專利名稱：采用短波紅外感測的光學檢查系統的制作方法
技術領域：
一般來說，本文檔涉及檢查含條帶紙的系統和方法。
背景技術：
在造紙業中往往需要改變或增強紙的若干特征。例如，煙卷制造商長期以來已經認識到向紙張增加香料或燃燒控制添加劑的有用性。另一項更新近的應用包括改變煙卷紙，使得在吸煙者不吸入包含這樣的紙的煙草制品時，煙草制品具有降低的燃燒速率。為了改變或增強紙的若干特征已經開發了許多技術。這樣的技術包括通過凹板 EpiilJ (gravure press)、舌Ij板涂布(blade coating)、墨車昆涂布(roller coating)、絲網￡口刷(silk screen)和模版印刷(stenciling)方法在紙幅(web)上產生印記或涂層。例如， US-A-4 968 534介紹了模版印刷裝置，其中在應用過程期間，連續的模版與紙幅對面接合。 通過改變所用的模版，可以改變該設備涂布的圖案。US-A-4 968 534介紹了造紙機上安裝的移動噴嘴涂布器。該涂布器包括在電機驅動的若干滑輪上安裝的連續鋼傳送帶。傳送帶的行程的下橫斷面形成了封閉空腔的底部。 傳送帶中心線上的噴嘴與該空腔有聯系。在運行期間，漿體被連續地泵入該封閉空腔，并且在漿體通過噴嘴從空腔通過并到達紙幅時，傳送帶跨越紙幅的移動使漿體的平行條帶涂布到紙幅上。通過改變傳送帶與紙幅的相對角度和速度，能夠容易地改變涂布到紙幅的條帶關于紙幅的相對角度以及它們的間距。為了確保這些強化紙張的品質和一致性，已經開發了若干系統檢查這樣的紙張的表面，包括煙卷紙。此檢查可能引起在移動的材料紙幅投射電磁輻射。在這樣的系統中，光線沖擊在移動紙幅的表面上，在此反射并在檢測器設備接收。通過勘測反射的電磁輻射的性質，移動紙幅上任何異常都能夠被檢測出。例如，紙幅上的裂縫、針孔或污點將在來自檢測器的信號電平在以尖峰表明它自己，這歸因于反射的輻射中的增強或減弱。通過將檢測器輸出連接到示波器或其他輸出設備，可以觀察這個尖峰。煙卷紙的檢查帶來了嚴重挑戰。參考圖1，煙卷10顯示為包括煙卷紙12，煙卷紙 12包含通過在基礎煙卷紙12上沉積一層纖維素紙漿或其他材料而形成的多個條帶14。圖 2顯示了包含這些條帶的一段煙卷紙。煙卷紙上形成的條帶往往具有與煙卷紙本身類似的反射性質。例如，這些條帶往往以白色材料形成，難以與白色煙卷紙區分。不僅如此，由于在造紙期間難以保持不變的紙漿涂布速率，煙卷紙的基本重量可能沿著紙張的長度變化。紙張基本重量的變化影響了其反射性質，從而模糊了條帶與非條帶區域之間的差異。某些公知的設備沒有能力說明來自這種性質紙幅的反射。同樣，參考圖2，操作員可能關注于判斷條帶的寬度16、條帶的對比以及條帶之間的距離18是否在恰當的容差之內。條帶寬度是否太大、太小或者以大于或小于期望距離與其相鄰條帶分開無法由僅僅觀察移動紙幅上單點的性質而判斷。相反，必須確定紙幅上不同要素之間的空間關系。圖案識別技術是確定材料的印刷紙幅上不同特征之間的空間關系的一種方式。以某常用技術，攝影機形成一部分材料紙幅及其上印刷信息的數字圖像。然后數字圖像與表示無誤差紙幅部分的預存儲模板比較。模板與圖像之間的不符表示不規則的紙幅。這些技術提供了準確度，但是遺憾的是伴隨著大量的數據處理。所以這些技術不適于檢測高速移動紙幅上條帶性質的任務。煙卷紙造紙機造紙的速度使得紙對有條帶煙卷紙的檢查系統構成了特定的挑戰。 典型情況下，檢查系統可能不得不跨越1. 9m寬度每分鐘檢查多達15000條帶或更多。這在短時間內產生了大量要處理的數據。也已經開發了檢查煙卷紙表面的回繞/檢查機。這些機器中的幾種受害于許多缺點。例如，在材料紙幅從展開盤向回繞盤通過時，這些機器中的某些可能對它施加相當的張力，所以不適于尤為脆弱的薄片形材料。由于煙卷紙相對軟弱，可能難以高速回繞到大盤而不破損。同樣，煙卷紙相對薄，難以平穩整齊地將紙張回繞到回繞盤上。US-A-5 966 218介紹的回繞機光學地檢查有條帶的紙張，方式為引導延長的光束橫向地跨越紙張。延長的光束沖擊紙面并形成反射。包含線性CCD陣列的線掃描攝影機接收反射并產生輸出信號。線掃描處理器處理這些輸出信號以產生表明條帶之間的間距、條帶的寬度和條帶的對比的數據。紙張被攝影機檢查后，回繞到回繞盤上。據說此回繞機的多種機械特征允許快速安裝和卸下紙盤，并且提供高速運行。盡管已經提出了若干系統用于檢查已經制造并取下生產線的材料紙幅，比如煙卷紙，但是可能期望提供在線檢查有印記或涂層紙幅的系統，其中印記或涂層尚未達到完全干燥的狀態。在US-A-2008295854中最近已經發現和公開了如果一層或多層包括白堊(碳酸鈣)和淀粉的含水添加材料被涂布到基礎紙幅并允許其干燥，那么使用US-A-5 966 218的技術在干燥層與基礎紙幅之間的對比可能不足。已經解決這個問題的方式為增加具有不多或沒有白堊含量的添加材料表層，以便為檢查目的產生足夠的對比。不過，這種解決方案需要額外的材料和/或額外的涂布或操作。
發明內容
本文公開的是分析紙張性質的系統。在煙卷紙的背景中，所述系統能夠檢測若干條帶的間距、所述條帶的寬度和所述條帶的對比。更確切地說，在根據示范方面的檢查系統中，所述紙張在檢查滾筒上通過，在此其被光分配組件照射。確切地說，所述光分配組件引導光帶跨越所述紙幅。以一種形式，所述光帶在所述紙面反射然后在包含線性電荷耦合器件(CCD)陣列的短波紅外線掃描攝影機接收。以另一種形式，所述光帶通過所述紙面透射然后由包含線性CCD陣列的所述短波紅外線(line)掃描攝影機在另一側接收。本發明的所述檢查系統中所用的線掃描攝影機包括像素(即傳感器)陣列，每個像素都接收從所述紙幅反射的光。所述攝影機中的所述CCD根據所述攝影機中相應像素收到的光產生數據。來自所述CCD陣列的數據饋入線掃描處理器。所述線掃描處理器將所述數據劃分為多條道(lane)；每條道都對應于所述紙幅的寬度的一部分；可見所述線掃描攝影機的每個像素都與所述道之一相關聯。在每條道內，由與這些直道相關聯的一個或多個但是非全部的像素產生的數據然后與可變閾值比較，以判斷所述道對應于條帶區域還是非條帶區域。每條道內比較的所述像素隨掃描線而變化以界定鋸齒形圖案。通過監視和記錄來自每條道內連續像素的數據，所述線掃描處理器能夠獨立地對每條道計算所述紙幅上條帶的寬度、條帶之間的間距和所述條帶的平均對比。通過比較來自每條道內少于全部所述像素的數據，減少了判斷條帶存在和特征所需的數據處理量。根據非條帶區域及其緊鄰的前方條帶區域的移動平均值，動態地設置區別條帶區域和非條帶區域所用的所述閾值。以一種形式，所述閾值表示非條帶背景加上以下二者中較大者的移動平均值(1)設定的常數值(比如10灰度級別)或( 條帶區域峰值高度的移動平均值的50% (其中所述“峰值高度”對應于所述條帶區域的灰度級別減去相鄰非條帶區域的灰度級別)。以這種方式動態地設置所述閾值容納了范圍廣泛的不同類型的煙卷紙和條帶材料，并且也能夠說明所述紙張的基本重力沿著所述紙張長度的變化。以周期的間隔，由所述線掃描處理器算出的信息被組裝為以太網數據包并在以太網上傳遞到計算機工作站。所述計算機工作站然后匯聚所述數據包與先前收到的數據包， 并為操作員顯示多種匯總統計顯示。例如，所述顯示提供的圖形對報告間隔展示了隨道序號而變的所述條帶寬度、條帶間距、條帶對比和條帶異常。不僅如此，所述顯示還通過呈現隨時間而變的所述條帶寬度、條帶間距和條帶對比，呈現了若干累積統計。因此，在一方面，提供了檢查包含條帶區域和非條帶區域的煙卷紙的系統。所述系統包括短波紅外攝影機，所述短波紅外攝影機形成的電信號表示所述煙卷紙的若干性質， 以及處理器，用于分析所述電信號以提供分析結果，所述處理器包括依次檢查來自若干像素的數據以判斷來自每個連續像素的數據是對應于非條帶區域還是條帶區域的邏輯；根據所述依次檢查的邏輯提供的結果計算所述煙卷紙上相鄰條帶區域之間間距的邏輯；以及根據所述依次檢查的邏輯提供的結果計算所述煙卷紙上條帶區域的寬度的邏輯。以一種形式，所述短波紅外攝影機包括砷化銦鎵傳感器。以另一種形式，所述系統包括編碼器，用于感測紙幅速度。在另一方面，提供了檢查包含條帶區域和非條帶區域的煙卷紙的系統。所述系統包括短波紅外攝影機，所述短波紅外攝影機形成表示所述煙卷紙的若干性質的電信號，以及處理器，用于分析所述電信號以提供分析結果，所述處理器包括用于把所述攝影機的電信號劃分為多條道的邏輯，每條道都對應于所述正被檢查紙幅的寬度的一部分，以及檢查每條輸出道內的電信號，以判斷所述電信號是高于還是低于某閾值，其中電信號高于所述閾值表明所述條帶區域，而電信號低于所述閾值表明所述煙卷紙的所述非條帶區域。在又一方面，提供了檢查包含條帶區域和非條帶區域的紙張的方法，包括以下步驟將來自光源的光引導到所述紙張的表面，所述光從所述紙張形成反射或通過所述紙張透射；由短波紅外攝影機接收所述反射或透射以產生輸出信號；以及在處理模塊中處理所述輸出信號以產生表示一個或多個以下性質的輸出信息一個或多個條帶區域的寬度、條帶區域的一個或多個相鄰組之間的間距以及一個或多個條帶區域的對比。在再一方面，提供了在線檢查包含條帶區域和非條帶區域的紙張的方法。所述方法包括以下步驟將來自光源的光引導到所述紙張的表面，所述光從所述紙張形成反射或通過所述紙張透射，由短波紅外攝影機接收所述反射或透射以產生輸出信號，以及在處理模塊中處理所述輸出信號以產生表示一個或多個以下性質的輸出信息一個或多個條帶區域的寬度、條帶區域的一個或多個相鄰組之間的間距以及一個或多個條帶區域的對比，其中所述處理步驟進一步包括以下步驟把所述攝影機的輸出信號劃分為多條道；以及檢查每條道內的輸出信號，以判斷所述輸出信號是高于還是低于某閾值，其中輸出信號高于所述閾值表明所述條帶區域，而輸出信號低于所述閾值表明所述煙卷紙的所述非條帶區域。在正被檢查的所述紙幅通過所述檢查站時，紅外輻射被引導至跨所述紙幅寬度的帶中。所述紅外輻射從所述紙幅反射到線掃描攝影機。本發明的所述檢查系統中所用的線掃描攝影機包括像素陣列，每個像素都接收從所述紙幅反射的光。每個像素都產生輸出信號，其電平表明了沖擊到所述像素的輻射(在所述像素運行的波長帶內)的強度。由所述攝影機的CXD產生的數據包括這些輸出信號。在每次曝光時，由跨所述紙幅寬度的像素產生的數據被發送到處理單元。在處理單元中，來自所述或每個線掃描攝影機的數據被分配到若干道，每條道都對應于所述紙幅的寬度的一部分。因此，所述檢查站的所述線掃描攝影機中的每個像素都對某條道貢獻數據(其輸出信號)。檢查某條道中的數據就給出了在跨正被檢查的紙幅的帶上該道中條帶存在或不存在以及若干性質的有關信息。條帶的存在或不存在以及任何條帶的所述性質，包括它與相鄰條帶的間距，由比較像素的輸出信號與動態閾值信號確定。不是檢查來自每一個像素的輸出信號，而是僅僅檢查來自某些像素的數據。 檢查來自每條道中至少一個像素的輸出信號。在后續曝光時，檢查不同像素的輸出信號，盡管可能是同一像素被檢查了許多次曝光后再檢查下一個像素。在優選實施例中，從一次曝光到下一次時，檢查移動到相鄰像素，并且當已經檢查了對某條道貢獻的最后一個像素時， 顛倒檢查順序。以這種方式，無需在每一次曝光時處理來自每一個像素的數據就能夠確定跨所述紙幅條帶存在或不存在以及若干性質。下面將進一步參考附圖舉例介紹本發明。
參考以下說明和作為非限制實例展示多種形式的附圖，可以達到進一步的解釋， 其中圖1顯示了包含條帶區域的示范煙卷；圖2顯示了包括條帶的煙卷材料的示范紙幅；圖3描繪了具有根據本文的光學檢查系統的一部分造紙生產線的簡化示意圖；圖4顯示了示范線掃描攝影機和相關聯的光分配組件；圖5顯示了圖3中造紙生產線的光學檢查系統中使用的檢查滾筒；圖6顯示了圖5中檢查滾筒的分解圖；圖7顯示了圖3中造紙生產線的光學檢查系統中使用的示范電氣/計算機配置；圖8顯示了根據本文的處理來自線掃描攝影機的數據的示范技術；圖9展示了本文公開的系統如何改變條帶檢測閾值(T)以補償圖像基線的變化；圖10顯示了確定由線掃描攝影機成像的條帶的多種性質的示范算法；圖11顯示了由線掃描攝影機成像的條帶的多種性質的示范統計顯示；圖12A描述了具有根據本文的光學檢查系統的一部分輪轉凹板印刷線的簡化示意圖；圖12B描述了具有根據本文的另一個光學檢查系統的一部分輪轉凹板印刷線的另一幅簡化示意圖。
具體實施例方式現在將參考為展示目的而選擇的特定形式介紹多個方面。應當認識到，本文公開的系統和方法的實質和范圍不限于所選擇的形式。不僅如此，還應當指出，本文提供的圖沒有按任何具體比例或刻度繪制，并且對所展示的形式能夠進行多種改變。現在參考圖1至圖11，其中相同的號碼始終用于指明相同的要素。現在參考圖3，顯示了具有光學檢查系統200的一部分造紙生產線100。確切地說， 圖3描繪了常規的長網造紙機(涂抹噴灑機)100的紙漿紙幅(pulp web)成形區域，適于生產連續的紙漿紙幅116。前箱112適于包含一些纖維素紙漿，由與紙漿源(未顯示)，比如紙漿存儲罐相通的多條導管113供應給前箱112。緊靠前箱112下面放置的是環狀成形絲網114。在前箱112鄰近絲網114的下部中界定的切片115允許紙漿從前箱通過切片115流到絲網114的頂面上以形成紙漿紙幅 116。切片115的垂直寬度通常狹窄以便調整從前箱112流過的紙漿量。典型情況下，切片 115的長度基本上可以擴展到紙漿紙幅116的整個寬度。絲網114的頂部分適于向前移動，朝向伏輥117而離開切片115。從前箱112朝向伏輥117的方向是下游方向。紙漿紙幅116 —旦已經成形，它便通過在紙漿紙幅116上沉積其他材料的涂布器120。當絲網114開始圍繞伏輥117向下移動并朝向前箱112返回時，紙漿紙幅116從絲網114被傳遞到多條壓榨輥118，然后到造紙機100的干燥器部分。 當紙漿紙幅116在下游方向上前進時，允許額外的水分穿過絲網114。典型情況下可以對絲網114下側的至少一部分施加真空以幫助從紙漿紙幅116除去水分。伏輥117可以適于通過絲網114對紙漿紙幅116的下側提供真空以除去額外的水分。如上所述，示范裝置100的涂布器120在紙漿紙幅116上沉積其他材料。在一種示范形式中，涂布器120包括一個空心的旋轉鼓121。典型情況下旋轉鼓121包括多條縱向的狹縫122。在另一種形式中，轉鼓121擁有多條凹槽(未顯示)而不是縱向狹縫122。如圖所示，狹縫122或凹槽的朝向可以平行于鼓121的縱軸。定位于鼓周圍的狹縫122或凹槽的數量，當然將取決于鼓的半徑和所期望的間距。在一種形式中，在紙幅116在絲網114上成形之后，鼓121被置于與紙漿紙幅116 接觸。作為替代，鼓121不與紙漿紙幅116物理接觸，而是位于鄰近以便該紙漿能夠從鼓121 直接流注到紙漿紙幅116上。鼓121和紙漿紙幅116兩者的速度可以本質上同步，使得鼓 121的角速度大約與紙漿紙幅116的線性速度相同。如果鼓121不與紙漿紙幅116物理接觸，那么鼓121和紙漿紙幅116的速度就不必一致。涂布材料的點可以在基礎紙幅已經強化的點處或在其后。鼓121可以由從鼓121的末端突出的滾軸支持。支持滾軸又可以由框架(未顯示)支持。該框架能夠被降低使得所述鼓大約定位于紙漿紙幅116或者能夠接觸紙漿紙幅 116。鼓121可以由任何期望的裝置轉動。在一種形式中，鼓121摩擦地接合紙漿紙幅 116，從而實現鼓121和紙漿紙幅116的同步速度。作為替代，鼓121由外部驅動機械轉動。 適宜的驅動機械是傳送帶、齒輪系等。本領域的普通技術人員可以在轉動圓柱體的若干裝置當中進行選擇，而不脫離本發明的范圍。如上所述，旋轉鼓121可以擁有多條狹縫122或凹槽。狹縫122可以在鼓121的周圍彼此等距地布置，盡管也可以采用狹縫之間非均勻的間距。在一種形式中，安置的狹縫 122大約相隔5mm至40mm，從一條狹縫的中心到緊鄰其的狹縫的中心(中心到中心)測量， 或者相隔大約15mm到30mm或大約相隔21mm。本領域的技術人員將理解，基礎重量增加的橫向區域的大小和形狀將由狹縫122 的形狀和尺寸確定。雖然狹縫122的形狀可以為矩形，但是可以在多種規則的和不規則的幾何形狀和形式當中進行選擇。另外，橫向區域本身在橫向上可以為連續或非連續的。每條狹縫122都可以具有基本上相同的尺寸，或者每條狹縫122在寬度上都可以具有大約Imm 到IOmm或者大約1. 5mm到5mm的尺寸。在一種形成中，狹縫122大約2. 5mm寬。狹縫的長度可以為至少基本上與煙草制品，比如煙卷的圓周相同。不過，可以采用多種狹縫長度。每條狹縫122都擔當導管，材料通過它被沉積在紙漿紙幅116上，從而產生了額外材料的將變為區域的延長區域。可以調節材料的流動以使得材料在給定時間不會從多于單條狹縫122處流出。材料從狹縫122到紙漿紙幅116的傳送可以由真空箱126通過絲網114施加的真空幫助，也可以由通過狹縫122施加的增壓氣體幫助。可以采用其他裝置設計和技術。例如，可以采用輪轉凹板印刷式的工藝在基底紙幅上以橫向沉積額外量的材料。在這種形式中，旋轉鼓121包含多條凹槽。凹槽的方向平行于鼓121的縱軸。利用分配頭將基本上相同于凹槽體積的材料量放置在每條凹槽中，并利用刮墨刀計量。一旦一條或多條凹槽已經填滿了材料，鼓121便轉動，如同先前介紹。當裝滿材料的凹槽與基礎紙幅116接觸后，材料從凹槽被傳送到紙漿紙幅116。材料從凹槽到紙漿紙幅116的傳送可以由真空箱1 通過絲網114施加的真空幫助，也可以由通過凹槽施加的增壓氣體幫助。沉積的其他材料的體積當然將由凹槽的體積確定。在一種形式中，凹槽尺寸為大約在Imm到IOmm之間的寬度乘以大約小于3mm的深度。凹槽的長度應當至少基本上與煙草制品，比如煙卷的圓周相同。一旦其他材料已經被涂抹噴灑機或輪轉凹板印刷方法沉積，具有區域111的紙漿紙幅116就可以由位于轉動鼓下游的滾軸裝置壓榨。紙漿紙幅116在壓榨輥(未顯示)上受壓榨。在壓榨輥上采用的壓力比得上通常用于壓榨纖維素紙漿紙幅的壓力，壓榨輥的大約50N/mnK250磅/線性英寸)。除了紙張的強化，壓榨輥也從紙張中除去了水。在另一種形式中，可以使用第二前箱在紙漿紙幅116上或接觸紙漿紙幅116頂部的頂絲網上直接沉積其他材料而不是使用圖3描繪的涂布器120。當前箱的切片打開時，便在紙漿紙幅116上或頂絲網上沉積其他材料。當第二前箱的切片關閉時，其他材料便無法從第二前箱流出。盡管以上已經討論了涂抹噴灑機或輪轉凹板印刷型的方法，但是也可以使用其他方法，包括傳遞輥、四輥施膠壓榨或縐紙設備。傳遞輥方法設想在壓榨輥處涂布條帶，四輥施膠壓榨設想在施膠壓榨處涂布條帶，而縐紙技術設想在正常煙卷紙中施加微縐紋。
另外，可能期望生產基礎重量增加的具有多個橫向區域111的紙漿紙幅。在 US-A-5 474 095中公開了實現這種技術的裝置，其全部內容在此引用作為參考。參考圖3和圖4，在運行中，紙張在檢查滾筒1 上供給，在此它受到線掃描攝影機216連同光源組件218的檢查。更確切地說，當紙張在檢查滾筒1 上通過時，光源組件 218將光引導到紙張上。光線從該紙張反射或穿過其透射(見圖12B)，并且被攝影機216 接收，攝影機216含有線性CXD陣列。來自CXD陣列的信息被用于刻畫在檢查滾筒1 上通過紙張的性質。正如可以認識到，使用白光時要求光譜反射，并且已經發現在基于白光的系統中出現的角度以及在移動紙幅中固有的運動呈現了操作中的困難。已經發現這些問題在本文介紹的基于紅外的系統中不存在。不僅如此，已經發現基于紅外的系統在基于含水和基于溶劑的添加材料涂布系統中都具有效用(倘若后者在其成分中包括有效量的水分)。在本文介紹的檢查系統中，發射的光線被新涂布的添加材料中的潮氣部分地吸收。當發射的光線被引導穿過仍然未干的添加材料區域時，攝影機對反射(或透射)光線強度的變化作出響應。參考圖4，攝影機216可以是砷化銦鎵短波紅外焦平面陣列攝影機(InGaAs SffIR FPA)，比如由 Sensors Unlimited, Inc. of Princeton,New Jersey 出品的，它運行在 700nm 到1700nm的光譜范圍，或者銻化銦焦平面陣列QnSb FPA)攝影機，比如由Santa Barbara Focalplane of Goleta，CA出品的，它能夠覆蓋整個近紅外范圍以及更多。圖像的空間分辨率由陣列中每個像素的視場界定。這些攝影機在陣列中具有多于640X512像素可用。攝影機的電子設備控制著圖像的錄制并能夠提供時間選通。在一種形式中，數據采集可以與激光的激發同步，以使得幀的速率將等于激光的脈沖重復速率。能夠調節攝影機的時間選通以捕獲來自目標的每個反射的或透射的信號，正如以下更詳細的介紹。如圖4所示，光學檢查系統200包括燈模塊220，比如150瓦特的鹵素燈泡。優選情況下，燈模塊220位于罩118之內(也參見圖3)。由燈模塊220產生的光線經由光纖電纜222被引導到光分配組件218。光分配組件218包括光分配頭端232，用于跨紙張的寬度分配光線。棒狀透鏡(rod lenS)230使來自頭端232的光線聚焦到窄光帶中，它沖擊在檢查滾筒1 上通過的紙張的表面。支架機構2 允許操作員調整光分配組件218的方向， 從而改變由此產生的光束的角度。沖擊在滾筒1 上通過的紙張表面的光線從該紙張的表面反射，或者穿過它透射 (見圖12B)。反射或透射被線掃描攝影機組件216接收。組件216包括由定位支架2 所支持的線掃描攝影機224。線掃描攝影機2M包括感光元件的線性陣列(如包括256X 1陣列或1028X1陣列)。圖5和圖6更詳細地展示了檢查滾筒129。正如在此所示，檢查滾筒1 包括連接到固定構件160的轉動圓柱162(如含有未顯示的滾珠軸承)。固定構件160又利用螺栓 158被連接到背板142。檢查滾筒1 的末端包括圍繞其外圍以規則間隔排列的凹槽152。 線掃描攝影機2M感測這些凹槽以及它們移動的速率。該速率提供了系統計算若干參數時的時間基礎，比如條帶寬度和條帶之間的間距；在這種背景中，檢查滾筒1 和攝影機2M 用作編碼器。本領域技術人員將認識到，可以使用其他類型的編碼器提供公共的參考框架。例如，可以使用鄰近傳感器檢測脈沖輪轉動的速率，其中脈沖輪被安裝到轉動構件。還能夠使用轉速計作為編碼器。也可以使用編碼器的輸出作為公共的參考框架使系統中的多種動作同步。例如， 可以使用編碼器計算紙張的速度，這又允許例如印刷機20(見圖7)標注由攝影機組件 216 “下游”所檢測的不規則條帶的位置。在一種形式中，當攝影機組件216檢測到不規則條帶時，可以啟動計時器，計時器具有的初始時間值等于將一部分紙張從攝影機組件216 移動到印刷機20所用的時間。當計時器倒數時，印刷機20便在紙上不規則條帶位置處印刷標記。這個特征可能特別有益，因為它允許操作員再次查看由攝影機所感測出的異常位置并進一步地分析這些異常。作為替代，如果操作員不想檢查紙張的不規則部分則可以停用印刷機20。主要的電氣基本設施可以位于罩18中。電氣組件的更詳細展示可見圖7。如圖所示，罩118包括計算機處理模塊306，它包括I/O卡316、閃存盤314和以太網接口 312以及一塊或多塊線掃描處理器板310，它們全部都在內部總線308上連接在一起。另外，罩118包括燈模塊304，用于經由光纖電纜222向光分配元件218提供光線。為了冷卻這些組件，罩118可以包括一個或多個風扇302。最后，罩118可以包括一個或多個電源300以向多個組件供應適合的電力。光學檢查系統的處理模塊306與多個組件互動，包括線掃描攝影機216、編碼器 129，以及印刷機或標記器20。這些組件都能夠經由其自身專用線路(未顯示)或公共控制總線309連接到處理模塊306。也可以采用其他組件，它們對于本領域技術人員將是顯而易見的。處理模塊306的以太網接口 312提供了到工作站330以太網接口 332的連接。工作站330包括調制解調器334和控制CPU 336，前者通過電話線向遠程計算機(未顯示)傳遞信息。工作站具有與其相關聯的以下外圍設備印刷機338、磁盤340、顯示器342和鍵盤 344。以上討論的采用短波紅外感測的光學檢查系統具有許多應用。正如陳述，所述光學檢查系統尤其很好地適于檢測具有條帶的煙卷紙中的異常，正如以下詳細的討論。US-A-5 417 2 和US-A-5 474 095公開了包括基礎紙幅和添加材料條帶區域的煙卷紙。例如，返回圖1，示范煙卷10包含在基礎煙卷紙12上沉積一層紙漿而形成的兩個條帶14。纖維制品、微晶纖維素、亞麻或木質紙漿或者支鏈淀粉是已經被用于形成這些條帶的多種物質中的某一些。US-A-5 534 114公開了通過將常規的長網造紙機改造為在生產煙卷基礎紙12的某個階段沉積其他纖維素層，能夠形成以上介紹的條帶。為了使該工藝流水線化，優選情況下，在紙張以高速移動，比如2. 5m/s (500英尺/分鐘)的同時涂布這些條帶。在如此高速時，故障和其他因素(比如塞滿的條帶涂布器)可能導致產生不規則的條帶。例如，如圖2展示，當條帶16的寬度偏離期望的寬度，或者條帶變得歪斜以至于相對于紙張邊緣不再正交時就會出現常見的不規則。當兩個條帶18之間的分離偏離期望的分離寬度時就會出現其他的不規則。不僅如此，給定條帶涂布器能夠生產具有間隙的條帶， 或者具有不是太高就是太低對比的條帶。采用短波紅外感測的光學檢查系統能夠用于監視條帶寬度、條帶間距和條帶對比。
更確切地說，攝影機216能夠采用256X 1的C⑶陣列(像素374，參考圖8)， 它接收的反射或透射(見圖12B)跨越檢查滾筒1 上通過的紙幅的橫向尺度。在跨滾筒129的橫向上陣列的示范分辨率是0.2mm。不僅如此，C⑶陣列被曝光的速率允許計算機在縱向上以0. 2mm的分辨率對信息進行采樣。因此，該陣列有效地采樣的像素在紙上具有在0. 2mmX0. 2mm的空間尺寸。所以，CXD陣列每個單元包括表明了在移動紙幅的 0. 2mmX0. 2mm部分所感測的反射或透射的幅度的值。來自線性陣列的數據隨后在A/D轉換器376中從模擬形式被轉換為數字形式，并且被存儲在掃描處理器板310之一的存儲器378中。處理器306然后將來自每個陣列的數據劃分為一系列的連續道(如在一種形式中總共32條道)，每條道都對應于正被檢查紙幅的寬度的一部分。在線掃描攝影機中的每個像素都與這些道之一相關聯。為了便于討論， 圖8所示的每條道都對應6個連續的像素單元，盡管典型情況下每個道將對應多得多的像素。每個像素輸出的幅度都被量化到255個不同等級之一。在每次曝光期間，每條道中單個像素的輸出與動態閾值進行比較。輸出在給定閾值以上的像素指明了紙幅的條帶區域，而輸出在給定閾值以下的像素被標記為非條帶區域。下一次曝光后，就曝光了道中下一個連續像素，并且重復比較。例如，在表示為、的任意時間，在每條道中的第五個像素的輸出與動態閾值進行比較(如參見表示為“線、”的最低行的道)。在下一次曝光中，第六個像素的輸出與該閾值進行比較(如參見表示為“線t/’ 的行的道)。在這之后，該系統將以反方向連續地后退，選擇線、中的第五個像素與閾值進行比較。因此，用于與閾值比較而選擇的像素在迂回通道中變化，正如由圖8—般地表示。 根據另一種形式，所檢查的像素不在每條線上前進。相反，在這種形式中，處理模塊對規定數量的線(如對應于30mm)暫停在每個像素上，之后它將前進到下一個鄰近像素。不是對全部像素的輸出都進行比較，比如每條道僅僅比較一個像素，提高了處理速度而沒有顯著地降低性能。圖8中有交叉陰影線的像素表示了輸出高于動態閾值的像素。因此，可見條帶在線、處開始。檢測條帶區域和非條帶區域所用的閾值是動態的，意味著它適應基礎紙張、條帶材料或測量環境中的改變而變化。例如，如圖9所示，隨掃描線而變的像素灰度級的示范波形顯示了局部擾動，它表示從非條帶區域背景(如在區域肌1、肌2、肌3、冊4和肌5中)到條帶區域(如在區域&、4、83、84和&中)的轉變。該波形也顯示了總體的變化，其中這些局部擾動的一般基線緩慢地波動。例如，總體波動在掃描線1000周圍處于其最低點，而在掃描線2000周圍處于其最高點。這種總體波動主要是由于造紙機涂布的紙漿不均勻所導致的紙張基本重量的改變。本文公開的系統通過調整閾值等級(T)考慮了這種現象，以便它通常跟蹤變化的波形基線。動態改變閾值等級的一項技術說明如下。一般來說，在任何給定時刻的閾值隨前面緊鄰的條帶區域的灰度級以及前面緊鄰的非條帶區域的灰度級而變。在一種形式中，閾值表示先前非條帶背景的移動平均值(比如NBpM2等的平均值)加上⑴某設定常數(如 10灰度級)或( 條帶區域峰值高度的移動平均值(如Bp B2等高度的平均值)的50% 中較大者。例如，考慮條帶區域 。確定用于區別這個條帶區域的閾值的方式為首先計算非條帶區域NB2、NB3的平均背景等級。隨后，通過計算BpB2條帶區域的平均高度確定平均峰值高度值。條帶區域的“高度” 一般對應于該條帶區域與后續非條帶區域之間的像素灰度級的差異。在進行這項測量時，單一灰度級能夠被用于表示該條帶區域的灰度級(比如最大的灰度級)，也能夠使用該條帶區域內灰度級的平均值。同樣，單一灰度級能夠被用于表示后續非條帶區域的灰度級，也能夠使用后續非條帶區域內的灰度級平均值。以這種方式計算了峰值高度后，平均峰值高度(如來自Bph)的一半與預置值進行比較。兩者中較大者被加到(以上算出的)平均背景等級以便導出閾值。例如，B1^2高度的平均值大約為 30灰度級，其一半是15灰度級。如果預置值被設置為10灰度級值，那么該算法將選擇15 作為要加到平均背景的值。不過，如果遇到了一系列較低的峰值(比如&)，那么該算法將依靠該預置值(如10灰度級)區別條帶區域和非條帶區域。該預置值可以被設置得至少足夠高以使得非條帶區域中的噪聲將不會被誤解釋為條帶區域的開始。對本領域的技術人員將顯而易見，為計算峰值高度和非條帶區域等級的移動平均值所選擇的窗口不必分別限于兩個條帶區域和兩個非條帶區域。通過展寬窗口能夠獲得更平滑的閾值。不僅如此，以上討論的閾值等級取決于紙張類型和所用的條帶材料，以及運行環境；以上引用的特定值完全是示范性的。參考圖10所示的流程圖能夠理解確定條帶特征的實際任務。分析在步驟S2開始， 隨后確定是否為從處理板310經由以太網向工作站330報告數據的時間(步驟S4)。在一種形式中，由板310執行的處理每半秒鐘報告一次(或者對更及時的報告每1/10秒一次)。 剛剛開始分析時，這種查詢的結果將回答為否定，且系統將前進到步驟S6。在步驟S6中，查明在道中像素的輸出是否在動態閾值以上。為了便于討論，步驟S6在單道的背景中制定。 不過應當記住，每個陣列的輸出都被劃分為多條道，每條道都對應于正被檢查的紙幅寬度的一部分。從而步驟S6所示的比較實際上對于不同的道重復了許多次。在一種形式中，處理板310對不同的道執行并行計算以提高處理速度。如果在步驟S6確定像素輸出的幅度在動態閾值以上，那么該算法前進到步驟S8， 在此記錄條帶像素的存在及其對比。如果在先前線中的先前像素不是條帶像素(如在步驟 SlO中所確定的)，那么當前線就表示條帶的起始。這將對應于圖8所示的線t3，因為在t2 處先前線包含其輸出在動態閾值之下的像素。所以有可能在這時判斷當前條帶與最后遇見的條帶(如果適當)之間的間距是否在規定容差之內(步驟S12和S14)。如果條帶間距不是太長就是太短，則在步驟S16記入這個事實，于是該算法在步驟S32前進到下一條線。另一方面，如果在步驟S6中被檢查像素的輸出在動態閾值以下，那么在步驟S18 記錄這個事實。然后判斷在先前線中先前檢查的像素是不是條帶像素(步驟S20)。如果是條帶像素，這標志著條帶的結尾，然后有可能確定條帶的平均對比和條帶的寬度(步驟 S22)。判斷這些值是否在規定的容差之外(步驟SM至步驟S30)。如果是，便記錄這些異常，該算法在步驟S32前進到下一條線。假設在這時，確定已經過去了半秒鐘(步驟S4)。這將引起線掃描處理器310進入其報告模式。如圖10所示，處理器310將計算在最后半秒鐘內道中條帶的數量(步驟S34)， 條帶寬度、條帶間距和條帶對比的平均值和標準方差(步驟S36)，道的最小和最大平均背景(步驟S40)，以及異常(如超出容許條帶寬度、間距和對比)的總數(步驟S40)。這種信息被聚集到轉發給工作站330的數據包之中，然后(在步驟S44中)用于計算總數的多個計數器被復位。
工作站330然后將這種信息與先前發送的信息匯總以提供紙張品質的統計概要。 這種信息可以被顯示在圖11展示的顯示器面板400上。面板400包括第一子面板402，列出了最后報告區間隨道號而變條帶寬度。子面板404展示了最后報告區間隨道號而變的條帶間距。子面板406展示了最后報告區間隨道號而變的條帶對比。最后，子面板408展示了最后報告區間隨道號而變的條帶異常數量(條帶間距、條帶寬度和對比異常的匯總)。子面板402、404和406包含表明了在半秒報告區間上條帶寬度、條帶間距和條帶對比的平均值的中間線。將中間曲線括在一起的另外兩條曲線表示了正負3ο讀數。中間曲線能夠以綠色顯示，而3 σ曲線顯示為紅色使得它們能夠更容易被區分。除了當前道概要以外，工作站330還提供了總結該操作的多種特征的統計結果。 值得注意的是，子面板410展示了隨時間而變的復合條帶寬度(如平均條帶寬度)。子面板412展示了隨時間而變的復合條帶間距412。最后，子面板414顯示了隨時間而變的復合條帶對比。因此，利用右邊的子面板，就有可能觀察到所有的降級趨勢。利用左邊的子面板，就有可能觀察到紙幅橫跨度中的特殊點，它們正在產生超出容差的條帶、條帶間距或條帶對比，它們可能由阻塞的紙漿涂布器所導致。除了這些圖形，工作站330還可以呈現關于滾筒長度的信息、紙幅的速度(來自編碼器或轉速計)以及樣本id(用戶事先將其輸入以標記所述運行)。全部以上數據都能夠被存儲用于進一步的非實時分析。所述運行可以由該id號索引出。工作站330的接口軟件另外包括監視系統參數的例程以判斷系統狀態。當檢測到異常時，操作員界面將顯示消息，標識該異常最可能的原因。在圖11所示的面板417中，該消息指明，(圖8的)燈120當前在工作。現在參考圖12A，在又一種形式中，利用涂布技術，比如凹板印刷等，煙卷紙卷 510(基礎紙幅516)被轉換為有條帶紙。在示意性描繪的凹板印刷系統中，紙張沿著經由一個或多個印刷站520和干燥段(未顯示)延伸的通道(“紙幅通道”)從卷510中拖出。 每個印刷站520都包括凹板印刷滾筒522和支持滾筒524，前者對基礎紙幅516的一側涂布添加材料。紅外光源620以及一個或多個紅外攝影機616被安置在緊靠每個印刷站520的下游。光源620和攝影機616被互相安置在鄰近相應印刷站520，以使得在紙張剛剛穿過了相應印刷站520后由源620所發射的紅外光就沖擊到它，并且朝向攝影機616反射。現在參考圖12B，在又一種形式中，再次利用涂布技術(比如凹板印刷等)，煙卷紙卷710(或基礎紙幅716)被轉換為有條帶紙。紙張再次沿著經由一個或多個印刷站720和干燥段(未顯示)延伸的通道(“紙幅通道”)從卷710中拖出。每個印刷站720都包括凹板印刷滾筒722和支持滾筒724，前者對基礎紙幅716的一側涂布添加材料。在本文描繪的形式中，紅外光源820以及一個或多個紅外攝影機818被安置在緊靠每個印刷站720的下游。光源820和攝影機816被互相安置在鄰近相應印刷站720，以使得在紙張剛剛穿過了相應印刷站720后由源820所發射的紅外光就沖擊到它，并且通過紙幅716朝向攝影機816透射。正如可以認識到，使用的攝影機有益于檢測仍然未干的新涂布添加材料的條帶區域與無添加材料(并處于干燥、不濕狀態)的基礎紙幅516、716區域之間的反射(或者作為替代或作為協助的透射)差異。在本文以上介紹的攝影機擁有這些能力。在圖12A和圖12B所描繪的形式中，可以按照本文以上的介紹進行數據收集、分析和呈現。正如圖12A和圖12B所示，光源620、720及其相應攝影機616、716離每個印刷站520、720放置的距離屯、 d2不是關鍵的，只要新涂布添加材料的條帶區域仍然未干，并且能夠在條帶區域與無添加材料的基礎紙幅區域之間產生反射或透射的差異。例如，已經在檢測煙卷紙上形成的條帶的背景中介紹了本發明，但是本發明延伸至檢測薄片式材料上形成的任何信息。本文引用的全部專利、實驗過程以及其他文檔，包括優先權文檔，被全部引用作為參考，以至于這樣的公開與本公開并無不一致，并且用于允許這樣的引用的全部管轄機構。雖然已經以特殊性介紹了本文公開的若干展示性形式，但是應當理解，對于本領域的技術人員，多種其他修改將是顯而易見的并且能夠容易地做到而不脫離本公開的實質和范圍。所以，不應當企圖將附帶的權利要求書的范圍限于本文闡述的實例和說明，而是應當將權利要求書解釋為包含了存于本文的可取得專利的新穎性的一切特征，包括會被本公開所屬領域技術人員視為其等效內容的一切特征。
權利要求
1.一種檢查含條帶區域和非條帶區域煙卷紙的系統，包括a)短波紅外攝影機，所述短波紅外攝影機形成表示所述煙卷紙的性質的電信號，以及b)處理器，用于分析所述電信號以提供分析結果，所述處理器包括用于依次檢查像素以判斷每個連續像素對應于非條帶區域還是條帶區域的邏輯；用于根據所述用于依次檢查的邏輯提供的結果計算所述煙卷紙上相鄰條帶區域之間間距的邏輯；以及用于根據所述用于依次檢查的邏輯提供的結果計算所述煙卷紙上條帶區域的寬度的邏輯。
2.根據權利要求1的系統，其中，所述短波紅外攝影機包括砷化銦鎵傳感器。
3.根據權利要求1的系統，其中，所述處理器的分析結果另外包括所述煙卷紙上條帶區域的對比的計算結果。
4.根據權利要求1的系統，其中，所述處理器定期地將所述分析結果傳遞到顯示所述分析結果的計算機。
5.根據權利要求4的系統，其中，所述計算機匯聚多個報告的分析結果，并且呈現所述分析結果的統計概要。
6.根據權利要求1的系統，進一步包括編碼器，用于感測紙幅速度。
7.根據權利要求6的系統，進一步包括印刷機，用于通過參考所述編碼器的輸出在所述紙上印刷信息。
8.一種檢查含條帶區域和非條帶區域的煙卷紙的系統，包括a)短波紅外攝影機，所述短波紅外攝影機形成表示所述煙卷紙的性質的電信號，以及b)處理器，用于分析所述電信號以提供分析結果，所述處理器包括用于把所述電信號的每一個分配到多條道之一中，以及檢查每條輸出道內的電信號，以判斷所述電信號是高于還是低于閾值的邏輯，其中，電信號高于所述閾值表明所述條帶區域，而電信號低于所述閾值表明所述煙卷紙的所述非條帶區域。
9.根據權利要求8的系統，其中，根據一個或多個非條帶區域內的灰度級值的移動平均值以及一個或多個條帶區域內的相對灰度級值的移動平均值來計算所述閾值。
10.一種檢查含條帶區域和非條帶區域的煙卷紙的系統，包括a)短波紅外攝影機，所述短波紅外攝影機形成表示所述煙卷紙的性質的輸出信號，以及b)處理器，用于分析所述輸出信號以提供分析結果，所述處理器使用動態閾值區分非條帶區域和條帶區域。
11.根據權利要求10的系統，其中，根據一個或多個非條帶區域內的灰度級值的移動平均值，以及一個或多個條帶區域內的相對灰度級值的移動平均值來計算所述動態閾值。
12.—種檢查含條帶區域和非條帶區域紙張的方法，包括以下步驟a)將來自光源的光引導到所述紙張的表面，所述光形成來自所述紙張的反射或通過所述紙張的透射；b)由短波紅外攝影機接收所述反射或透射以產生輸出信號；以及c)在處理模塊中處理所述輸出信號以產生輸出信息，所述輸出信息表示一個或多個以下性質i) 一個或多個條帶區域的寬度；ii)條帶區域的一個或多個相鄰組之間的間距；以及iii) 一個或多個條帶區域的對比。
13.根據權利要求12的方法，其中，所述處理模塊產生所述輸出信息的方式為依次地檢查像素以判斷每個連續像素對應于非條帶區域還是條帶區域；根據所述依次檢查的步驟提供的結果計算所述煙卷紙上相鄰條帶區域之間的間距；以及根據所述依次檢查的步驟提供的結果計算所述煙卷紙上條帶區域的寬度。
14.根據權利要求13的方法，進一步包括定期地將所述輸出信息傳遞到顯示所述輸出信息的計算機的步驟。
15.根據權利要求14的方法，其中，所述計算機匯聚多個報告的輸出信息，并且呈現所述輸出信息的統計概要。
16.根據權利要求15的方法，其中，所述短波紅外攝影機包括砷化銦鎵傳感器。
17.根據權利要求12的方法，其中，所述短波紅外攝影機包括砷化銦鎵傳感器。
18.一種檢查含條帶區域和非條帶區域的紙張的在線方法，包括以下步驟a)將來自光源的光引導到所述紙張的表面，所述光形成來自所述紙張的反射或通過所述紙張的透射；b)由短波紅外攝影機接收所述反射或透射以產生輸出信號；以及c)在處理模塊中處理所述輸出信號以產生輸出信息，所述輸出信息表示一個或多個以下性質(i) 一個或多個條帶區域的寬度；(ii)條帶區域的一個或多個相鄰組之間的間距； 以及(iii) 一個或多個條帶區域的對比，其中，所述處理步驟進一步包括以下步驟 把所述輸出信號的每一個分配到多條道之一中，以及檢查每條道內的輸出信號，以判斷所述輸出信號是高于還是低于閾值， 其中，輸出信號高于所述閾值表明所述條帶區域，而輸出信號低于所述閾值表明所述煙卷紙的所述非條帶區域。
19.根據權利要求18的方法，其中，根據一個或多個非條帶區域內的灰度級值的移動平均值以及一個或多個條帶區域內的相對灰度級值的移動平均值來計算所述閾值。
20.根據權利要求18的方法，其中，所述短波紅外攝影機包括砷化銦鎵傳感器。
21.一種檢查含條帶的紙幅的檢查站，包括 用于產生短波紅外輻射的源；用于引導來自所述源的短波紅外輻射的導管；分配組件，用于接收由所述導管從所述源引導的短波紅外輻射并且將所述短波紅外輻射引導到材料的紙幅上并且橫跨所述紙幅，以引起來自所述紙幅表面的反射； 用于接收所述反射的線掃描攝影機；處理單元，用于處理來自所述線掃描攝影機的數據，所述處理單元根據所述數據確定所述條帶的特征，其中所述處理單元確定所述紙幅的一種或多種性質的方式為 將來自所述線掃描攝影機的所述數據劃分為多條道；以及檢查來自每條道內至少一個像素的數據，以判斷所述像素的輸出是高于還是低于動態閾值，其中，其輸出高于所述動態閾值的像素表明所述條帶區域，而其輸出低于所述動態閾值的像素表明所述非條帶區域。
22.根據權利要求21的站，其中，檢查來自每條道中非全部像素的數據。
23.一種檢查含條帶區域和非條帶區域的紙張的方法，包括以下步驟引導紅外輻射橫跨所述紙張的紙幅，當所述紅外輻射沖擊在所述紙幅的表面上時它形成反射；由攝影機接收所述反射；在處理單元中將來自所述線掃描攝影機的數據分配到多條道中； 以及在處理單元中處理所述數據，包括區分所述非條帶區域和所述條帶區域的初始步驟， 方式為檢查來自每條道內至少一個像素的數據，以判斷所述像素的輸出是高于還是低于動態閾值，以產生一種或多種以下性質 一個或多個條帶區域的寬度； 條帶區域的一個或多個相鄰組之間的間距； 一個或多個條帶區域的對比；定期地向計算機工作站傳送所述一種或多種性質；以及根據所述傳送步驟中傳送的所述一種或多種性質，在所述計算機工作站產生統計報生1=1 O
24.根據權利要求23的方法，其中，檢查來自每條道中非全部像素的數據。
全文摘要
一種檢查含條帶區域和非條帶區域煙卷紙的系統。所述系統包括短波紅外攝影機(224)，所述短波紅外攝影機形成表示所述煙卷紙的若干性質的電信號，以及處理器，用于分析所述電信號以提供分析結果，所述處理器包括依次檢查若干像素以判斷每個連續像素對應于非條帶區域還是條帶區域的邏輯；根據所述依次檢查的邏輯提供的結果計算所述煙卷紙上相鄰條帶區域之間間距的邏輯；以及根據所述依次檢查的邏輯提供的結果計算所述煙卷紙上條帶區域的寬度的邏輯。也提供了檢查含條帶區域和非條帶區域煙卷紙的在線方法。
文檔編號G01N21/35GK102362169SQ201080013240
公開日2012年2月22日 申請日期2010年2月19日 優先權日2009年2月20日
發明者史宇華 申請人:菲利普莫里斯生產公司