復(fù)合濾棒微波在線檢測(cè)剔除控制系統(tǒng)的研制

摘 要：本文提出了一種用微波測(cè)量方法來(lái)解決能使生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)不間斷的進(jìn)行，且快速、可靠、安全地對(duì)煙支復(fù)合濾棒的拼接間隙、濾棒錯(cuò)位、相位偏移等各種缺陷進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)時(shí)剔除的方法。這種方法具有檢測(cè)速度快，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，可靠性高，對(duì)操作者人體安全的特點(diǎn)。它可以適用于各種型號(hào)的復(fù)合濾嘴棒機(jī)組，對(duì)各種復(fù)合濾棒進(jìn)行在線檢測(cè)并實(shí)時(shí)剔除有質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：復(fù)合濾棒；微波檢測(cè)；剔除

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微波檢測(cè)與控制裝置在煙草行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，采用微波濕度檢測(cè)[1]的方法來(lái)檢測(cè)控制煙絲水分[2]，通過(guò)檢測(cè)煙條中煙絲密度的變化控制煙支重量[3]等。隨著降焦減害的要求提高，加上卷煙企業(yè)對(duì)烤煙型卷煙增香補(bǔ)香和突出產(chǎn)品差異化，在高檔卷煙中開(kāi)始大量使用復(fù)合濾棒，而如何控制復(fù)合濾棒成型精度，保持吸阻穩(wěn)定，是復(fù)合濾棒成型中的關(guān)鍵技術(shù)。

復(fù)合濾棒通常由二至三種不同材質(zhì)濾棒，經(jīng)專用復(fù)合濾棒成型機(jī)分切、拼接而成。例如，某型號(hào)復(fù)合濾棒生產(chǎn)工藝要求如圖1所示：

其中，A1段、A2段、A3段材質(zhì)為普通高透濾棒；B1段、B2段材質(zhì)為同心圓濾棒。整根復(fù)合濾棒長(zhǎng)120mm，除A2段長(zhǎng)40mm外，其余段均為20mm長(zhǎng)。

生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常容易出現(xiàn)如下幾種嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷：

1.1 拼接間隙；即A段濾棒與B段濾棒之間拼接不嚴(yán)密，產(chǎn)生縫隙。

如圖2所示：當(dāng)相鄰兩段，如A+B不等于目標(biāo)總長(zhǎng)度，并當(dāng)誤差大于設(shè)定值時(shí)，判定該復(fù)合濾棒中有間隙，輸出剔除信號(hào)。

1.2 濾棒錯(cuò)位；即應(yīng)該放入A段濾棒的位置，錯(cuò)放入B段濾棒，反之亦然。錯(cuò)位濾棒將被剔除。

1.3 相位偏移；即A段濾棒與B段濾棒長(zhǎng)度不符合工藝質(zhì)量要求。

目前，有采用光電照射法應(yīng)用于檢測(cè)復(fù)合濾棒間隙缺陷，但不能檢測(cè)復(fù)合濾棒錯(cuò)位和相位偏移（基棒色差很小時(shí)）。

本文提出了一種解決能使生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)不間斷的進(jìn)行，且快速、可靠、安全地對(duì)煙支復(fù)合濾棒的拼接間隙；濾棒錯(cuò)位；相位偏移等各種缺陷進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)時(shí)剔除的方法。微波測(cè)量方法是一種解決這個(gè)問(wèn)題的較好的方法，它不受復(fù)合濾棒表面顏色完全一致的影響，具有檢測(cè)速度快，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，可靠性高，對(duì)操作者人體安全的特點(diǎn)。它可以適用于各種型號(hào)的復(fù)合濾嘴棒機(jī)組，對(duì)各種復(fù)合濾棒進(jìn)行在線檢測(cè)并實(shí)時(shí)剔除有質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品。

2 檢測(cè)、剔除控制方法的原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“復(fù)合濾棒微波在線檢測(cè)剔除控制系統(tǒng)”由兩部分組成。第一部分是硬件部分，即微波探測(cè)單元，它的作用是使用微波諧振器作為傳感器，將部分填充不同濾嘴棒材料的微波諧振頻率和諧振幅度的變化信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。第二部分是軟件部分，即分析處理和控制程序。它將微波探測(cè)器送出的微波諧振頻率和諧振幅度的變化信號(hào)經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，轉(zhuǎn)換為材料介質(zhì)常數(shù)的變化。然后再按判斷規(guī)則，確定復(fù)合濾嘴棒是否合格。再將不合格信號(hào)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，剔除不合格產(chǎn)品。

2.1 微波探測(cè)單元

它由微波諧振腔、微波信號(hào)產(chǎn)生器、微波信號(hào)隔離器、微波同軸傳輸電纜、微波信號(hào)檢波及放大器組件等組成。

微波在一個(gè)金屬制成的容器（我們將其稱為微波諧振腔）內(nèi)具有諧振特性。對(duì)于一個(gè)空的微波諧振腔，當(dāng)諧振腔的幾何形狀確定后，其諧振頻率和諧振幅度也是確定的。但當(dāng)在該諧振腔內(nèi)部分或全部填充有其它非金屬物質(zhì)（我們稱其為介質(zhì)材料）時(shí)，其諧振頻率和諧振幅度會(huì)因填充的介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)、介質(zhì)的多少和形狀的不同而產(chǎn)生不同的變化[4]。這種變化對(duì)于所填充的介質(zhì)材料的不同所產(chǎn)生的響應(yīng)的十分敏感的。當(dāng)不同材料的濾棒通過(guò)微波諧振腔時(shí)，其介質(zhì)常數(shù)有著微小的差別，而微波諧振腔能夠明顯的區(qū)別這種材料的介質(zhì)常數(shù)的微小差別。因此，我們可以利用對(duì)微波諧振腔的諧振頻率和諧振幅度的測(cè)量來(lái)快速、精確地區(qū)別微波諧振腔內(nèi)所填充的濾棒的類型。

2.2 分析處理和控制程序

介質(zhì)材料在微波諧振腔內(nèi)的對(duì)諧振腔諧振頻率和諧振幅度的影響是由于介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)不同而產(chǎn)生的[4]。介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)通常是一個(gè)復(fù)數(shù)：

（式1）

其虛部 ε\"表示微波能量通過(guò)介質(zhì)材料時(shí)的損耗；而實(shí)部ε′表示微波能量在介質(zhì)材料中的儲(chǔ)存[4]。通過(guò)ε'和ε\"即可得到物料濕度，同時(shí)也可得到物料的整體密度。而功率衰減和諧振頻率等是與介電常數(shù)密切相關(guān)的物理量，只要測(cè)得這兩個(gè)物理量就能夠測(cè)得介質(zhì)材料的密度和濕度。

在微波密度和濕度的測(cè)量中，被測(cè)物的介質(zhì)常數(shù)起到了橋梁的作用：一方面穿透被測(cè)物料的微波的兩個(gè)參量（衰減A和諧振頻率f0）與不同物料的介質(zhì)常數(shù)和其密度有關(guān)；另一方面由于水的介質(zhì)常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般物質(zhì)，因此被測(cè)物濕度（Ψ）的變化也表現(xiàn)為被測(cè)物介質(zhì)常數(shù)的變化。

通過(guò)ε'和ε\"的中介，可以建立被測(cè)物的密度及濕度與被測(cè)量衰減A和諧振頻率f0的關(guān)系。但通常這種關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，我們由大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到以下關(guān)系：在被測(cè)量衰減A和諧振頻率f0的關(guān)系圖中，被測(cè)物質(zhì)的密度表現(xiàn)為一條直線關(guān)系；而被測(cè)物質(zhì)的濕度決定該直線的斜率。

定標(biāo)常數(shù)a、b、c 、d只需根據(jù)對(duì)已知密度和濕度的四種不同濾嘴棒材料作四次測(cè)量即可確定。

定標(biāo)常數(shù)a、b、c 、d確定以后，在每次測(cè)量中只需測(cè)得ΔA和ΔF，即可確定材料的密度與濕度。

按照復(fù)合濾棒生產(chǎn)機(jī)械技術(shù)指標(biāo)，復(fù)合成型的速度為400M/min。而要求成型濾棒的最大測(cè)量誤差不大于0.5mm，所以要求測(cè)量的取樣速率大于75μS/次。為了消除外部瞬時(shí)突發(fā)干擾信號(hào)的影響，我們采取多次采樣值平均的方法，為此要求測(cè)量的取樣速率大于10μS/次，即采樣頻率為100KHz。這樣在每次測(cè)量周期內(nèi)，有7次以上的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，從而避免了一些外部干擾的影響。在F-U圖上可以得到如圖4所示的圖形。圖4中：U表示微波諧振曲線振幅；F表示微波諧振曲線頻率。紅點(diǎn)表示A段材質(zhì)濾棒產(chǎn)生的微波信號(hào)；藍(lán)點(diǎn)表示B段材質(zhì)濾棒產(chǎn)生的微波信號(hào)。根據(jù)該圖所示，不同材質(zhì)的復(fù)合濾棒其微波信號(hào)U，F(xiàn)完全不同，據(jù)此，可以判斷復(fù)合濾棒是否有錯(cuò)位現(xiàn)象。而當(dāng)復(fù)合濾棒存在有拼接間隙時(shí)，諧振腔內(nèi)則出現(xiàn)一段空腔，此時(shí)U，F(xiàn)明顯升高。我們?cè)谠瓩C(jī)上加裝有軸編碼器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)煙機(jī)的速度，根據(jù)A段或B段濾棒U、F出現(xiàn)持續(xù)的時(shí)間，結(jié)合煙機(jī)的速度，我們可以推算出復(fù)合濾棒每段的相位長(zhǎng)度。并確定所生產(chǎn)的濾棒是否合格，將不合格信號(hào)送給剔除裝置，從而將不合格濾棒剔除。

3 系統(tǒng)操作過(guò)程

本系統(tǒng)操作步驟如圖5所示。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后微波信號(hào)源（1）產(chǎn)生微波信號(hào)，通過(guò)微波信號(hào)隔離器（2）和微波同軸傳輸電纜（3）由信號(hào)輸入探針（4）送給微波諧振腔（5），

信號(hào)輸出探針（6）將收到被測(cè)濾棒擾動(dòng)的微波諧振信號(hào)接收，并通過(guò)微波信號(hào)隔離器（7）和微波同軸傳輸電纜（8）傳輸?shù)綑z波放大器（9）。檢波放大器（9）將接收到的微弱的微波信號(hào)進(jìn)行檢波并且放大，輸出直流檢測(cè)電壓信號(hào)送給數(shù)據(jù)分析處理單元。

模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理電路⑽將直流檢測(cè)電壓作A/D變換，變成數(shù)字電壓并進(jìn)行采樣，將采樣得到的（U-F）值送到數(shù)據(jù)采集和處理計(jì)算機(jī)⑾的存貯器1中。然后再進(jìn)行第二次采樣，多次采樣得到的（U-F）值在數(shù)據(jù)采集和處理計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析計(jì)算、歸納。

上圖中，縱坐標(biāo)ρ為按微波檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的濾棒材質(zhì)的密度。橫坐標(biāo)為各種濾棒材質(zhì)的長(zhǎng)度，它可以由機(jī)器運(yùn)行的速度與和濾棒起始位置同步的掃描時(shí)間來(lái)計(jì)算。根據(jù)前面給出的判斷準(zhǔn)則由處理單元進(jìn)行分析、判斷。我們分別將測(cè)得的ρ1、ρ2及ρ3與相應(yīng)的要求值相比較，如果測(cè)得的ρ1、ρ2及ρ3比要求值超差±10%，我們即判斷該濾棒段的材質(zhì)不符合要求。其相應(yīng)的材質(zhì)長(zhǎng)度或間隙d超過(guò)要求值的±10%，我們即判斷為該段濾棒的長(zhǎng)度或間隙不合格。

將不合格信號(hào)提供給剔除控制單元（12），剔除不合格產(chǎn)品。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 本系統(tǒng)采用微波諧振原理對(duì)復(fù)合濾棒的生產(chǎn)產(chǎn)品合格與否進(jìn)行快速、連續(xù)進(jìn)行在線檢測(cè)，并將不合格產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)剔除。檢測(cè)準(zhǔn)確度及可靠性高，剔除可靠，不因環(huán)境因素影響檢測(cè)和剔除的準(zhǔn)確性。

4.2 本系統(tǒng)采用的微波信號(hào)源輸出功率小，僅為10毫瓦，是一般手機(jī)發(fā)射功率的百分之一，安全性高。其在操作位置的輻射強(qiáng)度僅為0.1mW/cm2， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家規(guī)定的5mW/cm2的安全標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 本系統(tǒng)采用工控機(jī)進(jìn)行控制，具有良好的人機(jī)界面，可根據(jù)需要設(shè)置告警、剔除等功能?？蓪?duì)復(fù)合濾棒生產(chǎn)過(guò)程的合格和不合格產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并給出統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告。

4.4 本系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后即可正常工作，不需預(yù)熱、不需調(diào)零，操作使用方便。

4.5 本系統(tǒng)完全不受復(fù)合濾棒表面顏色的影響。

我們利用微波檢測(cè)原理，成功開(kāi)發(fā)出了復(fù)合濾棒在線微波檢測(cè)剔除控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在線檢測(cè)并剔除各種有質(zhì)量缺陷的復(fù)合濾棒。目前，我們已經(jīng)在YL43和ZL41成功安裝使用了復(fù)合濾棒在線微波檢測(cè)剔除控制系統(tǒng)。

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