1、微波法胶囊滤棒检测算法研究与装置设计 龚志文 彭黔荣 周明珠 邢军 张龙 罗光杰 董浩 刘勇 李志刚 中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所 中国科学技术大学 贵州中烟工业有限责任公司 国家烟草质量监督检验中心 摘 要： 为提高胶囊滤棒的检测效率和精度, 基于微波谐振腔微扰法设计了一种胶囊滤棒质量检测装置, 主要由下料装置、滤棒输送装置、微波检测单元和分选装置组成。通过建立波峰形位分析算法, 对胶囊滤棒中胶囊的缺失、位置偏移和破损 3 种情况进行快速检测。结果表明, 所设计的检测装置和波峰形位分析算法对于胶囊位置具有较高的检测精度, 对于胶囊的缺失和破损情况均有较好的识别效果。胶囊位置重复
2、性检测最大标准差为 0.111 mm, 胶囊缺陷检测准确率达到 100%;装置检测速度为 120 支/min, 可满足胶囊滤棒质量检测需求, 保障了胶囊卷烟生产质量。该装置为胶囊滤棒质量检测提供了一种快速有效的方法。关键词： 卷烟; 胶囊滤棒; 微波法; 波峰识别算法; 检测装置; 作者简介：龚志文 (1992) , 在读硕士研究生, 研究方向:烟草智能检测技术研究与应用。E-mail:;作者简介：李志刚, E-mail:收稿日期：2017-05-12Algorithm and device for detecting capsuled-filter rod by microwaveGONG
3、Zhiwen PENG Qianrong ZHOU Mingzhu XING Jun ZHANG Long LUO Guangjie DONG Hao LIU Yong LI Zhigang Institute of Applied Technology, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences; China Tobacco Guizhou Industrial Co., Ltd.; China National Tobacco Quality Supervision Abstract： In orde
4、r to promote the efficiency and accuracy for detecting capsule in filter rod, a detector was designed based on microwave resonance cavity perturbation technique. The detector was mainly composed of a filter rod feeding device, a filter rod conveying device, a microwave detection unit and a sorting d
5、evice. The capsule missing, position and defects of capsule, in filter rod could be detected quickly via an established wave crest shape and position recognition algorithm. The results showed that the designed detector and the established algorithm featured higher accuracy for detecting the position
6、 of capsule and good recognition effect for defects or absence of capsule. The maximum standard deviation was 0.111 mm in the capsule position repeatability test, and the accuracy of capsule defect detection reached 100% at a rate of 120 rods per minute.The detector provides a rapid and accurate qua
7、lity detection method for capsuled-filter rods.Keyword： Cigarette; Capsuled-filter rod; Microwave method; Wave crest recognition algorithm; Detector; Received： 2017-05-12引文格式:龚志文, 彭黔荣, 周明珠, 等.微波法胶囊滤棒检测算法研究与装置设计J.烟草科技, 2017, 50 (10) :80-86. (GONG Zhiwen, PENG Qianrong, ZHOU Mingzhu, et al.Algorithm a
8、nd device for detecting capsuled-filter rod by microwaveJ.Tobacco Science是复介电常数的虚部, 亦称为损耗因数。谐振频率 f0和品质因素 Qt与被测样品介电常数的关系为7-9:式中:f 0和 fs分别为放入介质前后的谐振频率;Q L0和 QLs分别为放入介质前后的品质因数;V 0和 Vs分别为谐振腔的体积和谐振腔内介质体积。基于微波谐振腔微扰法介电常数检测原理10, 通过检测胶囊滤棒长度方向上的介电常数或与之相关的信号分布特性即可实现胶囊检测。滤棒内胶囊的主要成分为各种香料和有机溶剂, 滤棒部分的材料为干燥的醋酸纤维丝束。
9、查介电常数表可得胶囊内有机溶剂的介电常数为 32 左右, 而大多数绝干物质的相对介电常数为 157, 两者相差较大。因此, 可利用微波谐振腔传感器等间距采集胶囊滤棒长度方向上的介电常数并绘制成分布曲线, 则在含有胶囊的区域曲线会出现波峰, 根据波峰的数量和位置即可得到胶囊数量和位置情况;对于破损的胶囊, 由于其内部溶剂渗出被周围滤棒材料吸收和挥发, 测量得到的曲线峰值相对于正常值较小, 且波峰平缓, 可根据波峰的大小和形态对胶囊破损情况进行检测。2 检测装置为实现胶囊滤棒长度方向上等距信号采集, 方便后续数据处理工作, 基于微波技术设计了胶囊滤棒质量快速检测装置, 主要由下料装置、滤棒输送装置
10、、微波检测单元和分选装置组成, 见图 1。其中, 下料装置以 2 支/s 的速度将胶囊滤棒投放到滤棒导槽中, 再由滤棒输送装置推动胶囊滤棒匀速通过微波检测单元, 滤棒输送装置的速度 v=1 m/s。微波检测单元由微波谐振腔传感器和微波信号发生及数据处理模块组成, 输出信号强度与被测样品介电常数呈正比关系, 采样速率 f=5 000 Hz。利用滤棒输送装置匀速推进功能, 可实现对胶囊滤棒轴向等间距实时数据采集, 采样点间隔 d 为:将实采数据发送至上位机, 上位机软件结合数据分析算法进行处理, 并将处理结果发送给分选装置。分选装置根据处理结果对滤棒进行分选, 完成对不合格品的剔除。图 1 胶囊滤
11、棒检测系统结构图 Fig.1 Structure of capsuled-filter rod detector 下载原图1.一维推动平台 2.滤棒导槽 3.滤棒推杆滑块 4.下料装置 5.微波谐振腔 6.微波信号发生及数据处理模块 7.分选装置2.1 波峰形位分析算法为了获取胶囊的位置信息及破损情况, 需对波峰的位置和形态信息进行提取。波峰形位信息的提取主要是建立在波峰识别基础之上, 通过波峰识别确定波峰区间, 再对区间内的波峰进行对称轴、峰值以及形态信息的提取, 根据提取到的波峰形态和位置信息对胶囊进行质量判断。为实现波峰形位的准确识别, 建立了一种基于兴趣区域的波峰形位分析算法, 主要包
12、括数据平滑滤波、差分处理、差分数据滤波及基线去抖、波峰区间检测、兴趣区域识别、对称轴及形态系数提取, 见图 2。图 2 波峰形位分析算法流程图 Fig.2 Flow chart of wave crest shape and position recognition algorithm 下载原图2.2 数据平滑滤波信号在采集、处理和传输过程中均会受到各种噪声的干扰, 为了能够准确获取被测对象的信息, 需对采集的信号进行滤波处理。首先确定噪声类型, 在恒温恒湿条件下, 将样品静置于谐振腔中, 连续采集若干个数据, 并将采集到的数据进行统计分析, 数据直方图见图 3。图 3 数据直方图 Fig.3
13、 Data histogram 下载原图由图 3 可知, 噪声呈正态分布, 噪声类型为高斯噪声。对于高斯噪声, 高斯滤波法具有较好的抑制效果。高斯滤波权值的设定满足越接近滤波位置权值越大的规律, 且权值的分布符合高斯分布:式中:x 表示当前点到对应滤波点的距离; 表示高斯函数的宽度, 越大高斯滤波器的频带越宽, 平滑程度就越好。为了降低计算的复杂程度, 用二项式的展开系数作为高斯函数的最佳逼近, n阶二项式展开系数可由杨辉三角形 (也称 Pascal 三角形) 对应的 n+1 行直接得到, 用杨辉三角形的第 n 行作为高斯滤波器的一个具有 n 个点的一维逼近。在实时系统中, 高斯滤波器的数据选
14、取方式可采用滑动平移法, 将 n 个连续采样值看作一个序列, 序列长度始终固定为 n, 每次采样到的一个新数据放在序列尾部, 并删掉位于序列头部的一个数据, 将序列中所有数据的加权均值作为滤波结果。本研究中取 n=17, 则高斯滤波器的模板权值为:对于长度为 m (mn) 的待处理数据, 则 Xn0处的滤波结果为:将采集到的数据利用高斯滤波法进行滤波处理, 处理结果见图 4。可见, 高斯滤波法对高斯噪声具有较好的抑制效果, 且滤波后图形失真度较小。图 4 高斯滤波效果图 Fig.4 Processing effect of Gaussian filter 下载原图2.3 波峰区域检测通常波峰识
15、别有幅度阈值法和斜率阈值法。由于胶囊质量及滤棒材质填充度的差异, 波峰信号会存在波峰幅值、形状上的偏差及基线漂移, 见图 5。可见, 胶囊滤棒的基线不同, 很难通过选取幅值阈值对所有胶囊滤棒的数据进行波峰识别, 但基线漂移不会对曲线的变化趋势即斜率造成影响, 所以可以通过斜率法对波峰的区域进行识别。图 5 基线漂移及波峰形状大小差异 Fig.5 Baseline drift and shape and size differences of wave crest 下载原图为了获取信号变化趋势, 需对滤波后的数据进行差分处理11, X n0处的前向差分结果 g (X n0) 为:差分后的数据再利
16、用递推平均滤波法12进行滤波, 递推平均滤波法对基线附近的随机噪声具有较好的抑制作用。滤波后数据继续进行基线去抖, 通过阈值比较的方法去除基线上存在的小抖动, 使基线达到理想的平滑状态13。基线去抖的阈值可通过空腔或者稳定测量样品条件下对测量信号滤波后的差分数据进行统计学习得到。根据滤波和基线去抖后的差分数据进行波峰边界检测, 由处理后的差分数据可知, 当出现 yn-1=0 且 yn0 时, X n为波峰的左边界;当出现 yn为完好胶囊, 为破损胶囊。图 7 提取兴趣区域 Fig.7 Extraction of region-of-interest of wave crest axis 下载原
17、图3 试验验证为测试装置和算法的检测性能, 通过试验分别对胶囊位置、破损和缺失情况进行检测, 并利用重复性试验和缺陷综合检测试验分别对系统的位置检测精度和缺陷识别准确度进行评价。3.1 胶囊状态检测胶囊滤棒是一种含有 4 颗香料胶囊的滤棒, 结构见图 8。滤棒的设计长度 L=120 mm, 直径 R=7.8 mm, 滤棒内胶囊的位置 P1=15 mm、P 2=45 mm、P 3=75 mm、P 4=105 mm, 相邻胶囊间的距离 B=C=D=30 mm。分别取胶囊正常、位置偏移、缺失和破损等情况的滤棒进行检测, 其中胶囊位置偏移和胶囊缺失的滤棒通过透光法筛选得到, 胶囊破损滤棒通过人工捏破静
18、置 4 h 后得到, 结果见图 9。其中, 图 9a 为合格滤棒的检测结果;图 9b 表明位于位置 2 的胶囊出现破损, 且胶囊位置相对设计值向右偏移约 5 mm;图 9c 表明位于位置 2 的胶囊出现破损, 且位置 3 缺失胶囊。胶囊位置、相邻胶囊间的距离、对应的波峰形状系数、胶囊状态以及最终检测结果, 见表 1。可见, 该装置和算法对于胶囊的位置偏移、破损以及缺失等情况均有较好的识别效果。图 8 胶囊滤棒结构图 Fig.8 Structure of capsuled-filter rod 下载原图图 9 胶囊状态检测结果 Fig.9 Detection results of capsule
19、 status 下载原图图 9 胶囊状态检测结果 Fig.9 Detection results of capsule status 下载原图图中曲线为胶囊长度方向上的信号强度经滤波后的分布曲线点划线为识别到的波峰对称轴滤棒图片为检测后对应滤棒的剖开图3.2 位置检测精度为评价胶囊位置检测精度, 在恒温恒湿条件下, 对同一支滤棒重复测量 25 次, 并对滤棒内各胶囊的位置 P1、P 2、P 3、P 4以及相邻胶囊间的距离 B、C、D 进行统计, 结果见表 2。可见, 最大标准差为 0.111 mm, 数据的重复性较好, 系统具有较高的位置检测精度。3.3 胶囊缺陷检测准确性随机抽取若干支缺陷和
20、正常胶囊滤棒, 共计 70 支, 利用本装置和人工方式分别进行检测, 结果见表 3。可见, 本装置对于正常胶囊和缺陷胶囊的检测结果与人工检测结果一致, 检测准确率达 100%。表 1 胶囊状态检测结果 Tab.1 Detection results of capsule status 下载原表 表 2 胶囊位置检测重复性 (n=25) Tab.2 Repeatability of capsule position detection (n=25) 下载原表 表 3 胶囊缺陷检测准确率 Tab.3 Accuracy of capsule defect detection 下载原表 4 结论所设计
21、的胶囊滤棒无损检测装置结合波峰形位分析算法, 可对滤棒内胶囊的位置、破损和缺失情况进行检测。试验结果表明, 系统具有较高的胶囊位置检测精度, 对胶囊破损和缺失情况均有较好的识别效果。胶囊位置重复性检测最大标准差为 0.111 mm, 胶囊缺陷检测准确率达到 100%;装置检测速度为 120 支/min, 可满足快速准确检测胶囊滤棒质量的需求。参考文献1黄晓丹.烟用香料微胶囊化研究D.无锡:江南大学, 2008.HUANG Xiaodan.Study on microencapsulation of tobacco flavorD.Wuxi:Jiangnan University, 2008.
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23、gfeng, et al.Method for determining aromatic bead positional deviation in aromatic bead filter sticks:China, 104865273AP.2015-08-26. 4董金明, 林萍实, 邓晖.微波技术M.北京:机械工业出版社, 2010.DONG Jinming, LIN Pingshi, DENG Hui.Microwave technologyM.Beijing:China Machine Press, 2010. 7卢智远, 孙文权, 吴志刚, 等.烟支湿度与密度检测的微波谐振腔传感器研
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