新型光纖式松頭煙支檢測(cè)器設(shè)計(jì)

余寶意

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，武漢430000）

質(zhì)量就是生命，卷煙生產(chǎn)企業(yè)為保證產(chǎn)品質(zhì)量，贏得市場(chǎng)，減少客戶投訴反饋，在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，在卷接機(jī)和包裝機(jī)上多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行煙支松頭缺陷的檢測(cè)及剔除工作[1]。

煙支松頭的檢測(cè)方式由早期的人工抽檢逐步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)，主要的檢測(cè)方式有：機(jī)械式[2]、電容式[3]、光電式[4-7]和基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)方式[8-10]。

機(jī)械式檢測(cè)因機(jī)械裝置容易受彈簧材料疲勞引起的應(yīng)力下降導(dǎo)致誤檢，另外機(jī)械裝置在高速運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)部件本身的磨損較快，發(fā)生煙支擠壓和碰撞的可能性也相對(duì)增大。電容傳感器檢測(cè)煙支端部煙絲量變化造成的電容值變化較微弱，解調(diào)得到的傳感器信號(hào)環(huán)境穩(wěn)定性較差，從而造成松頭煙支檢測(cè)準(zhǔn)確性不理想。目前，仍有大量卷煙廠采用電容式松頭檢測(cè)，檢測(cè)器常年運(yùn)行，電路老化，檢測(cè)效果不太理想，亟待改進(jìn)，迫切需要研發(fā)適用于PROTOS 70 卷接機(jī)的新型光纖式松頭煙支檢測(cè)器[11]。

1 總體設(shè)計(jì)

因PROTOS 70 卷接機(jī)的松頭煙判據(jù)是依據(jù)電容式松頭檢測(cè)信號(hào)設(shè)計(jì)的，而電容式松頭信號(hào)和光纖式松頭信號(hào)不兼容，兩者谷值特性一致、峰值特性相反，需要在光纖式松頭信號(hào)進(jìn)入CIS 之前對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。考慮到信號(hào)轉(zhuǎn)換需要借助MAX 時(shí)鐘碼盤的MCP 信號(hào)和DCP 信號(hào)進(jìn)行峰值時(shí)刻的確定，而卷接機(jī)的FLO 煙支檢測(cè)器電纜沒(méi)有這兩個(gè)信號(hào)。因此，要完成兼容PROTOS 70 卷接機(jī)的松頭缺陷檢測(cè)，需要在設(shè)計(jì)光纖式FLO 煙支檢測(cè)器之外，再設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。

松頭檢測(cè)主要由紅外光發(fā)生電路、紅外光傳導(dǎo)介質(zhì)、紅外光檢測(cè)電路、電流電壓I/V 變換電路、電壓信號(hào)調(diào)理放大電路等幾個(gè)部分組成[12]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 紅外光纖檢測(cè)頭設(shè)計(jì)

松頭檢測(cè)需要發(fā)射光線對(duì)準(zhǔn)煙支點(diǎn)燃端，采用中心發(fā)射、四周接收方式進(jìn)行檢測(cè)頭設(shè)計(jì)。煙支點(diǎn)燃端距紅外光纖發(fā)射端的距離約為6.5 mm。國(guó)標(biāo)GB/T22838 規(guī)定空陷深度大于1 mm 且空陷截面比大于2/3 的煙支為松頭煙。因此，檢測(cè)窗口下邊緣距發(fā)射端的垂直距離應(yīng)為7.5 mm，這樣能保證煙支空陷深度小于1 mm 的煙支對(duì)松頭檢測(cè)電壓的影響較小。檢測(cè)窗口直徑為2 mm，檢測(cè)窗口水平面距發(fā)射端垂直距離8.5 mm。根據(jù)紅外光電傳感器發(fā)射端的尺寸，光纖檢測(cè)頭發(fā)射窗口的直徑應(yīng)設(shè)計(jì)為3.2 mm。

煙支松頭位置可能是隨機(jī)的，有可能在煙支中心，也有可能在煙支邊緣處[13-15]。在待檢煙支周圍設(shè)計(jì)4 個(gè)檢測(cè)窗口組成檢測(cè)矩陣進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)求和，以提高松頭檢測(cè)的準(zhǔn)確性。若檢測(cè)窗口距煙支邊緣太遠(yuǎn)，則透過(guò)煙支的紅外光在空氣中衰減大且檢測(cè)值易受外界環(huán)境影響，若檢測(cè)窗口距煙支邊緣太近，則4 個(gè)檢測(cè)窗口只能檢測(cè)局部，不能對(duì)透過(guò)煙支周圍的紅外光進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)。綜合考慮，將4個(gè)檢測(cè)窗口距煙支邊緣的距離設(shè)計(jì)為5 mm。普通煙支的直徑是7.8 mm，則檢測(cè)窗口距檢測(cè)中心的垂直距離為8.9 mm。如圖1所示為紅外光束與煙支端面及檢測(cè)窗口相對(duì)位置關(guān)系示意圖。

圖1 紅外光束與煙支端面及檢測(cè)窗口相對(duì)位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of relative position relationship between infrared beam and cigarette end and detection window

光纖檢測(cè)頭發(fā)射窗口需要用光學(xué)薄透鏡對(duì)紅外光電傳感器發(fā)出的紅外光進(jìn)行發(fā)散，需要合理設(shè)計(jì)薄透鏡的焦距和球面半徑。

薄透鏡焦距公式如式（1）所示：

式中：nL為兩球面間構(gòu)成透鏡的折射率；r1、r2為透鏡兩球面半徑，如果第一個(gè)表面的透鏡是凸透鏡，r1的數(shù)值是正值，如果是凹透鏡則是負(fù)值；如果第二個(gè)表面是凹透鏡，r2的數(shù)值是正值，如果是凸透鏡則是負(fù)值。

紅外光電傳感器發(fā)射窗口發(fā)出的紅外光為平行光束，經(jīng)過(guò)光纖檢測(cè)頭的薄透鏡后紅外光開始發(fā)散，設(shè)薄透鏡的焦距為f，紅外光的發(fā)散角為α，則：

光束在煙支端面位置時(shí)，紅外光圈面積大于煙支截面面積，則：

為了防止發(fā)出的紅外光直接射入檢測(cè)窗口影響松頭檢測(cè)效果，在檢測(cè)窗口邊緣處，紅外光圈面積應(yīng)小于環(huán)狀分布的檢測(cè)窗口組成的圓的面積，則：

三式聯(lián)立，得2.08

選擇制作薄透鏡的玻璃材料的折射率nL為1.5，設(shè)r2足夠大，根據(jù)薄透鏡焦距式（1），得r1=0.5f。薄透鏡焦距f選擇4 mm，則薄透鏡的球面半徑r1應(yīng)為2 mm。

松頭傳感器發(fā)出的紅外光通過(guò)光纖導(dǎo)光束直通檢測(cè)頭的紅外光發(fā)射窗口，發(fā)射窗口發(fā)出的紅外光照射在煙支點(diǎn)燃端面上，一部分紅外光被煙支點(diǎn)燃端煙絲吸收，另一部分紅外光透過(guò)煙支，被四周4個(gè)接收窗口組成的矩陣檢測(cè)接收。接收窗口將檢測(cè)到的紅外光通過(guò)四合一光纖導(dǎo)光束輸送至松頭傳感器的接收端。光纖導(dǎo)光束另一端與紅外松頭傳感器的發(fā)射、接收窗口緊配合連接，并用螺帽旋緊。

2.2 信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換

卷接機(jī)運(yùn)行時(shí)，煙支松頭檢測(cè)是連續(xù)進(jìn)行的，待檢煙支在檢測(cè)輪上依次通過(guò)松頭檢測(cè)位置，當(dāng)煙支中心正對(duì)松頭檢測(cè)頭時(shí)，松頭傳感器獲得松頭峰值，當(dāng)待檢煙支完全離開松頭檢測(cè)頭時(shí)，松頭傳感器獲得松頭谷值。煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)松頭峰谷差值判斷煙支是否為松頭煙。

PROTOS 70 卷接機(jī)松頭煙檢測(cè)判據(jù)是依據(jù)電容式松頭傳感器的輸出信號(hào)設(shè)計(jì)的。如圖2所示為電容松頭傳感器與紅外光纖式松頭傳感器輸出信號(hào)對(duì)比示意圖。

圖2 電容松頭傳感器與紅外光纖式松頭傳感器輸出信號(hào)對(duì)比示意圖Fig.2 Schematic diagram of output signal comparison between capacitive sensor and infrared fiber sensor

電容式松頭信號(hào)正常煙支的峰谷差值比松頭煙支的峰谷差值大，而紅外光纖式松頭信號(hào)正常煙支的峰谷差值比松頭煙支的峰谷差值小。如果直接將紅外光纖式松頭傳感器輸出值接入煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，則會(huì)導(dǎo)致卷接機(jī)開機(jī)生產(chǎn)時(shí)，大部分好煙被誤剔，松頭煙全被漏剔。因此，采用紅外光纖式松頭檢測(cè)時(shí)，需在松頭信號(hào)進(jìn)入煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

考慮到鼓輪邊緣正對(duì)檢測(cè)頭時(shí)，取得的谷值大小是近似恒定的。為減輕信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊處理負(fù)荷，減少信號(hào)轉(zhuǎn)換次數(shù)，可以只在峰值時(shí)刻進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，在谷值時(shí)刻信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸出置恒定值。

卷接機(jī)MAX 時(shí)鐘碼盤可以產(chǎn)生2 種脈沖信號(hào)：DCP 雙煙脈沖信號(hào)及MCP 脈沖信號(hào)。卷接機(jī)每卷制2 支煙產(chǎn)生1 個(gè)周期的DCP 信號(hào)，1 個(gè)DCP 信號(hào)周期內(nèi)產(chǎn)生20 個(gè)周期的MCP 脈沖信號(hào)。所有卷制的煙支都要經(jīng)過(guò)檢測(cè)，檢測(cè)1 支煙也要經(jīng)過(guò)10個(gè)MCP 脈沖信號(hào)周期。兩種脈沖信號(hào)的頻率與機(jī)器速度相關(guān)，考慮可以用DCP 雙煙脈沖信號(hào)和MCP脈沖信號(hào)來(lái)共同判斷紅外光纖式松頭信號(hào)的峰值時(shí)刻。

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號(hào)峰值與輸出信號(hào)的峰值成反比，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，令信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號(hào)峰值與輸出信號(hào)峰值滿足線性關(guān)系，且斜率設(shè)為-1。設(shè)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸入峰值信號(hào)為ULin，輸出峰值信號(hào)為ULout，則輸入輸出峰值信號(hào)應(yīng)滿足式（5）關(guān)系：

式中：UC為參考電壓，可以通過(guò)電位器設(shè)置。這樣，在松頭輸入信號(hào)不變的情況下，調(diào)整參考電壓，相當(dāng)于對(duì)松頭輸出電壓進(jìn)行縮放，以便調(diào)節(jié)松頭剔廢靈敏度。

2.2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊主控芯片選擇常用的PIC18F2580單片機(jī)[16]，該器件內(nèi)部時(shí)鐘有從31 kHz 到8 MHz 8個(gè)可選主頻，工作電壓范圍2.0～5.5 V，有3 個(gè)外部中斷接口，1 個(gè)捕獲/比較/PWM 模塊、主同步串口（MSSP，MASTER SYNCHRONOUS SERIAL PORT）模塊支持3 線SPI 和I2C 主從模式，10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，采樣率最高為100 ksps。

為了提高信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的抗干擾能力，DCP信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離進(jìn)入主控芯片INT0 中斷接口，MCP 信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離進(jìn)入內(nèi)部定時(shí)器T0 接口。光耦選擇高速數(shù)字光耦，器件速度可達(dá)10 MBit/s，輸入側(cè)至少2 mA 的電流才能使輸出側(cè)電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，2 mA 電流時(shí)，光耦輸入側(cè)分壓約為1.35 V，輸入DCP/MCP 脈沖信號(hào)的高電平約為24 V，則限流電阻：

另外，輸入側(cè)最大電流不能超過(guò)5 mA，則限流電阻：

考慮到DCP/MCP信號(hào)由光電接近開關(guān)產(chǎn)生，光電接近開關(guān)最大只能提供20 mA 的電流，且DCP/MCP 信號(hào)需要同時(shí)提供給CIS 煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)和PLC 傳動(dòng)系統(tǒng)，如果信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊消耗太大電流，會(huì)影響DCP/MCP 信號(hào)質(zhì)量，進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定工作。因此，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊DCP/MCP 信號(hào)經(jīng)光耦的限流電阻應(yīng)盡可能取較大值，使得光電接近開關(guān)供給信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的電流較小，限流電阻R取10 kΩ。

松頭輸入信號(hào)和電位器設(shè)置的參考電壓分別接入主控模塊的10 位A/D 轉(zhuǎn)換器。撥碼開關(guān)接入主控芯片的數(shù)字輸入通道。轉(zhuǎn)換后的松頭輸出信號(hào)通過(guò)D/A 輸出。選擇I2C 接口的12 位D/A 轉(zhuǎn)換器，工作電流：電源電壓5 V 時(shí)140 μA，電源電壓范圍：2.7～5.5 V，I2C 接口速度達(dá)3.4 Mbps。該器件主要通過(guò)串行時(shí)鐘輸入端口（SCL Serial Clock Input）和串行數(shù)據(jù)輸入端口（SDA Serial Data Input）與主控芯片相連，D/A 轉(zhuǎn)換器在從模式下使用I2C 總線接收數(shù)據(jù)。

2.2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，首先要對(duì)PIC18F2580 的內(nèi)部時(shí)鐘、單片機(jī)啟動(dòng)定時(shí)、I/O 口、指令集等進(jìn)行配置，然后要對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，對(duì)捕獲、比較、PWM 模塊、I/O 管腳分配、A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間及轉(zhuǎn)換后的格式、定時(shí)器開啟及是否分頻、主控同步串行D/A、中斷優(yōu)先級(jí)等進(jìn)行設(shè)置，最后是主程序設(shè)計(jì)、中斷入口程序設(shè)計(jì)、中斷程序設(shè)計(jì)、相關(guān)子程序設(shè)計(jì)。

在主程序中，先初始化，清看門狗，判斷高優(yōu)先級(jí)中斷是否到來(lái)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)中斷到來(lái)時(shí)，MCP 計(jì)數(shù)清零并清INT0 中斷標(biāo)志，然后讀電位器設(shè)置的模擬參考電壓值、撥碼開關(guān)狀態(tài)值，根據(jù)讀值計(jì)算峰值位置、谷值位置。

高優(yōu)先級(jí)的INT0 中斷由DCP 上升沿觸發(fā)，在中斷中，先等待A/D 轉(zhuǎn)換完成，然后暫存轉(zhuǎn)換值，將MCP 計(jì)數(shù)清零并恢復(fù)A/D 轉(zhuǎn)換值。低優(yōu)先級(jí)的T0溢出中斷由外部MCP 脈沖上升沿觸發(fā)、在中斷中，先等待A/D 轉(zhuǎn)換完成，暫存轉(zhuǎn)換值，然后調(diào)用松頭轉(zhuǎn)換程序并恢復(fù)A/D 轉(zhuǎn)換值，最后重新設(shè)置T0 計(jì)數(shù)起始值，清T0 中斷標(biāo)志。

松頭轉(zhuǎn)換程序流程如圖3所示，在松頭轉(zhuǎn)換程序中，先判斷DCP 信號(hào)是否處于高電平，如果是，將MCP 計(jì)數(shù)清零，否則進(jìn)行MCP 累加計(jì)數(shù)。當(dāng)MCP計(jì)數(shù)和峰值轉(zhuǎn)換位置相等時(shí)，熄滅發(fā)光二極管，進(jìn)行松頭電壓值采樣并判斷是否超界。如果不超界，將計(jì)算值送入D/A 轉(zhuǎn)換器，否則將0 送入D/A 轉(zhuǎn)換器。當(dāng)MCP 計(jì)數(shù)與谷值位置相等時(shí)，點(diǎn)亮發(fā)光二極管并將0 送入D/A 轉(zhuǎn)換器。

圖3 松頭轉(zhuǎn)換處理程序流程圖Fig.3 Loose end conversion process flow chart

如圖4所示為信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸出信號(hào)與電容、光纖松頭曲線對(duì)比圖，由圖4 可知，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)換后的松頭信號(hào)正常煙支時(shí)峰谷差值大，松頭煙支時(shí)峰谷差值小，與電容式松頭輸出信號(hào)一致。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)可以兼容PROTOS 70 卷接機(jī)CIS 煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。

圖4 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸出信號(hào)與電容、光纖松頭曲線對(duì)比圖Fig.4 Curve comparison of output signal of signal conversion module with capacitance and fiber loose end

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)作為光纖式松頭煙支檢測(cè)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用中斷處理技術(shù)進(jìn)行采樣時(shí)刻的判斷，采用單片機(jī)內(nèi)置A/D 進(jìn)行高速采樣，內(nèi)部精簡(jiǎn)計(jì)算，I2C 總線D/A 高速輸出，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。信號(hào)轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)10 kHz，信號(hào)轉(zhuǎn)換精度高達(dá)97%以上。

3 結(jié)語(yǔ)

在卷煙生產(chǎn)過(guò)程中，技術(shù)人員關(guān)心的往往是松頭煙支檢測(cè)器剔廢準(zhǔn)確度，通常用下列指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估：

（1）剔廢率：剔出的廢品煙數(shù)量占生產(chǎn)煙支總數(shù)的百分比；

（2）誤剔率：剔廢閥剔除的煙支中正常煙支數(shù)量占剔廢總數(shù)的百分比；

（3）漏剔率：正常通過(guò)的煙支中缺陷煙支占煙支總數(shù)的百分比。

經(jīng)質(zhì)檢人員驗(yàn)收評(píng)估，光纖式松頭煙支檢測(cè)器松頭檢測(cè)誤剔率小于5%，漏剔率小于1%，優(yōu)于電容式松頭煙支檢測(cè)器相關(guān)指標(biāo)20%以上。且光纖式松頭煙支檢測(cè)器剔廢率可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍：0.1%～0.5%，方便用戶使用。同一臺(tái)卷接機(jī)經(jīng)常換牌生產(chǎn)不同品牌的卷煙，當(dāng)生產(chǎn)高價(jià)值品牌，對(duì)品質(zhì)要求較高時(shí)，質(zhì)管人員希望剔廢率高一些，減少漏剔的煙支；當(dāng)生產(chǎn)低價(jià)值煙支時(shí)，質(zhì)管人員希望剔廢率低一些，減少煙絲、盤紙等消耗，降低成本。新型光纖式松頭煙支檢測(cè)器能滿足用戶個(gè)性化需求。