激光法測(cè)量濾棒和煙支圓周的原理及誤差分析

戴昕

(湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 長(zhǎng)沙卷煙廠，湖南 長(zhǎng)沙410007)

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激光法測(cè)量濾棒和煙支圓周的原理及誤差分析

戴昕

(湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 長(zhǎng)沙卷煙廠，湖南 長(zhǎng)沙410007)

摘要：卷煙產(chǎn)品的濾棒和煙支的圓周誤差會(huì)直接影響成品卷煙的接嘴質(zhì)量和原輔材料的消耗，所以濾棒和煙支的圓周是一個(gè)必須要測(cè)量和控制的重要指標(biāo)。目前測(cè)量濾棒和煙支圓周的主要方法是激光法，本文對(duì)激光法的測(cè)量原理及測(cè)量過(guò)程進(jìn)行了闡述，并從校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)棒與激光束掃描平面的位置關(guān)系、測(cè)量時(shí)樣品與激光束掃描平面的位置關(guān)系、激光透過(guò)樣品的情況、樣品的圓度、激光傳遞路徑上各光學(xué)器件的干凈程度等五個(gè)方面對(duì)產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞：激光法；激光束掃描平面；樣品的透光度；樣品的圓度；光學(xué)器件的潔凈度

0引言

在煙草行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制中，濾棒和煙支的圓周是一個(gè)必須要測(cè)量和控制的重要指標(biāo)，因?yàn)闉V棒和煙支的圓周誤差會(huì)直接影響卷煙成品煙支的接嘴質(zhì)量，如果接嘴質(zhì)量不高，就很容易造成卷煙成品煙支產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象，就會(huì)提高卷煙機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中的剔除率，增加原輔材料消耗，降低卷煙機(jī)的生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的圓周檢測(cè)方法是拉帶式測(cè)量法，這種測(cè)量方法是接觸式測(cè)量，它的特點(diǎn)是測(cè)量時(shí)有一個(gè)測(cè)力加在被測(cè)樣品上，而濾棒和煙支是易變形的物體，這個(gè)測(cè)力容易使樣品產(chǎn)生變形，從而影響測(cè)量的精度，產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。所以，近年來(lái)圓周測(cè)量的發(fā)展方向是非接觸式測(cè)量。從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況看，非接觸式測(cè)量的方法主要有激光法和CCD成像法，這兩種方法各有千秋，都是高精度測(cè)量法，都不會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生任何損傷和變形，但是從近年來(lái)煙草行業(yè)使用的廣泛度看，激光法更占優(yōu)。激光法是一種利用激光束掃描樣品來(lái)測(cè)量直徑和圓周的非接觸測(cè)量方法，它具有測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)范圍大、適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾及不損傷樣品的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量濾棒和煙支的直徑和圓周，但是也有一些因素會(huì)影響激光法的測(cè)量精度，只有消除和避免這些影響因素才能使激光法到達(dá)它的高精度。

目前在煙草行業(yè)中，采用激光法測(cè)量濾棒和煙支圓周的典型儀器是英國(guó)CERULEAN公司的QTM3圓周檢測(cè)儀，本文以QTM3為例對(duì)激光法的測(cè)量原理以及產(chǎn)生測(cè)量誤差的可能原因進(jìn)行闡述和分析，并提出相應(yīng)的解決辦法。

1激光法的測(cè)量過(guò)程和原理

讓樣品繞著自身的縱軸以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)，激光束在垂直于樣品縱軸的平面上從發(fā)射窗口勻速移動(dòng)到接收窗口(即形成一個(gè)掃描平面)，經(jīng)過(guò)透鏡匯聚后照射到光電接收元件上，樣品與激光束的掃描平面垂直相交，這個(gè)交叉面就是樣品的橫截面，通過(guò)測(cè)量橫截面在光電接收元件上的正交投影長(zhǎng)度就可以確定樣品的測(cè)量直徑。測(cè)量示意圖如圖1所示。

圖1　激光測(cè)量過(guò)程示意圖

由于旋轉(zhuǎn)鏡面的作用，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡的激光束不是恒定不變的，而是一個(gè)掃描激光束，掃描周期T小于0.01 s，所以光電接收元件輸出的電信號(hào)是一個(gè)連續(xù)方波，這個(gè)連續(xù)方波信號(hào)的周期就是激光束的掃描周期T，在測(cè)量樣品時(shí)，在激光掃描區(qū)域里，由于部分激光束被樣品擋住而在輸出方波中的每個(gè)波峰上形成一段低電平區(qū)域(如圖2所示)，這個(gè)低電平的持續(xù)時(shí)間Δti與煙支樣品橫截面在光電接收元件上的正交投影長(zhǎng)度成正比，也就是Δti與樣品的測(cè)量直徑Di成正比，即Di=k×Δti，k是常數(shù)，這樣，在輸出方波中的每個(gè)波峰處都測(cè)得一個(gè)樣品直徑值Di，樣品旋轉(zhuǎn)一周就會(huì)測(cè)得n個(gè)Di值(對(duì)于QTM3檢測(cè)儀而言，n是100)，這n個(gè)Di值的平均值就作為這支樣品(濾棒或煙)的直徑D，直徑乘以圓周率就得到樣品的圓周，所以測(cè)量煙支的圓周只要確定直徑即可。樣品的直徑為

(1)

圖2　光電接收元件的測(cè)量輸出信號(hào)

2激光法產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因及解決辦法

2.1　原因一及解決方法

用儀器附帶的直徑/圓周標(biāo)準(zhǔn)棒(經(jīng)檢測(cè)滿(mǎn)足直徑和圓度要求)校準(zhǔn)儀器時(shí)，如果標(biāo)準(zhǔn)棒與激光束的掃描平面不是垂直相交，那么校準(zhǔn)后會(huì)把錯(cuò)誤的直徑(圓周)值傳遞下去。如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)棒直徑的真實(shí)值是D，校準(zhǔn)值是L，在校準(zhǔn)后會(huì)把L當(dāng)作D傳遞下去。直徑校準(zhǔn)誤差為

(2)

式中：θ是標(biāo)準(zhǔn)棒與激光束掃描方向間的夾角。

圖3　標(biāo)準(zhǔn)棒校準(zhǔn)誤差示意圖

標(biāo)準(zhǔn)棒與激光束的掃描平面沒(méi)有垂直相交的原因有兩個(gè)，一個(gè)原因是標(biāo)準(zhǔn)棒本身有偏斜，一個(gè)原因是支撐標(biāo)準(zhǔn)棒的平臺(tái)有傾斜。

如果是標(biāo)準(zhǔn)棒本身有偏斜，就必須更換標(biāo)準(zhǔn)棒；如果是支撐標(biāo)準(zhǔn)棒的平臺(tái)有傾斜，就必須調(diào)整支撐平臺(tái)的安裝位置，使之與激光束的掃描平面垂直。

2.2　原因二及解決方法

當(dāng)測(cè)量樣品時(shí)，樣品與激光束的掃描平面不是垂直相交時(shí)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，如圖4所示。圖4中，L是測(cè)量出來(lái)的煙支直徑，D是煙支的實(shí)際直徑，θ是煙支和激光束掃描方向間的夾角。直徑測(cè)量誤差仍由公式(2)計(jì)算。

樣品與激光束的掃描平面沒(méi)有垂直相交的原因主要是負(fù)壓不夠大，負(fù)壓的產(chǎn)生和作用如圖5所示，進(jìn)

圖4　樣品測(cè)量誤差示意圖

入到負(fù)壓發(fā)生器的壓縮空氣壓力越大，負(fù)壓發(fā)生器的輸出負(fù)壓就越大，但是當(dāng)壓縮空氣達(dá)到400 kPa以上后(最大不能超過(guò)600 kPa，否則會(huì)損壞負(fù)壓發(fā)生器)，負(fù)壓發(fā)生器的輸出負(fù)壓就穩(wěn)定在-70 kPa，這個(gè)負(fù)壓在經(jīng)過(guò)過(guò)濾杯后作用于測(cè)量頭的夾頭，測(cè)量時(shí)樣品就被這個(gè)負(fù)壓吸在測(cè)量夾頭里，夾頭是中空的，夾頭內(nèi)壁有兩個(gè)孔，負(fù)壓就是通過(guò)這兩個(gè)孔把樣品吸在夾頭內(nèi)壁上，如果負(fù)壓達(dá)到-60～-70 kPa，樣品會(huì)緊貼夾頭內(nèi)壁并保持垂直狀態(tài)，這時(shí)掃描激光束與樣品垂直(實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)-70 kPa左右的負(fù)壓作用在待測(cè)樣品上時(shí)，樣品產(chǎn)生的微小變形對(duì)樣品圓周的影響要小于0.01 mm，可以忽略)，如果負(fù)壓不夠大(小于-50 kPa)，樣品可能就沒(méi)有在夾頭內(nèi)保持垂直狀態(tài)，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生直徑測(cè)量誤差。負(fù)壓不夠大的原因有四個(gè)：①負(fù)壓發(fā)生器的排氣口的消聲器有堵塞情況，導(dǎo)致負(fù)壓發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓不夠大；②測(cè)量夾頭的中空部位里有污物和碎屑，導(dǎo)致夾頭內(nèi)壁的兩個(gè)孔部分堵塞，這樣吸附樣品的負(fù)壓就不夠大；③負(fù)壓過(guò)濾杯里面的濾芯臟污，也會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓減?。虎芄?yīng)的壓縮空氣壓力過(guò)小(小于400 kPa)或電磁閥有問(wèn)題，如果電磁閥不能很好地通斷，造成壓縮空氣和負(fù)壓相串，就會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣顯著減小(小于400 kPa)，從而導(dǎo)致負(fù)壓顯著減小。

圖5　負(fù)壓產(chǎn)生和作用的氣路圖

根據(jù)上述原因分析可以知道，如果是消聲器導(dǎo)致負(fù)壓過(guò)小，只要清理或更換消聲器即可；如果是由于測(cè)量夾頭的中空部位有污物和碎屑導(dǎo)致負(fù)壓過(guò)小，只要用壓縮空氣清理夾頭的中空部位即可；如果是過(guò)濾杯的濾芯導(dǎo)致負(fù)壓過(guò)小，只要清理或更換濾芯即可；如果是電磁閥的通斷導(dǎo)致負(fù)壓過(guò)小，只要更換電磁閥即可；如果是供應(yīng)的壓縮空氣壓力過(guò)小，只要把壓縮空氣壓力調(diào)到4 kPa以上即可。排除故障的方法是首先檢查壓縮空氣壓力，然后從負(fù)壓的作用端(夾頭)開(kāi)始，按照夾頭—過(guò)濾杯—消聲器—負(fù)壓發(fā)生器—電磁閥的順序逐一排除。

2.3　原因三及解決方法

當(dāng)部分掃描激光穿透樣品時(shí)也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，造成測(cè)量直徑和圓周偏小，如圖6所示。

圖6　激光透過(guò)樣品示意圖

對(duì)某些濾棒和煙支樣品而言，如果樣品填充不緊實(shí)，那么填充物和包裹紙之間會(huì)有一點(diǎn)縫隙，就會(huì)有部分激光從這個(gè)縫隙透過(guò)包裹紙，這樣在光電接收元件的測(cè)量信號(hào)波形中，Δti就會(huì)減小，由公式(1)可知，測(cè)得的樣品直徑D就會(huì)減小。

激光透過(guò)樣品是樣品本身的問(wèn)題，所以在用激光法測(cè)量樣品圓周時(shí)最好選擇填充緊實(shí)的樣品。

2.4　原因四及解決方法

當(dāng)樣品的圓度太小時(shí)(即圓度小于0.4)，就會(huì)造成Δti波動(dòng)大，圓度越小波動(dòng)越大，由公式(1)可知，這時(shí)測(cè)得的樣品直徑D就不穩(wěn)定，波動(dòng)大。不過(guò)卷煙機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的煙支是規(guī)模化產(chǎn)品，它的煙槍結(jié)構(gòu)決定了生產(chǎn)出來(lái)的煙支圓度不是太小(一般不小于0.6)，所以只要取樣測(cè)量時(shí)特別小心，就不會(huì)人為造成煙支變形。

2.5　原因五及解決方法

如果激光傳遞路徑上的光學(xué)元件如旋轉(zhuǎn)鏡面、透鏡、平面鏡、掃描窗口上有灰塵或污斑，那么在光電接收元件上的輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變，如圖7、圖8所示，這樣不管是用標(biāo)準(zhǔn)棒校準(zhǔn)儀器還是測(cè)量樣品，都會(huì)造成誤差，形成誤差累計(jì)和疊加。

圖7　光學(xué)元件上有灰塵或污點(diǎn)時(shí)的輸出波形

圖8　光學(xué)元件上有污斑時(shí)的輸出波形

對(duì)污點(diǎn)和污斑，用軟布輕輕地朝一個(gè)方向輕擦，不要來(lái)回擦，不要用酒精擦；對(duì)灰塵，用鏡頭刷輕輕刷掉。擦干凈后在光電接收元件上的正常輸出波形如圖9所示。

圖9　光學(xué)元件干凈時(shí)的正常輸出波形

3結(jié)語(yǔ)

文章比較清楚地闡述了激光法的測(cè)量原理和測(cè)量過(guò)程，并指出了激光法測(cè)量濾棒和煙支圓周時(shí)產(chǎn)生測(cè)量誤差的可能原因，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，掌握相應(yīng)的解決辦法，就可以解決測(cè)量圓周的儀器在使用過(guò)程中出現(xiàn)的絕大部分問(wèn)題，使儀器測(cè)量精度保持在最佳狀態(tài)，就可以充分發(fā)揮激光法測(cè)量直徑和圓周的優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)確地測(cè)量出濾棒和煙支的圓周，從而更好的保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低原輔材料消耗、提升卷煙設(shè)備的效率。

參考文獻(xiàn)

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首款在中國(guó)研發(fā)制造的福祿克振動(dòng)測(cè)試儀面世

2015年10月22日，福祿克公司正式推出Fluke802CN振動(dòng)測(cè)試儀，該產(chǎn)品首款是由中國(guó)研發(fā)中心設(shè)計(jì)和研發(fā)、采用中文按鈕和菜單的振動(dòng)類(lèi)測(cè)試儀器。該儀器專(zhuān)為國(guó)內(nèi)廣大過(guò)程和制造業(yè)點(diǎn)檢和維修客戶(hù)量身定制的。

802CN定位于“一鍵式機(jī)械設(shè)備振動(dòng)評(píng)估”，通過(guò)一次按鍵在6 s內(nèi)獲得旋轉(zhuǎn)設(shè)備位移、速度、加速度等關(guān)鍵振動(dòng)評(píng)估信息，幫助點(diǎn)檢及維修人員高效地檢測(cè)工廠中幾乎所有的機(jī)械設(shè)備。同時(shí)產(chǎn)品可以進(jìn)行一鍵測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄并支持實(shí)時(shí)99組數(shù)據(jù)的回看。

為了滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同的測(cè)試條件，802CN設(shè)計(jì)了四種測(cè)試方式：

1) 普通測(cè)試模式：針對(duì)直接可接觸的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)；

2) 加長(zhǎng)桿測(cè)試模式：對(duì)于被包圍或較難接觸的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試；

3) 外置傳感器模式：1～3 m遠(yuǎn)距離的測(cè)試或者重要設(shè)備的固定點(diǎn)測(cè)試；

4) 耳機(jī)測(cè)試模式：標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)接口可以直接使用傳統(tǒng)的耳機(jī)聽(tīng)取設(shè)備內(nèi)部轉(zhuǎn)軸的情況。

802CN產(chǎn)品著眼于現(xiàn)場(chǎng)客戶(hù)最核心的檢測(cè)需求，在測(cè)試的重復(fù)性和精度上達(dá)到行業(yè)的一級(jí)精度，并且考慮到現(xiàn)場(chǎng)客戶(hù)的需求和預(yù)算產(chǎn)品定價(jià)貼近于市場(chǎng)的平均價(jià)格。相信802CN產(chǎn)品將更好的助力冶金，石化，鋼鐵，食品等行業(yè)維護(hù)客戶(hù)的日常點(diǎn)檢測(cè)試工作。

(劉倩倩報(bào)道)

The Principle and Error Analysis of Measurement of Filter Rod and Cigarette Circumference by Laser Method

DAI Xin

(China Tobacco Hunan Industrial Co.，LTD.，Changsha Cigarette Factory，Changsha 410007，China)

Abstract：The circumference error of the cigarette products for filter rod and cigarette will directly affect the quality of the connection of cigarette and raw materials consumption，and so the circumference of filter rod and cigarette is an important item that must be measured and controlled.At present，the main method of measuring filter rods and cigarettes circumference is the laser method.In this thesis，the laser method measuring the principle and process is described，and the analysis is done in five aspects：the position relationship between the calibration standard and the laser beam scanning plane，the position relationship between the sample and the laser beam scanning plane，penetration of laser light through the sample，the roundness of samples，and the cleanliness of each optical device at the laser transmission path.The corresponding solutions are provided.

Key words：laser method；laser beam scanning plane；transmittance of light of sample；roundness of sample；cleanliness of each optical device

作者簡(jiǎn)介：戴昕(1967-)，男，工程師，主要從事煙草檢測(cè)及儀器研制工作。

收稿日期：2015-06-09；修回日期：2015-07-20

中圖分類(lèi)號(hào)：TB92；TN249

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5795(2015)05-0060-04

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.14