卷煙燃燒錐落頭傾向測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

桑瑤爍，張明建，洪 流，徐振宇，張 龍，張 翼，李志剛，李 斌*

1. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所，合肥市長(zhǎng)江西路2221 號(hào) 230088

2. 中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業(yè)煙草工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

3. 江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南昌市高新開(kāi)發(fā)區(qū)金圣工業(yè)科技園 330096

近年來(lái)由于助燃劑的添加，卷煙紙燃燒速率發(fā)生較大變化，卷煙紙燃燒速率增加容易使卷煙產(chǎn)生較大體積的燃燒錐，同時(shí)由于葉組配方與煙絲結(jié)構(gòu)變化，造成卷煙內(nèi)部煙絲間作用力改變，導(dǎo)致消費(fèi)者在彈煙灰時(shí)容易發(fā)生燃燒錐掉落現(xiàn)象，造成卷煙抽吸中斷，產(chǎn)生煙支損耗，掉落的煙頭還可能會(huì)燒壞衣物，影響消費(fèi)者利益，降低消費(fèi)者對(duì)卷煙品牌的認(rèn)可度[1-2]。燃燒錐落頭是指卷煙燃吸或彈煙過(guò)程中發(fā)生燃燒錐脫落或明顯歪斜等現(xiàn)象[2]，研究燃燒錐落頭影響因素，實(shí)現(xiàn)燃燒錐落頭自動(dòng)化檢測(cè)，已成為卷煙工業(yè)企業(yè)越來(lái)越重視和關(guān)注的問(wèn)題。Gao 等[3]通過(guò)調(diào)查定量地表征了人為彈落煙灰的行為特征，研究得出彈擊和敲擊兩種施力方式下的施力參數(shù)具有顯著性差異。趙秋蓉等[4]、喬月梅等[5]通過(guò)篩出不同長(zhǎng)度煙絲發(fā)現(xiàn)煙絲結(jié)構(gòu)對(duì)卷煙燃燒錐掉落率的影響因素大小順序?yàn)樵僭鞜熑~絲比例> 長(zhǎng)絲比例>中絲比例>梗絲比例，同時(shí)對(duì)助燃劑比例、卷煙紙定量、麻漿比例、卷煙紙助燃劑鉀鹽比例、卷煙紙透氣度與燃燒錐掉落相關(guān)性也進(jìn)行了研究；王亮等[6]針對(duì)細(xì)支煙煙絲結(jié)構(gòu)分布與燃燒錐落頭之間相關(guān)性進(jìn)行了研究，分析了軸向煙絲密度分布與燃燒錐掉落的關(guān)系；訾瑩瑩等[7]提出各工序煙絲結(jié)構(gòu)與掉火頭率的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平。但目前對(duì)于卷煙燃燒錐落頭問(wèn)題大多是通過(guò)自行搭建的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行研究，施力參數(shù)無(wú)法精確控制，人為識(shí)別燃燒錐掉落存在測(cè)試誤差。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YC/T 558—2018 卷煙 燃燒錐落頭傾向的測(cè)試》[2]的推出，為卷煙燃燒錐落頭研究及質(zhì)量控制提供了統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試依據(jù)。為此，基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一種卷煙燃燒錐落頭傾向檢測(cè)裝置，以期實(shí)現(xiàn)卷煙燃燒錐落頭自動(dòng)化檢測(cè)，減少人為誤差，提高卷煙產(chǎn)品質(zhì)量控制水平。

1 系統(tǒng)組成

卷煙燃燒錐落頭傾向檢測(cè)裝置主要由吸煙輔助單元、施力單元、燃燒錐掉落識(shí)別單元、控制單元等部分組成，見(jiàn)圖1。吸煙輔助單元主要完成自動(dòng)上煙、點(diǎn)煙、抽吸和排煙等操作；施力單元可以模擬抽煙時(shí)對(duì)卷煙的施力動(dòng)作，并利用高速力度采集裝置對(duì)施力力度和作用時(shí)間進(jìn)行采集；燃燒錐掉落識(shí)別單元通過(guò)紅外測(cè)溫和圖像識(shí)別相結(jié)合的方法判斷燃燒錐掉落情況；控制單元控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)順序，采集和處理運(yùn)動(dòng)信號(hào)，利用單片機(jī)和人機(jī)交互界面控制各單元?jiǎng)幼?。為滿足標(biāo)準(zhǔn)“一組測(cè)試樣品量為40 支”的要求，該檢測(cè)裝置每組可同時(shí)對(duì)8 支煙進(jìn)行測(cè)量，自動(dòng)測(cè)試5 組。

1.1 吸煙輔助單元

吸煙輔助單元包括點(diǎn)煙、上煙、抽吸、排煙和燃燒線探測(cè)等模塊，是完成燃燒錐落頭檢測(cè)的輔助性單元。上煙模塊采用滾筒式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)煙和細(xì)支煙的自動(dòng)上煙，配合旋轉(zhuǎn)盤完成每組8支煙的上煙動(dòng)作；點(diǎn)煙和抽吸模塊相配合可實(shí)現(xiàn)樣品的點(diǎn)燃和抽吸；燃燒線探測(cè)模塊通過(guò)紅外測(cè)溫傳感器探測(cè)燃燒線位置；排煙模塊用于收集測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣并排出室外。

圖1 卷煙燃燒錐落頭傾向檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of device for testing burning cone falling out propensity of cigarettes

1.2 施力單元

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

施力單元主要由敲擊、彈擊和夾持等模塊組成[8]，見(jiàn)圖2。施力單元通過(guò)夾持模塊對(duì)樣品進(jìn)行夾持，利用彈擊和敲擊模塊實(shí)現(xiàn)彈擊和敲擊兩種施力方式自動(dòng)切換。彈擊和敲擊兩個(gè)模塊通過(guò)氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)，對(duì)煙支進(jìn)行施力，并利用出氣口節(jié)流閥和電氣比例閥配合控制彈擊模塊和敲擊模塊的施力力度和作用時(shí)間。通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)夾持位置、施力位置等進(jìn)行設(shè)置，施力單元可以滿足不同規(guī)格和長(zhǎng)度卷煙的檢測(cè)要求。

圖2 施力單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of actuator

1.2.2 高速力度采集裝置

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，消費(fèi)者在抽吸卷煙時(shí)對(duì)煙支施加彈擊和敲擊兩種方式的力均為瞬時(shí)力。其中，彈擊力作用時(shí)間為10～50 ms，敲擊力作用時(shí)間為60～120 ms，兩種力的大小在50～1 000 mN 之間。由于煙支直徑小，質(zhì)量輕，表面強(qiáng)度低，采用普通力度測(cè)試方式難以滿足精確測(cè)量煙支所受作用力大小和時(shí)間要求。

圖3 高速力度采集裝置原理圖Fig.3 Principle of high-speed force acquisition device

高速力度采集裝置主要由檢測(cè)棒、薄膜傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等組成[3，9-10]，見(jiàn)圖3。該裝置配置有常規(guī)和細(xì)支煙檢測(cè)棒，薄膜傳感器粘貼在檢測(cè)棒上，傳感器接收施力力度和作用時(shí)間信號(hào)，將信號(hào)處理后得到施力力度大小和作用時(shí)間。薄膜傳感器具有準(zhǔn)確度高、分辨率高、性能穩(wěn)定、體積小等優(yōu)點(diǎn)。采集卡的采樣頻率大于1 000 Hz，可以對(duì)傳感器兩端的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，滿足精確測(cè)量煙支所受作用力大小和時(shí)間要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈擊和敲擊兩種施力方式的實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高落頭檢測(cè)準(zhǔn)確性。

1.3 燃燒錐掉落識(shí)別單元

卷煙燃燒錐掉落識(shí)別單元由工業(yè)相機(jī)、光源、煙支夾持器、卷煙、背景板、紅外測(cè)溫模塊等部分組成，見(jiàn)圖4。由于燃燒錐完全掉落和煙支燃燒錐較短兩種狀態(tài)在圖像呈現(xiàn)中相似度較高，難以采用圖像算法進(jìn)行區(qū)分。為此，該單元采用紅外測(cè)溫模塊對(duì)樣品端部溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)量溫度小于設(shè)定閾值時(shí)，則判斷為燃燒錐完全掉落；當(dāng)測(cè)量溫度大于或等于設(shè)定閾值時(shí)，再通過(guò)圖像算法對(duì)燃燒錐是否出現(xiàn)歪斜進(jìn)行判斷。為避免圖像受光源影響，相機(jī)與光源布置在同一側(cè)，并選用光強(qiáng)度較強(qiáng)的光源濾除環(huán)境光的影響，采用紫色背景板可以較好地將燃燒錐與煙灰進(jìn)行區(qū)分，提高判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 卷煙燃燒錐掉落識(shí)別單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of burning cone falling out identification unit

卷煙燃燒錐掉落識(shí)別單元的檢測(cè)流程如圖5所示，當(dāng)卷煙轉(zhuǎn)動(dòng)至識(shí)別單元所在位置時(shí)，該單元通過(guò)紅外測(cè)溫模塊檢測(cè)燃燒錐溫度T，若T＜60℃說(shuō)明燃燒錐完全掉落，判斷為落頭；若T≥60℃，通過(guò)相機(jī)兩次采集燃燒卷煙圖像并進(jìn)行算法處理，區(qū)分出煙支燃燒錐和未燃燒段。在未燃燒段的煙支邊緣標(biāo)出上下兩條平行線（圖6），平行線距離煙支邊緣1.8 mm，通過(guò)圖像識(shí)別燃燒錐是否在平行線內(nèi)。若燃燒錐在平行線內(nèi)，則判斷為未落頭；若燃燒錐超出平行線，則計(jì)算燃燒錐超出面積S。若S＜面積閾值，則判斷為未落頭；若S≥面積閾值，則判斷為落頭。該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)落頭傾向檢測(cè)，自動(dòng)識(shí)別煙支燃燒測(cè)試長(zhǎng)度，利用圖像算法查找并記錄煙支燃燒測(cè)試起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，并計(jì)算出煙支燃燒長(zhǎng)度[11]。

圖5 卷煙燃燒錐掉落識(shí)別單元檢測(cè)流程圖Fig.5 Detection flow of burning cone falling out identification unit

圖6 水平邊緣切線示意圖Fig.6 Schematic diagram of horizontal edge tangent

1.4 控制單元

控制單元包括人機(jī)界面、上位機(jī)軟件、STM32單片機(jī)、電源系統(tǒng)和通訊模塊等部分。上位機(jī)軟件通過(guò)下發(fā)指令控制各執(zhí)行部件運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)STM32 單片機(jī)反饋信號(hào)判斷裝置的下一步動(dòng)作。為實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元同時(shí)控制，控制單元通過(guò)STM32單片機(jī)實(shí)時(shí)采集施力、吸煙輔助、燃燒錐掉落識(shí)別等單元的傳感器信號(hào)，根據(jù)上位機(jī)軟件指令對(duì)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行控制。人機(jī)界面的功能是下發(fā)設(shè)置參數(shù)和控制相應(yīng)單元運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接收測(cè)試數(shù)據(jù)，并顯示在人機(jī)界面上。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：常規(guī)卷煙樣品D1、D2（由江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

儀器：卷煙燃燒錐落頭傾向測(cè)試儀CFP800A（自制）；BSA224S-CW 電子天平（精度0.1 mg，德國(guó)Sartorius 公司）；高速力度采集裝置（自制，配置有細(xì)支卷煙和常規(guī)卷煙施力參數(shù)檢測(cè)棒）；KBF-S 115 型恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder 公司）；游標(biāo)卡尺（量程0～300 mm，哈爾濱量具刃具有限公司）。

方法：通過(guò)分析彈擊和敲擊兩種方式下施力位置、施力力度和作用時(shí)間3 個(gè)技術(shù)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，驗(yàn)證施力單元的穩(wěn)定性；比較人工觀察燃燒錐掉落次數(shù)與裝置識(shí)別燃燒錐掉落次數(shù)的一致性，驗(yàn)證燃燒錐掉落識(shí)別單元的準(zhǔn)確性；利用重復(fù)性試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 施力單元穩(wěn)定性

利用高速力度采集裝置和游標(biāo)卡尺對(duì)彈擊與敲擊兩種方式下的施力位置、施力力度、作用時(shí)間3 個(gè)參數(shù)分別測(cè)量10 次，計(jì)算平均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)，在兩種施力方式下，施力位置最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05 mm，施力力度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.6 mN，作用時(shí)間最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.002 s，各參數(shù)測(cè)量值均在標(biāo)準(zhǔn)允差范圍內(nèi)，能夠滿足燃燒錐落頭傾向測(cè)試要求。

2.3 燃燒錐掉落識(shí)別準(zhǔn)確性

為測(cè)試燃燒錐掉落識(shí)別單元的性能，從常規(guī)卷煙樣品D1、D2 中隨機(jī)抽取樣品200 支進(jìn)行檢測(cè)，利用人工通過(guò)觀察窗監(jiān)測(cè)燃燒錐掉落情況并記錄，與檢測(cè)裝置的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，檢測(cè)裝置對(duì)燃燒錐掉落識(shí)別與人工識(shí)別結(jié)果一致，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

2.4 重復(fù)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。以常規(guī)卷煙樣品D1、D2 為研究對(duì)象，對(duì)樣品進(jìn)行質(zhì)量分選，在恒溫恒濕環(huán)境中平衡48 h，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]中的測(cè)試條件調(diào)整裝置參數(shù)，分別進(jìn)行5 組卷煙燃燒錐落頭傾向試驗(yàn)，每組樣品數(shù)40 支，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，彈擊方式下兩種樣品測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.37%～2.24%之間，敲擊方式下兩種樣品測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在2.09%～2.24%之間，數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好，表明系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)穩(wěn)定性。

表1 施力單元技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果①Tab.1 Test results of technical parameters of actuator

表2 燃燒錐掉落識(shí)別準(zhǔn)確率Tab.2 Accuracy of burning cone falling out identification

表3 不同落頭傾向水平樣品測(cè)試結(jié)果重復(fù)性Tab.3 Repeatability of test results of cigarette samples with different burning cone falling out propensities

3 結(jié)論

針對(duì)卷煙燃燒錐掉落難以檢測(cè)等問(wèn)題，研制了一種燃燒錐落頭傾向自動(dòng)檢測(cè)裝置，通過(guò)設(shè)計(jì)高速力度采集裝置用于測(cè)量卷煙施加的彈擊力和敲擊力大小及作用時(shí)間，利用紅外測(cè)溫與圖像識(shí)別相結(jié)合方法對(duì)燃燒錐掉落進(jìn)行檢測(cè)。以江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供的常規(guī)卷煙樣品為對(duì)象，對(duì)施力單元的穩(wěn)定性、識(shí)別單元準(zhǔn)確性和系統(tǒng)重復(fù)性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：在彈擊和敲擊兩種施力方式下，施力位置最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05 mm，施力力度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.60 mN，作用時(shí)間最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.002 s，各技術(shù)參數(shù)測(cè)量值均在標(biāo)準(zhǔn)允差范圍內(nèi)；識(shí)別單元對(duì)燃燒錐掉落識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100%；彈擊方式下兩種樣品測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.37%～2.24%之間，敲擊方式下兩種樣品測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在2.09%～2.24%之間，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，表明系統(tǒng)具有較高穩(wěn)定性，能夠滿足卷煙燃燒錐落頭傾向自動(dòng)化檢測(cè)要求。