Abstract In TMP quality control, on-line control applications are the goal. Reliable, versatile systems are needed for this task. Various model-based systems have been developed but their performance has not always been good enough. This study evaluated the applicability of fibre analysers utilising image analysis techniques for TMP quality control. In addition to the standard measurement results of these analysers, the values of primary measurements and the fibre images obtained with these analysers were studied. Two sets of test samples were used. The first set contained 24 samples from trials at a Scandinavian TMP plant, and this set made up the the main part of the test material. The other series was a set of 13 samples obtained from another TMP plant during a short testing period that took place between normal operation runs. In this set the quality variations were understandably smaller. Fibre size analyses were made with an optical analyser that applies image analysis techniques on single fibres. The effects of fibre length, fibre width, cell wall thickness, coarseness, fines content, fibre curl and external fibrillation on the quality potential of TMP were evaluated. Both the measured averages and the values of single fibres were used in the evaluation. A tube flow fractionator was used to evaluate fibre properties during the fractionation process. The results of the fractionation as well as the original measurement signals were used in the evaluation. Both analysers were set to save images of fibres during the analyses. These images were later analysed by using standard image analysis procedures, in order to obtain additional information of the fibres. Correlation analysis and principal component analysis were used as tools to find out dependencies between fibre properties and pulp quality. Fibre curl and fibre width were found to be the most promising fibre features for use in TMP quality evaluation with optical fibre analysers. These variables accounted for more than 70% of the variations in most of the evaluated TMP quality variables. In the tube flow fractionator results, the signals of the long fibre fraction were also able to explain over 70% of the variations in drainage, bonding strength, roughness, and porosity. The values of the fibre size analyser, together with the measurements and features derived from the images of the tube flow fractionator, provided significant additional information for quality estimation. The most important variables in TMP quality calculation were fibre curl, fibre width, and the tube flow fractionator signals for the long fibre fraction. Both the on-line analysers using image analysis for fibre measurements, and the tube flow to fractionate pulp samples before measurement, are able to provide reliable and relevant information for TMP quality control. / Tiivistelmä Kuumahierteen laadunvalvonnan tavoitteena on luotettava ja monipuolinen on-line-mittauksiin perustuva laadunohjaus. Tehtävään on kehitetty mallipohjaisia järjestelmiä, mutta ne eivät ole olleet aina riittävän suorituskykyisiä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin konenäköön perustuvien kuituanalysaattoreiden soveltuvuutta kuumahierteen laadunohjauksen tarpeisiin. Sekä analysaattoreiden tuottamaa valmista mittaustietoa, että niiden kuitukohtaisia mittaustuloksia ja kuvamateriaalia tutkittiin. Tutkimuksessa käsiteltiin kahta erillistä koesarjaa. Ensimmäinen sarja sisälsi 24 koepistettä erään TMP-laitoksen koeajosta. Nämä näytteet muodostivat pääosan testimateriaalista. Toinen sarja koostui erään toisen tehtaan tuotantomassoista otetuista 13 näytepisteestä. Tässä sarjassa laatumuutokset olivat huomattavasti vähäisempiä kuin edellisessä sarjassa. Kuidunkokoanalyysit tehtiin konenäköä soveltavalla, yksittäisiä kuituja mittaavalla laitteella. Tutkimuksessa selvitettiin kuidunpituuden, kuidun leveyden, seinämävahvuuden, pituusmassan, hienoaineen, kuidun kiharuuden ja kuidun ulkoisen fibrillaation vaikutusta kuumahierteen laatuun. Näytekohtaisten keskiarvojen lisäksi myös kuitukohtaiset tiedot analysoitiin. Virtauskenttäfraktionaattorilla tutkittiin kuitujen optisia ominaisuuksia lajittelutapahtuman aikana. Mittaustuloksista käsiteltiin sekä valmiit jaetulokset että mittaussignaalien jakautumat lajittelutapahtuman ajalta. Molempien laitteiden tallettamia kuitukuvia analysoitiin niiden mahdollisesti sisältämän mutta vielä hyödyntämättömän informaation selvittämiseksi. Analyysityökaluina käytettiin korrelaatioanalyysiä ja pääkomponenttianalyysiä. Konenäköön perustuvan kuituanalysaattorin antamista tuloksista kuidun kiharuus ja kuidun leveys osoittautuivat luotettavimmiksi laatupotentiaalin indikaattoreiksi. Selitysasteet suurimmalle osalle mitattuja massan lujuus- ja arkkiominaisuuksia olivat yli 70 %. Virtauskenttäfraktionaattorin tuloksissa pitkäkuituosuutta vastaavat signaalijakeet antoivat samaten yli 70 %:n selitysasteet suotautuvuuden, sidoslujuuden, karheuden ja huokoisuuden arvioinnille. Kuituanalysaattorin kuidunkokoarvojen ja virtauskenttäfraktionaattorin signaalijakeiden ja -jakautuma-arvojen sekä kuvapiirteiden avulla lasketut kahden muuttujan mallit toivat useimpien käsiteltyjen laatumuuttujien estimaattien selitysarvoihin merkittävää parannusta. Tärkeimmät muuttujat kuumahierteen laatupotentiaalin arvioinnissa olivat kuidun kiharuus ja kuidun leveys sekä virtauskenttäfraktionaattorin signaalijakeet. Konenäköä soveltava kuituanalysaattori ja virtauskenttäfraktionaattori soveltuvat hyvin kuumahierteen laadun valvonta- ja ohjausmallin pohjaksi.

Abstract Inertial sensors are devices that measure movement, and therefore, when they are attached to a body, they can be used to measure human movements. In this thesis, data from these sensors are studied to recognize human activities user-independently. This is possible if the following two hypotheses are valid: firstly, as human movements are dissimilar between activities, also inertial sensor data between activities is so different that this data can be used to recognize activities. Secondly, while movements and inertial data are dissimilar between activities, they are so similar when different persons are performing the same activity that they can be recognized as the same activity. In this thesis, pattern recognition -based solutions are applied to inertial data to find these dissimilarities and similarities, and therefore, to build models to recognize activities user-independently. Activity recognition within this thesis is studied in two contexts: daily activity recognition using mobile phones, and activity recognition in industrial context. Both of these contexts have special requirements and these are considered in the presented solutions. Mobile phones are optimal devices to measure daily activity: they include a wide range of useful sensors to detect activities, and people carry them with them most of the time. On the other hand, the usage of mobile phones in active recognition includes several challenges; for instance, a person can carry a phone in any orientation, and there are hundreds of smartphone models, and each of them have specific hardware and software. Moreover, as battery life is always as issue with smartphones, techniques to lighten the classification process are proposed. Industrial context is different from daily activity context: when daily activities are recognized, occasional misclassifications may disturb the user, but they do not cause any other type of harm. This is not the case when activities are recognized in industrial context and the purpose is to recognize if the assembly line worker has performed tasks correctly. In this case, false classifications may be much more harmful. Solutions to these challenges are presented in this thesis. The solutions introduced in this thesis are applied to activity recognition data sets. However, as the basic idea of the activity recognition problem is the same as in many other pattern recognition procedures, most of the solutions can be applied to any pattern recognition problem, especially to ones where time series data is studied. / Tiivistelmä Liikettä mittaavista antureista, kuten kiihtyvyysantureista, saatavaa tietoa voidaan käyttää ihmisten liikkeiden mittaamiseen kiinnittämällä ne johonkin kohtaan ihmisen kehoa. Väitöskirjassani tavoitteena on opettaa tähän tietoon perustuvia käyttäjäriippumattomia malleja, joiden avulla voidaan tunnistaa ihmisten toimia, kuten käveleminen ja juokseminen. Näiden mallien toimivuus perustuu seuraavaan kahteen oletukseen: (1) koska henkilöiden liikkeet eri toimissa ovat erilaisia, myös niistä mitattava anturitieto on erilaista, (2) useamman henkilön liikkeet samassa toimessa ovat niin samanlaisia, että liikkeistä mitatun anturitiedon perusteella nämä liikkeet voidaan päätellä kuvaavan samaa toimea. Tässä väitöskirjassa käyttäjäriippumaton ihmisten toimien tunnistus perustuu hahmontunnistusmenetelmiin ja tunnistusta on sovellettu kahteen eri asiayhteyteen: arkitoimien tunnistamiseen älypuhelimella sekä toimintojen tunnistamiseen teollisessa ympäristössä. Molemmilla sovellusalueilla on omat erityisvaatimuksensa ja -haasteensa. Älypuhelimien liikettä mittaavien antureihin perustuva tunnistus on haastavaa esimerkiksi siksi, että puhelimen asento ja paikka voivat vaihdella. Se voi olla esimerkiksi laukussa tai taskussa, lisäksi se voi olla missä tahansa asennossa. Myös puhelimen akun rajallinen kesto luo omat haasteensa. Tämän vuoksi tunnistus tulisi tehdä mahdollisimman kevyesti ja vähän virtaa kuluttavalla tavalla. Teollisessa ympäristössä haasteet ovat toisenlaisia. Kun tarkoituksena on tunnistaa esimerkiksi työvaiheiden oikea suoritusjärjestys kokoamislinjastolla, yksikin virheellinen tunnistus voi aiheuttaa suuren vahingon. Teollisessa ympäristössä tavoitteena onkin tunnistaa toimet mahdollisimman tarkasti välittämättä siitä kuinka paljon virtaa ja tehoa tunnistus vaatii. Väitöskirjassani kerrotaan kuinka nämä erityisvaatimukset ja -haasteet voidaan ottaa huomioon suunniteltaessa malleja ihmisten toimien tunnistamiseen. Väitöskirjassani esiteltyjä uusia menetelmiä on sovellettu ihmisten toimien tunnistamiseen. Samoja menetelmiä voidaan kuitenkin käyttää monissa muissa hahmontunnistukseen liittyvissä ongelmissa, erityisesti sellaisissa, joissa analysoitava tieto on aikasarjamuotoista.

Abstract Recent advances in materials synthesis resulted in a rediscovery of the low cost copper in its one and two-dimensional forms and project newer applications of this metal in fields not considered before. In this thesis, one-dimensional copper, i.e. nanowires are synthesized by a hydrothermal route and explored for their chemical, electrical, catalytic and plasmonic properties with highlighted advantages, benefited from their size and shape compared to thin film and bulk copper. Characterization of copper nanowires and their native oxides were performed using a number of analytical techniques such as X-ray photoelectron and Auger spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction as well as scanning probe and electron microscopy techniques to elucidate the oxidation mechanism and to assess the feasibility of the oxidized materials for various applications. A few atomic layers of cuprous oxide seem to form on the surface of the nanowires instantly, maybe already during synthesis, which then slowly grows further when exposing the nanowires to ambient air leading to the appearance of cupric oxide as well. Because of the surface oxides, individual nanowires and their bundled networks exhibit semiconducting behavior, which complicates the direct use of such materials for interconnections in electronics. However, even with the presence of native oxides, copper nanowires hold promise in many other applications such as the ones explored here for plasmonics and heterogeneous catalysis. As demonstrated in this work, surface plasmon absorption properties of the nanowires can be exploited for chemical sensing of surface adsorbed molecules (model compound Rhodamine 6G) by efficiently amplifying its Raman spectrum without using any lithographically defined sensor template. Further, it is shown that phenol contamination in water may be efficiently eliminated by converting it to nontoxic polyphenol as well as to CO2 owing to the highly efficient catalytic property of the mixed oxide phases on the surface of the nanowires. The results published in this thesis contribute to the understanding of the chemical and physical behavior of copper nanowires and other low dimensional copper nanostructures that undergo rapid surface oxidation. / Tiivistelmä Jatkuva elektronisten laitteiden ja anturien pienentäminen on hyvin linjassa teknologian kehittymisen kanssa. Pyrkimys monitoimisiin ja tehokkaisiin materiaaleihin on muuttanut tavanomaisten materiaalien käsitystä. Viimeisimmät edistysaskeleet materiaalisynteesissä ovat johtaneet edullisen kuparin uudelleenlöytämiseen sen yksi- ja kaksidimensionaalisissa muodoissa ennustaen metallille uusia sovellutuksia alueilla, joissa sitä ei ole aiemmin hyödynnetty. Tässä väitöstyössä on tutkittu hydrotermisesti syntetisoitujen yksiulotteisten kuparinanojohtimien kemiallisia, sähköisiä, katalyyttisiä ja plasmonisia ominaisuuksia sekä näiden pieneen kokoon ja muotoon perustuvia etuoja ohutkalvo- ja bulkkikupariin verrattuna. Kuparinanojohtimia ja niiden luonnollisia oksideja karakterisoitiin useilla analyysitekniikoilla kuten röntgenelektroni- ja Auger-eletronispektroskopialla, Raman-spektroskopialla, röntgendiffraktiolla sekä pyyhkäisykärki- ja elektronimikroskopialla selvittäen hapettumismekanismeja ja oksidien soveltuvuutta eri käyttötarkoituksiin. Muutaman atomikerroksen paksuinen kupari(I)oksidikerros havaittiin muodostuvan välittömästi, luultavasti jo materiaalisynteesin aikana nanojohtimien pinnalle. Nanojohtimien altistuessa ympäröivälle ilmalle oksidikerros kehittyi hitaasti johtaen kupari(II)oksidin muodostumiseen. Pintaoksidien johdosta yksittäiset nanojohtimet ja niistä yhteenkasautuneet verkostot käyttäytyvät puolijohdemaisesti mikä monimutkaistaa näiden materiaalien käyttöä sellaisenaan elektroniikan johtimissa. Luonnollisista oksideista huolimatta kuparinanojohtimet ovat lupaavia monissa muissa sovelluksissa, kuten tässä työssä tutkituissa plasmonisessa ja heterogeenisessä katalyysissä. Väitöstyössä osoitetaan, että nanojohtimen pintaplasmonisia absorptio-ominaisuuksia voidaan hyödyntää pintaan absorboituneiden molekyylien kemiallisessa havainnoinnissa (mallinnettu yhdiste rodamiini 6G) vahvistamalla Raman–spektriä käyttämättä lainkaan litografiapohjaista anturisapluunaa. Myöskin vesien fenolikontaminaatio voidaan tehokkaasti muuntaa myrkyttömiksi polyfenoleiksi ja hiiidioksidiksi hyödyntämällä nanojohtimien pinnalla olevia oksideja tehokkaana katalyyttinä (jopa parempi kuin kaupallisten kupariin pohjautuvat katalyytit). Tässä väitöstyössä julkaistut tulokset edistävät kuparinanojohtimien sekä muiden pienikokoisten ja nopeasti hapettuvien kuparinanorakenteiden kemiallisen ja fyysisen käytöksen ymmärtämistä. Tieteellisten kehitysaskeleiden lisäksi tämä väitöstyö voi myös toimia lähteenä pienirakenteisten yleisten metallien sovelluksille.