煙支重量微波檢測(cè)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

高宏亮，高 潔，杜勁松，李 晉

（1. 中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng) 110016；2. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣學(xué)院，沈陽(yáng) 110023）

0 引言

煙支重量是卷煙質(zhì)量中一項(xiàng)重要指標(biāo)，卷煙生產(chǎn)中依靠卷煙機(jī)中的高速在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。自20世紀(jì)80年代以后，我國(guó)高速卷煙機(jī)普遍采用以鍶(Sr)90放射源為內(nèi)核的煙支重量檢測(cè)系統(tǒng)。由于鍶(Sr)90放射性污染，對(duì)周圍人員和產(chǎn)出煙支都具有潛在危害，使得放射源檢測(cè)器的應(yīng)用受到制約。本世紀(jì)初，微波檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用到煙支重量檢測(cè)控制系統(tǒng)，此類系統(tǒng)重量控制精度與放射源型系統(tǒng)相當(dāng)，但其無(wú)污染特性受到普遍歡迎，在我國(guó)煙廠中正逐步推廣[1]。典型產(chǎn)品包括德國(guó)HAUNI公司的MIDAS系統(tǒng)、德國(guó)TEWS公司的LIBRA系統(tǒng)和上海恒尚公司的HS-WB系統(tǒng)等。

本文將首先介紹微波型煙支重量系統(tǒng)的檢測(cè)原理、基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，并給出一種基于DSP和FPGA為控制器的微波型煙支重量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

1 微波密度檢測(cè)原理與結(jié)構(gòu)

諧振腔是一種能對(duì)不同頻率微波信號(hào)產(chǎn)生不同程度衰減的器件，常見(jiàn)的圓柱型諧振腔會(huì)對(duì)某一頻率的信號(hào)產(chǎn)生的衰減最小，該頻率稱為諧振腔諧振頻率。對(duì)于一個(gè)尺寸、形狀固定的諧振腔，其諧振頻率固定不變；而當(dāng)諧振腔內(nèi)放入某種物質(zhì)，諧振腔諧振頻率和其他特性都會(huì)發(fā)生微小的變化，即產(chǎn)生“微擾”。微波微繞法利用放入諧振腔內(nèi)物質(zhì)的密度與諧振腔微擾之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行物質(zhì)密度檢測(cè)[3]。

煙支密度檢測(cè)的微波諧振腔為中間穿孔的圓柱形諧振腔，不同密度的煙支通過(guò)圓柱形諧振腔時(shí)的諧振曲線如圖1所示。典型的基于“微波微擾法”的煙支重量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 不同密度煙條對(duì)應(yīng)諧振腔響應(yīng)曲線

控制模塊產(chǎn)生直流控制電壓，驅(qū)動(dòng)微波發(fā)生器產(chǎn)生某頻率的輸入信號(hào)，信號(hào)經(jīng)諧振腔衰減后輸出，輸出信號(hào)經(jīng)檢波器轉(zhuǎn)換為與微波信號(hào)幅值成正比的直流電壓。

圖2 典型煙支重量微波檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)控制模塊產(chǎn)生連續(xù)線性變化的鋸齒波控制電壓（如圖3所示），經(jīng)微波發(fā)生器產(chǎn)生一段功率恒定、頻率連續(xù)線性變化的輸入信號(hào)，經(jīng)諧振腔衰減、檢波器轉(zhuǎn)換后可得到某頻率段內(nèi)諧振腔的幅頻特性曲線。圖2所示系統(tǒng)檢測(cè)得到的空諧振腔的幅頻特性曲線如圖4所示。

圖3 微波發(fā)生器控制電壓鋸齒波波形

圖4 諧振腔空腔時(shí)幅頻特性曲線波形

當(dāng)煙條穿過(guò)諧振腔時(shí)，不同密度及含水率的煙條會(huì)引起微波諧振腔幅頻特性曲線發(fā)生變化。通過(guò)煙條時(shí)諧振腔的幅頻特性曲線如圖5所示。

圖5 諧振腔通過(guò)煙條時(shí)幅頻特性曲線波形

通過(guò)控制模塊及檢測(cè)電路對(duì)微擾變化量的檢測(cè)、分析和處理，得到煙條的密度信號(hào)并輸出到重量計(jì)算單元，從而完成煙支重量的檢測(cè)。

2 微波重量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文介紹的微波重量檢測(cè)系統(tǒng)中微波發(fā)生器和微波檢波器采用軍品級(jí)線性壓控振蕩器VCO和快速檢波器實(shí)現(xiàn)?？刂破鞑捎肨I公司5000系列DSP處理器和Altera 公司的Cyclone II 系列FPGA芯片構(gòu)成的雙控制器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 煙支重量微波檢測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)圖

其中FPGA負(fù)責(zé)速度要求較高，數(shù)據(jù)計(jì)算量較小的任務(wù)，包括生成微波發(fā)生器(VCO)所需控制電壓，對(duì)檢波器輸出信號(hào)進(jìn)行AD采集和對(duì)諧振腔幅頻特性曲線特征量提取等工作。

幅頻特性曲線特征量主要包括：諧振頻率f和半功率帶寬w。如圖7所示，諧振頻率為曲線幅值最高點(diǎn)處對(duì)應(yīng)橫軸頻率f0，半功率帶寬為自曲線最高處向下3db對(duì)應(yīng)頻率寬度。由于本系統(tǒng)中檢波器輸出特性為1mv/db，所以最高點(diǎn)B下方3mv處CC’對(duì)應(yīng)頻率范圍即為半功率帶寬w。

圖7 FPGA算法提取幅頻特性曲線特征量示意圖

FPGA提取算法中，從曲線起點(diǎn)A初始化各變量后開(kāi)始讀取當(dāng)前曲線電壓值，逐點(diǎn)比較并保存當(dāng)前最大值；當(dāng)遇到當(dāng)前電壓值小于當(dāng)前最大值，說(shuō)明曲線達(dá)到最大點(diǎn)B并開(kāi)始下降，記錄此時(shí)時(shí)刻相對(duì)于A點(diǎn)時(shí)間偏移量即可計(jì)算出諧振頻率值f0。

自B點(diǎn)記錄曲線最大電壓值后繼續(xù)向后搜索，比較找到比B點(diǎn)電壓值小3mv對(duì)應(yīng)點(diǎn)C。通常諧振曲線尖峰處諧振頻率點(diǎn)兩邊呈近似對(duì)稱分布，為了提高算法效率可認(rèn)為BC間頻率區(qū)間約等于w/2。從C點(diǎn)繼續(xù)掃描到曲線結(jié)束點(diǎn)D處時(shí)，通知DSP一周期特征量掃描結(jié)束，并向DSP傳輸數(shù)據(jù)。

DSP負(fù)責(zé)速度要求不高，數(shù)據(jù)計(jì)算量大，邏輯分析的任務(wù)。包括對(duì)FPGA提取出的特征量進(jìn)行從諧振腔微擾量到煙支密度的映射換算工作和對(duì)諧振腔的恒溫控制工作。計(jì)算煙支重量算法采用文獻(xiàn)4中介紹的計(jì)算公式，如式(1)所示。

式中：D——煙支密度；

Δf——諧振腔有煙/無(wú)煙諧振頻率變化量；

Δw——諧振腔有煙/無(wú)煙半功率帶寬變化量。

對(duì)于PASSIM卷煙機(jī)，檢測(cè)系統(tǒng)輸出煙支密度電壓信號(hào)給卷煙機(jī)控制器，本系統(tǒng)測(cè)量煙支密度曲線如圖8所示。從圖中可看出，所測(cè)煙支密度曲線與煙支緊頭(即煙支端部密度較大處)位置準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，表明密度電壓信號(hào)可以表示煙支密度特性。

圖8 微波重量檢測(cè)系統(tǒng)輸出煙條密度曲線

3 檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)煙支重量檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)有效性，作者在兩臺(tái)同型號(hào)PASSIM7K型卷煙機(jī)上分別安裝了本文設(shè)計(jì)的微波重量檢測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)放射源型檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)備使用完全相同的煙絲和輔料。對(duì)兩臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)出的煙支進(jìn)行多次重量取樣測(cè)試，20支煙為一組，分別測(cè)出每組煙支平均重量及組內(nèi)重量標(biāo)準(zhǔn)偏差，評(píng)價(jià)微波測(cè)量頭和核掃描測(cè)量頭的測(cè)量準(zhǔn)確性。合格產(chǎn)品單只煙重量設(shè)為920±30mg，組內(nèi)重量標(biāo)準(zhǔn)偏差≤40mg，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，微波檢測(cè)系統(tǒng)和放射源檢測(cè)系統(tǒng)在平均重量控制效果上沒(méi)有明顯差異，標(biāo)準(zhǔn)偏差控制上微波系統(tǒng)略優(yōu)于放射源系統(tǒng)。在操作員正常調(diào)整下，使用微波檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)臺(tái)長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)偏差可在25mg以下。

表1 煙支樣品重量對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于FPGA和DSP雙控制器結(jié)構(gòu)的煙支密度微波檢測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的有效性。相比于傳統(tǒng)放射源型檢測(cè)系統(tǒng)，微波檢測(cè)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1） 微波發(fā)射功率小，對(duì)環(huán)境和煙支產(chǎn)品無(wú)污染；

2）煙支重量控制性能與傳統(tǒng)放射源系統(tǒng)相當(dāng)，完全可滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

3）采用高集成度控制芯片，系統(tǒng)體積小巧，維護(hù)方便。

[1] 許昌煙草工業(yè)機(jī)械廠.卷煙設(shè)備重量控制系統(tǒng)[R].1999.

[2] 李嗣范.微波元件原理與設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,1992.

[3] 李英.微波、毫米波傳感器及其非電量檢測(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社,1991.

[4] 盧智遠(yuǎn),孫文權(quán).煙支濕度與密度檢測(cè)的微波諧振腔傳感器研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007,5.