被示出并且大体上由附图标记10表示。监视系统10可以用于各种加工设施、各种过程和/或各种样品，包括制造过程、化工厂、炼油厂和纸产品。不旨在限制待监视或测量的特定类型的设施或过程和/或特定类型的样品。
监视系统10可以与控制系统(未示出)通信、耦合到该控制系统或作为该控制系统的一部分，所述控制系统可以提供过程控制，包括多变量过程。在一个实施例中，监视系统10可以获得与非线性过程相关联的数据，但是本公开还考虑把监视系统10用于测量或以其它方式感测线性过程中的各方面。
监视系统10可以生成并检测用于监视过程或样品的各种性质的电磁波，诸如太赫兹(THz)波。系统10可以包括脉冲激光器16，诸如掺钛蓝宝石(Ti：蓝宝石)激光器。本公开考虑：使用其它激光器，包括Cr:LiSAF激光器、Cr:LiSGAF激光器、掺铒光纤激光器、掺镱光纤激光器和增益开关二极管激光器；以及使用连续波源，诸如砷化镓光电混频器。脉冲激光器可以入射到光导天线或光整流晶体上，诸如ZnTe。
激光器16可以借助光纤光缆18或其它光导管耦合到第一THz收发器29并且经由光学延迟22耦合到第二THz收发器29。本公开描述了THz收发器29的使用，尽管本公开考虑到使用可以接收和/或发送沿频谱的任何部分的电磁波的收发器。与监视系统10一起还示出了光学系统27。第一收发器29可以用作THz辐射的发射器，而第二收发器29可以用作辐射的接收器。虽然本公开把第一和第二收发器29描述成既能够发送也能够接收，但是本领域的普通技术人员应当理解这些装置却可以是独立的专用装置，每个装置仅执行发送和接收中的一个。
THz发射器29可以生成THz辐射，所述THz辐射传播经过第一光学系统17、经过加工设施50的样品26、经过第二光学系统27、然后由THz接收器29接收。THz接收器29可以输出表示所接收的THz辐射的信号。光学延迟22可以确定信号的哪个时间部分由在THz接收器29的脉冲来选通(gate)。在一个实施例中，光学延迟22可以由控制器28(例如，台式计算机)控制，该控制器28也可以接收THz接收器29的输出信号。光学系统27可以是各种类型的，包括准直光学元件。
系统10考虑到把收发器29定位在诸如造纸厂中的远程位置或难以到达的位置，而系统的其它部件诸如激光器16、控制器28和锁定放大器是可容易接近的，例如以便于系统的维护。光纤光缆18的使用允许由激光器16生成的辐射沿光缆传播而不受大气条件(例如设施中的温度波动)或对准偏移的显著影响。
另外参照2到4，更清楚地示出THz收发器29的部件。收发器29可以具有被安装在收发器内用于生成和/或检测电磁辐射的辐射生成系统或装置，诸如太赫兹装置36。太赫兹装置36可以具有一对被结合到半导体衬底(诸如低温生长的砷化镓衬底)的电极。收发器29还可以包括中继光学器件30(例如，梯度折射率透镜)，其可以把光纤32的输出向下聚焦至最优的光斑大小和/或把光纤32从太赫兹装置36的紧邻中移开。
收发器还可以包括带有盖子41的外壳40，诸如工业硬壳，所述盖子41密封收发器部件以保护它们免受环境变量和粗处理的影响。在一个实施例中，外壳40可以被气密密封。在另一个实施例中，外壳40可以包含干燥惰性气体，诸如氮气。多个电导体管脚49可以结合到电绝缘衬套52，所述电绝缘衬套52被压入并结合到外壳40中的衬套孔口(aperture)54。光纤孔口56可以被设置在外壳40中并且被配置成接收套圈(ferrule)62，所述套圈62具有与其结合的光纤32。多个安装孔口58可以被提供在外壳40中以把收发器29机械地固定到安装表面。外壳40可以具有多种形状和大小，包括符合标准的部件形状，诸如双列直插或小外形塑料封装。
收发器29还可以包括光学器件安装板或衬底42和窗口44。该板42可以支撑或以其它方式把光继电器30、光纤轴台47、光纤32和/或太赫兹装置36固定在适当的位置，以及为所述装置提供电接触。该板42可以由多种材料(包括氧化铝)制成。在一个实施例中，太赫兹装置36、光继电器30和光纤32全都连接到该板42以减少这些部件之间诸如由于振动而可能发生的未对准。在另一个实施例中，可以提供窗口44以便于把太赫兹装置36组装到外壳40。窗口44可以是硅或其它兼容的材料，并且可以诸如沿限定窗口孔口55的表面57被焊接、结合或以其它方式连接到外壳40。太赫兹透镜31可以被安装到窗口44上以用于减少从太赫兹装置36发出的电磁波辐射的发散。该透镜31可以是硅、蓝宝石、氧化铝或另一类型，并且透镜31的配置可以是大体消球差的。
收发器29可以包括光纤轴台47，用以把光纤32定位在外壳40的底内表面之上的适当高度，从而确保光纤与中继光学器件30和太赫兹装置36的对准。在一个实施例中，光纤轴台47可与板42一体成形。然而，本公开还考虑使用焊料或环氧树脂把光纤轴台47结合到安装板42，或者利用其它连接结构或技术把光纤轴台47结合到安装板42。这可以允许操纵光纤32直到THz信号被优化为止。焊料或环氧树脂然后可以被沉积到光纤轴台47上以包围光纤32。诸如热脂或填料之类的其它材料可以用来促进从光纤32经过轴台47和板42的热传递。光纤32可以被安装成远离中继光学器件30。电跳线59可以用于板42和管脚49之间的连接。
本公开还考虑诸如通过使用焊料、环氧树脂或其它适当的结合剂把光纤结合到中继光学器件而把光纤32与中继光学器件30集成以产生光纤组件。然后可以通过主动操纵整个组件而不只是操纵光纤来实现光纤组件的对准。在另一个实施例(未示出)中，诸如通过用光纤材料形成中继光学器件并且将其配置成产生将起到与中继光学器件相同作用的缩倍透镜(demagnifying lens)，中继光学器件30可以被集成到光纤32中。
为提供THz收发器29的热管理，可以提供热管理装置200。例如，热管理装置200可以是热电装置或冷却器，其可以冷却收发器的目标部件，诸如光继电器30、光纤32和/或太赫兹装置36。在另一个实施例中，装置200可以冷却外壳40的内体积以补偿诸如由电部件生成的热和/或设施50中的热。本公开还考虑热管理装置200能够诸如通过使电流反向流过热电装置(例如可逆的珀耳帖(Peltier)装置)来加热各个部件和/或加热外壳40的内体积。在另一个实施例中，能够在特定元件的加热和冷却之间快速交替的加热/冷却装置200可以是热离子装置。热离子致冷由G.D.Manhan和L.M.Woods的″Multilayer ThermionicRefrigeration，″(Physical Review Letters，Vol.80，Number 184016-4019)(The American Physical Society 1998)描述并且被并入本文以供参考。以在热激发的电子逸出阻挡层后的热离子发射来获得冷却，其中该阻挡层典型地是半导体。这样的装置可以具有大约在一和二之间的预期效率，这类似于基于氟利昂(Freon)的致冷。
可以通过线路210给热电冷却器200提供功率和/或控制信号。传感器250，诸如温度换能器和/或湿度检测器，可以用于检测外壳40内的条件。在一个实施例中，传感器250可以诸如通过有线线路和/或无线链路而耦合到控制器28，以向控制器提供关于THz收发器条件的数据，包括收发器的各个部件的温度和/或外壳40内的温度。控制器28可以提供控制信号和/或调整被提供到热电冷却器200的功率以便控制外壳40中的温度或其它条件。在另一个实施例中，热电冷却器200可以具有其自己的控制器(未示出)，该控制器直接连接到温度传感器250并且诸如通过电流调整来控制外壳40中的温度。在又一个实施例中，热电冷却器200可以诸如通过导体管脚49和跳线57来利用被提供到收发器29的其它部件的功率。
在图1-4的示例性实施例中，热电冷却器200可以与将要被温度稳定的部件所位于的板42直接且热接触。光继电器30、光纤32和太赫兹装置36中的一个或多个可以直接连接到与热电冷却器200直接接触的板42。在另一个实施例中，热电冷却器200可以被定位成通过形成在外壳40中的开口，并且通过多种结构和技术(包括焊接或结合)而被固定在其中。
热电冷却器200的特定大小、数量、配置和热管理能力可以根据多个因素(包括收发器部件的预期热负荷)而变化。例如，图2-4的示例性实施例示出被定位在板42之下的单一热电冷却器200，其中冷侧被包含在外壳40内。热电冷却器200的热侧可以被定位在外壳40的外部和/或与外壳的外部热接触。在另一个示例性实施例中，热电冷却器200的热侧可以与外壳40的壁齐平。散热器可以被定位成与热电冷却器200直接和/或热接触以促进相对于板42和/或目标部件(诸如光继电器30、光纤32和太赫兹装置36)的热传递。这种配置可以减少或最小化这些部件之间的热梯度并且可以减少或最小化控制环的热响应时间。闭环中的温度传感器250可以直接和/或热接触到该板。
另外参照图5，热电冷却器200可以具有沿冷侧的散热器或其它导热材料515、彼此串联的一个或多个N掺杂半导体535和一个或多个P掺杂半导体535、以及沿热侧的散热器或其它导热材料540。N掺杂和P掺杂材料535可以变化，包括碲化铋颗粒。散热器515和540可以通过热界面材料520(例如，热脂、热垫、热油灰或焊料)、用于充当热导体和电绝缘体的陶瓷板525、以及可以串联连接N掺杂和P掺杂材料中的每一个的铜迹线530中的一个或多个而分别与N掺杂和P掺杂材料535隔开。电流可以诸如经过连接到电源或供电电源的线路210而被施加到N掺杂和P掺杂材料535。每个散热器515和540的特定大小、形状和材料可以变化，包括铝散热片。
参照图6，其中类似的特征由与图2-4中的相同的附图标记进行标记，所示的收发器29使用流体热管理装置600。类似于上面描述的装置200，流体热管理装置600可以使用来自传感器250的数据来调节光继电器30、光纤32和太赫兹装置36中的一个或多个的冷却和/或加热，和/或调节外壳40的内体积的温度。装置600可以包括外壳40中的一个或多个散热器610。散热器610可以根据多个因素(包括要管理的热负荷以及外壳40的大小和形状)而具有多种大小和形状。散热器610可以诸如通过使用可以穿过外壳40中的开口的导管620而与用于从其除去热的冷却流体实现流体连通。导管620可以是带有多种部件的冷却回路(诸如蒸汽压缩回路)的一部分，不过其它的冷却回路也被考虑，包括强制空气对流、强制流体对流和/或自然对流。
在一个实施例中，流体热管理装置60可以把热管或导热管例如用于导管620。热管620可以是由诸如铜或铝之类的导热金属制成的密封中空管，该管包含工作流体(例如，水、乙醇或汞)，其中该管的其余部分填充有汽相的工作流体。在管侧壁的内侧上，毛细结构(wickstructure)可以对液相的工作流体施加毛细管力。该毛细结构可以是能够吸收工作流体的任何材料或结构，诸如烧结的金属粉末或与管轴平行的一系列凹槽。可以调节工作流体的量以控制冷却或加热的量。
参照图7，其中类似的特征由与图2-4中的相同附图标记进行标记，所示的收发器29使用强制空气热管理装置700。类似于上面描述的装置200，装置700可以使用来自传感器250的数据来调节光继电器30、光纤32和太赫兹装置36中的一个或多个的冷却和/或加热，和/或调节外壳40的内体积的温度。装置700可以包括与板42直接和/或热接触的一个或多个散热器710。散热器710可以被部分地设置在外壳40中且部分地设置在外壳的外部。散热器710可以根据多个因素(包括要管理的热负荷以及外壳40的大小和形状)而具有多种大小和形状。例如，散热器710可以是被成形为板并被定位在板42之下的单一结构。在另一个实施例中，散热器710可以是环，其中光纤32和/或光继电器30通过该环中的开口进行定位。散热器710可以与用于使用强制空气对流来从其除去热的一个或多个风扇720流体连通。一个或多个风扇720的数量、大小和配置可以根据多个因素(包括要管理的热负荷以及外壳40的大小和形状)而变化。
在一个实施例中，风扇720可以是变频驱动(VFD)风扇，其允许通过控制供应给使风扇叶片旋转的交流电动机的电功率的频率来控制该交流电动机的旋转速度。VFD风扇720可以允许例如由控制器28响应于由外壳40中的传感器250提供的数据而连续地调节风扇速度。
图8描绘了在监视系统10的各部分中操作的示例性方法800。方法800具有如虚线所描绘的变型。本领域的普通技术人员会明白，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，图8中未描绘的其它实施例是可能的。方法800是参照热管理装置200描述的，但是本公开考虑使用本文所描述的或以其它方式可与系统10使用的任何热管理装置来稳定THz收发器29的温度。
方法800始于步骤802，其中控制器28可以监视THz收发器29的参数或条件。这些条件可能变化并且可能来自各种源，包括收发器29的外壳40中的温度传感器250。在一个实施例中，接收数据的控制器可以与收发器29一起被合并在例如外壳40中以提供收发器的热管理的自主控制。
在另一个实施例中，在步骤804中，控制器28或其它处理器可以轮询(poll)传感器250，诸如以固定的或可调节的间隔向每个传感器发送轮询信号以获取对应的数据。在另一个实施例中，传感器250可以以调度的间隔来提供对应的数据。该间隔的特定长度以及其是否可调节可以变化。例如，缩短的数据获取间隔可以用于频繁波动的收发器的热负荷。
在步骤806中，控制器28可以确定外壳40中的或与外壳40相关联的温度和/或收发器的一个或多个部件的温度。在步骤808中，控制器28可以确定收发器当前操作温度是否在目标范围之外。如果当前操作温度不在目标范围之外，则方法800可以返回到步骤802以继续监视THz收发器29的参数或条件。另一方面，如果当前操作温度在目标范围之外，则在步骤810中，控制器28可以启动或以其它方式调节热管理装置200，并且返回到系统参数的监视。与确定当前操作温度是否不同于目标温度形成对照，收发器29的当前操作温度是否在目标范围之外的确定可以包括确定当前操作温度是否在可能引起极限循环的死区因数内。
在一个实施例中，在步骤812中，控制器28可以呈现数据(例如，外壳40中的温度)或数据的一部分。例如，可以实时地呈现数据。数据可以以各种形式(诸如图形等等)来呈现，并且可以是包括提供与数据相关联的历史信息的操纵数据。作为另一个示例，历史上具有较高外壳温度或热负荷的特定时间段可以被呈现给技术员，同时也呈现当前外壳温度或热负荷。
在另一个实施例中，在步骤814中，控制器28可以监视过程负荷或过程的活动。过程负荷或活动可以用来预测与外壳40相关联的温度的变化。该信息可以用于调节热管理装置200。例如，控制器28可以监视造纸过程中的干燥步骤，其中在设施50中生成可能提高收发器29中的及其周围的温度的热。
在另一个实施例中，在步骤816中，控制器28可以确定外壳温度是否在临界范围内。如果外壳温度不在临界范围内，则控制器28可以以典型的方式(例如在用户界面的显示监视器处)呈现数据，但如果参数在临界范围内，则在步骤818中，控制器28可以给技术员呈现警报。
监视系统10可以提供温度稳定的测量和/或感测系统，其可以和多种样品和/或过程一起使用。监视系统10可以提供系统10的收发器29的实时温度稳定以避免诸如经过温度波动的测量中的不准确性。虽然示例性实施例是关于在10GHz到100THz的范围内的辐射被描述的，但是本公开考虑使用电磁辐射的其它频谱来监视。另外，热管理装置200、600和700的示例性实施例可以单独或彼此结合使用。本公开还考虑使用其它热管理装置和技术来用于收发器29的温度稳定。
监视系统10还考虑通过使用单独地或与热管理装置200、600和700组合使用的其它部件和技术来改进监视，包括空气净化从收发器29到样品26的THz光束路径。空气净化可以控制或减轻湿度和/或空气湍流的影响。可以使用多种装置和技术，包括把样品26暴露于来自空气净化装置75(图1)的惰性气体，诸如氮气。例如，在造纸过程中可能存在高湿度水平，这可以实现通过使用太赫兹辐射所进行的监视。尽管存在高湿度水平，但系统10通过降低并稳定在传感器头(sensorhead)和纸张之间的THz光束路径中的湿度而允许精确的监视。
本公开还考虑使用计算机系统，在该计算机系统内指令集在被执行时可以使机器执行上面讨论的一个或多个方法。计算机指令可以被包含在存储介质中。在一些实施例中，机器作为独立式装置进行操作。在一些实施例中，机器可以(例如使用网络)连接到其它机器。在联网的部署中，机器可以作为服务器-客户端用户网络环境中的服务器或客户端用户机器进行操作，或者作为对等(或分布式)网络环境中的对等机器进行操作。所述机器可以包括服务器计算机、客户端用户计算机、个人计算机(PC)、平板PC、膝上型计算机、台式计算机、控制系统、网络路由器、交换机或网桥、或者任何能够执行(顺序的或以其它方式的)指令集的机器，所述指令指定该机器要采取的动作。而且，术语“机器”应视为包括单一机器或任何机器集合，所述机器单独地或联合地执行一个(或多个)指令集以执行本文讨论的一个或多个方法。
计算机可读存储介质可以在其上存储一个或多个指令集(例如软件)，以具体实施本文描述的一个或多个方法或功能，包括上面说明的那些方法。计算机可读存储介质可以是机电介质，诸如普通磁盘驱动；或者是没有移动部分的大容量存储介质，诸如闪存或比如非易失性存储器。这些指令还可以完全或至少部分地驻留在主存储器、静态存储器内或者在由计算机系统对其执行期间驻留在处理器内。主存储器和处理器也可以构成计算机可读存储介质。
同样可以构造专用的硬件实施方式来实施本文描述的方法，包括但不限于专用集成电路、可编程逻辑阵列以及其它硬件装置。可以包括各个实施例的设备和系统的应用广义上包括各种电子和计算机系统。一些实施例将功能实施在两个或更多特定互连的硬件模块或装置中——其中在模块之间并通过模块传送相关控制和数据信号，或者将功能实施为专用集成电路的一部分。因而，示例系统可应用于软件、固件和硬件实施方式。
依据本公开的各个实施例，本文描述的方法旨在作为运行在计算机处理器上的软件程序进行操作。而且，软件实施方式可以包括但不限于分布式处理或部件/对象分布式处理、也可以构造并行处理或虚拟机处理来实施本文描述的方法。本公开考虑机器可读介质，所述机器可读介质包含指令或者接收并执行来自传播信号的指令以便诸如连接到网络环境的装置可以发送或接收数据并且使用指令通过网络进行通信。
虽然计算机可读存储介质可以是单一介质，但是术语“计算机可读存储介质”应当视为包括存储一个或多个指令集的单一介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库、和/或相关联的高速缓存和服务器)。术语“计算机可读存储介质”还应视为包括任何能够存储、编码或承载供机器执行的指令集并且使机器执行本公开的任何一个或多个方法的介质。术语“计算机可读存储介质”因而应视为包括但不限于：固态存储器，诸如存储卡或其它容纳一个或多个只读(非易失性)存储器、随机存取存储器或其它可重写(易失性)存储器的封装件(package)；磁光或光学介质，诸如磁盘或磁带；以及载波信号，诸如在传输介质中实现计算机指令的信号；和/或电子邮件的数字文件附件或其它自含式信息档案或档案集被认为是与有形存储介质等效的分布介质。因而，该公开被认为包括如本文列举的且包括本领域公认的等效物和后续介质的、其中存储本文的软件实施方式的计算机可读存储介质或分布介质中的任何一个或多个。
本文描述的实施例的图示旨在提供各个实施例的结构的一般理解，并且它们不旨在用作可能利用本文描述的结构的设备和系统的所有元件和特征的完整描述。许多其它实施例对本领域的技术人员在回顾上面描述后将是显而易见的。可以利用并且从中导出其它实施例，以致可以在不偏离该公开的范围的情况下做出结构与逻辑的替换和变化。附图也仅仅是代表性的并且可能没有按比例绘制。其某些比例可能被夸大，而其它可能被最小化。因而，说明书和附图要视为说明性的而不是限制性的意义。因此，尽管本文描述并示出了具体实施例，但是应当明白，为获得相同目的而设想的任何布置可以替换所示的具体实施例。该公开旨在覆盖各个实施例的任何及所有修改或变型。上面实施例以及本文未具体描述的其它实施例的组合对本领域的技术人员在回顾上面描述后将是显而易见的。因此，意图是：本公开不限于被公开作为实施本发明所考虑的最佳模式的(一个或多个)特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
提供公开的摘要以符合37C.F.R.§1.72(b)——要求摘要将允许读者快速确定本技术公开的本质。其是以如下理解提交的：其不将用来解释或限制权利要求的范围或含义。