用于测量包含反射层的产品的厚度或重量的单侧红外传感器

摘要

一种用于测量分层产品且特别是包含光反射基片的那些产品的厚度或重量的光学非接触传感器，该传感器并入反射表面以使来自光源的入射辐射在被在接收器中检测到之前在分层产品内多次反射。可以并入漫射元件以作为漫射照明源。由漫射元件产生的朗伯(Lambertian)型光散射使入射光与分层产品进行多次相互作用，带来传感器对分层产品中的选定组分的增强的灵敏度，并且由来自反射基片的光的镜面反射所引入的测量误差被最小化。

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于测量薄片材料的属性的系统，并且尤其是形成在反射基片上的材料层的属性，并且，更特别地，涉及一种光学传感器，该光学传感器在其操作表面上并入反射构件，以使来自传感器光源的入射辐射在被传感器的接收器检测到之前在材料层产品内被多次反射。该传感器可以包括使反射光漫射或散射的光漫射元件，以便增加光与材料层内组分相互作用的次数，并因此增加传感器的灵敏度。

背景技术

在薄片材料的制作过程中，公知的是，可以“在线”，也就是说，在薄片制造机器正在操作时，检测各种薄片属性。在线测量装置测量薄片属性，诸如厚度、基重、水分含量、化学成分等。通常，这种在线设备采用在横向(CD)上定期横越或扫描移动的薄片的传感器，该横向与薄片行进的加工方向(MD)垂直。根据特别的薄片加工机器，横向距离可以在约10到12米以及更长的范围内。

霍瓦特(Howarth)的美国专利No.4,957,770描述了一种红外传感器，该传感器在红外辐射的两个或更多个分离的波长区域处使用从基片反射的辐射的测量或者通过基片的辐射的透射的测量来确定基片上的涂层材料量。该红外传感器包括朝向诸如移动的纸张薄片之类的被涂覆基片发射辐射射束的红外源。当所述射束到达所述薄片时，其首先穿过涂层材料，然后进入底部纸张薄片。一部分红外能量被透射通过所述薄片，而一些红外能量沿着红外源的大致方向被反射回来。在这种情况下，配置传感器以使得红外源和接收器两者都位于移动纸张薄片的同一侧，接收器测量射束的反射部分的强度。

明显地，这些用于测量分层产品上的涂层重量或其它特性的标准的单侧传感器被配置为用于要求所测量的产品显著地散射光的接近正常的漫射散射几何形状，从而能够检测和分析信号。这些单侧传感器不是尤其适合于测量形成在反射基片上的涂层的厚度和重量。

发明内容

本发明涉及一种用于测量分层材料，尤其是形成在光反射基片上的分层产品的厚度、重量和其它物理特性的光学非接触传感器。本发明部分基于以下认识：当涂层形成在反射基片上时，诸如在涂塑金属箔的情况下，现有技术的单侧红外传感器的光学几何形状限制了涂层重量测量的准确度。特别地，用现有技术的传感器设计，来自传感器的光源的入射光主要在镜面方向反射。因此，现有技术的测量对反射基片的表面抛光、分层产品相对传感器的方向和分层产品与传感器之间的距离极度敏感。

本发明的传感器通过如下方式来消除这些限制：在传感器主体和传感器的辐射源与传感器辐射接收器之间定位诸如镜面镜之类的反射构件，使得来自辐射源的入射辐射通过所监控的材料层传播。在特定优选实施例中，在反射构件和材料层之间定位漫射元件。当光沿着加工方向朝向检测器行进时，漫射元件与光源一起用作漫射照明源。由漫射元件产生的朗伯(Lambertian)型光散射带来许多优点。因为光与一个或多个材料层进行多次相互作用，所以传感器对层内的选定组分的灵敏度得以增强。最后，朗伯(Lambertian)型光散射确保丢弃角度信息，其最小化与材料层相关联的反射基片的镜面反射对传感器准确度的负面影响。

相应地，在一个方面，本发明涉及一种用于感测材料层的设备，其包括：

壳体，具有操作表面；

辐射源，设置在壳体内，其将入射辐射射束引导得远离操作表面并引导进入材料层；

辐射接收器，设置在壳体内，其检测通过材料层传播的反射射束的至少一部分；以及

用于使辐射在被辐射接收器检测到之前被多次反射通过材料层的装置。

在另一个方面，本发明涉及一种用于测量沿着加工方向移动的薄片产品的厚度或重量的单侧红外传感器，其包括：

壳体，支撑辐射源和辐射接收器，其中，辐射源将入射红外辐射射束引导入薄片产品；以及

反射装置，设置在辐射源和辐射接收器之间，用于朝向薄片产品反射辐射，使得辐射在到达辐射检测器之前被多次反射通过薄片产品并且辐射沿着加工方向通过薄片产品进行传播。

在又另一个方面，本发明涉及一种测量沿着路径移动的材料层特性的方法，其包括以下步骤：

(a)将来自辐射源的辐射引导入材料层，所述辐射源设置在路径的第一侧上；以及

(b)使辐射在被辐射接收器检测到之前在材料层内被多次反射，所述辐射接收器也设置在该路径的第一侧上。

附图说明

图1A和1B描绘了本发明的单侧传感器的实施例；

图2A、2B和2C图示了具有可并入单侧传感器的漫射器元件的反射组件的示例性配置；

图3和4图示了光接收器；以及

图5示出了在双扫描仪中实施该传感器的薄片制造系统。

具体实施方式

图1A图示了一种非接触光学传感器2，其包括容纳用于测量移动织物6的质量、特征或特性的传感器部件的壳体4(也叫作“扫描仪头”或“头”)。可监测的分层材料包括但不限于：单层或多层合成物、涂层、薄膜、织物或薄片。虽然传感器将被图示为测量纸张或塑料中的特性，但是，应当理解的是，可以采用该传感器来检测包括例如涂层材料、纺织品等的众多不同材料中的各种部件。传感器2特别适合于测量涂覆在反射粘结层(laminant)基片12上的材料层10的厚度或重量。传感器2包括设置在头4中的光源8和接收器或者检测器18。固定到头4的下操作表面22的反射组件20包括诸如镜面镜之类的反射构件16。优选地，其由清澈保护层26覆盖，该保护层由任何透明的或半透明的合适的材料(诸如玻璃或塑料之类)制成。

孔36和56分别提供通向光源8和检检测18的通路。设置透镜14以将通过孔36的入射辐射30的射束朝向移动织物6聚焦，并且设置透镜24以收集通过孔56的从移动织物6的反射粘结层基片12反射的辐射34。由于光源8和检测器18布置在移动织物6的同一侧，所以单侧传感器2以反射方式进行操作。光源8可以包括：例如，用辐射照射涂覆基片的白炽灯，所述辐射具有在电磁波谱的至少第一和第二分离的波长区域中的波长，其在下文的进一步描述中被称为基准波长带和测量波长带。如图1A所示，设置传感器2，使得光源8和接收器18限定一个优选地沿着移动织物6的加工方向(MD)对齐的轴。

在具有这种结构的单侧传感器的情况下，在接收器18检测到光之前，来自光源8的入射光30被反射粘结层基片12和上部反射构件16多次反射。通过相对于移动织物6设置传感器2，使得反射光32沿着与MD平行的方向行进，从而保持传感器2的横向(CD)分辨率。虽然，图1A所示的反射辐射32被描绘为沿着与织物6相同的加工方向“向上游”移动，但该特征对传感器的功能来说不是关键的。换句话说，即使织物6以相反方向移动，使得反射辐射相对于织物“向下游”移动，传感器2也将进行操作；关键特征在于当反射辐射32朝向检测器18移动时，从光源8发射的入射辐射30沿着与移动织物6的方向平行的路径行进。

如图1A所示，非接触光学传感器2测量涂覆在反射粘结层基片12上的材料层10的属性。明显地，同样的传感器2可以操作用于在材料层10被涂覆到反射粘结层基片12上之前对其进行测量。也就是说，只要反射粘结层基片12在材料层10之下来反射辐射，传感器2就将进行操作。

本发明的该单侧红外传感器还可被配置为对没有形成在反射粘结层基片上的材料层进行分析。这容易通过采用设置在临近材料层下表面的外部反射构件来实现。此外，在优选实施例中，传感器还可以包括漫射元件，使得光源9成为漫射照明源。这些特征在如图1B中描绘的光学传感器3中图示出，所述光学传感器3包括容纳光源9和检测器19的外壳或扫描仪头5，所述检测器19测量移动织物7的特性，所述移动织物7包括对于辐射是透射的材料层11。固定到头5的下表面23的反射配件21包括镜子17和漫射元件27，所述漫射元件27可以包括大块(bulk)漫射器。

传感器3还包括下扫描仪头59，其具有与材料层11的下表面邻近设置的反射表面13，例如镜面镜。上扫描仪头5和下扫描仪头59相互对齐，使得上扫描仪头5的镜子17与反射表面13面对且平行。另外，上扫描仪头5和下扫描仪头59在横向的移动相互协调，使得当辐射33通过材料层11传播时，光在镜子17与反射表面13之间被反射。在优选实施例中，下部头59不是必需的，并且反射表面是薄片制造机器的一部分或扫描仪的一部分。可以放置该扫描仪头5，使得光被反射出薄片制造机的元件，例如轧辊。可替换地，将诸如跨越材料层整个横向宽度的箔或者金属片之类的反射元件附着到扫描仪头或者作为扫描仪的一部分，并且与材料层的下表面邻近设置。孔37和57分别提供通向光源9和检测器19的通路。设置透镜15以使过孔37的入射辐射31朝向移动织物7聚焦，并且，设置透镜25以收集通过孔57从反射表面13反射的辐射35。尤其是，在光进入接收器19之前，来自光源9的入射光31由下部的反射表面13和上部的反射镜17多次反射。

使光进行散射或漫射的光漫射元件通常以如下一种或两种方式运行：(a)作为利用表面粗糙度使光沿着多个方向进行散射的表面光漫射元件；(b)作为具有平坦外表面和内嵌的光散射元件的大块光漫射元件。大块漫射器在材料内使光进行漫射。漫射通过当光穿过折射系数变化的材料时光进行散射来实现。术语“漫射器”或“漫射器构件”指的是能够将镜面光(具有主方向的光)漫射成漫射光(具有随机方向的光)的任何材料。术语“光”指的是具有适合于用本发明的传感器测量材料层属性的波长范围的电磁辐射。红外和／或近红外光特别适合于测量纸张或塑料产品的物理特性。

图2A、2]3和2C图示了具有漫射器元件的反射组件的替换结构。在图2A中，反射组件60包括表面光漫射元件62，其包括具有粗糙表面的反射材料，该粗糙表面由清洁保护层64防护。表面光漫射元件62可由任何合适的光反射材料制成，诸如：铝、金或其它金属片。来自来自光源的光通过孔或光管道66经过表面光漫射元件62，并且光通过相应的孔或光管道68进入接收器。可替换地，表面光漫射元件62可以通过在光滑基片上和粗糙的红外窗口材料层上沉积反射元件(诸如金属片或金属涂层)来制成。在该实施例中，红外窗口不需要由清澈层64保护。一个实施例由涂覆在聚酰亚胺(KAPTON)薄膜上的铝构成，该薄膜邻近具有粗糙表面的石英或氟化钙CaF2窗口。

图2B示出了反射组件70，其包括具有漫射器元件73的镜子72，所述漫射器元件73层叠到其下表面并且具有在外部的清澈保护层74。漫射器元件73可以由任何合适的大块漫射器材料制成。在采用红外辐射测量材料层的属性的情况下，优选的漫射材料包括，例如，诸如聚四氟乙烯(PTFE)之类的红外透射材料，其和TEFLON或者氧化铝(Al₂O₃)一样可用。孔或光管道76、78与光源和光接收器相通。这些光管道可以但不是必须通过漫射器元件73延伸到清澈保护层74。清澈保护层74可以是由石英、蓝宝石或者GaF₂制成的红外透射窗口。

图2C示出了反射组件80，其包括表面光漫射元件82，大块漫射器材料层83和清澈保护层84。孔或光管道86、88与光源和光接收器相通。

图3图示了一种合适的接收器，其包括检测器组件100，所述检测器组件100容纳用来测量材料层中三个属性的六通道传感器。在该布置中，具有三个测量滤光器／检测器104A、106A和108A以及三个相应的基准滤光器／检测器104B、106B和108B。单独的红外带通滤光器被设置在每个检测器之前；以这种方式，每个红外检测器仅仅测量落入相关联的滤光器的带通内的部分红外射束光谱中的强度。能量的宽带红外源(未示出)将入射辐射引导到要分析的材料层上，并且反射辐射102通过将射束经过射束分裂器110、112、114和适当的滤波器传递到各个检测器来进行波长分析。明显地，可以根据需要并入更多对的测量和基准检测器／滤光器。例如，Howarth的美国专利No.4,957,770、Haran等人的美国专利No.7,291,856以及Tixier等人的美国专利No.7,382,456描述了合适的光源和相关联的检测器的布置，此处通过参考将其并入。可替换地，如图4所示，接收器包括检测器组件120，所述检测器组件120采用分析反射的辐射122的分光计124。

图5图示了一种如图1B所示的传感器的特别实施方式，其中，将传感器并入扫描仪系统40的双头扫描仪58中，采用所述扫描仪系统40在连续塑料生产工艺中测量沉积在清澈基片上的薄膜中的聚合物浓度。容纳单侧传感器的上扫描仪头50在横穿移动薄片46宽度的CD方向上来回反复移动，该移动薄片46沿着MD方向移动，从而可以测量整个薄片的特性。扫描仪58由两个横梁42、44支撑，在其上安装有上扫描仪头和下扫描仪头50、52。上扫描仪头和下扫描仪头50、52的操作表面限定了容纳薄片46的测量空隙。下扫描仪头52包括诸如空气轴承稳定器(未示出)之类的薄片稳定系统，以便当薄片经过测量空隙时将薄片保持在一致的平面上。双扫描仪头50、52的移动相对于速度和方向同步，使得它们彼此对齐。本发明的传感器可以与用于连续生产清澈塑料膜或层叠到金属箔层上的塑料膜的任何合适的装置一起使用。典型的塑料生产设备在下面的专利中进一步描述，例如，Kirjavainen的美国专利No.6,793,854、Krycki的美国专利No.6,565,343、Hirokawa等人的美国专利No.5,230,923、Reinke等人的美国专利No.4,797,246以及Nicoll的美国专利No.4,311,658，此处通过参考将其并入。

监测塑料薄膜的厚度的一种技术测量形成薄膜的特别的一种或多种聚合物的浓度(单位面积上的重量，通常以每平方米的克数进行测量，gsm)。多层薄膜通常包括层叠在一起的多个层。优选地，在多层结构中，相邻层由不同的聚合物材料形成。通过采用具有不同物理属性的不同聚合物，多层薄膜可以具有单层薄膜中不存在的物理性质的组合。例如，多层薄膜可以是防潮的、耐磨的并且还保留柔韧性。本发明的传感器在控制多层薄膜的生产以确保薄膜的每一层具有合适的厚度和重量(gsm)方面尤其有效，使得多层薄膜具有正确的属性组合。

如果多层薄膜中特别的聚合物组分的密度是已知的，则可以确定薄膜组分的厚度。可用电脑计算出厚度。通常地，不计算薄膜厚度，并且组分的重量(gsm)是用户对于质量控制所要求的全部内容。

除了测量涂塑产品，本发明的具有新颖的漫射片的传感器可以容易地被配置为通过选择适当的基准波长带和测量波长带来监测涂覆产品中的其它物质。例如，在Belotserkovsky的美国专利No.6,179,918、Belotserkovsky的美国专利No.6,183,561以及Belotserkovsky等人的美国专利No.5,795,394中描述了一种使用红外辐射检测硅树脂、乳液、CaCO₃以及其它材料的技术，此处通过参考将其并入。可以预期的是，本发明的传感器可以采用相同的基准波长带和测量波长带。

前文已经描述了本发明的原理、优选实施例和操作模式。但是，本发明并不应解释为限于所讨论的特别的实施例。因此，应当将上述实施例认为是示例性的而不是限制性的，并且应当理解的是，在不脱离由以下权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对那些实施例做出变形。