專利名稱：監(jiān)測(cè)在表面上粘合劑用量和分布的在線方法及其可用的裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及采用紫外熒光監(jiān)測(cè)在表面上的粘合劑，具體地涉及基于異氰酸酯的粘合劑的用量和分布的方法，還涉及其使用的裝置。
各種粘合劑已用于生產(chǎn)工程復(fù)合材料，如定向木質(zhì)束板。合適的粘合劑包括酚醛樹脂和異氰酸酯，具體是聚合的二苯甲烷二異氰酸酯(PMDI)。在生產(chǎn)這樣的工程復(fù)合材料時(shí)，通常粘合劑涂到如木纖維、木質(zhì)束，木片或某些其他以木質(zhì)纖維素為基材之類的材料上。理想地，粘合劑施用量(用量)可以足以覆蓋100％木纖維、木質(zhì)束等的100％表面(分布)。在許多工業(yè)方法中，使用過量的粘合劑以保證充分分布。還使用比必要混合時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間，以保證粘合劑充分分布，使得不會(huì)因不充分粘合而在復(fù)合材料中出現(xiàn)疵點(diǎn)。這種使用過量粘合劑和延長(zhǎng)混合時(shí)間的方法大大增加了工程復(fù)合材料的生產(chǎn)成本。
因此，研制一種在復(fù)合材料生產(chǎn)過程中足夠精確測(cè)定粘合劑用量和分布，又不必使用過量的粘合劑和延長(zhǎng)混合時(shí)間的方法是有利的。
試圖改進(jìn)復(fù)合材料生產(chǎn)的人們已經(jīng)研究了進(jìn)行這種測(cè)定的光譜方法。Frazier和Wendler研究過粘合復(fù)合材料的固體NMR特征，研究結(jié)果登載于1994年6月26-29日在緬因州波特蘭舉行的林產(chǎn)品學(xué)會(huì)第48屆年會(huì)的“pMDI粘合纖維素復(fù)合材料的15N CP/MAS NMR分析”中。Sun等人試圖把熒光強(qiáng)度的變化與通過監(jiān)測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生反應(yīng)期間異氰酸酯基團(tuán)消失所得到的FTIR譜聯(lián)系起來(lái)。(參見Sun等人，材料科學(xué)研究所，Storrs Report TR-38-ONR，康涅狄格大學(xué)(1994年))。
紫外吸收和熒光光譜技術(shù)也是曾用來(lái)評(píng)價(jià)它們?cè)诒O(jiān)測(cè)尿烷生成反應(yīng)中實(shí)用性技術(shù)。但是，直到現(xiàn)在，采用這樣的紫外光譜技術(shù)的方法還不能提供當(dāng)生產(chǎn)復(fù)合材料時(shí)復(fù)合材料的實(shí)時(shí)宏觀成象。
例如，F(xiàn).Kamke在“木基復(fù)合材料計(jì)劃年度報(bào)告”(1994年6月1日-1995年5月31日)中報(bào)道的是微觀研究木質(zhì)束上聚合MDI樹脂分布的紫外熒光成象。Kamke闡述了因?yàn)榫酆螹DI熒光非常微弱，所以為了降低噪聲水平，采用非常強(qiáng)的紫外光源(特別地，100瓦汞蒸汽燈)和許多圖像幀的信號(hào)平均值是很必要的。盡管降低噪聲水平的信號(hào)平均值對(duì)于固定樣品很有用，但當(dāng)被評(píng)價(jià)的材料在傳送帶上移動(dòng)，并且視頻圖像經(jīng)常變化時(shí)，它就不怎么有用了。因?yàn)闃悠烽g變化可能性非常大，對(duì)于監(jiān)測(cè)工業(yè)生產(chǎn)過程，微觀評(píng)價(jià)材料也是不實(shí)用的。因此，Kamke方法并不實(shí)用于監(jiān)測(cè)復(fù)合材料生產(chǎn)的工業(yè)過程。
在美國(guó)專利4,885,254中，Yu等人報(bào)道了一種使用二異氰酸亞萘酯作為監(jiān)測(cè)聚氨酯中固化反應(yīng)的分子傳感器技術(shù)。Yu等人把熒光強(qiáng)度與1，5-萘基二異氰酸酯同正丁醇之間總反應(yīng)程度關(guān)聯(lián)起來(lái)。通過使用HPLC鑒定在尿烷生成反應(yīng)過程中存在的各個(gè)物質(zhì)可確定這一相關(guān)性，它可采用IR光譜證實(shí)。然后，獲得這些物質(zhì)的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜。當(dāng)二異氰酸萘酯反應(yīng)生成單尿烷和二尿烷時(shí)，可以觀察到紫外-可見光譜位移。通過線性回歸分析可以測(cè)定在一定時(shí)間內(nèi)每種物質(zhì)的分?jǐn)?shù)。由紫外光譜分析可計(jì)算出反應(yīng)程度。由紫外光譜分析建立了一種在試驗(yàn)測(cè)定在357納米的熒光強(qiáng)度與計(jì)算總反應(yīng)程度之間的相關(guān)性。
美國(guó)專利5,100,802公開了一種樹脂體系固化速率和程度的測(cè)量方法，其中待聚合的體系中加入熒光染料。
美國(guó)專利4,922,113公開了一種檢查涂層重量、均勻度和表面缺陷的方法，其中涂料組合物中含有吸收輻射能的UV-escer?？商綔y(cè)到涂層所發(fā)出的輻射能，其波長(zhǎng)與UV-escer發(fā)射能量的波長(zhǎng)相同，并且與預(yù)-確定的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)。
美國(guó)專利4,651,011公開了一種測(cè)定聚合物固化程度的方法。在該方法中，可采用熒光測(cè)量熒光孢子的方法測(cè)定加入聚合物系統(tǒng)的熒光孢子的自由空間旋轉(zhuǎn)度。
但是，迄今為止，還沒有研制出任何一種在復(fù)合材料實(shí)際生產(chǎn)過程中測(cè)定粘合劑用量，特別是基于異氰酸酯的粘合劑用量和分布的方法，該方法不加入一些類型的“標(biāo)記物”，如染料、熒光孢子或UV-escer。
本發(fā)明的目的還是提供一種在生成復(fù)合材料的材料例如在傳送帶上移動(dòng)時(shí)測(cè)定粘合劑用量和分布的設(shè)備。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供在由生成復(fù)合材料的材料制成復(fù)合材料過程中精確測(cè)定粘合劑用量和分布的設(shè)備，該生成復(fù)合材料的材料不包括標(biāo)記材料，如UV-escer、熒光孢子或染料。
本發(fā)明的另一目的是提供一種在線監(jiān)控方法，該方法能夠高準(zhǔn)確度探測(cè)粘合劑用量和分布，盡管待監(jiān)測(cè)的材料不是固定不動(dòng)的。
當(dāng)生成復(fù)合材料的材料通過裝有合適濾光片的視頻攝像機(jī)的視野時(shí)，生成復(fù)合材料的材料受到長(zhǎng)波紫外輻射的照射，使粘合劑分子充分激發(fā)而誘發(fā)出熒光和發(fā)射可見光輻射，于是可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明這些目的和其他目的，這些目的對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。視頻攝像機(jī)定位于能接收由粘合劑分子發(fā)出的可見熒光的位置。該視頻攝像機(jī)與一種裝置連接起來(lái)，該裝置能夠把收集的可見熒光與預(yù)確定的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)起來(lái)，例如有適當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的編程計(jì)算機(jī)。
圖2是粘合劑復(fù)合材料中聚合MDI(即聚苯基聚亞甲基聚異氰酸酯)的色譜分析復(fù)制圖，該粘合劑組合物用于涂布圖3-7中顯示的木質(zhì)束圖像。使用Hewlett Packard公司的size exclusion色譜儀得到這些色譜圖，該色譜儀帶有紫外吸收和紫外熒光雙檢測(cè)器。
圖3是涂有0％聚合MDI木質(zhì)束的紫外熒光圖像的假彩色圖像。
圖4是涂有2％聚合MDI木質(zhì)束的紫外熒光圖像的假彩色圖像。
圖5是涂有4％聚合MDI木質(zhì)束的紫外熒光圖像的假彩色圖像。
圖6是涂有6％聚合MDI木質(zhì)束的紫外熒光圖像的假彩色圖像。
圖7是涂有8％聚合MDI木質(zhì)束的紫外熒光圖像的假彩色圖像。
圖8是一套用于形成圖3-7中假彩色圖像的單色圖像頻分布曲線，在該曲線中，Y為每一亮度水平的圖像元素或像素族的數(shù)，亮度的灰度等級(jí)為0-255，X軸為亮度或灰度等級(jí)水平。
圖9是基于單色圖像平均亮度的預(yù)期粘合劑用量的線性回歸，它用于將圖3-7中的假彩色圖像得到實(shí)際的粘合劑用量。


圖10是濾光器“夾心結(jié)構(gòu)”中使用的濾光器透射譜復(fù)制圖，在熒光波通過透鏡和視頻攝像機(jī)之前通過該“夾心結(jié)構(gòu)”。
圖11是聚合MDI木粘合劑和木腐的紫外熒光的二維等高線圖。
圖12是通過使用消除圖像中木腐熒光的藍(lán)帶通濾光器得到的，涂有5％聚合MDI木質(zhì)束的紫外熒光圖像的單色圖像。
圖13是用彩色攝像機(jī)獲得的涂有5％聚合MDI木質(zhì)束的真彩色圖像。
圖14是掩蓋掉木腐的圖13的圖像。
本發(fā)明的詳細(xì)說明本發(fā)明涉及在復(fù)合材料的生產(chǎn)過程中，粘合劑，具體地基于異氰酸酯的粘合劑的用量和分布的在線監(jiān)控方法，并涉及該方法使用的裝置。
本發(fā)明的裝置由長(zhǎng)波紫外輻射源、一個(gè)濾光器或一組濾光器、透鏡、視頻攝像機(jī)和將由樣品收集到的紫外熒光數(shù)據(jù)與該樣品中粘合劑的用量和分布關(guān)聯(lián)起來(lái)的設(shè)備構(gòu)成。本發(fā)明裝置的這些組件典型地如圖1排列。
如圖1所示，由發(fā)射長(zhǎng)紫外波燈2發(fā)出的長(zhǎng)波紫外輻射1(即波長(zhǎng)為300-400毫微米的電磁輻射或光)，以這樣一種方式指向樣品3(即生成復(fù)合材料的材料或基體)，以致只是來(lái)自紫外光源，即燈2的光照射樣品3，并且紫外輻射1的光通量密度通過樣品3表面是固定不變的。樣品3中的粘合劑分子吸收由燈2發(fā)射的紫外輻射1和熒光，或者其粘合劑分子發(fā)射可見光輻射4(特征波長(zhǎng)為400-700的光)。
由樣品3中發(fā)熒光的粘合劑發(fā)出的可見光輻射4在通過濾光片5和透鏡6后被視頻攝像機(jī)7成像。如圖1所示的濾光片5是“夾層結(jié)構(gòu)”，它由三個(gè)單獨(dú)的濾光片構(gòu)成。第一個(gè)濾光片5a(即最靠近樣品的濾光片)是紫外阻擋濾光片。第二個(gè)濾光片5b(或次接近樣品3的濾光片)是在藍(lán)頻譜中有截止點(diǎn)的寬帶通濾光片。第三個(gè)濾光片5c(或者最接近視頻攝像機(jī)7的濾光片)是可見光帶通濾光片。
視頻攝像機(jī)7可以是單色或彩色視頻攝相機(jī)。如果使用的是單色視頻攝相機(jī)，如此選擇濾光片5中可見光帶通濾光片5c的波長(zhǎng)，以致只是讓粘合劑熒光那些特定波長(zhǎng)通過。實(shí)際上，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)彩色視頻攝相機(jī)更為通用，特別是在其他可能發(fā)射熒光的材料(例如蠟、脫模劑、防腐劑和木腐)發(fā)生干擾的情況下。當(dāng)使用彩色視頻攝相機(jī)作為攝相機(jī)7時(shí)，可不使用濾光片5中可見光帶通濾光片5c，寬帶通濾光片5b可用于阻擋任何小于435毫微米的波長(zhǎng)。彩色和單色視頻攝相機(jī)通常都裝有內(nèi)部的近紅外阻擋濾光片(未顯示)。近紅外阻擋濾光片對(duì)于消除任何紫外光源2發(fā)射的近紅外射線是必要的。
在圖1中，濾光片5直接安裝在透鏡6上。但是，濾光片5和透鏡6以物理方法相連或貼上是不必要的。濾光片5和透鏡6的相對(duì)位置還可以反過來(lái)。安排濾光片5和透鏡6的位置，僅能使穿過濾光片5和透鏡6的可見光輻射4在照相機(jī)7上成像就足夠了。
紫外光源2、濾光片5、透鏡6和攝相機(jī)7定位于圖1所示裝置中的外殼8內(nèi)。如圖所示，外殼8底部開口，使紫外光輻射1由紫外光源2到樣品3，可見光輻射4由樣品3到濾光片5。外殼8還防止外部光照射樣品3和/或通過濾光片5。外殼8是優(yōu)選的，但并不是本發(fā)明裝置的基本特點(diǎn)。
由視頻攝相機(jī)7捕獲的圖像通過一條或多條視頻線9傳遞到圖像處理硬件10。圖像處理硬件10典型地是裝有高速視頻楨捕獲板(未顯示)和能進(jìn)行圖像分析軟件的計(jì)算機(jī)。當(dāng)使用單色視頻攝相機(jī)7時(shí)，圖像分析軟件增強(qiáng)了樣品3的熒光粘合劑與不發(fā)射熒光背景之間的對(duì)比度，計(jì)算出基于平均圖像強(qiáng)度的粘合劑用量，顯示出呈假彩色圖像的圖像。通過單色圖像的灰度等級(jí)轉(zhuǎn)換成如圖3-7顯示的彩色調(diào)色板，產(chǎn)生假彩色圖像，使用的彩色調(diào)色板顯示為沿著圖像底部由低到高、由左到右的帶狀。
當(dāng)使用彩色視頻攝相機(jī)7時(shí)，為了將粘合劑與任何其他干擾熒光的材料區(qū)別開，圖像分析軟件分別地分析紅、綠和藍(lán)色各個(gè)圖像，計(jì)算粘合劑用量，并顯示粘合劑分布。
然后在顯示器11上顯示測(cè)定的粘合劑用量和分布水平，打印或轉(zhuǎn)換成相似信號(hào)，以便輸出給其他儀器。結(jié)果可以呈真實(shí)熒光彩色的樣品圖像形式，或帶反映粘合劑用量調(diào)色板的假彩色圖像形式。
在實(shí)際生產(chǎn)條件下，樣品3典型地在傳送帶上，傳送帶以約5-30英尺/分鐘的速度移動(dòng)。視頻攝相機(jī)7的視野可通過變焦距透鏡6進(jìn)行調(diào)整。視野通常設(shè)定為在攝相機(jī)7的正下方，覆蓋紫外光源2均勻地照射的最大區(qū)域，優(yōu)選地是2英尺長(zhǎng)、1.5英尺寬的區(qū)域。例如在30英尺/分鐘的條件下，視頻攝相機(jī)7使復(fù)合材料3成像，完全移出照相機(jī)7視野，需花3秒鐘。這一時(shí)間幀比圖像分析軟件分析粘合劑用量和分布圖像，并顯示其分析結(jié)果所需要的時(shí)間幀更長(zhǎng)。因此，使用本發(fā)明的裝置可以達(dá)到連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控復(fù)合材料的生產(chǎn)過程。
長(zhǎng)波紫外輻射源2可以是任何發(fā)射長(zhǎng)波紫外輻射的設(shè)備，即發(fā)射波長(zhǎng)300-410毫微米，優(yōu)選地波長(zhǎng)300-400毫微米輻射的設(shè)備。合適的紫外輻射源實(shí)例包括帶有汞蒸汽燈泡的燈，它有長(zhǎng)波紫外濾光片，以及有長(zhǎng)波紫外熒光燈泡的燈，例如General Electric(通用電氣公司)的紫外燈泡，如燈泡F40T12/BLB(可從俄亥俄州克利夫蘭的GELighting公司購(gòu)買)。
雖然在本發(fā)明裝置中只使用一個(gè)紫外燈作為紫外光源是可能的，但優(yōu)選的是該裝置可有一個(gè)以上的紫外燈。特別優(yōu)選的是本發(fā)明監(jiān)測(cè)裝置中包括8-20個(gè)，最優(yōu)選地約14個(gè)燈，以保證均勻地照射待監(jiān)測(cè)樣品表面。
在圖1所示的本發(fā)明實(shí)施方案中，14個(gè)40瓦熒光紫外長(zhǎng)波燈泡距中心1.75英寸，每個(gè)燈泡長(zhǎng)48英寸(GE F40T12/BLB)。GE F40 T12/BLB燈泡的濾紫外光玻璃的透射頻譜示于圖10曲線A。GE燈泡中使用的磷發(fā)射頻譜中心在360毫微米。GE紫外熒光燈泡的發(fā)射頻譜符合如圖10在300-400毫微米之間所顯示的頻譜中的曲線A。
生成復(fù)合材料的材料3可由任何材料組成，特別地木素纖維素材料，這些材料已知是用于生產(chǎn)涂了粘合劑，優(yōu)選地基于異氰酸酯的粘合劑的復(fù)合材料。合適的生成復(fù)合材料的材料實(shí)例包括木、木纖維、樹皮、軟木、甘蔗桿、亞麻、竹子、西班牙草、稻殼、劍麻纖維和椰子纖維。已知作為定向膠合板(“OSB”)的工程木材生產(chǎn)中使用的木質(zhì)束、刨花和碎片是特別優(yōu)選的。木質(zhì)束、碎片和刨花的大小可以是0.03”×0.18”×2.0”至0.12”×2.0”×28.0”。優(yōu)選的尺寸是0.03”×1.0”×16”至0.12”×2.0”×24”，最優(yōu)選的尺寸是0.03”×0.75”×3.0”至0.12”×2.0”×24”。當(dāng)這些木質(zhì)纖維素材料用于生產(chǎn)復(fù)合材料時(shí)，其水分含量以材料總重量計(jì)可以是約0.5-30％(重量)，優(yōu)選地是約3-8％(重量)。
已知用于生產(chǎn)復(fù)合材料制品的任何含有熒光組分的粘合劑組合物，都可以用于根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)復(fù)合制品。這樣一些已知粘合劑包括異氰酸酯。優(yōu)選的粘合劑組合物是聚亞苯基聚亞甲基聚異氰酸酯(“聚合MDI”)，它們含有更高分子量的低聚物(即有四個(gè)以上環(huán)的低聚物)，這些低聚物有固有的熒光，因此不需要向粘合劑組合物添加熒光劑。粘合劑應(yīng)該含有最少35％(重量)帶四個(gè)以上環(huán)的低聚物。
圖2A和2B是實(shí)施例中使用的聚合MDI的色譜分析顯示圖。使用Hewlett Packard公司的size exclusion色譜儀(1090M型)得到這些色譜圖，該色譜儀帶有雙紫外吸收和紫外熒光檢測(cè)器。在圖2A中出現(xiàn)在26-36分鐘之間紫外熒光峰(最大為30.8分鐘)，與圖2B在紫外吸收檢測(cè)器上出現(xiàn)的最高分子量低聚物有關(guān)。在出現(xiàn)4環(huán)、3環(huán)和單聚物峰時(shí)，紫外熒光峰就基本消失了，4環(huán)、3環(huán)和單聚物峰在圖2B中分別在35.4、36.7和39.0分鐘。對(duì)于監(jiān)測(cè)工業(yè)木復(fù)合材料的生產(chǎn)過程來(lái)說，監(jiān)測(cè)異氰酸酯粘合劑的熒光因此似乎是一種可靠的方法。
理想地，粘合劑的使用量要足以涂布100％待粘合材料表面積。如果達(dá)到粘合劑均勻分布，讓達(dá)到100％覆蓋率所必需的粘合劑降到最少。但是，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了保證完全覆蓋，粘合劑用量可以高到比達(dá)100％覆蓋率所必需的理論用量多50-60％。
圖1中所示濾光片5是多層“夾層式”濾光片結(jié)構(gòu)。第一層5a(最接近樣品3)是紫外阻擋濾光片，它保護(hù)其他濾光片和視頻攝像機(jī)CCD(電荷耦合裝置)成像探測(cè)器不受紫外線傷害。任何在市場(chǎng)購(gòu)買到的紫外阻擋濾光片都可用作阻擋濾光片5a，這些濾光片可阻擋波長(zhǎng)小于380-400毫微米(優(yōu)選地小于400毫微米)的紫外輻射。合適的阻擋濾光片實(shí)例包括用含有紫外穩(wěn)定劑的聚碳酸酯塑料制成的濾光片，它們可以商品名Makrolon(Bayer公司)和Lexan(GE塑料)從市場(chǎng)上購(gòu)買到。0.125英寸厚的Makrolon塑料濾光片是特別優(yōu)選的。圖10曲線B是光學(xué)級(jí)聚碳酸酯的透射光譜圖，紫外阻擋截止點(diǎn)是400毫微米。
濾光片5的第二濾光層5b是寬帶通濾光片，它阻擋紫外光和波長(zhǎng)400-455毫微米(優(yōu)選地所有小于455毫微米波長(zhǎng))短波長(zhǎng)藍(lán)光。任何可從市場(chǎng)上購(gòu)買到的銳截止點(diǎn)為455毫微米的寬帶通濾光片都可用作濾光片5中的濾光片5b。從新澤西巴靈頓的Edmund Scientific公司購(gòu)買的F45,063的455毫微米寬帶通濾光片是特別優(yōu)選的。圖10曲線C是Edmund Scientific公司455毫微米寬帶通濾光片P45,063的透射光譜。
濾光片5的第三個(gè)濾光層5c是可見光帶通濾光片，選用來(lái)增加粘合劑與復(fù)合材料之間的對(duì)比度，并消除其他熒光組分的任何干擾。例如，如果粘合劑復(fù)合材料是以聚合MDI為主要成分的，攝相機(jī)7是單色視頻攝相機(jī)，則濾光片5的優(yōu)選可見光帶通濾光片5c是藍(lán)色濾光片。任何從市場(chǎng)上買到的通帶為400-530毫微米的藍(lán)色帶通濾光片都是合適的。在本發(fā)明裝置中特別有用的可見光通帶濾光片是EdmundScientific公司的Night Blue透明丙烯酸濾光片，濾光片分類為F39418。圖10曲線D是Night Blue透明丙烯酸濾光片的透射光譜。
濾光片5不必須是夾層結(jié)構(gòu)?？赡艿氖窃摓V光片是通常的光干涉濾光片，它應(yīng)具有濾光片5a、5b和5c所有特性。但是，如果不在一次制造大量濾光片，其成本會(huì)相當(dāng)高。所述的濾光片夾層結(jié)構(gòu)成本低于$100。通常的干擾濾光片成本可能超過$500美元。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)可以使用任何從市場(chǎng)上可購(gòu)買到的透鏡。透鏡不必是變焦透鏡，但是，變焦透鏡可以很容易地調(diào)整由紫外光源2均勻照射所覆蓋的最大面積視野。特別優(yōu)選的透鏡6是Edmund Scientific公司的8-48毫米變焦透鏡F53152。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)可以使用任何從市場(chǎng)上購(gòu)買到的視頻攝相機(jī)用作視頻攝相機(jī)7。該攝相機(jī)既可以是單色的，也可以是彩色攝相機(jī)。合適的視頻攝相機(jī)實(shí)例包括Sony XC-75型單色視頻攝相機(jī)和Cohu 2222-2340型彩色攝相機(jī)。這些攝相機(jī)都可從新澤西巴靈頓的EdmundScientific公司購(gòu)買到。
濾光片5、透鏡6和攝相機(jī)7以這樣一種方式相對(duì)于樣品3定位，以致可以用透鏡6調(diào)整攝相機(jī)7的視野。視頻攝相機(jī)7可設(shè)定成覆蓋由紫外光源2均勻照射的最大面積。優(yōu)選的是，樣品3表面與透鏡6之間的距離為約48英寸，攝相機(jī)7正下方的視野面積是約2英尺長(zhǎng)、約1.5英尺寬的面積。濾光片5、透鏡6和攝相機(jī)7彼此以這樣一種方式定位，使得所有投在攝相機(jī)7的CCD(電荷耦合裝置)成像探測(cè)器上的所有光都通過濾光片5和透鏡6。
外殼8是有助于保持紫外光源2、濾光片5、透鏡6和攝相機(jī)7排列成行的支撐結(jié)構(gòu)，并保護(hù)攝相機(jī)7視野內(nèi)的生成復(fù)合材料的材料3不受外界光線的干擾。外殼8通常在其底部敞口，使紫外光源2的紫外光照射生成復(fù)合材料的材料3，熒光返回到濾光片5、透鏡6和攝相機(jī)7。
任何從市場(chǎng)上可購(gòu)買到的具有高速圖像畫面捕獲板的計(jì)算機(jī)都可用作本發(fā)明裝置中的圖像處理硬件10。特別有利的計(jì)算機(jī)是帶有圖像畫面捕獲板的、具有233兆赫或更快英特爾奔騰處理器的計(jì)算機(jī)，例如可從加拿大魁北克的Coreco公司購(gòu)買到的名為“Bandit”的計(jì)算機(jī)。
任何從市場(chǎng)上購(gòu)買到的可安裝在計(jì)算機(jī)硬件10上的圖像處理軟件程序都可用于本發(fā)明的裝置。已發(fā)現(xiàn)在實(shí)施本發(fā)明中一種特別有利的軟件程序是Wit Visual Programming Software，可從加拿大魁北克的Logical Vision公司購(gòu)買到。
任何從市場(chǎng)上可購(gòu)買到的顯示器都可用于實(shí)施本發(fā)明中的顯示器11。但是，優(yōu)選的是任何使用的顯示器都能顯示彩色圖像和/或彩色光譜。
根據(jù)本發(fā)明的待監(jiān)測(cè)材料(即基體)的制備方法一般是，把基于木質(zhì)纖維素的材料與粘合劑混合或摻和，把生成復(fù)合材料的混合物或摻和物放到在傳送帶上的模子或某種結(jié)構(gòu)中，讓生成復(fù)合材料的材料在外殼8下通過，以監(jiān)測(cè)粘合劑的用量和分布，然后讓其生成復(fù)合材料的材料通過熱壓機(jī)，使粘合劑組合物固化。熱壓力機(jī)典型地保持在溫度約50-210℃，優(yōu)選地是約150-200℃，以保證粘合劑固化。
圖3-7表示了木質(zhì)束的紫外熒光圖像，這些木質(zhì)束使用6英尺直徑的實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)(從加拿大溫哥華的Coil Industries公司購(gòu)買)涂聚合MDI，其中以木質(zhì)束總重量計(jì)粘合劑含量為0％、2％、4％、6％和8％(重量)。這些圖3-7中的圖像都是單色灰色等級(jí)的假彩色顯示。木腐熒光非常明亮，顯示出紅和紅橙色。不帶任何粘合劑的木質(zhì)束呈深藍(lán)色，隨著粘合劑用量增加，涂有粘合劑的木質(zhì)束呈淡藍(lán)色到綠色到黃色。研究CCD(電荷耦合裝置)圖像檢測(cè)器照度是恒定的圖像中間三分之二部分，顯示出粘合劑在木質(zhì)束上分布非常不均勻。如果圖5中4％用量的粘合劑均勻分布在整個(gè)木質(zhì)束上，那么4％用量就足以生產(chǎn)出復(fù)合材料物品。圖6顯示甚至6％用量水平，不適于涂布某些木質(zhì)束。圖7顯示在8％用量時(shí)，所有的木質(zhì)束都涂有粘合劑，但許多木質(zhì)束都涂過量，過量的粘合劑就浪費(fèi)了。用本發(fā)明的裝置達(dá)到監(jiān)測(cè)粘合劑用量和分布的能力，使得有可能優(yōu)化生產(chǎn)方法，還由于使用更少的粘合劑而達(dá)到明顯節(jié)約成本。
由于已經(jīng)描述了本發(fā)明，所以給出以下實(shí)施例說明本發(fā)明。如果沒有另外指出，在這些實(shí)施例中給出的所有份數(shù)和百分比都以重量計(jì)。
使用一臺(tái)基本如圖l所示的設(shè)備，分析白楊木的長(zhǎng)木質(zhì)束，向其上涂布0％、2％、4％、6％和8％聚合MDI(從Bayer公司購(gòu)買的Mondur 541)，以校準(zhǔn)用量的設(shè)備。
紫外光源2由八個(gè)四英尺的40瓦燈泡(從俄亥俄州克利夫蘭的GELighting公司購(gòu)得的F40T12/BLB燈泡)和四個(gè)2英尺的20瓦燈泡(從俄亥俄州克利夫蘭的GE Lighting公司購(gòu)得的F20T12/BLB燈泡)構(gòu)成。如圖1所示，這些燈泡對(duì)稱排列在濾光片5、透鏡6和視頻攝相機(jī)7周圍，均勻地照射白楊木質(zhì)束，這些木質(zhì)束離紫外燈2是48英寸。
生成復(fù)合材料的材料3由白楊木質(zhì)束構(gòu)成，其尺寸為0.08”×1.0”×6”至0.12”×1.5”×12”，水含量為6％(重量)。這些木質(zhì)束涂布0％、2％、4％、6％和8％(重量)聚合MDI，MDI從Bayer公司購(gòu)買，商品名為Mondur 541。
濾光片5是由兩層構(gòu)成的濾光片夾層結(jié)構(gòu)。第一層是聚碳酸酯紫外阻擋濾光片，它由厚0.125”的含紫外光穩(wěn)定劑的Makrolon聚碳酸酯(從馬薩諸塞州的Shefsield的Shefsield Plastics購(gòu)得)構(gòu)成。第二個(gè)濾光片層由455毫微米寬帶通濾光片F(xiàn)45,063(從新澤西巴靈頓的Edmund Scientific公司購(gòu)得)構(gòu)成。
透鏡6是具有f/1.3-16和8.5毫微米焦距的透鏡F39,087(從新澤西巴靈頓的Edmund Scientific公司購(gòu)得)。
視頻攝相機(jī)7是Sony XC-75型單色視頻攝相機(jī)(從EdmundScientific公司購(gòu)得)。75歐姆同軸電纜9把視頻攝相機(jī)7與圖像處理硬件10連接起來(lái)。
圖像處理硬件10是233兆奔騰處理器計(jì)算機(jī)，有128兆R(shí)AM。該計(jì)算機(jī)是戴爾Optiple型由戴爾計(jì)算機(jī)公司出售的GXA。由加拿大魁北克的Coreco公司出售的Bandit圖像幀捕獲板用于數(shù)字化處理來(lái)自攝相機(jī)7的視頻信號(hào)。
圖像處理軟件算法使用Wit Visual Programming Software(從加拿大魁北克Logical Vision公司購(gòu)得)編程。
在六英尺直徑的實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)(加拿大溫哥華Coil Industries公司)中，用聚合MDI對(duì)白楊木質(zhì)束給料。以2％增量粘合劑給木質(zhì)束給料，然后在本發(fā)明的監(jiān)測(cè)設(shè)備下通過。用紙板罩蓋住白楊木質(zhì)束，防止受到紫外輻射照射，直到圖像處理軟件準(zhǔn)備好捕獲視頻圖像。紫外輻射照射15-30秒以上將使復(fù)合材料漂白，并使總熒光減少到足以影響校準(zhǔn)的程度。實(shí)際受到紫外輻射照射到捕獲圖像的時(shí)間僅用了0.1秒。捕獲圖像后，木質(zhì)束放回到混合機(jī)中，再配2％粘合劑。重復(fù)這一處理過程直至達(dá)到粘合劑為0％、2％、4％、6％和8％的圖像。
通過把每一圖像上的對(duì)比度調(diào)整到相等，并把假彩色調(diào)色板轉(zhuǎn)換成灰度等級(jí)，從而用Wit軟件處理單色圖像。假彩色圖像示于圖3-7中。因?yàn)樗褂玫臑V光片允許所有波長(zhǎng)為455-700毫微米可見光通過，因此粘合劑和如木腐之類的其他熒光材料之間并無(wú)區(qū)別。但是，木腐的黃色熒光強(qiáng)度比聚合MDI粘合劑的藍(lán)綠色熒光強(qiáng)度高得多。當(dāng)單色圖像轉(zhuǎn)換成假彩色時(shí)，高強(qiáng)度木腐呈橙色和紅色，取決于粘合劑用量，粘合劑呈淺藍(lán)色到綠色到黃色。圖3的0％樹脂圖像在其中心呈現(xiàn)一些淺藍(lán)色，這是由于在圖像中心的所有長(zhǎng)波紫外光和更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，即作為透鏡6使用的f/1.3-16、8.5毫米焦距透鏡的特征的光之下，木料的天然深藍(lán)熒光很弱。
然后使用圖像處理軟件計(jì)算每一幅圖像的頻率曲線。頻率曲線是圖像的數(shù)學(xué)表示，其中把向量元素分配給每一個(gè)灰度等級(jí)的256亮度而形成的向量。每一向量元素的值是在那個(gè)強(qiáng)度下的圖像中的像素總數(shù)。
圖8是由圖3-7中圖像得到的頻率曲線的圖形表示。在圖8中，x軸為0-255任意單位的亮度和灰度等級(jí)。y軸為像素?cái)?shù)或像素總數(shù)。圖8中曲線A表示了涂有0％粘合劑的木質(zhì)束頻率曲線。圖8曲線B表示了涂有2％粘合劑的木質(zhì)束頻率曲線。圖8曲線C表示了涂有4％粘合劑的木質(zhì)束頻率曲線。圖8曲線D表示了涂有6％粘合劑的木質(zhì)束頻率曲線。圖8曲線E表示了涂有8％粘合劑的木質(zhì)束頻率曲線。木腐在x軸上部末端顯現(xiàn)為頻率曲線中的正階躍。
由頻率曲線，通過計(jì)算向量的交叉乘積的和(即每個(gè)向量元素值乘以向量元素?cái)?shù)
的和)，然后除以像素總數(shù)，可計(jì)算出平均圖像強(qiáng)度。該平均圖像強(qiáng)度的計(jì)算與頻率曲線下的面積計(jì)算不同。頻率曲線下的面積總是等于像素?cái)?shù)(即一個(gè)640×480像素圖像為307，200)。交叉乘積和用該元素強(qiáng)度使向量的每個(gè)元素加權(quán)。然后用線性回歸將平均圖像強(qiáng)度與粘合劑用量關(guān)聯(lián)起來(lái)。這一線性回歸的結(jié)果顯示在圖9中。實(shí)施例2修改實(shí)施例1中所用裝置，以消除在使用單色視頻攝相機(jī)時(shí)木腐熒光的干擾。
增加用作紫外光源的燈的數(shù)量。一共14個(gè)4英尺的40瓦F40T12/BLB燈泡(俄亥俄州克利夫蘭的GE Lighting公司)用作紫外光源2。濾光片夾色層結(jié)構(gòu)5增加第三層。該層是一種可見光通帶濾光片，選用來(lái)增加粘合劑與木質(zhì)纖維素材料之間的對(duì)比度，以及消除任何來(lái)自于熒光木腐的干擾。所采用的濾光片是Edmund Scientific的Night Blue透明丙烯酸濾光片，其型號(hào)是F39418。圖10曲線D是NightBlue的透射光譜。用8-48毫米變焦透鏡(從新澤西巴靈頓的EdmundScientific公司購(gòu)得透鏡F53152)代替透鏡6。
圖11是聚合MDI(從Bayer公司購(gòu)買的Mondur 541)的紫外熒光和黃色熒光木腐提取物的二維等高線圖，該木腐提取物是由木腐浸泡在四氫呋喃溶劑中6小時(shí)制成的。使用Hitachi F4500型熒光分光光度計(jì)的紫外熒光分光計(jì)得到該紫外等高線圖。在圖11中，可看到粘合劑熒光為粗等高線，木腐熒光為細(xì)等高線。X軸是激發(fā)波長(zhǎng)，y軸是發(fā)射波長(zhǎng)。紫外光源燈2有發(fā)射光譜，符合燈的紫外玻璃濾光片透射譜，如圖10中曲線A所示范圍為300-400毫微米的譜。
給定紫外光源燈2的發(fā)射光譜(圖10中的曲線A)、455毫微米寬帶通濾光片的透射光譜(圖10中的曲線C)和Night Blue透明丙烯酸濾光片光譜(圖10中的曲線D)，由圖11可看出，大部分木腐熒光可從攝相機(jī)圖像中消除掉。
用上述修改過的裝置可獲得給料5％粘合劑的木質(zhì)束圖像。圖12是用該修改過的裝置得到的單色圖像。當(dāng)圖12與圖13的真彩色圖像對(duì)比時(shí)，從圖12明顯可以看出，木腐的熒光已從圖像上消失。圖12表明了粘合劑在木質(zhì)束上分布不均勻。圖像中央的垂直木質(zhì)束在粘合劑給料過程中被其他木質(zhì)束遮蔽。
然后，使用修改過的裝置拍攝涂有5％聚合MDI的木質(zhì)束圖像。圖13是來(lái)自攝相機(jī)7的全彩色圖像，在該圖像中，木腐用黃綠色熒光表示，異氰酸酯粘合劑用淺藍(lán)色熒光表示，未涂粘合劑的木料用深藍(lán)色熒光表示。然后處理該圖像，把全彩色圖像分成紅、綠和藍(lán)圖像。黃綠色熒光木腐在紅色和綠色圖像中有一種組分，但在藍(lán)色圖像中事實(shí)上沒有任何組分。發(fā)射淺藍(lán)色熒光的異氰酸酯粘合劑在藍(lán)色和綠色圖像中有一種組分，但在紅色圖像中沒有任何組分。用0-255灰度等級(jí)的85以上的所有像素，從綠色和藍(lán)色圖像除去所有木腐像素，從而由單色紅色圖像得到一個(gè)掩膜片。顯示如圖14帶遮蔽的木腐的全彩色圖像。然后以如實(shí)施例1所用的相同方法，可以計(jì)算藍(lán)色和綠色圖像的未遮蔽像素的平均圖像強(qiáng)度。再將該平均圖像強(qiáng)度與粘合劑用量相關(guān)聯(lián)。木腐的量可能與紅色圖像的平均圖像強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。通過檢查紅色、綠色和藍(lán)色圖像，對(duì)這三種圖像的對(duì)應(yīng)像素采用適當(dāng)?shù)膱D像掩膜片技術(shù)或多元分析方法，分析額外的熒光成分。
盡管為了說明的目的，已經(jīng)在上述說明中詳細(xì)說明了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，這些細(xì)節(jié)僅是為了該目的，在不超出由權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明精神和范圍的情況下，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)其技術(shù)進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)定基體上粘合劑用量和分布的裝置，它包括a)長(zhǎng)波紫外光源，它如此定位，以致由其發(fā)射的紫外光波與已涂布粘合劑的基體接觸，b)濾光片，它阻擋由光源a)發(fā)射和被基體反射的紫外光波，但允許由粘合劑熒光發(fā)射的可見光波通過，c)使可見光在焦點(diǎn)平面上成像的透鏡，d)在透鏡c)上定位的視頻攝相機(jī)，它把穿過濾光片b)和透鏡c)的可見光波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，和e)將由視頻攝相機(jī)d)接收到的圖像與和光源a)發(fā)出的紫外光波相接觸的基體上的粘合劑用量和分布關(guān)聯(lián)起來(lái)的設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中光源a)是紫外燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中光源a)是4個(gè)或更多個(gè)紫外燈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中濾光片b)和透鏡c)如此定位，以致可見光波在通過透鏡c)之前通過濾光片b)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中濾光片b)和透鏡c)如此定位，以致可見光波在通過濾光片b)之前通過鏡頭c)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中濾光片b)由一個(gè)以上濾光片構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中濾光片b)包括能阻擋紫外光波的濾光片。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中濾光片b)包括寬帶通濾光片，其截止波長(zhǎng)為400-600毫微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中濾光片b)是選自于僅能使由發(fā)射熒光的粘合劑發(fā)出的可見光輻射通過的濾光片。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中濾光片b)包括近紅外阻擋濾光片。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中視頻攝相機(jī)d)是彩色視頻攝相機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中彩色視頻攝相機(jī)具有彩色帶通濾光片，它起濾光片b)中一片或多片濾光片的作用。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中關(guān)聯(lián)設(shè)備e)能夠增強(qiáng)發(fā)射熒光的粘合劑和發(fā)射熒光的木質(zhì)纖維素材料的圖像。
14.一種用于監(jiān)測(cè)基體上粘合劑用量和分布的方法，該方法包括a)讓紫外光波照射涂有粘合劑的材料，其時(shí)間足以使粘合劑發(fā)熒光，b)收集由發(fā)射熒光的粘合劑發(fā)射的可見光波，c)使從b)收集到的紫外光波通過阻擋紫外光波的濾光片，d)使發(fā)射熒光的粘合劑發(fā)射的可見光波在視頻攝相機(jī)上成像，該視頻攝像機(jī)將圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以及e)將在d)中視頻攝相機(jī)產(chǎn)生的電信號(hào)傳輸?shù)桨颜澈蟿┯昧亢头植寂c接收的電信號(hào)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中在步驟e)中所使用的關(guān)聯(lián)設(shè)備是計(jì)算機(jī)，它編有將粘合劑用量和分布與由視頻攝相機(jī)產(chǎn)生的電信號(hào)相關(guān)聯(lián)的程序。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中粘合劑是基于聚異氰酸酯的材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中粘合劑是聚合MDI。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中c)中使用的濾光片還阻擋近紅外光波。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中c)中使用的濾光片還阻擋除了粘合劑之外的任何發(fā)熒光材料所發(fā)射的可見光波。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中增強(qiáng)已涂粘合劑材料的熒光與粘合劑熒光之間的對(duì)比度。
21.一種木質(zhì)束板的生產(chǎn)方法，它包括a)向木質(zhì)束涂布聚異氰酸酯，b)根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法監(jiān)測(cè)聚異氰酸酯/木質(zhì)束材料，直到聚異氰酸酯用量和分布在前述測(cè)定的可接受范圍內(nèi)。c)聚異氰酸酯/木質(zhì)束材料制成要求的形狀或形式，和d)使聚異氰酸酯/木質(zhì)束材料經(jīng)受固化條件。
全文摘要
一種測(cè)定基體上粘合劑用量和分布的方法及設(shè)備,它包括:a)長(zhǎng)波紫外光源(2),它如此定位,以致由其發(fā)射的紫外光波與已涂布粘合劑的基體(3)接觸;b)濾光片(5),它阻擋由光源a)發(fā)射并被基體反射的紫外光波,但允許由粘合劑熒光發(fā)射的可見光波(4)通過;c)使可見光在焦點(diǎn)平面上成像的透鏡(6);d)在透鏡c)焦點(diǎn)平面上定位的視頻攝相機(jī)(7),它把穿過濾光片b)和透鏡c)的可見光波轉(zhuǎn)換成電信號(hào);和e)將由視頻攝相機(jī)d)接收到的圖像與和光源a)發(fā)射的紫外光波相接觸的基體上的粘合劑用量和分布關(guān)聯(lián)起來(lái)的設(shè)備。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1332843SQ99815210
公開日2002年1月23日 申請(qǐng)日期1999年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月29日
發(fā)明者R·N·亨特, T·L·蒂姆 申請(qǐng)人:美國(guó)拜爾公司