CN1053840A - 纸卷硬度的定量测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

能在各种测试条件下给出每个纸卷可重现的定 量信息的测试纸卷硬度的方法和设备，该设备可象操 作工的操作杆一样操作，仅需在硬度待测点上由用操 作者所决定的在一定限度间可变力敲击纸卷即可完 成测定工作。该设备包括安装在撞锤上与电路连接 的加速仪，以产生涉及(a)撞锤和纸卷间冲击能量和 (b)撞锤的峰值负加速度信号。处理该信号以产生纸 卷硬度测量值，如需要可使该测量值与通用的Rh₀ 标度相关，该测量值既有可重现性且与操作者的敲击 力无关。

Description

本发明涉及造纸测定设备，尤其涉及一种能获得纸卷硬度的可重现和定量测量值的纸卷硬度测试器。

在造纸业中，制好的纸卷的硬度在轴向上保持在一均匀的程度是重要的，因为该硬度表示整个制造过程的均匀性。在现代造纸设备上，卷成的纸卷其直径可以约为100英寸或更大，其长度约为200到300英寸或更大。即使是用于印刷的经纵切并再卷绕的纸卷，其直径也可以约为40英寸或更大，其长度约为36到72英寸。为了测量在制造过程中的均匀性，也在印刷过程中作为纸张的性能的一种预测，测试这些纸卷的硬度和在整个纸卷长度上的硬度的均匀性是有用的。

一种已经长时间应用的手持测试装置曾描述在授与普法伊弗的美国专利3，425，267中，这种装置在此处常常称为Rho测试仪。它利用了测量一个具有已知质量的撞锤的峰值负加速度值的原理，该撞锤在一具有已知弹性系数的弹簧推动力下从一固定的高度径向投射到卷绕的纸卷上。因此，美国专利3，425，267提供了一个用已知速度的撞锤击卷绕的纸卷的峰值负力加速度的读数。硬度值用Rho单位（源自希腊字母ρ，用以表示密度）表示，该单位是在造纸业中广泛接受的一种独立的标度。虽然该仪器如果正确使用时，能给出有再现性的结果，但是，它也存在一些困难，特别是在大容积使用的场合则困难更大。

在使用美国专利3，425，267中叙述的Rho测试仪中，保证该仪器与被测试的纸卷精确地对准是非常重要的，以便装置在其上与纸接触的各导板精确地在撞锤的中心线中与纸卷相切。如果这些导板不是与该纸卷相切，或者该切线不在撞锤的中心线上，则撞锤的力就不会垂直于纸卷，因而不能获得所希望得到的撞击速度，导致不正确的读数。

美国专利3，425，267中介绍的装置的另一困难是用一弹簧型机构控制撞锤对纸卷的撞击，并且由该机构施加的力部分地与该装置的触发器被驱动的速度有关。因此，使用者必须慢慢地并以一恒定的速度拉该触发器，以便从每次的读数和每天的读数中都能获得有再现性的结果。

由于该***利用一弹簧驱动一块体，所以它是定向灵敏的。在最好的形式中，该装置必须使撞锤的运动精确地垂直的情况下使用，以消除由于对块体受引力引起的速度变化。因此，连续使用该装置的能力和根据它规定的操作模式必须假定操作者能达到接近纸卷的最顶部为前提。当测试40英寸的纸卷时，做到这一点也许不困难，但当纸卷的直径为六英尺、八英尺或更大时，在预期的仪器定向上获取读数便可能成为问题。

最后，在美国专利3，425，267叙述的装置中构造成在一个模拟的测量仪上锁定最后测试的读数，而该模拟测量仪则为该仪器的一个整体部分。市场上已有这种仪器的商业型式产品出售，它带有一个模拟传动装置，以驱动一个图表记录器或类似装置，使操作者可以获得一组读数，并显示一个图表型的纸卷硬度分布图，而不必手动记录这些Rho数值。虽然那样做确实方便了一些，但操作者在上述的手控步骤中仍要非常小心谨慎，以保证用一个恒定的力进行撞击。该图表记录实际上比完整的成套读数用途还小，而这些读数则可以用图表示或予以统计分析。

一种没有美国专利3，425，267叙述的装置中多种手控限制缺点的纸卷硬度测试装置就是简单的操作工的操作杆。这种装置是一根硬木杆，操作工（在造纸机的卷绕端的操作者）常用以敲打纸卷来测量（一般是用耳听和手模）由此产生的振动的频率和振幅。操作者试图用一个预定的力敲打纸卷，并且由操作者将操作杆撞击纸卷所产生的声音（以及由操作者的手感觉到的纸卷的振动）***作者主现地理解为一种纸卷的卷紧度的测量度。这种方法所引入的测量值对于不同操作者或者即使是同一操作者在整个一天的测量中显然会很不精确。这种方法不论怎么说都不能给出定量的值。

综上所述，本发明的总的目的是提供一种测试如卷绕的纸卷的材料的硬度的方法和设备，该设备象操作工的操作杆一样可极容易地进行操作，但它能给出不受操作者不可预测的行为支配的可重现的定量数据。

有鉴于此，本发明的一个目的是提供一种电子纸卷硬度测试装置，该装置可以象操作工的操作杆那样容易操作，但它提供一个可重现的定量的卷纸硬度测量值。

根据本发明的一个实施例的一个方面，其目的是提供一个直接与Rho单位或其它的这种测量单位相关的定量测量，这种测量已被或可以被造纸业所接受。

根据本发明的另一方面，其目的是提供一种纸卷硬度测试装置，该装置能绘制低卷的硬度分布图，一个操作者便可以自由地操作该装置，而该装置能自动地收集所需信息并使这些信息相关，以产生纸卷硬度分布图。

关于这方面，本发明的一个目的是在撞锤的一次撞击之后，向操作者指出两种情况之一，指示这次撞击对于获取硬度读数是可接受的，或者是不可接受的，从而在指示不可接受的，先前所做一个点应当重复。

本发明的一个重要目的是允许撞锤对纸卷的撞击力存在差异，而不会损害定量结果的再现性。即使撞锤做成对每次撞击具有大体上可重复的力（如装载弹簧的撞锤），对于撞击力的变化进行***输出的规范化，对在消除一组同类单位中的个别单位的机械定方面是有用的，这些单位可具有不同的撞击力。

因此，本发明提供了一种用于决定材料的相对硬度的硬度测试器，该测试器包括一个用以撞击纸卷并产生一个与该撞击力有关的加速度信号的撞锤。由该加速度信号导出两种信号，第一种信号与撞击时的峰值负加速度有关，第二种信号与该撞击的能量有关（撞击力的定量手段）。这两种信号配合在一计算机装置中，该计算机装置产生一个用与撞击的能量无关的单位表示的材料硬度的响应。

本发明的一个特点是，该撞锤的操作可以象操作工的操作杆那样简单，其形状象一把普通的锤子，操作者只需沿着纸卷在选定的点上敲击纸卷，便可产生一个该纸卷的硬度分布图。

关于这方面，本发明的另一特点是提供了与这种硬度测试器组合的自动装置，这种自动装置在操作者撞击纸卷时用来获取各个读数，并且如果在任何撞击过程中产生的信号不能在产生一个那次撞击的分布点上被接受时，则用信号通知操作者。因此，只要通过操作者简单地沿纸卷移动，并在选定的点上敲打该纸卷，这样一种***具有在12秒钟之内就可产生纸卷分布图的能力。沿着该纸卷的每一次敲打便产生分布图上的一个硬度点。

本发明的其它目的和优点将通过结合附图的详细说明更为清楚。其中：

图1  表示作为本发明的实例的纸卷硬度测试器的两个部件的立体图，即手动撞锤和相关的手提式计算机;

图2  表示带有内装置加速度测试仪的撞锤操作端的示意图;

图3  说明一个类似的撞锤的示意图，但它适用于自动横向测量被测的纸卷;

图4  说明本发明纸卷硬度测试***的方框图;

图5  说明由不同的纸卷硬度和不同的撞击力引起的在加速度测试仪输出方面不同的曲线图;

图6  说明根据本发明制造的一个示范性仪器的输出读数和一个独立但被接受的用Rho标度表示的纸卷硬度之间的相关性的曲线图。

虽然本发明结合一些最佳实施例进行说明，但并不为这些实施例所限制。相反，本发明覆盖所有包括在权利要求书中限定的在本发明精神和范围内所做的变更、变型等。

现在参看附图，图1表示根据本发明构成的装置的两个部件，这两个部件用于获得硬度测量值。该装置20包括一个“探测器”22，它是一个锤状装置，适合于手握并由操作者用于撞击纸卷。在探测器22内的电子元件通过电缆24与一相关的手持（或带夹）式计算器或计算机装置26相连。如果所有用于探测器的驱动电子元件不包括在探测器中，这些附加的电子元件以及其它的显示和控制电子元件就都包括在该辅助的计算机装置26中。

可以看到，探测器22的构形很象一把锤子，它包括便于操作者握持的衬以垫料的柄部32和将柄部32与头部46相连接的颈部34。头部36的操作端38在撞击点40处是半球形的，以便其碰撞纸卷时不会有损坏纸卷或撕破纸的危险。

在实施本发明的操作中，下面还要详细地说明，一个加速度测试仪安装在头部36内，因而当头部36的操作端38一撞击纸卷，该测试仪就被激励。该加速度测试仪产生用于分析最大负加速度和能量值的信号，这些信息被用以提供纸卷硬度的测量值，该纸卷硬度的测量值与用以产生信号的撞击力无关。值得注意的是，本发明的最佳实施例采用了一个加速度测试仪并积分该加速度信号，以（对一恒定的质量）获得一个直接与冲力成比例的速度测量值。因此，从广义上来说，本发明不必局限于将加速度测试仪用作产生信号的转换器，或对一特定信号进行积分，以获得能量或撞击力的测量。作为一个例子，有可能在探测器的头部利用一个力转换器并标定该力转换器的输出，以产生一个类似于从本发明的较佳实施中的加速度测试仪上读出的信号。就信号处理而论，作为一个可替换的方案，用于规范最大负加速度信号的信号一般被认为是一个与撞击力有关的信号。在它的最佳型式中，通过积分产生一个与速度相关的加速度信号便可很方便地获得那个与撞击力有关的信号。而且，一恒定质量的速度与冲力有关，在该冲力中的速度本身也是能量的一种测量。无论如何，当那种涉及冲力的能量的信号这种广义的术语用于本发明时，也就意味着在广义上包含用于传感来自头部信号的各种可替换方案中的任何一种方案，以产生一个涉及该撞击力或能量的测量。

再参看图1，应该意识到，操作者只需要握住该探测器的柄部32并摆动它（非常象用一把普通的锤子）敲击该纸卷。对于操作者来说，选择所要求的冲击点，其后保证他挥动的锤子的冲击点垂直于所要求点处的纸卷表面是比较简单的事情。但是，要保证每次的敲击力相同是有困难的，并且与探测器相配合的电路装置使得这种考虑变为不恰当。总的要求是在一预定的范围内（大于产生一个能被测量的信号所必须的最小值，小于趋向于使电路过载或饱和的最大值）的力。在要求范围内的任何地方产生信号的力将产生两个上面提到的信号，一个与最大负加速度有关，另一个与撞击的冲力有关，而那些信号可用以决定纸卷的硬度，当冲击该纸卷时，该纸卷该纸卷便使探测器产生负加速度。

如上所述，探测器22通过电缆24与手提式计算机26连接。在图示的实施例中，大多数电子元件装在手提式计算机26内，当然，就本发明的实施而论，并不一定要这样。在例举的实施例中，计算机26是一个大致上呈长方形的装置，其尺寸约与普通的手持式计算机相同，并且，最好能带有一个可夹皮带的夹子，因而，如果需要的话，在进行一系列测量时，只需将该装置夹在皮带上即可。但是，该装置显然须足够小，以致于也可将它握在一只手上，而操作者使用另一只手在所需要的多个位置上敲击纸卷，以获得一个纸卷的硬度分布图。

接头41用以将探测器22与计算机相连接。可以看到，外壳42带有一个显示器44，在图示的实施例中它是一个液晶显示器（LCD）。该LCD显示器44专为纸卷的硬度分布图而设计，并且有一个用以显示一个表示横过整个卷纸的硬度分布的条线图46的上面部分。LCD显示器44的下部包括一个用于前次测量的Rho值的数值用符号49表示的左面部分和显示绘制分布图敲击次数的用符号50表示的部分。

在该最佳实施例中，该装置包括一至安装在计算机26上的指示器，如发光二极管（LED）指示器51、52。当然，如果愿意，这两个指示器也可以安装在探测器上。LED指示器51最好是红色的发光二极管，发亮时表示取自先前读数的信号不足以计算那个读数的Rho值。因此，LED指示器51的发光向操作者指示应对前面的点再进行采样。LED指示器52最好是绿色的，当其闪光时，表明刚才仪器获得的读数对于计算Rho值是可取的，即，操作者可以继续进行下一次敲击。

为完整性起见，还应注意到该计算机装置包括一个电源开关54，为探测器22和计算机26上的电子元件提供电力。一个阵列的输入按键95由一内部微处理机检测，以便操作员与***通信。例如，这些按键中的一个可以用作发出起动纸卷分布图操作信号的开关，向电子元件发出指示，告知纸卷的一系列信号即将到来。其它一些按键可用以例如使内部微处理机执行对收集的数据的统计分析。在本发明目前最佳实施例中，计算器26的前板是一块市场上可买到的计算机装置，该装置包括：一个阵列的按键、显示器、能驱动那些电子元件并完成其它的计算机操作的微处理机和用以与其它装置通信的标准通信接口。一般安装在计算机单元26内的内含式电池最好是充电型的电池。该计算机26还具有一个连接器55，它可以通过一条电缆56与一套耳机（图1中未示出）连接。该耳机是操作者的一种工具，用以在试图进行读数但获取的这些信号对于导出一个Rho值测量不适当时，发出嘟嘟声以警告操作者。

以对图1所示装置的那种理解便可认识到，现在已向操作者提供极为方便和能直接地对纸卷作出大量的测量值的能力，无论这些纸卷是新制成的大纸卷或供印刷用的已纵切的纸卷。走近纸卷，然后用锤状探测器的半球状端直接敲打该纸卷，这对操作者来说是一件极为简单的事情。该计算机将自动地从自含式加速度测试仪中获取信号，计算出该敲击点的纸卷硬度测量值。操作者只需要按品质控制水平的要求，决定在几个所要求的位置上敲击该纸卷即可，例如，沿该纸卷的长度上每隔数英寸敲击一次。如上所述，在一个硬度值的分布图和连续记录过程中，该计算机对每一次敲击具有记录敲击次数的能力。该数据被保存在计算机26内部的存贮器内，下面将结合电路图进行说明。操作者可以选择将一***设备机打印机（未表示）连接在计算机26上，以便用它打印出分布图或各别读数。作为一个可替换的方案，计算机26带有一个普通的通信接口（例如一个RS232接口），以便它可以直接与另一装置连接。

很明显，在任何情况下，品质控制检查不仅能迅速地完成，而且，出错的机会很少。操作者只需要肯定他是在一合适的工序接近纸卷，并当该装置已设定为一给定纸卷的分布图时，这个同一纸卷的所有读数才被记录下来。接着，只要操作员接近该纸卷，并在选定的位置敲击该纸卷，操作者就能使该装置获得必要的信息，进行必要的计算，并且如果任何读数需要重复的话，则向操作者发出信号。当所有需要检测的纸卷的整个程序完成之后，操作者可以或者用***打印机打出必要的信息，或者将获得的信息存入工厂品质控制计算机内，以便需要时，进行处理和显示。现将会明白本发明远胜于旧式的操作工的操作杆方面乃至Rho测量仪方面的全部优点的原因。操作杆方法给操作者对纸卷的卷紧度的一个定性的感觉，但不能作定量记录。Rho值测量仪给操作者以量方面的信息，但由于使用该仪器上的困难使这些信息存在一些误差，并且要用数量充分的信息量记录纸卷的分布图也是不方便的。

以对装置结构和操作程序的那种理解，现在便可将注意力集中到构成本发明的实际应用中各个元件和它们的相互关系的更详细说明上。图2以部分示意的形式表示撞击探测器22的操作头部36。该撞锤的内部装有一个带有导线62的加速度测试仪60，导线62由该加速度测试仪通过柄部32延伸，以便借助于互连的电缆24与手持计算机26耦合。加速度测试仪60安装的详细情况未显示。只要这么说就足够了，即该加速度测试仪的安装使得当操作端38撞击一个外部物质（如敲击一个纸卷时），施加在头部36上的负加速度引起加速度测试仪60上产生一个成比例的信号，并通过导线62与其余的电路耦合，以便在一次敲击过程中表示该头部的加速度（或负加速度）。

简单地插叙图3，它表示了另一种可替换用的撞锤头部36a，该头部安装成机械性地横过一个待测量的纸卷来回移动，并自动地撞击纸卷。可以看到，该变型的头部36a安装在一根导杆64上，并由横向传动的机构66驱动。内装有加速仪60a的撞锤可以在纸卷上按双向箭头67所指的方向来回移动。弹簧机构68通过弹簧的压缩承载变型的头部36a离开纸卷的位置，触发机构69的释放用作释放头部36a，使其按箭头70所指的方向敲击纸卷，由此在加速度测试仪60a上产生一个信号，从而通过导线62a耦合到电路中进行分析。图3中的装置可构造成次次都产生具有相对恒定力的撞击。但是，耦合到加速度测试仪的电路最好是这里所说的那种能补偿撞击力变化的类型，该撞击力的变化可能是由于触发机构释放中的变化、在整个时间内机械加载***上的变化、弹簧的衰减和类似的原因产生的，因而即使该撞击力在整个时间内大致是相等的，在每次读数中发生的撞击力上的任何较小的差异都能被补偿。首先就读数的一致性而论，对于图2所示的手持式装置极为重要的撞击力的补偿在图3所示的机械型式中该撞击力的补偿的重要性似乎显得较小。然而，即使与机械化装置相关，当认识到甚至在机械化型式中，为了产生相对于给定标度的精确读数，该***也不需要进行机械校准到彼此相互一致或与一些固定标准一致的程度，才能对补偿技术的重要性有进一步的理解。这种校准将通过借助涉及该撞击冲力的的另一信号变更该最大的负加速度信号而获得。并且，该规范化将趋向于产生参照一固定标度的读数，而不产生根据只有特殊机构或特定弹簧系数才有的一些随意的和未校准标度的读数。

图4表示构成本发明装置的各元件之间的电气的和电子的相互关系。在该图的左上部表示了包括头部36的撞锤探测器22，该探测器具有一个半球形的操作端38，并包括一个内部加速度测试仪60。该加速度测试仪由导线62与附加的电子电路连接，该电路最好装在手持式或轻便式计算机的匣壳内。图4表示本发明的最佳实施例，其中计算机26包括两个元件，一个元件是自含式计算机形式的以处理机为基础的单元26a，它包括输入按键、显示器、微处理机、存贮器和执行有效的程序处理所必需的元件。计算机26所包括的另一元件是第二个专门的电子部件26b，它用来收集和预处理来自敲击探测器的信号。显然具有适当容量和带有适当存贮器构成的单个处理器也可以执行这两个功能。

现在观察用以处理在探测器22中产生的信号的电路，可以看到，内部电路元件建立了两条用以信号在这些电子元件中流通的通道80和82。通道80用以处理撞击过程中涉及峰值负加速度的信号，而第二条通道82用以处理涉及撞击力的信号。涉及力的信号极方便地以撞击能量信号的形式进行处理，该信号（下面还要说明）从敲击过程中负加速度信号的时间积分中决定。因此，来自加速度测试仪60的信号由导线62提供给该电路，并分成两条通道80和82（在该最佳实施例中），第一条通道保持在撞击过程中的一个峰值负加速度的记录，第二通道82保持作为撞击的能量（或撞击力）的负加速度的时间积分记录。当前面通道80中的信号由第二通道82中的那些信号规范化时，则发现对相同硬度的纸卷获得了可重复的定量结果，该结果在一个较大的可接受撞击力的范围内与该撞击力无关。

第一信号通道80包括一个峰值检测和保持电路组件84，它具有一个与加速度测试仪耦合的输入和一个与一个模拟-字转换器85耦合的输出。该峰值检测和保持电路84可以作为一个采样和保持电路，该电路每当输入以一个较高的输入信号时总是有一个不断地驱向更高的输入的趋势，但直到由线路86上的信号复位前它不能放电。可以看到，线路86由微处理机90驱动并且以在一测量过程中启动数据采集循环之前，先将峰值检测和保持电路84复位。

第二条通道82包括一个积分器87，最好是一个带有输出的模拟-积分器，其输出馈送到一个模拟-数字转换器88。如果要求的话，该模拟-数字转换器85、88可构造成一个在两条通道80和82之间的单一装置。积分器87最好是一个安排有电容性反馈的高精密度可操作运算放大器，以便在一个撞击过程中对所接收的来自加速度测试仪的信号提供一个精确积分。可以看到，该积分器87具有一个由微处理机90驱动的复位输入89。积分器87和峰值检测和保持电路84可以方便地由微处理机（在它们的相应线路86，89上）复位，为对纸卷进行撞击作准备，以产生一个新的读数。最好在指出前一撞击已完成的加速度测试仪信号静止一个给定时间（静止表示它们低于阈值）之后进行复位。作为一个例子，在输入电路84、87中检测信号并将之在转换器85、88中数字化之后，当该数字化转换器指示完成了数字化过程后，该转换器便可产生一个复位信号，该信号由微处理机处理，对输入电路84、87进行复位，以便为下一次撞击作准备。

还应注意到，输入电路84、87最好包括一阈值确定装置，该阈值应设定得足够高，以便在移动或甚至摆动加速度测试仪时，保持电路处在不工作状态，但当该探测器撞击纸卷时，该阈值由应设定得足够低，以便能迅速地超越该阈值。因此，操作者可以朝着纸卷摆动探测器22，不会由于其所产生的加速而影响检测电子器件。但是，该阈值的设定方式是使由撞击引发的加速度测试仪信号高于该阈值，所以被传感。

熟悉本技术领域的普通技术人员应当理解到，在该装置操作方式中的微小差异能很容易地通过微处理机90的适当的程序加以规定，该处理机利用示出的总线（以及在图中中未提到的其它连接装置）控制该输入电路、转换器、操作者接口指示器、显示和***装置以及***操作的所有其它方面。因此，该微处理机90具有一个主输入/输出总线91，它与模拟-数字转换器85、88连接，以接收来自该转换器的数字化输入信号。我们记得，被接收的来自模拟-数字转换器85的数字化输入信号是涉及加速度的数字化输入信号，所接收的来自转换器88的数字化输入信号则为涉及撞击力或速度的数字化输入信号。利用那些信号的方式其目的在于提供一个一致的和可重复单元的输出信号，将结合图5和图6描述该单元。但是，在参看这些附图之前，应注意到，微处理机90已在其上连接发光二极管显示器51、52和耳机55a（由连接器55连接到该***上），这些器件曾作为操作者接口辅助装置已结合图1说明过。因此，该微处理机90被编程成只有获取一个合格的读数时才能启亮绿色的发光二极管52，而当前一读数被认为是不合格时就只启亮红色的51，并使耳机55a发出声音，以向操作者指示获得一个读数、一系列读数或纸卷硬度分布图的进度。

图4还说明了一对通信导接口，最好是市场上可购买得到的RS232接口，当然如果需要，也可以使用其它形式的通信连接装置。第一个这种接口94连接在微处理机90和计算机部分26a（它包括液晶显示器44和一阵列按键95）之间。按压这阵列按键使信号与计算机装置26a内部的微处理机耦合;或在仅采用一个单台微处理机的情况下，该信号与驱动两个装置的单台微处理机90相耦合。微处理机90在决定了前次或当时敲击检测结果后，也能在通信总线94上传送信息，以驱动显示器44，或者，在计算机26a上带有一个自含式处理机的最佳实施例中，该自含或处理机可以驱动这种显示器。所示出的显示器44包括表示纸卷硬度分布图（图1中曾提到）的条线图，以及当时敲击的Rho值和当时被处理的敲击次数。

第二个RS232通信接口96也用于手持计算机装置26和附加的***设备之间的连接，该***设备包括上面所说的手提式打印机（如图4中所示的打印机97），普通的微型计算机98和计算机驱动的打印机99。如上所述，手提式打印机97可以直接由计算机26a驱动，以便立刻作出一张测试结果表。对于当时纸卷硬度分布图（以及以前贮存的纸卷硬度分布图）的数据也可以在总线96上传递到标准微型计算机98，以便可运用这些数据进行附加统计或处理程序，以传统的方式将这些数据显示在微型计算机显示屏幕上，并且，当需要时，也可以用打印机99打印出来。

现在参看图5a和5b，该图用以说明支持运用图4的两套信号通道80、82的情况，和说明两种信息的保持和组合起到使***对用以在特定装置中获取撞击力的变化的任何读数不敏感的方式。更具体地说，图5a说明了在恒定敲击力条件下，但对不同硬度的材料，加速度测试仪信号相对于时间的变化关系。可以看到，第一条曲线100具有一个远低于200克的最大负加速度峰值（表示一较软的材料，如新闻纸），中间曲线102的峰值稍高于200克（表示中等硬度的材料，如书写纸），第三条曲线103具有在300克以上陡的峰值（表示更硬的材料，如高度压光的纸料）。还可以看到，材料越软，负加速度特性曲线的底部越宽，而较硬的材料不仅提供较高的峰值，且负加速度的作用时间越短。因此，作为一个一般的规律，可以看到，当物体的硬度增加（以一恒定的冲击能量）时，负加速度峰值增加，而接触持续时间减少。但是，当引入的冲击能量进一步变化时，仅仅利用峰值和持续时间的信息来区别材料的种类是不可能的。

图5b中显示了给定硬度材料对于具有不同能量的敲击的响应曲线，包括曲线105表示轻微撞击，曲线106表示的中等撞击和曲线107表示的强烈撞击。可以看到，对于三种撞击的接触持续时间大致相等（基本上是材料硬度的函数），但是最大的负加速度值相差很大，从低于100克的轻微撞击到约300克的强烈撞击。因此，很显然，如果将如图5b所示的不同强度的撞击施加于图5a中所示的不同硬度的材料，就不可能迅速地区别（更谈不上鉴定）这些材料的硬度差异。

根据本发明（在图4的通道82中）确定图5b曲线下的面积以提供撞击能量的测量，因此，允许来自通道80的峰值信息用撞击能量进行规范化，导致对相对纸卷硬度的定量能量无关的测量。积分图5b中曲线相当于积分撞击过程中加速度的曲线。因此，加速度的积分产生以速度表征的输出，而这种时间积分产生通常称为力冲量，即在撞击纸卷中撞锤所消耗的能量的测量值。

因此，很明显，在撞击过程的整个时间中图4电路的通道82积分加速度度测试仪产生的信号，其结果是撞击冲力的积分，如图5b所示。显然如由曲线105所例示，轻微的撞击提供比较小的积分值，而由曲线107所例示的一个较高的数值是由强烈撞击所产生的结果。当该电路用一较低极限阈值（如100毫伏）构成时，相当于在本发明的一个实施例中的10克的加速度，由于曲线的对称性和对这样阈值进行调整的有效能力，没有造成大的误差。

再参看图5a，虽然对于不同硬度的每一种材料，未提供涉及不同撞击力的一组曲线，但对图5a和5b的比较将建议当图5a中表示的峰值读数由一涉及图5b中选择的曲线下的面积的信号修改时，产生一个输出，该输出与撞击力的大小无关，因此，已对图5b中表示的撞击力差异进行规范化。

图6表示了规范化的结果，它是一张说明Rho测量仪上的纸卷测量仪读数（即来自美国专利3，425，267中说明的现有技术可接受的装置的测量仪读数）与“测量仪读数”即由图4所表示的作为本发明例子的装置得到的读数相比较的图表。图表的左上角上的线性方程式是涉及测试仪读数（Y）与Rho测量数值（X）关系的数字表达式。因此，可以看到，这个关系基本上是线性的，其中R值约为0.99。

在本发明的一个特定的实施例中，得出了关于Rho测量仪读数与图4电路中的通道80、82中获得的速度和加速度信息的相互关系。该关系由下列方程式表示：

Ln（Rho）＝C₁（Ln（V）Ln（V）+C₂Ln（A）+Ln（A）+C₃

其中A和V（二元）的取值范围是：

40＜A＜254，40＜V＜254

其中：

Ln（Rho）＝Rho硬度的自然对数值

Ln（V）＝二元速度的自然对数

Ln（A）＝二元加速度的自然对数

C₁＝-0.147075+/-0.000687

C₂＝0.128536+/-0.000649

C₃＝4，263272+/-0.013729

对于已测试的特定的测试仪，由上述方程说明的型式，其相关系数为0.987。现在按本发明构成的测试仪和现有技术获取的Rho测量仪读数之间的一致性是清楚的。但是，还应注意到，如果特定的计算机硬件结构变化的话，对于那个特定计算机硬件结构的测量仪输出和通道80、82中信号之间的特定关系需要根据实验决定。然而，通常对一个特定计算机硬件结构将由类似于前面提出的方程式中导出那一种关系，并能重复地用于产生按已知标准标度的定量信息。

如上所述并在这里再次强调，到目前为止已对本发明作了完整叙述，本发明提出了不论在制造或使用工序阶段的任何要求的时间内产生有关纸卷成套的高精度的（并且是合理而高度密集的）数据的可能性。仅需要派遣一个操作者令他携带图1中所示装置和有关需要待测试的有关纸卷、测试的次序和每个纸卷需敲击的次数的指令到贮放纸卷的地方就行了。

携带着这些指令，操作者仅需在计算机26上按上适当的按键就可以启动各个纸卷硬度分布图测量程序。然后，操作者只需按预先给定的那个分布图敲击的次数在纸卷要求的位置上撞击该纸卷。该装置会继续向操作者发出（通过使发光二极管显示器闪光，耳机发出声音或其它方式）有关每个读数是否可以接受及某些读数是否要重复的指示。在数秒钟之内，就可使操作者有足够的涉及整个纸卷的硬度分布图的信息贮存在计算机26中，随后他可以按下一个复位键，为下一个纸卷启动数据采集循环，并重复与前一纸卷相同的操作。在几分钟之内，一个不太熟练的操作者就可完成多个纸卷的测试，将计算机送回到品质控制部门，在那里这些数据可以输入到标准品质控制计算机***，供分析和处理，提供的数据不仅比过去收集的数据精确的多，而且还可能有更大的容量和可处理性的潜力，为造纸界提供了以前不能实现的优化生产过程的可能性。

Claims (17)

1、一种决定材料的相对硬度的硬度测试器，其特征在于：该测试器组合包括：

一个用于敲击纸卷并产生与敲击有关的加速度信号的撞锤，

产生与撞锤冲击能量有关的信号的第一装置，

产生与该撞锤的峰值负加速度有关的信号的第二装置，

响应第一和第二装置以产生材料的相对硬度的定量输出指示的计算机装置，该材料的相对硬度基本上与产生敲击的力的大小无关。

2、如权利要求1所述的测试器组合，其特征在于：所述的计算机装置还包括用以使定量输出与预定的硬度标度相关的相关装置和用所述单位表示材料硬度的指示器。

3、如权利要求2所述的测试器组合，其特征在于：预定的硬度标度单位是Rho单位。

4、如权利要求1所述的测试器组合，其特征在于：所述的撞锤包括一个锤状头部，该头部固定在一根柄上，以形成一个手握锤状装置，该装置象普通的锤子一样可由操作者使用。

5、如权利要求4所述的测试器组合，其特征在于：所述的撞锤包括一个用以产生加速度信号的加速仪。

6、如权利要求5所述的测试器组合，其特征在于：它包括与加速度信号有关的阈值装置，该装置具有一个低于锤状装置摆动产生的加速度信号的阈值水平，但当敲击时该阈值就被超越。

7、如权利要求1所述的测试器组合，其特征在于：它还包括：用以在待测材料上横向移动的构架装置;用以在构架装置内将撞锤安装在与材料并列的位置上的装置;和在构架装置横向移动期间使撞锤敲击该材料，以获取沿该材料的多个读数的装置。

8、如权利要求1所述的测试器组合，其特征在于：所述的材料是卷筒形材料，锤状装置适用于沿该纸卷的轴线大致在所述纸卷的径向方向敲打。

9、一种测定和指示一卷绕的纸卷的相对硬度的方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

用一撞锤以可在预定极限内变化的力敲击该纸卷，

测定敲击的冲击力，

测定敲击过程中撞锤的峰值负加速度，

综合与敲击的冲击力和敲击过程中的峰值负加速度有关的信息，以测定卷绕的纸卷在撞击点处的定量硬度测量值，和

显示该纸卷的硬度值。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于：它还包括使测定的定量纸卷硬度值与一个预定的Rho硬度标度相关的步骤，并且其中的显示步骤包括用所述的Rho硬度标度显示该纸卷硬度值的步骤。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于：该方法还包括下列步骤：在多个选定的点上敲击纸卷，这些敲击不需要用相同的力进行;对每次敲击计算其可比较的Rho单位，以产生一个使用Rho单位的纸卷硬度分布图，由于补偿了各个敲击之间使用的力的差异，该Rho单位的纸卷硬度分布图是可比较的。

12、如权利要求9所述的方法，其特征在于：敲击步骤还包括摆动锤状探测器使该探测器的锤状头部以大致垂直于纸卷表面的方向敲击该纸卷。

13、如权利要求9所述的方法，其特征在于：该测定步骤包括用一加速仪测量该敲击。

14、如权利要求13所述的方法，其特征在于：该测定撞击能量的步骤包括将来自加速仪的信号对时间求积分。

15、如权利要求13所述的方法，其特征在于：该测定负加速度的步骤包括测定来自加速仪的负加速度信号。

16、如权利要求14所述的方法，其特征在于：该测定能量冲击力的步骤还包括施加的一个足够高的阈值以克服由锤状装置的摆动所产生的加速度仪信号，但足够低到可以测定敲击所产生的加速度仪信号的步骤。

17、一种绘制纸卷硬度分布图的方法，其特征在于：它包括下列步骤：

a）提供一把包含一加速度传感器的锤状探测器，

b）摆动锤状探测器以便在预定点敲击纸卷，以产生由于敲击纸卷所导致的有关探测器负加速度的传感器信号，

c）处理这些负加速度信号，以产生在敲击点上纸卷硬度的定量测量值，该测量值实际上与敲击力无关，

d）对操作者发出信号，指出因该敲击而发出的信号是否可接受或不可接受，

e）如果该结果是不可接受的，则在前一敲击点上重复所述的步骤b至d，

f）如果该结果是可接受的，则贮存该撞击点上的纸卷硬度测量结果，

g）在附加的敲击点上重复所述的步骤b至f，以产生一个沿着纸卷长度上用探测器敲击所获取的自动贮存的纸卷分硬度分布图。

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