一種用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統的製作方法

2023-12-08 08:40:46 2

專利名稱：一種用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量系統，具體涉及一種用於造紙生產線的在線檢測系統。
背景技術：
紙張的光學性能包括白度、色度、不透明度等，屬於紙張的漫反射特性， 是文化紙、新聞紙、裝飾紙、高檔銅板紙等紙種非常重要的指標。根據色度學 原理，色度測量包括照明與觀測條件、觀測者(人或觀測儀器)、觀測對象，國
際照明協會(CIE)制定有詳細的標準，根據這些標準，造紙行業針對紙張的光 學性能制定有相應的國家標準，紙張色度測量必須滿足這些標準要求。
現在用於紙張色度測量的儀器有兩種， 一種是色度計，另一種是光譜分光 測色儀。色度計獲得色度值的方法是由儀器內部光學模擬積分來完成的，也就 是用濾色器來校正儀器光源和探測元件的光譜特性，使輸出電信號大小正比於 顏色的三刺激值，所以與人的視覺相協調。目前，先進的色度計內部裝有計算 機及多組濾色片模擬的分光效果與人眼非常接近，測量精度可達千分之一。
光譜分光測色儀國內產品較多，如JY2000。根據國際照明委員會(CIE)規 定的顏色測量標準，依照IS02469 (GB/T7973)標準規定的幾何光學特性要求來 開發的。該光譜分光測色儀主要針對實驗室環境使用條件進行設計，基於傳統 的積分球技術，測試紙張必須緊貼測量窗口。這種儀器測量精度高，在實驗室 獲得廣泛使用，但這種光學架構無法用於生產線進行在線測量。
而且這兩種儀器的存在著以下缺陷求非接觸測量。這是因為接觸測量容易劃傷測量對象，而且紙張表面的膠狀物、 纖維、粉塵容易汙染檢測窗口影響測量精度。
(2) 只能多層測量
在測量紙張色度時需要多層紙張疊在一起進行測量，來消除紙張的透光性 影響，尤其是透光性較強的低定量文化紙，疊加層數更多，對於單層測量，測 量精度無法保證。而生產線上只能進行單層測量。
(3) 測量環境要求苛刻
主要針對實驗室環境應用，對於造紙生產線上環境溫度高達70度以上，灰 塵大、溼度大、靜電強的惡劣工作環境，測量精度無法保證。 (4)檢測手段滯後
現有檢測手段是在生產過程的一個階段完成後，成紙下線，進行取樣，送 實驗室檢測才能知道紙張的色度值，而在這段生產過程中無法預知，即事後檢 測，嚴重滯後，不能及時調整工藝，影響產品質量，甚至產生次品，降低生產 效率。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種根據造紙生產線的工藝條件、工作環 境、工藝過程，針對性地設計的在造紙生產線上使用的紙張色度在線檢測系統， 能夠及時準確地檢測生產過程中紙張色度等指標，滿足了生產的迫切需要，提
高產品質量和生產效率。
為解決上述的技術問題，本發明釆用以下技術方案
一種用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統，該系統包括在線檢測系統
用於帶動在線檢測系統運動的掃描架和控制系統、計算機數據處理系統;該掃描架包括支撐和安裝在線檢測系統的裝置、驅動傳動裝置以及控制電氣結構; 控制系統通過接口接收掃描架中控制電氣結構的信號，通過接口將信號傳輸至 掃描架的驅動傳動裝置，再帶動支撐和安裝在線檢測系統的裝置運動；控制系 統通過接口與在線檢測系統進行數據通信，接收在線檢測系統的檢測反饋信號， 再通過網絡接口將反饋信號傳給計算機數據處理系統進行處理。
更進一步的技術方案是所述的在線檢測系統分為上檢測頭、下檢測頭； 所述的上檢測頭內部包括三個單元，第一單元包括恆流源、光源、透鏡、光纖， 第二單元包括雙路微型分光器和光電探測器；第三單元包括單片機系統和數據 接口；紙張的漫反射光經過透鏡聚焦，光纖傳輸，分光器分光，在光電探測器 光敏面形成光譜帶，經過曝光後，在光電探測器中形成電脈衝信號，由單片機 系統進行數位化採集和控制，通過數據接口與計算機數據處理系統通訊。
所述上檢測頭內部的光信號檢測分為兩路， 一路經第一光纖前端裝有的透 鏡，在垂直於紙張方向收集紙張反射的光信號，經過第一光纖送入第一分光器， 第一分光器分光，經第一光電探測器光敏面形成光譜帶，經過曝光，將光譜帶 轉換為電信號，經過第一 A/D轉換器的數位化處理，數位訊號在第一緩存中存 儲；另一路經第二光纖前端裝有的透鏡，在垂直於紙張方向收集紙張反射的光 信號，經過第二光纖送入第二分光器，第二分光器分光，在第二光電探測器光 敏面形成光譜帶，第二光電探測器將光譜帶轉換為電信號，經過第二A/D轉換 器的數位化處理，數位訊號在第二緩存中存儲。
所述的下檢測頭包括四個單元，第一單元包括色度板和驅動色度板的驅動 系統，第二單元是紙張穩定單元，第三單元為升降臺系統單元，第四單元是單 片機系統；由單片機系統發出指令，控制升降臺系統單元的位置，發送脈衝控 制色度板和驅動色度板的驅動系統，同時單片機還要控制紙張穩定單元。本發明還可以
所述的下檢測頭的第四單元單片機系統通過I/O接口接收下檢測頭的第一 單元色度板轉動指令，並發送脈衝給步進電機驅動器驅動步機電機，在步進電 機的轉子上安裝有色度板轉輪，色度板安裝在色度板轉輪上；所述下檢測頭的 第二單元包括第一節氣閥、第一電磁閥和紙張穩定器，壓縮空氣通過第一節氣 閥調節氣量大小後進入第一電磁閥，單片機控制第一電磁閥開閉，使壓縮空氣 通過第一電磁闊進入紙張穩定器用來穩定紙張；下檢測頭的第三單元包括第二 節氣閥、第二電磁閥和升降臺，壓縮空氣通過第二節氣閥調節氣量大小後進入 第二電磁閥，單片機控制第二電磁閥的開閉，第二電磁閥的開閉控制升降臺的 氣缸的進氣和排氣，從而控制升降臺的位置。
所述的光源採用滷鉤光源，發射的可見光經過平衡濾光片，得到照明光， 滷鎢燈由恆流源供電，穩定發光強度。
最後所述的掃描架的支撐和安裝在線檢測系統的裝置包括掃描架橫梁、支 撐框、用於安裝上、下檢測頭的上檢測倉、下檢測倉，驅動傳動裝置和控制電 氣結構包括變頻器、電機、主動輪、從動輪和線性導軌，掃描架橫梁一端安裝 變頻器、另一端安裝電機，電機軸上安裝有主動輪，在掃描架橫梁安裝變頻器 的一端安裝從動輪，主動輪和從動輪之間有皮帶連接，線性導軌安裝在掃描架 橫梁上，線性導軌上的滑塊安裝支撐小車，支撐小車上安裝支撐框，用於安裝 上、下檢測頭的上檢測倉、下檢測倉安裝在支撐框上；掃描時，變頻器驅動電 機轉動，帶動主動輪轉動，從而帶動皮帶運動，皮帶帶動小車沿著線性導軌(73) 來回移動。
所述的電機軸上安裝編碼器，該編碼器與控制系統相連，並同安裝於掃描 架橫梁上的接近傳感器配合用於監測小車掃描的移動。本發明的工作原理如下用於造紙生產線的紙張色度在線測量系統包括在 線檢測頭、控制系統、計算機數據處理系統、掃描架等。檢測頭由上下兩部分 組成，掃描架帶動檢測頭在紙張上移動，移動距離1米，實現在線非接觸測量 紙張的色度，測量位置可根據需要設定，系統可自動回庫進行標準化操作等。
系統採用45度環形照明0度觀測位置方式，雙路檢測技術，在線實時檢測紙張 的反射光成分，數據信息由SOC系統經過乙太網接口傳輸到計算機，分析處理 數據，建立資料庫，實時計算。 特點體現在以下幾點
(1) 光源
採用滷鎢光源，發射的可見光經過平衡濾光片，得到照明光。滷鎢燈由恆 流源供電，穩定發光強度。
(2) 45/0環形照明
光經過反射錐和環形反射器，在360度方向上以45度角投射到紙張上，形 成均勻的照明光斑，可解決紙張紋理對測量的影響。
(3) 檢測器
採用雙路微型分光器和CCD探測器，同時檢測紙頁在不同背墊上的反射光 譜。紙張的漫反射光經過透鏡聚焦，光纖傳輸，光柵分光，在CCD探測器光敏 面形成光譜帶，經過曝光後，在CCD中形成電脈衝信號，由單片機系統進行數 字化採集和控制，並實現單片機與計算機數據通訊，計算機系統進行數據處理。
(4) 紙張穩定器
紙張穩定器，通過高速氣流產生的吸力，保證高速運動的紙張平穩地穿過 傳感器，減小紙張抖動，並使紙張保持在接近背墊而不接觸的位置，從而保證 測量結果的準確性。(5) 掃描架
由支撐橫梁、c型框、驅動控制單元組成。檢測頭移動距離l米，可根據實 際用戶需要進行調整。採用變頻控制技術控制電機驅動C型框在紙張上移動， 實現動態、定點測量，以及進行標準化操作等功能。
(6) 計算機數據處理
採樣AD值規格化，根據曝光時間和放大倍數進行歸一化處理；去雜散光、 暗電流，消除漂移、環境光影響；清潔標準化，得到樣本的反射率數據；根據 測量得到的兩路反射率數據，計算內反射因數，計算色度坐標；根據在線測量 結果與用戶目標參量進行比較分析，指導生產；建立資料庫，保存生產記錄， 配置參數等信息。
與現有技術相比，本發明的有益效果是..本發明根據造紙生產線的工藝條 件、工作環境、工藝過程，針對性地設計了在生產線上使用的紙張色度測量系 統，可以及時準確地檢測生產過程中紙張色度指標；而且檢測傳感器與紙進行 非接觸檢測，自動標準化處理，內置色度板自動校準，特有的紙張穩定技術， 紙張透光性補償，具有動態數據實時顯示，超差檢測報警，記錄生產過程的檢 測結果，建立資料庫便於査詢等，滿足了生產的迫切需要，提高了產品質量和 生產效率。


圖1為本發明實施例的掃描架結構示意圖2是上、下檢測頭結構框圖3是控制系統和掃描架電氣結構連接框圖4是計算機軟體流程圖。附圖中60--接近傳感器、61—變頻器、62—電機、63—編碼器、70--從 動輪、71—皮帶、72—限位開關、73--線性導軌、74—小車、75--主動輪、76~C 型框、77—檢測頭上艙、78—檢測頭下艙l-紙張具體實施方式
下面結合附圖對本發明的優選實施方式作進一步闡述。如圖1所示，在掃描架橫梁10的一端安裝變頻器61，另一端安裝電機62， 在電機軸上安裝有主動輪75，變頻器61—端安裝從動輪70，在主動輪75和從 動輪70之間有齒形皮帶71連接。齒形皮帶71中間連接在小車74上。在掃描 架橫梁10安裝有一對線性導軌73，線性導軌73上的滑塊支撐小車74。小車74 上安裝有C型框76， C型框76上安裝有檢測倉77和檢測倉78，其中檢測倉77 安裝上檢測頭，檢測倉78安裝下檢測頭，上、下檢測頭在豎直方向相隔^定距 離容紙張l從上下檢測頭中間穿過。編碼器63安裝電機軸上，產生光電脈衝， 與接近傳感器60信號一起用於監測小車掃描時的位置，限位開關72避免小車 掃描出有效範圍。掃描時，變頻器61驅動電機62轉動，帶動主動輪75轉動， 從而帶動皮帶71運動，皮帶71帶動小車74沿著線性導軌73來回移動。掃描 架就可以帶動檢測頭在紙張上移動，移動距離在1米左右，因此就實現了在線非 接觸測量紙張的色度，而測量位置也可根據需要設定。圖2是檢測頭的內部電路框圖，其中上半部分為上檢測頭的電路框圖，上 檢測頭中光源是12伏長壽命滷鎢燈，產生連續光譜的可見光，恆流源給光源供 電，保證光源穩定地發光。可見光經過光筒準直，濾除紅外光，產生的平行光 照射到光錐上，與光錐的錐面成45度角，經過光錐的錐面的鏡面反射，形成環器是環形柱面鏡，凹面鍍有高反射膜，光在反射膜上產生鏡面反射，以45度角環形照射測試物，均勻照亮，形成測試光 斑，光斑直徑20至30釐米。環形照明使得光斑亮度均勻。光信號檢測分為兩 路， 一路經第一光纖前端裝有的透鏡，在垂直於紙張方向收集紙張反射的光信 號，經過第一光纖送入第一分光器，第一分光器分光形成光譜帶，第一光電探 測器是線陣CCD，有2048個像素單元，這些像素單元經過曝光，將光譜帶轉換 為電信號，經過數位化處理，第一A/D轉換器的解析度是16比特，即一個像素 單元產生兩個字節的數位訊號，數位訊號在第一緩存中存儲。另一路經第二光 纖前端裝有的透鏡，在垂直於紙張方向收集紙張反射的光信號，經過第二光纖 送入第二分光器，第二分光器分光形成光譜帶，第二光電探測器是線陣CCD, 有2048個像素單元，這些像素單元經過曝光，將光譜帶轉換為電信號，經過數 字化處理，第二A/D轉換器的解析度是16比特，即一個像素單元產生兩個字節 的數位訊號，數位訊號在第二緩存中存儲。SOC是嵌入式單片機系統，產生控 制信號，經過門陣列產生時序邏輯信號，控制第一光電探測器，第一 A/D轉換 器，進行數據採集和存儲。SOC讀取第一緩存的數據，經過濾波處理，通過串 口和驅動器與上位機通訊。圖2中下半部分，是下檢測頭的電路框圖。單片機通過I/0接口接收色度板轉動指令。單片機發送脈衝通過步進電機驅動器驅動步進電機，在步進電機 的轉子上安裝有色度板轉輪，色度板安裝在轉輪上。色度板有三種板，標準白 板，檢驗板，黑白板。標準白板在系統進行標準化時使用，系統自檢時使用檢 驗板，在正常測量時使用黑白板。壓縮空氣通過第一節氣閥調節氣量大小後進 入第一電磁閥，單片機控制第一電磁閥開閉，使得壓縮空氣通過第一電磁閥進 入紙張穩定器，產生氣旋，形成負壓，穩定紙張。壓縮空氣通過第二節氣閥調節氣量大小後進入第二電磁閥，單片機控制第二電磁閥開閉，第二電磁閥的開 閉控制升降臺的氣缸的進氣和排氣，從而控制升降臺的伸出和回縮。當需要選 擇色度板時，單片機首先發送指令，使得升降臺升起，再發送脈衝控制步進電 機旋轉，在旋轉到位後，步進電機停止轉動，單片機發送指令使得升降臺回位。圖3是控制櫃的電路框圖。SOC是嵌入式單片機系統，主要功能是通過485 接口和上檢測頭進行數據通信。通過TCP/IP接口和計算機系統通信。通過I/0 接口、光隔接收接近傳感器、光電編碼器信號，發送信號控制變頻器工作，從 而控制電機的運行。按鍵產生開關信號，實現掃描架回庫，系統聯機、脫機功 能，手動標準化功能。計算機數據處理計算機軟體處理流程如圖4所示。包括主程序、波長定標子程序、標準化 子程序。主程序系統開機和初始化S1，和下位機建立聯機，下載狀態參數，判斷是否波長 定標S2，如無時判斷是否進行標準化S3，如無時進入測試程序，對接收的AD 值進行平滑濾波S4，根據當前的曝光量和放大器的放大倍數，對AD值進行歸一 化S5，利用標準化過程得到的標準化結果和當前的歸一化AD值進行計算S6， 得到反射率數據，利用兩通道的反射率數據進行內反射因數計算S7，利用計算 結果計算出色度坐標S8，動態顯示S9色度坐標以及反射率數曲線，判斷S10是 否繼續測試，否時繼續進行下一循環測試，是時停止S11測試。波長定標子程序進入子程序後，首先進行平滑濾波S30處理，將多次測量結果的相同像元 值取平均的方法來消除抖動，輸出一幀AD數據流。然後對AD數據流的每一單 元值和定標特徵波長進行比對，建立像元序號和波長的對應關係，進行曲線擬 合，得到定標係數S32，保存S33和下載定標係數，停止定標。標準化子程序-進入子程序後，曝光量和放大倍數等狀態參數S20下載到下位機，發送掃描架回庫S2指令，發送指令選擇標準化色度板，收集標準化，進行AD值歸一 化S22，對多次AD值歸一化結果進行平滑濾波S23，更新參與色度計算的標準 化結果，並保存標準化結果S24。1權利要求
1、一種用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統，其特徵在於該系統包括在線檢測系統、用於帶動在線檢測系統運動的掃描架和控制系統、計算機數據處理系統；該掃描架包括支撐和安裝在線檢測系統的裝置、驅動傳動裝置以及控制電氣結構；控制系統通過接口接收掃描架中控制電氣結構的信號，通過接口將信號傳輸至掃描架的驅動傳動裝置，再帶動支撐和安裝在線檢測系統的裝置運動；控制系統通過接口與在線檢測系統進行數據通信，接收在線檢測系統的檢測反饋信號，再通過網絡接口將反饋信號傳給計算機數據處理系統進行處理。
2、 根據權利要求1所述的用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統，其特徵 在於所述的在線檢測系統分為上檢測頭、下檢測頭；所述的上檢測頭內 部包括三個單元，第一單元包括恆流源、光源、透鏡、光纖，第二單元包 括雙路微型分光器和光電探測器；第三單元包括單片機系統和數據接口 ； 紙張的漫反射光經過透鏡聚焦，光纖傳輸，分光器分光，在光電探測器光 敏面形成光譜帶，經過曝光後，在光電探測器中形fe電脈衝信號，由單片 機系統進行數位化採集和控制，通過數據接口與計算機數據處理系統通訊。
3、 根據權利要求2所述的用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統，其特徵 在於所述上檢測頭內部的光信號檢測分為兩路， 一路經第一光纖前端裝 有的透鏡，在垂直於紙張方向收集紙張反射的光信號，經過第一光纖送入 第一分光器，第一分光器分光，經第一光電探測器光敏面形成光譜帶，經 過曝光，將光譜帶轉換為電信號，經過第一 A/D轉換器的數位化處理，數 字信號在第一緩存中存儲；另一路經第二光纖前端裝有的透鏡，在垂直於 紙張方向收集紙張反射的光信號，經過第二光纖送入第二分光器，第二分 光器分光，在第二光電探測器光敏面形成光譜帶，第二光電探測器將光譜帶轉換為電信號，經過第二 A/D轉換器的數位化處理，數位訊號在第二緩 存中存儲。
4、 根據權利要求2或3所述的用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統，其特徵在於所述的下檢測頭包括四個單元，第一單元包括色度板和驅動色度板的驅動系統，第二單元是紙張穩定單元，第三單元為升降臺系統單元，第四單元是單片機系統；由單片機系統發出指令，控制升降臺系統單元的 位置，發送脈衝控制色度板和驅動色度板的驅動系統，同時單片機還要控 製紙張穩定單元。
5、 根據權利要求4所述的用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統，其特徵 在於所述的下檢測頭的第四單元單片機系統通過1/0接口接收下檢測頭 的第一單元色度板轉動指令，並發送脈衝給步進電機驅動器驅動步機電機， 在步進電機的轉子上安裝有色度板轉輪，色度板安裝在色度板轉輪上；所 述下檢測頭的第二單元包括第一節氣閩、第一電磁閥和紙張穩定器，壓縮 空氣通過第一節氣閥調節氣量大小後進入第一電磁閥，單片機控制第一電 磁閥開閉，使壓縮空氣通過第一電磁閥進入紙張穩定器用來穩定紙張；下 檢測頭的第三單元包括第二節氣閥、第二電磁闊和升降臺，壓縮空氣通過 第二節氣閥調節氣量大小後進入第二電磁閥，單片機控制第二電磁閥的開 閉，第二電磁閥的開閉控制升降臺的氣缸的進氣和排氣，從而控制升降臺 的位置。
6、 根據權利要求2所述的用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統，其特徵在於所述的光源採用滷鎢光源，發射的可見光經^:平衡濾光片，得到照明光，滷鎢燈由恆流源供電，穩定發光強享。
7、 根據權利要求1-3所述的任一種用於造縛生產線的紙張色度在線撿測系統，其特徵在於掃描架的支撐和安裝在線檢測系統的裝置包括掃描架橫 梁(10)、支撐框(76)、用於安裝上、下檢測頭的上檢測倉(77)、下檢測倉(78)，驅動傳動裝置和控制電氣結構包括變頻^ (61)、電機(62)、主 動輪(75)、從動輪(70)和線性導軌(73)，掃描架橫梁(10) —端安裝 變頻器(61)、另一端安裝電機(62)，電機(62)軸上安裝有主動輪(75)， 在掃描架橫梁(10)安裝變頻器(61)的一端安裝從動輪(70)，主動輪(75) 和從動輪(70)之間有皮帶(71)連接，線性導軌(73)安裝在掃描架橫 梁上，線性導軌(73)上的滑塊安裝支撐小車(74)，支撐小車(74)上安 裝支撐框(76)，用於安裝上、下檢測頭的上檢測倉(77)、下檢測倉(78) 安裝在支撐框(76)上；掃描時，變頻器(61)驅動電機(62)轉動，帶 動主動輪(75)轉動，從而帶動皮帶(71)運動，皮f (71)帶動小車(74) 沿著線性導軌(73)來回移動。
8、根據權利要求7所述的用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統，其特徵 在於所述的電機(62)軸上安裝編碼器(63)，該編碼器(63)與控制系 統相連，並同安裝於掃描架橫梁(10)上的接近傳感器(60)配合用於監 測小車掃描的移動。
全文摘要
本發明公開一種用於造紙生產線的紙張色度在線檢測系統，包括在線檢測系統、用於帶動在線檢測系統運動的掃描架和控制系統、計算機數據處理系統；控制系統通過接口接收掃描架中控制電氣結構的信號，通過接口將信號傳輸至掃描架的驅動傳動裝置，再帶動支撐和安裝在線檢測系統的裝置運動；控制系統與在線檢測系統進行數據通信，接收在線檢測系統的檢測反饋信號，再將反饋信號傳給計算機數據處理系統進行處理。本發明的有益效果是可以及時準確地檢測生產過程中紙張色度指標；而且檢測傳感器與紙進行非接觸檢測，內置色度板自動校準，特有的紙張穩定技術，具有動態數據實時顯示，超差檢測報警，記錄生產過程的檢測結果，建立資料庫便於查詢等。
文檔編號G01N21/47GK101655455SQ20091016760
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月11日 優先權日2009年9月11日
發明者亮 張, 平 杜 申請人:綿陽海天斯威福特自動化有限公司