（环境工程专业论文）基于近红外线的纸张水分及定量测量技术研究.pdf

摘要近红外线测量是一种绿色测量技术，它可以同时实现被测物质的多成份测量。本文以纸张水分及定量在线无损检测为目的，研究了基于近红外线的纸张水分及定量在线测量技术。在全面深入总结国内外相关文献的基础上，采用理论与实验相结合的研究方法，对近红外纸张水分及定量测量的理论、仪表结构设计和实时监控系统软件应用等问题进行系统深入的研究。( 1 ) 论述了进行近红外纸张水分及定量在线测量的必要性与迫切性，介绍了近红外纸张水分及定量在线测量的基本概念、系统组成、测量方法及研究现状。( 2 ) 对测量对象的特性、水分传感器和近红外水分及定量测量的关键技术进行了分析，提出了近红外水分及定量检测系统总体框架组成。( 3 ) 为了实现纸张水分及定量的精确测量，针对近红外纸张水分及定量检测中，水分及定量测量的传输特性，采用基于最小二乘法的一次线性拟合及二次曲线拟合、多元线性回归以及b p 神经网络等4 种建模方法。分别建立了不同纸张的水分和定量测量的数学模型。并深入研究了采用不同模型时水分及定量测量结果的差异，通过误差对比分析，证明基于b p 神经网络的纸张水分及定量测量模型具有较高的测量精度，可以较好地克服水分、填料、纤维变化非线性影响。( 4 ) 对近红外水分及定量测量仪表的工作原理、数据采集和数据处理过程进行了分析，开发了上位机实时监控系统软件和数据库，设计了串口通信程序，实现水分及定量的一体化检测及实时在线监测，用一套系统对定量和水分两参数的在线检测。改变了传统的分体检测模式，降低了成本，简化了操作。关键词：纸张、水分、定量、近红外测量、实时监控a b s t r a c tn e a r - i n f r a r e dr a d i o ( n i r ) m e a s u r e m e mm e t h o di sak i n do fg r e e nt e s t i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hc a nd e t e c tt h em u l t i c o m p o n e n ta tt h es a m et i m e i nt h i st h e s i s ，f o rt h ep u r p o s eo fp a p e rm o i s t u r e & w e i g h to n l i n en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ，t h en i rp a p e rm o i s t u r e & w e i g h to n l i n et e s t i n gt e c h n i q u e sa r es t u d i e d b yb r o a d l yn v e s t i g a t i n gl i t e r a t u r e sa b o u tn i r , t h ep a p e rm o i s t u r ea n dw e i g h tt e s t i n gt h e o r yb a s e do nn i r ，t h ei n s t r u m e n td e s i g na n dt h er e a l t i m em o n i t o r i n gs o f t w a r ed e v e l o p m e n ta r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h r o u g ht h e o r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s t h em a i nw o r k sa lea sf o l l o w ：( 1 ) t h en e c e s s i t ya n du r g e n c yo ft h en i rp a p e rm o i s t u r e & w e i g h to n l i n et e s t i n gi sd e s c r i b e d ，m o r e o v e r ，t h eb a s i cc o n c e p t ，s y s t e mc o m p o s i t i o n ，t e s t i n gm e t h o da n dr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h en i rp a p e rm o i s t u r e & w e i g h to n l i n et e s t i n gt e c h n i q u e sa r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ( 2 ) t h ep a p e rc h a r a c t e r i s t i c s ，m o i s t u r es e n s o r s ，t h ek e yt e c h n o l o g yo fn i rm o i s t u r e & w e i g h tt e s t i n ga r ea n a l y s e d o nt h eb a s i so ft h ea b o v ew o r k ，a no v e r a l lf r a m e w o r ko ft h en i rm o i s t u r e & w e i g h tt e s t i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d ( 3 ) i no r d e rt om e a s u r ep a p e rm o i s t u r e & w e i g h ta c c u r a t e l y ，4m o d e lm e t h o d s ，t h ef i r s to d e rl i n e a rf i t t i n ga n dt h eq u a d r a t i cc u r v ef i t t i n gi nal e a s t s q u a r e ss e n s e ，m u l t i v a r i a t el i n e a rm o d e l sa n db pn e u r a ln e t w o r k ，a r ea p p l i e da c c o r d i n gt ot h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o i s t u r e & w e i g h tt e s t i n gi nt h en i rp a p e rm o i s t u r e & w e i g h tt e s t i n g a n dm o i s t u r e & w e i g h tm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r es e tu pf o rs e v e r a ld i f f e r e n tk i n do fp a p e r o nt h eo t h e rh a n d p r e d i c t i o ne 1 1 r o r sa r ed i s c u s s e db yu s i n gt h ea b o v em o d e l s t h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a tt h eb pm o d e lh a sh i l g ha c c u r a c yi np a p e rm o i s t u r e & w e i g h tt e s t i n g ，t h em o d e la l s oh a sa b i l i t yo fo v e r c o m i n gt h en o n l i n e a r i t yi n f l u e n c eo fm o i s t u r e ，f i l l e ra n df i b e r ( 4 ) i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ep u r p o s eo fa l l - i n o n ei n s t r u m e n ta n do n l i n em o n i r o t i n go fm o i s t u r e & w e i g h t ，t h ep r i n c i p l eo ft h en i rp a p e rm o i s t u r e & w e i g h tt e s t i n gi n s t r u m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga r es t u d i e d ，a n dar e a l - t i m em o n i t o r i n gs o f t w a r ea n dd a t a b a s em a n a g es y s t e mo fh o s tc o m p u t e ra r ed e v e l o p e d b yd e v l o p i n gas e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e ，t h eh o s tc o m p u t e ra n dt h en i rp a p e rm o i s t u r e & w e i g h tt e s t i n gi n s t r u m e n tc a nc o m m u n i c a t e de a c ho t h e r , t h i sm a k e sm o n i t o r i n gb o t hw e i g h ta n dm o i s t u r ep a r a m e t e ro fp a p e ro n l i n ew i t ho n l yo n es y s t e m t h em o d eo ft h es y s t e mc h a n g e st h et r a d i t i o n a lt e s t i n gm o d ew h i c hm e a s u r e st h ep a p e rw e i g h ta n dm o i s t u r ep a r a m e t e r sb yu s i n g2s e p a r a t ei n s t r u m e n t s ，i tr e d u c e st h ec o s to ft h et e s t i n gs y s t e ma n dt h eo p e r a t i o np r o c e d u r ei sa l s os i m p l i f i e d k e y w o r d s ：p a p e r , m o i s t u r e ，w e i g h t ，n i rt e s t i n g ，r e a l t i m em o n i t o r i n g论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：董鹏揖研年f 月砂日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：萱朗岛辉如哆年罗月万日导师签名：p 表烹甲年r 月嘲长安人学硕士学位论文1 1 概述第一章绪论弟一早珀t 匕1 1 1 课题的提出工业中的造纸过程实际是一个复杂的传质传热过程，具有对象不确定性、状态不完全性、强耦合性等特础1 ，2 1 。纸浆的打浆度和湿度、白水浓度、网前箱纸浓度、压榨后湿纸定量和水分、施胶前湿纸定量和水分等重要的物理量都无法在生产过程中在线测量，必须进行在线估计。由于系统无法预测传感器的测量故障，纸机的模型具有很强的不确定性，以及纸机的相应物理量的测量一直是造纸工业过程的难题，测量值的准确度直接影响着生产的经济效益。因此，现代造纸业迫切需要大幅度提高测量的准确度及其鲁棒性【3 ，4 】。在工业生产中的薄片材料生产如纸张、涂层定量等的静态检测方法很多，但在生产过程中的动态检测方法却不多【5 】。用于在线测量片状材料水分含量或湿度( 以下称水分)的方法主要有两种，即微波方法和近红外方法。微波方法主要用于精度要求不高的场合，而近红外方法应用范围较宽，如纸张、薄膜、基片涂层等精度要求较高的场合【6 8 】。近红外测量分析技术是综合光谱学、化学计量学( c h e m o m e t r i c s ) 和计算机应用等多学科知识的现代分析技术，是2 0 世纪9 0 年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术【9 】。近红外纸张水分及定量的在线检测是一种非接触式的测量方法。它采用近红外测量技术，将特定波长的多束近红外光轮流照射到高速移动的纸张上，利用纸张的各种组份对近红外的不同的吸收特性，对收集到的带有不同吸收信息的近红外信号进行运算处理，得出定量和水分两个测量值( 即纸张定量，纸张水分) i o 】。它无辐射、无污染、无破坏性、可以同时测定多种成份，被称为绿色测量技术，尤其是与计算机数据处理技术的结合，被成功地应用到不同行业的成份定量的测量过程中，产生巨大的经济效益和社会效益。1 1 2 课题的目的和意义近红外( 线) ( n e a ri n f r a r e dr a d i o ，n i r ) 测量技术快速、无辐射、无损、无公害的多成份同时分析测定，是一种绿色测量技术9 1 。纸张和涂层填料工艺广泛地用于国民经济众多行业中。本文的研究目的是研究基于近红外线技术的计算机在线无损检测技术的研发和推广，改变国内用射线在线测量定量的状况，并实现工业领域的水分及定量或厚第一章绪论度的自动检测技术。纸张水分及定量的在线测量方法，虽然用于工厂质量控制( q u a l i t yc o n t r o l ，q c )部门的检验，但其目的，是为造纸机的水分及定量计算机控制实时、在线地提供生产纸张的水分含量j 。纸张水分及定量测量的意义从体现在以下两个方面：( 一) 为生产部门和质检部门提供了较全面的纸张水分及定量信息。纸张水分及定量在线测量全面、实时地反映了纸张水分分布和纸病等现象，一方面，由于它实时地反映了纸张的水分含量，使造纸操作工或质检部门及时了解纸机的生产状况动态，便于及时发现问题，解决问题。避免了实验室法测量结果片面、不实时的缺点，使质量控制部门既可取消日常抽样水分测量，又可减小因此引起的切片损失。另一方面，在线测量所提供的纸张水分分布全面，使质量控制部门和用户可以全面地了解和考核纸张的质量。( 二) 为实现纸张水分及定量在线监控提供了可能性。没有纸张水分及定量在线测量，就不可能实现对纸张水分及定量有效地控制，纸张水分及定量的在线测量的真正意义就是它为纸张的水分及定量实时监控系统的实现提供了可能性。通过实现纸张的水分及定量计算机监控，可以稳定纸张的质量。纸张许多质量指标与水分含量密切相关，通过水分及定量控制，可以稳定水分和定量，从而稳定纸张的质量。其次，节约蒸汽，降低能耗。根据经验，每提高纸张的水分含量1 ，可节省蒸汽5 ，若提高纸张的水分2 ，则可节省蒸汽达1 0 之多。通过实现纸张水分及定量控制，纸张制造商可以将纸张的水分含量控制在指标所允许的上限值，而将其定量控制在其指标所允许的下限值，即增加纸张的水分含量，减小纸张的定量，既保证了纸张的质量指标，又可节约大量蒸汽和减小纸浆用量。经济效益十分客观。另外，可以改善纸机的可运行性，提高纸张产量，减少故障。由于纸机的运行参数得到有效控制，一方面减少故障，如断纸故障等，既减小了造纸操作工作的劳动强度，又提高了纸张的成品率，增加产量；另一方面，在此基础上，提高纸机车速，可直接增加纸张的产量。因此，基于近红外在线检测纸张水分及定量技术对于稳定纸张的质量、提高造纸厂的经济效益和社会效益都有重要的意义。1 2 近红9 1 、纸张水分及定量测量技术的发展及研究现状1 2 1 发展概况原始的纸张水分及定量测量方法是干燥称重法，它是通过对纸张进行取样，在实验2长安大学硕士学位论文室内经干燥、称重等过程，直接测得纸张的水分及定量，以此作为衡量纸张的质量指标，并作为指导操作工对造纸过程的相关参数进行人工调整。即使在水分及定量测量技术和仪器都较先进的今天，尽管纸张的干燥和称重技术和仪器也已相当先进，所能达到的精度己昔非今比，纸张水分及定量测量定标和校准用的标准纸样的制取，仍基于这种古老且原理简单的方法。这种离线的纸张水分及定量测量方法的弊病是显而易见的。近红外纸张水分及定量测量方法采用近红外在线测量技术，将特定波长的多束近红外光轮流照射到高速移动的纸张上，利用纸张的各种组份对近红外的不同的吸收特性，对收集到的带有不同吸收信息的近红外信号进行运算处理，得出定量和水分两个测量值。其中纸张定量和水分两个物理量的基本含义为：纸张定量：纸张单位面积的重量，用“m 2 ”表示；纸张水分：纸张组份中水分的含量，可称为湿度，用百分率表示。纸张的主要成份由三部分组成，即：纤维、填料、水分，其中填料由滑石粉、松香、颜料及其它化工原料合成，不同类的纸张其所含填料成份是不相同的。本论文基于近红外纸张水分及定量在线测量技术的工作流程如图1 1 所示，其特点是基于近红外技术实现纸张水分及定量的一体化检测，用一套系统对定量和水分两参数的在线检测；近红外在线检测技术改变了传统的分体检测模式，实现水分及定量一体化在线检测。可行性实验塑型堕剖被翼瓣行产现场动态试验卜一卜一样机制作确立数学模型算法初步l 确定测量l 精度图1 1 近红外线纸张水分及定量检测系统工作流程随着文化和信息产业的飞速发展，造纸业在全世界产业中的地位已经变得越来越重要，被列为国民经济十大支柱制造产业之一。纸与纸板的消费水平已经成为衡量一个国家现代化水平的重要标志之一。1 9 9 5 年，全球造纸工业的总销售额为2 6 0 0 亿美元，总资产为4 0 0 0 亿美元。根据联合国粮农组织( f a o ) 的统计，全球纸和纸板产量已由1 9 5 0 年的4 3 0 0 多万吨发展到1 9 9 8 年的3 0 1 亿吨。建国以来，经过十几年的发展，我国造纸业正处在从分散到集中的过程中，纸和纸板厂数量己从过去的4 万多家减少到目前的3 5 0 0 家，但集中度远远不够，我国的纸厂以不超过5 0 0 家为宜。过去那种能耗高、污染大、规模小的造纸正以前所未有的速度淘汰，大规模、节能型、污染负荷达标的纸机不断投产。3第一章绪论从2 0 0 1 年至2 0 0 5 年，中国新投产的纸机占世界新纸机之比例为5 4 ，2 0 0 6 年至2 0 0 7 年比例为6 0 【1 2 , 1 3 】。未来发展计划的重点在新闻纸、印刷、书写纸和包装纸，更多的低定量、高性能的产品将得到发展，低质量的非木纤维产品将被淘汰。随着控制理论和计算机技术的发展，制浆造纸工业的自动化也得到了较快发展【14 。国外对制浆过程计算机控制的研究始于上世纪六十年代末，在此期间，研究者建立了各种能适用于计算机控制的数学模型。七十年代初出现了以电子计算机为中心的对整个制浆过程进行控制的自动化系统。目前国外先进的间歇计算机控制系统一般都是由过程级、优化级和管理级三级组成，能对整个制浆过程的能源、原料、药液和产量进行优化、管理和控制。国外对回收过程的动态建模和控制方面的研究始于五六十年代，但至今建立的各种模型大多是过阻尼类的线性模型，很难解释多效蒸发系统的欠阻尼振荡现象，然而控制策略大多是采用p i d 反馈加前馈的传统控制方法，现代控制理论的应用还不成熟【1 5 , 1 6 】。国外对抄纸过程计算机控制的研究始于二十世纪五十年代末。美国于1 9 6 0 年最早实现了造纸过程计算机控制。美国的m e a s u r e x 公司和a c c u r a y 公司，以及德国的l i p p i k a公司，是当今世界造纸机水分及定量计算机控制系统最先进的三家公司，这三家公司已有商品化的计算机控制系统，它们的定量仪、水分仪、灰份仪、浓度仪、流量计、控制阀、扫描架和工业控制机都代表了当今世界的最高水平。它们的成套技术和实施技术也是最高水平的，模型和控制算法比较简单。纵观国内外自控技术的发展情况，我国自动控制技术的研究和应用水平还很欠缺，造纸过程控制更是如此。在国外被广泛重视和应用的单片机控制技术，模糊控制技术，神经元网络自动化技术在我国还处于刚起步阶段。我国造纸企业中，1 9 8 4 年7 月，国内第一套纸机水分及定量计算机控制系统在浙江嘉兴民丰造纸厂的1 号纸机上运行成功，取得了重大得经济效益，打破了外国垄断造纸机计算机控制系统的局面【l7 1 。目前国内某些公司已成功开发了s y q c s 3 0 0 0 增强型水分及定量控制系统、s y n c s 3 0 0 0 纸浆浓度控制系统、s y d c s 3 0 0 0 制浆造纸过程集散控制系统、s y w i s 3 0 0 0 在线纸张检测系统、s y n e t 3 0 0 0 制浆造纸企业网络监控系统等面向造纸行业自动化系列产品【1 8 】。1 9 5 0 年研制的第一代测量仪表，在纸张上的横向位置是固定的，因此只能得到纸张纵向的测量值【1 9 2 0 1 。这样得到的数据称为单点数据，只能对纸张纵向进行控制。第二代仪表是扫描式结构，安装在“o 型或“c 型架上，在纸张的横向上来回移动，由于4长安大学硕 学位论文纸张的运动速度比扫描仪快，所以扫描仪在纸张上扩展为“z 字型的测量( 图1 2 ) ，得到的数据称为扫描数据。对于一台新闻纸机，扫描仪从纸张的一端运动到另一端约需要4 0 秒，可以得到约4 0 0 个测量数据。图1 2 纸张的纵向运动和扫描仪的横向运动合成为在纸张上。z 一字型的扫描1 2 2 基本方法及存在的问题( 一) 基于近红外线纸张水分及定量测量的基本方法( 1 ) 称重法【10 1。这是一种古老的测量方法，测量周期长，误差大，但测量数据可靠。国内许多纸张生产厂家仍在使用此方法。其做法是，取一纸张样品，称其重量为形，然后烘干后再称其重量为职，应用下式可求出水分。实验室称重法的缺点是：操作复杂，时间长，不能实时地反映纸张水分含量。m = 【( 彬一) 彬】1 0 0 ( 1 1 )( 2 ) 电导水分法【1 0 】利用纸张的电阻系数随着水分的增加而变小，所以纸张的电阻值r 。与纸张的水分有一个函数关系。当纸张水分m 在0 2 5 范围内，其函数r 。( m ) 的起始斜率较大，测量误差就较小；当纸张水分m 增加时，r 。( m ) 的斜率急剧下降，测量误差较大，并且还受与水分无关的许多因素的影响，比如纸张中杂质的含量对于被测纸张电阻值的影响很大，甚至导致测不准水分。( 3 ) 在线测量法在工业生产中的薄片材料生产如纸张、涂层定量等的静态检测方法很多，但在生产过程中的动态检测方法却不多。用于在线测量片状材料水分含量或湿度( 以下称水分)的方法主要有两种，即微波方法和近红外方法。微波方法主要用于精度要求不高的场合，第一章绪论而近红外方法应用范围较宽，如纸张、薄膜、基片涂层等精度要求较高的场合。近红外技术在线检测水分及定量是8 0 年代发展起来的，它是利用水分对近红外光谱的吸收特性来比较计算物料的水分含量，因此所用的近红外光谱中测量波长及比较波长的选取很重要，其波长准确性及波长数量直接关系到测量精度。早期多为双光束，精度较低，稳定性较差。9 0 年代发展到多光束，精度和稳定性进一步提高。近几年发展到四光束智能化。目前国内有西安4 - - 5 家公司在生产该类产品，其产品差别在于精度和适用范围不等。近红外水分测量的原理利用水分吸收红外线以及通过纸张红外线能量的衰减与含水量多少的关系确定纸张中水分的。这种方法是选择两个红外线波长 和a ，其中一个波长红外线的能量被水分吸收，而另一个波长红外线的能量不被水分吸收。将两个波长的红外线通过纸张后的能量进行比较，其比值反映出纸张中水分含量。这种方法称为比值法，其测量结果不受外界影响，精度较高。近红外法具有连续、非接触、大面积测量等优点，且测量速度快，适用于工业流程中对水分及定量的在线监测。综合比较以上方法的特点并根据本实验室的研究条件，本文采用了近红外测量法进行对纸张水分及定量的在线检测研究。( 二) 基于近红外线纸张水分及定量测量技术存在的问题采用近红外线吸收法测量纸张水分及定量，无论采用何种结构，都是通过检测穿过纸张的透射光线或从纸张反射回来的红外光的能量来间接测量纸张水分含量的。检测器所检测到的光信号的性质，强弱及其所反映的水分信息多少，不仅受到纸张本身的红外光学特性影响，而且与水分测量所采用的原理，结构和设计参数有关，以及与测量环境条件和近红外水分及定量测量的现场安装条件有关。归纳起来，目前基于近红外线纸张水分及定量测量技术存在的主要问题有：( 1 ) 被测纸张差异即未解决好纸张填料测量问题。主要包括纸张定量、组份、纸张的结合紧密程度等变化的影响。是长期以来困扰各种纸张红外水分及定量测量的的主要难题之一。( 2 ) 环境条件，尤其是在线应用时环境条件变化的影响。这些环境条件有环境温度，纸张温度，环境杂散光，纸张静电干扰，空间电磁干扰等，尤其是在线测量中，纸张温度受环境温度影响大，且分布不均匀，无法动态测量，对纸张水分及定量测量影响大。6长安大学硕士学位论文( 3 ) 水分及定量测量在在线测量中，探测器上探头安装状况动态变化的影响。这是导致水分及定量测量的在线应用精度显著低于其实验室应用精度的主要原因之一。( 4 ) 未建立可行的纸张定量( 成份包括纤维、填料、水分) 与水分之间复杂关系的测量数学模型。( 5 ) 测量纸张定量的精度不能满足造纸生产在线检测的精度要求。( 6 ) 在运算模型上还仅限于将纸张中的纤维测量信号用于对水分百分率测量的补偿。由于被测物质的化学结构不同，纸张成份各异，以及所采用的基材料不同，在近红外线应用过程中，确定不同的被测物质与特定波长点光谱数据关系，设计相应的光路系统( 透射式或反射式) 和微处理器采集数据处理装置，建立近红外光强( 或n i r 吸收程度) 与被测纸张定量之间的关系，开发相应的数据处理技术，以及实现实时在线监控纸张水分及定量；以上就是基于近红外线纸张水分及定量测量技术研究亟待解决的问题。1 3 课题的来源和本文研究的主要内容及章节安排1 3 1 课题的来源来源于西安力源光电科技有限公司攻关项目“近红外涂层定量在线测量技术的研究”的子项目质量控制系统( q u a l i t yc o n t r o ls y s t e m ，q c s ) ，针对箱板纸3 6 0 0 1 5 0长网纸机( 具体技术参数见表1 1 ) ，研究基于近红外纸张水分及定量测量技术。这些测量关键技术包括研究了水分定量的测量原理；对纸张水分及定量传输特性深入研究，建立纸张水分及定量测量数学模型；提出控制方案，开发了上位机监控系统软件；通过设计的串口类，实现上位机与下位机的通信；实现对水分及定量数据的实时采集、储存、处理与显示，并对水分及定量进行实时在线设定控制。表1 13 6 0 0 1 5 0 纸机技术参数1 3 2 本文研究的主要内容及章节安排本论文以计算机在线无损检测为目的，研究了基于近红外纸张水分及定量测量技术，具体研究内容和章节安排如下：( 1 ) 绪论介绍基于近红外纸张水分及定量测量技术研究意义、内容及其发展，纸7第一章绪论张水分及定量测量方法和存在问题，基于近红外纸张水分及定量在线测量方法的研究现状、评价、存在问题及论文的主要内容。( 2 ) 近红外纸张水分及定量在线检测系统原理对纸张水分及定量的特性进行分析，设计近红外纸张水分及定量在线检测系统。介绍检测系统中水分红外传感器及光学特性和系统，深入分析近红外水分及定量测量原理，给出水分对红外线的吸收特性曲线。同时对水分及定量的测量的关键技术和特点进行论述。( 3 ) 近红外纸张水分及定量测量模型分析纸张水分及定量传输特性，应用实验室法、基于最小二乘法( 一次线性和二次曲线) 拟合分析、最d , - - 乘法的多元线性回归分析方法，建立水分及定量测量数学模型，最后通过m a t l a b 仿真验证曲线拟合模型和多元线性回归模型测量结果差异。( 4 ) 基于神经网络的近红外纸张水分及定量测量模型介绍误差反向传播神经网络( e r r o rb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k s ，b p 神经网络) 基本原理、学习算法公式推导、学习算法的步骤，b p 神经网络的构造与快速学习算法的选择。研究基于神经网络的近红外纸张水分及定量测量模型。( 5 ) 近红外纸张水分及定量监控系统的设计与实现介绍测量仪表工作原理、监控软件操作系统结构及软件功能，分析测量仪表数据采集和数据处理过程以及监控软件开发的关键技术，设计了上位机的串口通信程序，实现上位机与下位机的实时通信。最后给出监控软件调试运行通过后的结果视图，各主要功能都得到实现。( 6 ) 结论与展望对全文进行总结，得出结论，展望未来。长安大学硕上学位论文2 1 引言第二章近红外纸张水分及定量在线检测系统原理随着计算机技术和自动控制理论的发展，纸浆造纸工业的自动化也得到了较快发展。对于实现纸张检测系统中水分和定量控制的关键仪表之一纸张水分及定量测量仪，目前可供选用的先进技术很多，典型有各种型式的电容法，微波法和近红外线法。其中近红外线法测量方法是一种适应范围宽，测量精度较高，能适应的下限定量较低的在线纸张水分及定量测量方法。本章针对检测系统硬件部分，论述近红外纸张水分及定量检测系统总体分布框架和测量原理。分别对水分及定量特性以及传感器部件进行分析。2 2 近红外纸张水分及定量检测系统该系统主要由测量和控制两大部分组成，见图2 1 系统总体分布示意图。i 近红外水分及7 l 定量测量装置r s - 2 3 2计量仪表i培卟挂署上位机 二二一i榈明教互定量阀电气柜蒸汽阀控制部分测量部分图2 1 系统总体分布示意图( 一) 测量部分测量部分主要包括各种测量仪表及其辅助装置。测量仪表主要由近红外水分及定量测量，和其它各种通用过程测量仪表、生产消耗计量仪表等组成。辅助装置主要包括扫描架，其作用是拖动近红外水分及定量测量探头，使之在纸张的横向进行往复扫描。( 二) 控制部分控制部分采用由上位机和下位机组成的二级计算机控制结卡勾【2 1 1 。( 1 ) 上位机9第二章近红外纸张水分及定量在线检测系统原理上位机在近红外纸张水分及定量检测中主要起定时数据记录、在线监测与实时控制等作用，以个人计算机为中心的监控台，主要涉及人机界面的设计和实现，并储存着系统的各参数，完成控制算法，建有储存测量值的数据库。有关数据的存储、处理、显示、历史数据的查询、报表的打印等由上位机完成。( 2 ) 下位机以单片机微型控制器m c s 5 1 为核心构成的现场仪表，主要实现对检测仪表送来的信号进行实时采集、处理、运算、显示和声光报警并通过执行机构进行控制，该功能的实现分别由相应的软硬件来实现。此外下位机通过r s 2 3 2 进行信号隔离和转换，与上位机进行相应的信息传输。2 3 水分及定量特性分析在制浆造纸过程中，造纸机是最复杂的设备。一般从两个方向来判断纸张的质量：纵向( m a c h i n e d i r e c t i o n ，m d ) ，即生产过程中纸张运动的方向；横i f i ( c r o s s d i r e c t i o n ，c d ) ，即横跨造纸机的方 占j 1 2 2 , 2 3 】。通常，纵向波动主要来自流浆箱以前的干扰和脉动，纸张的纵向( 纸张运动方向) 也是变化的( 见图2 2 ) ；而横向波动一般受流浆箱内流动特性的影响，而且横向的变化迟于纵向的变化，纸张的横向分布也是不均匀的( 见图2 3 )。设定值+ 51 0- 5。八厂l、一j 、，( 基线为目标值)设定值+ 4+ 21 02- 4一厂、八厂，v，v 、一纸张幅宽( 基线为全幅的平均值)图2 2 纸张的纵向趋势图图2 3 纸张的横向分布图在线测量纸张的两个重要质量指标：定量，即单位面积的纸张重量；水分，用相对于定量的百分数表示。一般，通过射线仪测量穿过纸张以后的脚线强度来测量定量；通过检测波长为1 9 4 p m 的红外线被纸张吸收的程度来测量水分。射线仪的输出是包含纸张水分在内的湿定量。这两个指标不仅反映纸张质量，同时也影响经济效益。近红外纸张水分及定量测量技术克服了传统的同位素定量仪对周围环境造成放射性污染，危害人体健康的缺点。传感器测量面积大，对纸张水分及定量两个参数的测量l o长安大学硕上学位论文均采用多光束测量技术，可以克服色差变化、环境因素变化对测量精度的影响。2 3 1 定量波动的影响因素【2 4 】影响纸张定量波动因素有：纵向定量波动和横向定量波动。纸张纵向波动是指沿纸张运动方向的定量波动。其原因有：( 1 ) 成浆浓度波动成浆是指原浆经过打浆、配浆后进入成浆池成为可以抄纸的浆料。影响成浆浓度的因素主要是由中浆浓度的波动和加水量引起的。在纸机浆池前面安装浓度自动调节器，保证操作稳定浓度。对各种浆池都安装有浓度计，电动阀安装在白水管道上，调节水量。一般要把中浓度浆料的浓度稳定在2 1 左右。( 2 ) 上浆量的波动由成浆池送往网前箱的浆量，可以通过调浆箱内的溢流格将多余的浆料溢流回成浆池，大部分浆料通过料门稳定地流向纸机网部。( 3 ) 纸机速度的变化调浆箱来的浆料一定时，纸机的速度变化会造成纸张定量的增加或减少。纸机正常运行时，可以认为车速是比较稳定的，即车速对纸机定量的影响不予考虑。纸张横向定量波动是指垂直于纸机运行方向的定量波动。其原因是由纸机设备所引起的。如流浆箱内沿纸幅各点纸料、流速不均匀，纸料在上网时沿纸幅各点喷浆量不均等。2 3 2 影响水分波动的因素纸张水分由进入烘缸的蒸汽压力而定，蒸汽压力过高，烘缸温度偏高，水分偏低。影响纸的水分的因素有：真空吸水、压榨脱水和烘缸干燥等。纸机正常运行时，真空吸水、压榨脱水基本稳定( 变化不大) ，而烘缸干燥部由于蒸汽压力波动很大对纸水分影响较大。纸机的铜网和毛布不断磨损变旧，纸浆打浆度变化以及环境和湿度的变化对脱水过程都有影响。2 4 水分传感器水分传感器主要由两部分组成，一部分是近红外光的光学调理，一部分是近红外愀t z s - 2 r l 。在线一体化近红外水分及定量测量，利用物质在近红外光吸收特性选用五组不同波长的近红外光通过检测其通过纸张的衰减而计算出水分及定量值。1 l第二章近红外纸张水分及定量在线检测系统原理2 4 1 纸张的光学特性在显微镜下，可以看出，纸张由团混杂有水和其它有色杂质的纤维素纤维缠绕而成。当一束光线照射到纸张上时，可产生四种情况：反射、透射、散射与吸收例( 如图2 4 所示) 。反射透射散射吸收图2 4 纸张的光学特性本文选用光的透射原理进行测量分析，透射是指照在纸张上且透过纸张的部分光线，透射量取决于纸张对入射光的不透明性( 在可见光范围内，称为不透明度) 。光的散射是光在纸张内多重折射、反射的综合，通常纤维是无色的。纸张的横截面可看作一团缠绕的并含有其它有色杂质的纤维。散射量取决于纸张内纤维及填料、添加剂等的折射系数以及由一种折射率材料到另一种折射率材料变射的次数，对一定厚度材料散射的数量称为散射系数。由于纸张内部结构的不规则及组份分布的随机性，纸张的反射、透射、散射和吸收过程复杂，使得纸张是一种几乎不透明的强散射物质。由于这种复杂的光学过程，给近红外测量纸张水分及定量带来一定的困难。2 4 2 水分及定量测量的光学系统( 一) 光束调制与跟踪图( a ) 透射式光学原理1 2图( b )光栅上滤光片长安大学硕r 上学位论文凹面反光镜被测物图( c )反射式光学原理图2 5 近红外检测光学原理如图2 5 近红外检测光学原理( a ) 、( c ) 所示，带有滤光片的光栅位于光路中部，图( b ) 是从光源侧看光栅上滤光片的排列2 9 3 3 】。其中m 是测量光滤片，透过1 9 4 h m窄带光。r 是参比滤光片，透过1 8 u m 窄带光。v 是测量可见光滤片，光带位于黄光波段。设置可见光光束为了给出直观视觉，可随时观察光脉冲闪动。为了对尺7 、m 、v ，、尺、m 五束光脉冲信号跟踪，其尺7 、m 、v ，、r 、m 分别为水分参比、水分测量、定量参比、纤维测量、填料测量五路信号，在光栅上设置了一组投射带，如图( b ) 所示。在光栅边缘附近的支架上有一组半导体近红外线探测器对准光栅上的投射带，探测器发出的光只有遇到光栅上的投射带时才能投射至接收器上，产生一个光电脉冲，按透光带所标的时序r7 、m 、y 7 、尺、m 跟踪光路各光束产生的脉动信号，予以同步和定位。通过示波器屏看到的五束光路交替及同步定位信号如图2 6 所示。( 二) 光学系统图2 6 光束信号和同步跟踪信号第二章近红外纸张水分及定量在线检测系统原理近红外纸张水分及定量测量的光学系统示意图如图2 7 所示 3 4 3 6 。l 光源2 反射镜3 、5 、6 透镜4 光栅7 、8 上下半积分球9 被测纸样l o 半球透镜1 1 光锥1 2 探测器图2 7 近红外水分仪光学系统示意图由光源1 发出的近红外光经透镜3 形成平行光束，该光束由同步电机所带动的光栅4 上的五片滤光片调制，产生有一定时差的1 8 p m 和1 9 4 9 m 两束光线，通过透镜5 和透镜6 以平行光束射向被测纸表面9 ，透过纸张的投射光被透镜1 0 会聚于探测器1 2 。入射于纸张表面的部分辐射光被反射，这五路反射能量通过上半积分球7 ，多次透射和反射，并通过纸张进入下半积分球8 。这五路透射近红外光经下半积分球多次透射、反射后，由半球透镜1 0 接受，并由锥形反射腔1 1 传递至敏感光元件p b s 探测器1 2 。发射光源采用高级石英卤钨灯。凹面镜2 用于反射光源，提高光能利用率。在透镜3 和透镜5 之间的平行光束插入光栅对光源进行波长调制。光栅上开有与两个滤光片相对应的斩光槽，同步光源被斩光槽切割后，交替照射到五个光敏三极管上，产生与背景、水分参比、水分测量、定量参比、纤维测量、填料测量信号完全同步的五个控制信号，放大后直接进行v f 转换，因此，减少了在传输中的干扰( 电压信号) 。使用积分球有以下几个原因：( 1 ) 增加仪器的灵敏度。由五路光束通过纸张后，光强度衰减，其入射与出射光强符合l a m b e r t b e e r 定律：i = 厶e - ( c k d ( 2 1 )式中，、厶为出射光强、入射光强；c 为纸张浓度；七为吸收系数；d 为纸张厚度。对( 2 1 ) 式两边取对数并整理得：1 4长安大学硕士学位论文c = 一击m 毒，对，求导，得：塑：一d k d c( 2 2 )o由( 2 2 ) 式可知，仪器对水分、纤维、填料的灵敏度与仪器的分辨率成正比。而对每台仪器其分辨率( d i ，o ) 是固定的。因此当待测纸张的水分、纤维、填料含量变化不大，或者待测纸张很薄时，仪器将无法分辨，为解决此问题，可以让光线多次通过同一纸张，使水分、纤维、填料对光强的吸收增大。用数学方法表示：d c ：一j 一坐( 2 3 )= 一l z jj刀x k 厶可以使仪器的灵敏度提高，2 倍，使用积分球实现这一目的。( 2 ) 消除纸张抖动带来的干扰。积分球使光线在球体内混合均匀，而纸张在球体内的抖动并不会引起光强的变化，可以消除抖动带来的干扰，同时也去除纸张不均匀带来的影响。( 3 ) 提高光能利用率。光学系统采用的双半积分球结构具有多次透反射式光学系统性能；光在积分球内的泄露损失是通过两半球之间的间隙及入射光孔两部分的损失。2 4 3 水分及定量测量的红外传感器系统红外辐射俗称红外线，一种人眼看不见的光线。任何物体，只要温度高于绝对零度就有红外线向周围空间辐射。红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称红外线。其波长范围大致在0 7 5 - 1 0 0 0 9 m 的频谱范围之内，相对应的频率大致在4 1 0 - - - 3 1 0 h z 之间。在红外技术中，一般将红外辐射分成四个区域，近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。此处所说的远近指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离【3 7 3 9 1 。近红外传感器( 也称近红外探测器) 是将近红外辐射能转化成电能的光敏器件，用来测物体辐射的近红外线。它分为热电型和量子型两类。其两类传感器在性能和工作原理都有差异。热电型近红外光敏器件灵敏度低，响应慢，但有较宽的近红外波长响应范围，且廉价。一般用于温度的测量及自动控制。量子型近红外光敏器件可直接把近红外光能转化成电能。这种器件灵敏度高、响应快，但其近红外波长响应范围窄，有的还需要在低温下才能使用。因此，我们采用量子型近红外传感器。l5第二章近红外纸张水分及定量在线检测系统原理2 4 4p b s 近红外光敏元件p b s 近红外光敏元件其结构如图2 8 所示1 2 4 1 。它先在玻璃基板上制成金电极，然后蒸镀p b s 薄膜，再引出电极线即成。为了防止p b s 氧化，一般将p b s 光敏元件封入真空容器中，并用玻璃或蓝宝石做光窗。线图2 8p b s 红外光敏元件结构图p b s 近红外光敏元件对近红外光到3 9 m 红外光有较高灵敏度，可在室温下工作。当近红外光照射在p b s 光敏元件上时，因光电导效应，p b s 光敏元件的阻值发生变化，电阻的变化引起p b s 光敏元件两电极间电压的变化。2 4 5 近红外水分及定量测量的优缺点近红外水分及定量测量，由于采用了多参比、多光束测量技术，并且测量波长和参比波长的光源光路传感器和转换部分的电子线路相同，以及采用了自动补偿技术，和无需冷却水致冷的结构设计，提高了稳定性，且消除了纸毛、定量、灰尘、空气中的水分等环境因素对测量的影响，从而提高了测量的精度。但是，由于光学电路上调制滤光栅旋转带来的“时间差 使其测量光束和参比光束大部分重合，但有- d , 部分不重合，会造成一定的误差；在水分变化较大时，由于采样跟踪调节需一定时间过程，致使系统响应略有滞后；对于在线动态近红外纸张水分及定量测量来说，这两方面的问题是必然存在的，但可以通过光学技术及数据处理技术尽可能减小这方面引起的误差，以满足实际使用的需要。2 5 近