基于微波技術(shù)的復(fù)合濾棒質(zhì)量缺陷檢測(cè)方法

文/云南省紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠制造二部 楊恕 畢澤麗 鄭云富 鄭利明 岳紹東

1 概述

目前，濾棒是卷煙生產(chǎn)的必需材料，濾棒已由單功能向多功能方向發(fā)展。在高檔卷煙中，開始大量使用復(fù)合濾棒，開發(fā)集減害降焦、增香補(bǔ)香和突出產(chǎn)品差異化功能為一體的復(fù)合濾棒，已成為中式卷煙研究的重點(diǎn)之一。

復(fù)合濾棒通常使用二至三種不同材質(zhì)，經(jīng)專用復(fù)合濾棒成型機(jī)分切、拼接成型為120mm長(zhǎng)的濾棒，某型號(hào)復(fù)合濾棒生產(chǎn)工藝要求如圖1所示：

圖1 復(fù)合濾棒示意圖

生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)如下幾種嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷，即產(chǎn)生輸出剔除信號(hào)：

1）拼裝縫隙；如濾棒A1與B1濾棒之間產(chǎn)生縫隙。同理B1、A2縫隙,A2、B2縫隙, B2、A3縫隙。其中之一縫隙≥︳0.3︳mm，判定該復(fù)合濾棒中有縫隙。

2）濾棒錯(cuò)位；A1段濾棒錯(cuò)放為B1段濾棒或B2段濾棒錯(cuò)放為A3段濾棒。判定該復(fù)合濾棒錯(cuò)位。

3）相位長(zhǎng)度偏差；A1段濾棒與A3段濾棒長(zhǎng)度、B1段濾棒或B2段濾棒長(zhǎng)度、A3長(zhǎng)度不符合工藝質(zhì)量要求。即A1-A3≥︳1.0︳mm或B1-B3≥︳1.0︳mm，A2長(zhǎng)度偏差≥︳1.0︳mm，即判定該復(fù)合濾棒為長(zhǎng)度偏差。

圖2 諧振腔空腔與材料介質(zhì)變化諧振特性曲線

2 微波檢測(cè)技術(shù)的原理

本文采用的微波諧振法主要是利用測(cè)量介質(zhì)的密度及濕度變化引起的諧振腔內(nèi)部的諧振頻率及諧振幅度的變化來(lái)進(jìn)行計(jì)算及控制的方法。

用金屬容器制成的諧振腔，幾何形狀為圓柱形。當(dāng)諧振腔內(nèi)部存在非金屬介質(zhì)材料時(shí)，其諧振頻率和諧振幅度會(huì)因填充的介質(zhì)材料的多少和形狀的不同而產(chǎn)生變化。且介質(zhì)材料的不同對(duì)微波產(chǎn)生的響應(yīng)十分敏感。（如圖2）

由于無(wú)論是二元或多元復(fù)合濾棒，各個(gè)單元濾棒由于材質(zhì)或截面形狀的不同，其密度或水分不相同，通過(guò)測(cè)量各個(gè)單元濾棒不同密度或水分的分界點(diǎn)，從而計(jì)算出縫隙、排序、長(zhǎng)度是否超標(biāo)等質(zhì)量缺陷。

當(dāng)被測(cè)物為空腔時(shí)的諧振頻率為f(L)，帶寬為b(L)。當(dāng)諧振腔中有濾棒時(shí)，其諧振頻率為f(0)，帶寬變?yōu)閎(0)。兩個(gè)過(guò)程變量f(0)及b(0)既決定于材料水分，也決定于材料密度。建立諧振曲線的寬度差b(0)-b(L)及頻率差f(L)-f(0)對(duì)材料密度的響應(yīng)關(guān)系。

它們按同樣密度不同水分的濾棒或同樣水分不同密度的濾棒來(lái)定標(biāo)。

我們由諧振腔測(cè)量的微波諧振頻率和諧振寬度的變化按照公式（1）及（2）計(jì)算來(lái)求得濾棒的水分和密度的變化。

3 系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)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、模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理單元、數(shù)據(jù)采集及處理計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)控制單元、顯示單元和電源等部分組成。（如圖3）

圖3 系統(tǒng)的組成框圖

微波信號(hào)產(chǎn)生器在微波諧振腔產(chǎn)生的微波信號(hào)通過(guò)探針將受測(cè)物質(zhì)的變化的微波諧振信號(hào)通過(guò)檢波及放大輸出為直流電壓信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。信號(hào)送入信號(hào)處理器的隨機(jī)存取儲(chǔ)存器中。

由于微波信號(hào)產(chǎn)生器是一個(gè)由數(shù)字控制的快速跳頻鎖相微波源，每一時(shí)刻對(duì)應(yīng)于一個(gè)微波信號(hào)頻率。比較各個(gè)時(shí)刻的輸出信號(hào)大小，即可求得諧振腔的諧振特性，從而得到當(dāng)時(shí)的微波諧振頻率及諧振幅度。當(dāng)材料的密度及水分發(fā)生改變時(shí)，由于建立了密度和水分的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，可得到填充物質(zhì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)量到各個(gè)單元濾棒不同的密度或水分，可以知道單元濾棒的長(zhǎng)度及是否出現(xiàn)排序錯(cuò)位?？p隙相當(dāng)于諧振腔檢測(cè)到空腔狀態(tài)，密度值為0，空腔的時(shí)長(zhǎng)即判定出拼接間隙的長(zhǎng)短。

4 工作流程

1）、系統(tǒng)啟動(dòng)后，高頻電磁波與待測(cè)量的復(fù)合濾棒同時(shí)進(jìn)入諧振腔體時(shí)，微波電磁場(chǎng)能量參數(shù)發(fā)生變化，改變諧振腔的固有頻率及幅值，測(cè)出不同材質(zhì)復(fù)合濾棒的經(jīng)檢波放大的電壓信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。

2）、數(shù)據(jù)處理板接收到幅值信號(hào)，微波主控板發(fā)出的頻率信號(hào)，結(jié)合事先設(shè)定好的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算出不同材質(zhì)復(fù)合濾棒的密度及水分。

3）、濾棒檢測(cè)板根據(jù)軸編碼器送出的每支濾棒240個(gè)等分值，得到每支濾棒240組密度及水分?jǐn)?shù)據(jù)。參照工控機(jī)界面設(shè)定好的復(fù)合濾棒規(guī)格，比較復(fù)合濾棒中A段材質(zhì)與B段材質(zhì)的密度與水分值的大小，可以判斷復(fù)合濾棒排序是否出錯(cuò)；復(fù)合濾棒中A段材質(zhì)與B段材質(zhì)交接處如果產(chǎn)生縫隙，則該處密度值較低，將A、B段濾棒交接處的密度值與整只濾棒的平均密度值相比，可以判斷復(fù)合濾棒拼接處是否有縫隙；當(dāng)復(fù)合濾棒A段與B段交接處通過(guò)諧振腔時(shí)，由于兩段材質(zhì)密度不同，其交接處附近的密度值必然呈現(xiàn)連續(xù)單調(diào)遞增或是連續(xù)單調(diào)遞減的變化規(guī)律。依據(jù)數(shù)學(xué)建模，在240組密度值中，計(jì)算出A、B段濾棒交接處連續(xù)單調(diào)遞增或是連續(xù)單調(diào)遞減的起始位置，該值的大小即可表示出復(fù)合濾棒的相位變化。據(jù)此可以判斷復(fù)合濾棒相位是否產(chǎn)生偏移。

4）、剔除板依據(jù)工控機(jī)設(shè)置好的剔除參數(shù)，如：剔除延時(shí)、剔除運(yùn)行時(shí)間等，結(jié)合軸編碼器信號(hào)，剔除板將有缺陷的濾棒從鼓輪中準(zhǔn)確剔除。

5）、工控機(jī)負(fù)責(zé)與下游控制電路板通訊，傳遞參數(shù)，并統(tǒng)計(jì)每班次產(chǎn)量及廢品率等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文方法的可行性，試驗(yàn)用許昌煙機(jī)公司的YL43復(fù)合濾棒機(jī)，所生產(chǎn)的復(fù)合濾棒為下圖所示：

其中A、C、E為醋纖濾棒，B、D為中空濾棒，長(zhǎng)度單位毫米。

試驗(yàn)分兩種狀態(tài)：

①在正常開機(jī)狀態(tài)下，將微波控制系統(tǒng)投入正常運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)一個(gè)班的廢品剔除門剔除的總濾棒數(shù)如下：

縫隙缺陷剔除：62支；縫隙尺寸為0.2～0.6mm。

相位長(zhǎng)度缺陷剔除：35支；相位長(zhǎng)度差︳A-E︳為1～3mm。

誤剔除：2支

總剔除支數(shù)為99，廢品缺陷檢測(cè)剔除準(zhǔn)確率達(dá)98%。

②正常開機(jī)時(shí)，人為制造出質(zhì)量缺陷，驗(yàn)證微波檢測(cè)剔除系統(tǒng)的效果。

a. 人為制造相位長(zhǎng)度偏差；

正常生產(chǎn)時(shí)，人為制造漂移誤差即：即人為調(diào)整YL43成型機(jī)漂移控制按鈕，讓濾棒的偏移量為︳A-E︳≥2.0mm，觀察超差濾棒能否有效剔除，隨機(jī)驗(yàn)證三次，超差濾棒全部100%檢測(cè)剔除。

b. 人為制造排序錯(cuò)位；

正常生產(chǎn)時(shí)，人為制造問(wèn)題即兩種料棒為同一材質(zhì)，觀察錯(cuò)排的能否有效剔除，隨機(jī)驗(yàn)證三次，排序錯(cuò)位濾棒全部100%檢測(cè)剔除。

c. 人為制造縫隙。

正常生產(chǎn)時(shí)，人為制造問(wèn)題即：1、兩種料棒中，一種料棒人為造成比目標(biāo)長(zhǎng)度短1mm；2、在一料棒輸送通道上隨機(jī)抽走一段料棒，觀察有縫隙濾棒能否有效剔除，隨機(jī)驗(yàn)證三次，有縫隙濾棒全部100%檢測(cè)剔除。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)滿足實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)、在線、非接觸、無(wú)損傷快速測(cè)量及控制的要求，設(shè)計(jì)方案合理易行，利用微波技術(shù)檢測(cè)物質(zhì)的密度及水分，進(jìn)而計(jì)算復(fù)合濾棒相位長(zhǎng)度、排序錯(cuò)位、縫隙等質(zhì)量指標(biāo)的方法具有較高的先進(jìn)性。檢測(cè)、控制電路結(jié)構(gòu)合理、檢測(cè)速度快、精度高且具有較好的穩(wěn)定性，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果表明：①正常開機(jī)狀態(tài)下，總的質(zhì)量缺陷復(fù)合濾棒微波檢測(cè)剔除準(zhǔn)確率超過(guò)90%；②人為制造質(zhì)量缺陷，相位長(zhǎng)度偏差、排序錯(cuò)位、縫隙三種質(zhì)量缺陷復(fù)合濾棒全部100%檢測(cè)剔除。