基于太赫兹技术的纸页厚度检测方法

发布时间：2020-11-11 00:09

　　 造纸业的发展对于国家经济建设和人们生活福祉方面产生重要影响。厚度参数是纸质量问题的主要指标,将纸页厚度控制在合理可控的范围内是保证纸的其他性能需求的首要条件。太赫兹(Terahertz,THz)技术是近年来新兴的技术,它的波段介于电磁波和红外波之间,它的很多特殊性质使得太赫兹技术在物质识别、定量检测及环境监控等领域被广泛研究。本文研究了基于太赫兹光谱技术的纸页厚度检测,建立了纸页与太赫兹波相互作用的理论模型,并分别采用基于实验数据和理论模型的方法实现纸页厚度检测,取得了较好的结果,本文的主要研究工作和成果如下:1、介绍了纸页厚度在线检测和太赫兹技术发展的的现状,阐明了本课题的研究意义。并从太赫兹产生和探测原理、太赫兹时域光谱系统以及本文采用的透射式太赫兹系统三个方面详细介绍了太赫兹时域光谱技术。2、建立纸页与太赫兹信号相互作用的理论模型。基于菲涅尔公式,考虑多重反射的影响,建立了太赫兹与纸页相互作用的透射模型,并根据太赫兹透射模型进行仿真,研究纸页太赫兹信号的不同特征(时域信号和频域信号)与纸页厚度之间的关系,为基于太赫兹技术实现纸页厚度检测提供理论指导,证明基于太赫兹技术实现纸页厚度定量检测的可行性。3、研究了基于太赫兹实验数据进行纸页厚度检测的方法。首先利用太赫兹时域光谱技术测量纸页的太赫兹光谱,分别提取时域和频域特征建立纸页厚度检测的定量模型,并将数据特征进行比较,结果表明频域相位谱具有较好的预测结果,为了进一步提高检测的准确性,提出了利用粒子群算法(BPSO)和偏最小二乘(PLS)结合的智能算法,筛选纸页的相位信息并建立纸页厚度模型并对纸页厚度参数进行预测,并与常用的建模方法做对比,包括PLS和最优单频线性回归法,结果表明BPSO-PLS方法提高了纸页厚度预测的准确性。考虑到仅采用相位谱进行厚度预测,丢失了幅值谱中的信息,因此进一步研究了融合幅值谱和相位谱进行纸页厚度检测的方法,并将集合经验模态分解(EEMD)和多维偏最小二乘(NPLS)结合,其中EEMD分解提取主要信号并去噪处理,N-PLS法建立纸页的幅值和相位信息与纸页厚度的关系。研究结果表明通过融合纸页的幅值谱和相位谱可以进一步提高纸页厚度预测的准确性。4、研究了基于太赫兹理论模型进行纸页厚度参数检测的方法,给出了此方法的工作机理,将纸页的太赫兹实验信号作为优化目标,以A160和A80纸页为例,利用研究内容2建立的理论模型,不断修改模型的输入参数,最终使得理论模型输出的结果与实验检测结果一致,进行参数调整时选择Nelder-Mead算法优化理论,最终实现纸页厚度的参数提取。结果表明基于太赫兹理论模型可以很好的实现纸页厚度检测,且此方法仅需要一次实验即可准确实现纸页厚度检测的优势。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O441;TS77
【部分图文】：

1图 1-1 中国纸生产量和消费量 10 年间变化图re 1-1 Paper production and consumption structure of China over the last 10012 年开始，纸生产量和消费量虽在增长，可增长速度一直在率为 0.91%，造纸业遇到行业天花板是必然，这意味着造纸业

硕士学位论文区域之间。它既不是远红外区，也不是微波区，而是全新且特殊的一段电磁。位于太赫兹波的两侧的其他电磁辐射(微波、红外、X-射线、 -射线)早已研究和应用，太赫兹波段对于人们来说，尚未得到充分的认识和开发利用兹波既有光的特性，又有波的特性。但电子学与光学的差异很大，两种电磁波源工作方式不同，与物质的相互作用也不同，太赫兹波处于这两个研究领交叉部分，该波段也被称为“太赫兹空隙”(THzgap)。由于太赫兹的特殊位置赫兹被认为是具有电子学和光子学的综合特性[27-29]。这也促使人们加速对太频段的光谱特性研究。

图 2-1 光电导天线发射太赫兹脉冲原理图Figure 2-1 Schematic of THz pulse thought photoconductive antenn光导材料激发太赫兹信号的过程中，发射源可被人们比作密度 J ( t )为：( ) ( ) bJ t N t e E 表示半导体中的电流密度，N(t)表示光生电子的密度，示电子迁移率，bE 表示偏置电场的电场强度。的作用下，根据 Maxwell 公式可知，向外辐射的太赫兹波2 20 01 ( ) ( )4 4 THz bA J t Ae N tE Ec z t c z t测点到天线的直线距离，c 是真空光速，0 为自由空间体的表面积。常用产生太赫兹辐射的方法是光整流，这种方法激发太赫
【参考文献】

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本文编号：2878491