掃描成像式煙絲快速測量儀的取樣及應用研究

劉 洋 劉民昌 溫若愚 趙維一 曾 建 周學政（川渝中煙工業(yè)有限責任公司技術研發(fā)中心，四川 成都 610066）

煙絲寬度是一項重要的卷煙工藝指標，對卷煙的感官質(zhì)量及物理指標有明顯的影響［1］。傳統(tǒng)用的膠棒法測量煙絲寬度，是將膠棒放在切絲機入口處，然后通過切絲機將膠棒切成片狀，再用千分位游標卡尺測片狀膠片寬度來模擬煙絲寬度。因其人工參與度較高、精度較低等缺點，而不能準確反映出煙絲的寬度［2］。掃描成像式煙絲寬度快速測量儀是一種快速、精確的煙絲寬度檢測儀器，該儀器對平鋪在煙絲盒中的若干煙絲進行CCD線陣掃描成像，根據(jù)投影算法，將二維灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S灰度和序列，利用自適應閾值分割，獲得單根煙絲所在的圖像區(qū)域［3］。對所獲得的圖像區(qū)域采用圖像二值化、高通濾波、sobel邊緣算子方法進行處理，獲得單根煙絲輪廓邊緣圖像［4］。計算圖像灰度發(fā)生突變時兩個位置間的像素數(shù)，根據(jù)單個像素點對應的實際面積，結(jié)合CCD成像系統(tǒng)倍率和像元尺寸，計算出被測煙絲的寬度［5］。煙絲快速測量儀測量結(jié)果誤差≤0.5%，變異系數(shù)＜0.2%，能夠滿足標準規(guī)定的切絲寬度允差（±0.1mm）［6］。

然而，前人［5，6］并未確定快速測量儀取樣方法，也未將快速測量儀應用到對切絲質(zhì)量和切絲機運行狀況進行評價中，因此，本研究擬根據(jù)煙絲快速測量儀的功能屬性，確定煙絲樣本取樣方法，將煙絲快速測量儀與膠棒測量煙絲寬度的方法進行對比研究，并采用傳統(tǒng)煙絲、膨脹絲、薄片絲3種煙絲物料及TOBSPIN和YS14兩種切絲機對掃描成像式煙絲寬度快速測量儀進行應用研究。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

川渝中煙所生產(chǎn)的嬌子（藍）切后煙絲：川渝中煙有限責任公司成都分廠；

CO2膨脹煙絲：川渝中煙有限責任公司成都分廠多寶寺廠區(qū)；

造紙法薄片煙絲：成都市西河薄片廠；

煙絲快速測量儀：Tm－i型，川渝中煙技術中心；

切絲機專用膠棒：JCT型，振華機械有限公司；

千分位游標卡尺：500－196型，日本 Mitutoyo公司；

切絲機：TOBSPIN型，德國Hauni公司；

切絲機：YS14型，昆明煙機集團二機有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 煙絲快速測量儀的測量方式 將所取樣品煙絲放入煙絲工件盒中（圖1），然后通過煙絲工件臺系統(tǒng)（圖2）將煙絲盒送至CCD掃描鏡頭下待掃描成像（圖3），通過控制界面控制（圖4），能夠完成煙絲自動進樣、圖像采集、圖像分析、數(shù)據(jù)計算及輸出等功能。

1.2.2 膠棒法測量煙絲寬度的測量方式 膠棒法是目前校驗切絲機切絲寬度符合性的常用方法，即在切絲機片煙內(nèi)放置一根切絲機專用膠棒，隨切絲機內(nèi)的煙片同步運行，經(jīng)切刀切割后膠棒被切成薄片，利用千分位游標卡尺測量膠片的厚度，以此代表煙絲的寬度。

圖1 煙絲盒示意圖Figure 1 Cut tobacco box system

圖2 工件臺系統(tǒng)Figure 2 Workpiece table system

2 結(jié)果與討論

2.1 擺放數(shù)量對煙絲寬度測量儀測量結(jié)果的影響

為了考察煙絲擺放數(shù)量對測量結(jié)果的影響，在煙絲盒上擺放一根寬度為0.90mm的標準樣品，再分別擺放1，5，10，15，20，25根煙絲，每次擺放不同數(shù)量煙絲后重復測量標準樣品6次，考察擺放數(shù)量對0.90mm標準寬度樣品測量結(jié)果的影響。由表1可知，在相同擺放數(shù)量下，不同試驗測量結(jié)果的標準偏差較小，說明測量結(jié)果的重復性較好；在不同擺放數(shù)量下，各測量結(jié)果平均值的平均值呈無規(guī)律變化，且相對誤差均小于0.1%，說明煙絲的擺放數(shù)量對測量結(jié)果無影響。測量時，在保證煙絲無交叉重疊的前提下，對擺放數(shù)量沒有要求。

圖3 掃描成像系統(tǒng)Figure 3 Scanning imaging system

圖4 計算機軟件操作頁面Figure 4 Software operating system

表1 不同擺放數(shù)量的寬度測量結(jié)果Table 1 Tobacco width measured results of different tobacco amout

2.2 煙絲取樣重量對煙絲寬度測量儀測量結(jié)果的影響

為了確定影響測量結(jié)果的最小取樣量，在切絲機出口分別取煙絲10，30，50，100g，從每批煙絲中隨機選取25根煙絲進行寬度測量，考察取樣重量對測量結(jié)果的影響。由表2可知，不同取樣重量下測量結(jié)果呈無規(guī)律性變化。對平均值差別最大的30g和100g測量結(jié)果進行Z檢驗（雙樣本均值分析），其P值為0.345 6，大于0.05，平均值無顯著性差異，說明取樣重量對煙絲寬度測量結(jié)果無顯著性影響。取樣時煙絲重量滿足測量要求的煙絲數(shù)量即可。

2.3 煙絲取樣數(shù)量對煙絲寬度測量儀測量結(jié)果的影響

2.3.1 利用統(tǒng)計學確定樣本量 在抽樣測量時，樣本量的大小直接影響抽樣樣本的代表性，足夠的樣本量是保證測量誤差在規(guī)定范圍內(nèi)的重要因素，在統(tǒng)計學中，樣本量的大小應考慮樣本的變異程度、絕對誤差限和置信水平［7］。即樣本的離散性越大，樣本量越大；抽樣誤差越小，樣本量越大；置信水平越高，樣本量越大，一般置信水平取95%。樣本量的計算公式見式（1）：

式中：

n——樣本量，根；

U1－α/2——統(tǒng)計量，置信水平為95%時，U1－α/2＝1.96；

σ——標準偏差，mm；

E——絕對誤差限，mm。

取300根煙絲，測量其寬度，煙絲寬度的平均值為1.128mm，標準偏差σ＝0.130mm，當置信水平為95%時，統(tǒng)計量U1－α/2＝1.96，絕對誤差限取煙絲寬度平均值的5%，E≈0.056mm，經(jīng)計算，樣本量n≈21。

2.3.2 驗證實驗 按照不同樣本量進行煙絲寬度測量，每個樣本量重復測量6次，考察不同樣本量測量結(jié)果的標準偏差，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著樣本量的增大，測量結(jié)果的標準偏差呈逐漸減小的趨勢，且當樣本量大于25時，其減小幅度不明顯?？紤]到實際測量時的煙絲盒的大小以及上述統(tǒng)計學計算結(jié)果，最終確定測量煙絲寬度的樣本量為25根。

表2 不同取樣重量煙絲寬度測量結(jié)果Table 2 Tobacco width measured results of different sampling weight mm

表3 不同樣本量煙絲寬度測量結(jié)果Table 3 Tobacco width measured results of different sampling amount mm

2.4 測量時間對煙絲寬度測量儀測量結(jié)果的影響

現(xiàn)場抽取樣品后，對7根煙絲分別在0，5，10，20，30，60，120，180min時進行寬度測量，考察測量時間對煙絲寬度測量結(jié)果的影響，結(jié)果見表4。由表4可知，隨著測量時間的增加，煙絲寬度總體呈減小的趨勢，且前期減小較快，后期趨于平緩，以零時刻的測量結(jié)果為真值，相對誤差隨測量時間的增加而增加，當測量時間大于20min時，相對誤差超過1%。這是因為煙絲寬度與煙絲含水率在一定范圍內(nèi)呈正相關：y＝0.004x＋1.082，如圖5和圖6所示，煙絲含水率隨著放置時間的增加導致煙絲細胞收縮，從而造成煙絲寬度降低，且前期減小較快，后期趨于平緩。因此，對煙絲進行寬度測量時，取樣后應密封樣品并立即測量，不宜長時間放置，測量時調(diào)節(jié)環(huán)境應符合GB/T 16447—2004要求。

2.5 煙絲快速測量儀測量不同類型煙絲的寬度

分別取25根相同切絲參數(shù)下的傳統(tǒng)煙絲、膨脹絲、薄片絲進行寬度測量。由表5可知，對于平均寬度，傳統(tǒng)煙絲和薄片絲的寬度差別不大，膨脹煙絲寬度明顯增大；對于標準偏差，膨脹煙絲標準偏差最大，薄片絲標準偏差最小。這是由于膨脹煙絲是經(jīng)液體CO2浸泡后，通過200℃左右的熱風快速加熱膨脹工序生產(chǎn)的，其煙絲寬度的不規(guī)則性要大于傳統(tǒng)煙絲［8］；而造紙法薄片是通過煙末等原料經(jīng)過造紙過程而制造的，相對于傳統(tǒng)片煙，它的煙片結(jié)構(gòu)更加均勻，因此薄片煙絲比傳統(tǒng)煙絲要均勻［9］?？梢钥闯鰷y量儀對3種常用煙絲寬度的測量結(jié)果能夠反映其真實性。

表4 不同測量時間下的煙絲寬度Table 4 Tobacco width measured results of different

圖5 煙絲含水率隨測量時間的變化Figure 5 Relationship between moisture content of tobacco and measuring time

圖6 煙絲寬度與含水率的關系Figure 6 Relationship between tobacco width and moisture content

表5 3種煙絲的寬度測量結(jié)果Table 5 Tobacco width measured results of three kinds of cut tobacco

2.6 煙絲快速測量儀測量不同切絲機類型切后煙絲寬度

對TOBSPIN和YS14兩種切絲機日常工作中的煙絲進行寬度測量，考察其符合性和穩(wěn)定性，樣品數(shù)量為25。由表6可知，對于符合性，TOBSPIN切絲機實際測量值明顯大于設定寬度，相對誤差較大，YS14型切絲機實際測量值和設定值較為接近，相對誤差較??；對于穩(wěn)定性，兩種切絲機所切煙絲的標準偏差均較大，相對而言，YS14切絲機較TOBSPIN切絲機更為穩(wěn)定。YS14切絲機的符合性和穩(wěn)定性優(yōu)于TOBSPIN切絲機，因此煙絲快速測量儀也可用于對不同切絲機的穩(wěn)定性評價。

表6 不同切絲機的煙絲寬度測量結(jié)果Table 6 Tobacco width measured results of different tobacco cutters

2.7 煙絲快速測量儀測量不同切絲機參數(shù)下的煙絲寬度

為了考察切絲參數(shù)對煙絲寬度的影響，在相同刀門壓力（37kN）下設定不同切絲寬度（0.85，0.90，0.95mm），測量煙絲寬度，樣品數(shù)量為25。由表7可知，對于不同切絲寬度，實際測量值均大于設定寬度，相對誤差隨設定值的增大而增大。

表7 不同切絲參數(shù)的寬度測量結(jié)果Table 7 Tobacco width measured results of different tobacco cutters’parameters

2.8 煙絲快速測量儀與膠棒法對比

對切絲機設定不同切絲寬度，分別用膠棒法和煙絲寬度快速測量儀進行寬度測量，樣品數(shù)量為25。由圖7可知，膠棒法和煙絲寬度快速測量儀的實際測量值整體均大于設定值，說明切絲機切絲寬度的符合性存在不足；由于膠棒與煙絲在彈性系數(shù)和塑性系數(shù)等物理特性方面存在差異，導致膠棒法的測量結(jié)果比煙絲寬度測量儀平均小0.062mm；在一定范圍內(nèi)，測量儀與膠棒法的測量結(jié)果呈正相關，其關系方程為：y＝0.930 9x＋0.127 5。

圖7 膠棒法與測量儀測量結(jié)果的關系Figure 7 Width results by the rapid measuring instrument and using plastic rod

寬度測量儀更能夠?qū)熃z寬度進行直接測量，對切絲工作進行正確指導；利用煙絲寬度測量儀對煙絲進行寬度測量，可隨時對生產(chǎn)過程進行監(jiān)測，省去停機放置膠棒和人工挑選膠片的工作，避免由于膠片挑選不干凈而造成生產(chǎn)事故。通過對膠棒法和煙絲快速測量儀測試同種樣品進行計時，發(fā)現(xiàn)膠棒法用1h左右才能完成膠棒切片、游標卡尺測量讀數(shù)、數(shù)據(jù)整理工作；而煙絲快速測量儀總計用時只有12min左右，煙絲快速測量儀測試用時為膠棒法的1/5。

3 結(jié)論

綜上所述，本試驗基于煙絲快速測量儀的設備性能，通過對取樣重量、每次煙絲擺放數(shù)量、取樣根數(shù)的研究，確立了測量煙絲寬度所需的樣品量為25根；并以此取樣方法為基礎進行了煙絲快速測量儀的應用研究。結(jié)果表明：① 煙絲寬度快速測量儀所測批次樣品時間為膠棒法測量時間的1/5，不僅能縮短測試時間避免煙絲水分散失對測量結(jié)果真實性的影響，還能夠簡化人工操作避免煙用膠棒混入切后煙絲而造成的生產(chǎn)事故；② 煙絲快速測量儀對于傳統(tǒng)煙絲、膨脹煙絲、薄片煙絲的煙絲寬度測量具有較高的準確性，能夠滿足日常卷煙工業(yè)生成所用煙絲類型的測量；③ 煙絲寬度快速測量儀測量結(jié)果可以對不同切絲機不同切絲參數(shù)進行穩(wěn)定性評價，進而指導日常制絲工藝生產(chǎn)。

1 王建民.煙堿/焦油比與卷煙吸味品質(zhì)之間的關系［J］.煙草科技，2002（5）：8～10.

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3 王淑蓉.一種基于自適應技術的二維平面采樣方法：中國，CN201310231667.8［P］.2011—11—02.

4 胡松.一種基于邊緣檢測的生物芯片樣點識別方法：中國，CN201110006888.6［P］.2011—01—10.

5 鐘玲娜.一種用于高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)校正方法：中國，CN201310095459.X［P］.2013—03—22.

6 趙維一.基于線陣CCD數(shù)字圖像處理技術的葉絲寬度測量裝置［J］.煙草科技，2013（10）：12～16.

7 國家質(zhì)檢總局.GB/T 4891—2008 為估計批（或過程）平均質(zhì)量選擇樣本量的方法［S］.北京：中國標準出版社，2008.

8 韓卿.造紙法煙草薄片制造工藝的研究［J］.西北輕工業(yè)學院學報，2002，20（1）：19～21.

9 唐金嶺.干冰膨脹工藝參數(shù)對膨脹煙絲整絲率的影響［J］.食品與機械，2013，29（3）：246～249.