近红外纸张定量水分测量方法

摘要

一种近红外纸张定量水分测量方法，其将红外光调制滤出不同波长、按时间顺序排列的近红外单色光，经反射器反射到发射积分半球上，经发射积分半球反射、穿过纸张，经接受汇聚装置汇聚到光电转换器上，转换为电信号后送至信号处理系统。信号处理系统将电信号送到前置放大器，在经A/D转换器转换后送至微处理机系统进行预处理，送入数据集中处理单元识别、划分为参比信号和测量信号。参比信号的一路控制前置放大器，另一路作为测量信号的参比信号。数据集中处理单元按运算模式对数据进行运算处理，得到纸张的定量、水分含量结果。本发明解决了背景技术无法实现纸张定量水分一体化在线测量的技术问题，仪器测量精度高，且设备成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纸张定量水分的近红外测量方法，具体涉及一种纸张定量水分的近红外测量方法。

背景技术

目前，国内尚未见报道采用近红外线对纸张进行定量水分一体化测量的。国外有采用红外线对纸张进行测量的，但其方法仅是针对单一量的测量。虽然通过两台甚至多台设备也可实现纸张的纤维、水分的测量，但无法实现纸张中成份复杂的定量的测量，因而也就无法实现纸张的定量水分的在线一体化测量。目前国内外对于纸张定量的测量普遍采用β射线技术，在造纸生产线的检测过程中：用近红外水分仪测量水分，而用β射线定量仪测量定量，即，采用的是一种组合测量模式，设备成本相对较高。另外，采用β射线技术存在有放射性污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近红外纸张定量水分测量仪，其解决了背景技术中仅是针对单一量的测量，无法实现纸张定量水分的一体化在线测量的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种近红外纸张定量水分测量方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：

1).将由红外光源1发出的光进行调制，滤出至少五束不同波长的、按时间顺序排列的近红外单色光；

2).近红外单色光依次照射至反射器10上，由反射器10将近红外单色光反射到发射积分半球4上；

3).发射积分半球4将近红外单色光反射到被测物5上；

4).穿过被测物5的近红外光经接受汇聚装置汇聚，到达光电转换器8上；

5).光电转换器8将光信号转换为电信号，送至信号处理系统7；

6).所述信号处理系统7的处理包括如下步骤：

(1).光电转换器8输出的电信号输入到信号处理系统7的前置放大器进行放大；

(2).放大后的信号送至A/D转换器转换成数字信号；

(3).由A/D转换器输出的数字信号送至微处理机系统进行预处理；

(4).预处理后的数字信号通过串行数据通讯口送入数据集中处理单元；

(5).数据集中处理单元首先识别接受到的数字信号，并将数字信号划分为参比信号和测量信号；

(6).经处理后的参比信号的一路通过增益控制电路送至前置放大器，控制前置放大器的放大倍数，使前置放大器在被测物理状态发生变化时，保持参比信号大小不变；另一路作为测量信号的参比信号；

7).数据集中处理单元按照设定运算模式对数据进行运算处理，所述设定运算模式遵循的原则是：当计算纤维、水分、填料三种成份中的一种成分含量时，其测量信号与参比信号对其余两种成份的影响相同；

8).被测物的厚度、密度及填料、纸浆配比变化否？是，则进行动态补偿、修正后，得到被测物的定量、水分含量结果；否，则直接得到被测物的定量、水分含量结果；

9).将定量、水分含量结果送至显示器显示；或同时将定量、水分含量结果以标准串行通讯口或标准电流信号送入记录设备或定量水分控制系统。

上述被测物5的定量主要包括纤维、填料和水分含量；所述近红外单色光的参比波长、测量波长的选择应满足：在测量纤维时，其测量信号与参比信号对水分、填料的影响相同；测量水分时，水分的参比、测量信号对纤维、填料的影响相同；测量填料时，填料的参比测量信号对纤维、水分的影响相同。

上述的调制后滤出的近红外单色光以采用不同波长的、按时间顺序排列的五束近红外单色光为宜。

上述调制方式可采用调制电机2带动旋转的装有调制滤光片的滤光轮3获得不同波长的单色光。

上述接受汇聚装置可由光锥9和聚光镜6组合构成，或由积分半球与聚光镜6组合构成。

本发明具有以下优点：

1.用近红外方法在线测量纸张的定量，可实现生产线纸张定量水分的实时过程检测，没有放射性污染。

2用一台设备实现纸张的定量和水分两个参数的在线动态测量，即实现了纸张定量水分的一体化测量，降低了设备成本。

3.根据纸张的不均匀性、相互交织的纤维对光的各向发散性等物理特性，选用大面积测量光斑，光信号经过调制，测量时对纸张的物理状态变化、纸张的波动、外界光线等影响不敏感，使仪器的抗干扰性强，对纸张及使用环境的适应性增强。

4.通过单色光波长的准确选择、匹配，可使数据处理运算模型的参数获得最佳匹配，解决了填料变化对测量结果的影响。

5.对纸张中多种成份的准确测量，采用至少五束近红外单色光，形成单色光的最佳匹配，从而使测量具有较高的精度。

附图说明

图1为本发明的结构图示意图；

图2为本发明信号处理系统的流程图。

附图标号说明：1-红外光源，2-调制电机，3-滤光轮，4-发射积分半球，5-被测物，6-聚光镜，7-信号处理系统，8-光电转换器，9-光锥，10-反射器，11-透镜，12-聚光镜。

具体实施方式

本发明根据纸张的不均匀性、相互交织的纤维对光的各向发散性等物理特性，选用大面积测量光斑，且光信号经过调制，使仪器在测量时对纸张的物理状态变化、纸张的波动及外界光线等影响不敏感，以此使本发明具有较强的适应性。

本发明利用纸张组分对近红外光的吸收特性，找出各组分对近红外光谱的选择性吸收特征，通过滤色分光技术从红外光谱滤出五至多束的近红外单色光，采用透射式装置，及通过修正函数克服附加误差，利用单片机系统进行数据处理，实现对纸张定量水分的一体化在线测量。

实现纸张定量的准确测量，必须准确测量出纸张的纤维含量、填料含量及水分含量。近红外单色光选取的光束个数越多，测量精度越高，但实际应用时一般以滤出五束近红外单色光为宜。五个不同波长的单色光中，有三束单色光分别反映纸张的纤维、填料、水分的测量信号，一束单色光作为参比信号，还有一束单色光用于平衡纤维、填料、水分三者之间的关系。

本发明具体实施步骤如下：

1.由红外光源1发出的光，经调制，滤出至少五束不同波长的、按时间顺序排列的近红外单色光。调制方式为调制电机2带动旋转的装有滤光片的滤光轮3对光信号进行调制。该调制方式便于数据采样。

2.近红外单色外光，依次照射到反射器10上，反射器10将近红外单色光反射到发射积分半球4上。

3.发射积分半球4将近红外光反射到被测物5即纸张上。

4.穿过被测纸张的近红外光经接受汇聚装置，汇聚到光电转换器8上。接受汇聚装置可采用光锥9与聚光镜6组合构成，或由积分半球与聚光镜6组合构成，也可采用其他公知方法。

5.光电转换器8将光信号转换为电信号，送至信号处理系统7进行处理。参见图1。

信号处理系统7的处理流程如下：

1)从光电转换器8输出的电信号输入到信号处理系统7的前置放大器进行放大。由于输入到前置放大器的信号非常微弱，所以要求前置放大器具有增益高、噪声小的特性。

2)前置放大器将微弱信号放大到一定幅度，送至A/D转换器转换成数字信号。

3)由A/D转换器输出的数字信号送至微处理机系统，由微处理机系统对数据进行预处理，即，将A/D转换的数字信号按参比信号、测量信号进行分类，并进行滤波，得到一组与模拟信号相对应的数字信号传送到数据集中处理单元。

4)经预处理后的数据通过串行数据通讯口将数据送入数据集中处理单元。

5)数据集中处理单元首先识别接受到的数字信号，并按各信号的不同要求分成参比信号和测量信号两大类。

6)参比信号是经过两路信号合成而得到的，参比信号的作用有二：其一是经数据处理后，通过增益控制电路送至前置放大器，控制前置放大器的放大倍数，使前置放大器在被测物理状态发生变化时，保持参比信号大小不变；其二是作为测量纸张纤维、填料、水分信号的参比信号。测量纤维、填料、水分含量时，参比信号合成时采用的方法虽不同，但都是为了确保纤维、填料、水分含量测量的准确性。

6.数据集中处理单元按照设定运算模式对数据进行运算处理，所述设定运算模式遵循的原则是：当计算纤维、水分、填料三种成份中的一种成分含量时，其测量信号与参比信号对其余两种成分的影响相同；

7.被测物的厚度、密度及填料、纸浆配比变化否？是，则进行动态补偿、修正后，得到被测物的定量、水分含量结果；否，则直接得到被测物的定量、水分含量结果；

8.将定量、水分含量结果送至数码管或液晶屏显示器显示；同时可将定量、水分含量结果以标准串行通讯口或标准电流信号0～10mA、4～20mA送入记录设备或定量水分控制系统，实现数据记录或定量水分控制系统。参见图2。

本发明被测物即纸张的成份组成非常复杂，虽然只有纤维、填料、水分三种基本成份，但对于不同品种、用途的纸张，其纤维、填料、水分的组成均不同。纸张定量主要包括三部分：

1)纤维。分为木纤维、革纤维、棉纤维、竹纤维等，纤维的种类不同，则其分子结构、光谱特性不同。

2)填料。纸张的品种不同、用途不同，则填料的种类成份不同。

3)水分。

测出纸张纤维、填料、水分这三个成份的含量，即得纸张定量。在测量各种成份时，需考虑各成份之间的相互影响。因此，对纸张中多种成份的准确测量，采用五束或五束以上的近红外单色光，形成单色光的最佳匹配，不仅可提高测量精度，而且可实现纸张定量水分的一体化测量。

本发明相关参数的选择、修正以遵循下述原则为宜：

1.近红外参比波长、测量波长的选择应满足：在测量纤维时，其测量信号与参比信号对水分、填料的影响是相同的。

2.测量水分时，水分的参比、测量信号对纤维、填料的影响是相同的。

3.测量填料时，填料的参比测量信号对纤维、水分的影响是相同的。

4.当纸张的厚度、密度发生变化时，近红外光穿透纸张的路径会发生变化，可采用修正函数对测量结果进行修正。

5.生产工艺因素的变化，如填料多少的变化、纸浆配料比例的变化、纸张厚度的变化、纸张密度的变化等，都会给测量结果带来附加误差，需要对这个附加误差进行补偿。

6.补偿误差的原则：根据纤维、填料、水分的内在关系及相互影响的内在规律进行动态修正。