复合滤棒微波在线检测剔除控制系统的研制

复合滤棒微波在线检测剔除控制系统的研制

摘要：本文提出了一种用微波测量方法来解决能使生产过程连续不间断的进行，且快速、可靠、安全地对烟支复合滤棒的拼接间隙、滤棒错位、相位偏移等各种缺陷进行检测并实时剔除的方法。这种方法具有检测速度快，测量结果准确，可靠性高，对操作者人体安全的特点。它可以适用于各种型号的复合滤嘴棒机组，对各种复合滤棒进行在线检测并实时剔除有质量缺陷的产品。

关键词：复合滤棒；微波检测；剔除

1 引言

随着科学技术的发展，微波检测与控制装置在烟草行业得到广泛的应用，采用微波湿度检测[1]的方法来检测控制烟丝水分[2]，通过检测烟条中烟丝密度的变化控制烟支重量[3]等。随着降焦减害的要求提高，加上卷烟企业对烤烟型卷烟增香补香和突出产品差异化，在高档卷烟中开始大量使用复合滤棒，而如何控制复合滤棒成型精度，保持吸阻稳定，是复合滤棒成型中的关键技术。

复合滤棒通常由二至三种不同材质滤棒，经专用复合滤棒成型机分切、拼接而成。例如，某型号复合滤棒生产工艺要求如图1所示：其中，a1段、a2段、a3段材质为普通高透滤棒；b1段、b2段材质为同心圆滤棒。整根复合滤棒长120mm，除a2段长40mm外，其余段均为20mm长。

生产过程中，经常容易出现如下几种严重影响产品质量的缺陷：1.1 拼接间隙；即a段滤棒与b段滤棒之间拼接不严密，产生缝

隙。

如图2所示：当相邻两段，如a+b不等于目标总长度，并当误差大于设定值时，判定该复合滤棒中有间隙，输出剔除信号。

1.2 滤棒错位；即应该放入a段滤棒的位置，错放入b段滤棒，反之亦然。错位滤棒将被剔除。

1.3 相位偏移；即a段滤棒与b段滤棒长度不符合工艺质量要求。目前，有采用光电照射法应用于检测复合滤棒间隙缺陷，但不能检测复合滤棒错位和相位偏移（基棒色差很小时）。

本文提出了一种解决能使生产过程连续不间断的进行，且快速、可靠、安全地对烟支复合滤棒的拼接间隙；滤棒错位；相位偏移等各种缺陷进行检测并实时剔除的方法。微波测量方法是一种解决这个问题的较好的方法，它不受复合滤棒表面颜色完全一致的影响，具有检测速度快，测量结果准确，可靠性高，对操作者人体安全的特点。它可以适用于各种型号的复合滤嘴棒机组，对各种复合滤棒进行在线检测并实时剔除有质量缺陷的产品。

2 检测、剔除控制方法的原理及系统结构设计

“复合滤棒微波在线检测剔除控制系统”由两部分组成。第一部分是硬件部分，即微波探测单元，它的作用是使用微波谐振器作为传感器，将部分填充不同滤嘴棒材料的微波谐振频率和谐振幅度的变化信号检测出来。第二部分是软件部分，即分析处理和控制程序。它将微波探测器送出的微波谐振频率和谐振幅度的变化信号经过

分析计算，转换为材料介质常数的变化。然后再按判断规则，确定

复合滤嘴棒是否合格。再将不合格信号送给执行机构，剔除不合格产品。

2.1 微波探测单元

它由微波谐振腔、微波信号产生器、微波信号隔离器、微波同轴传输电缆、微波信号检波及放大器组件等组成。

微波在一个金属制成的容器（我们将其称为微波谐振腔）内具有谐振特性。对于一个空的微波谐振腔，当谐振腔的几何形状确定后，其谐振频率和谐振幅度也是确定的。但当在该谐振腔内部分或全部填充有其它非金属物质（我们称其为介质材料）时，其谐振频率和谐振幅度会因填充的介质材料的介质常数、介质的多少和形状的不同而产生不同的变化[4]。这种变化对于所填充的介质材料的不同所产生的响应的十分敏感的。当不同材料的滤棒通过微波谐振腔时，其介质常数有着微小的差别，而微波谐振腔能够明显的区别这种材料的介质常数的微小差别。因此，我们可以利用对微波谐振腔的谐振频率和谐振幅度的测量来快速、精确地区别微波谐振腔内所填充的滤棒的类型。

2.2 分析处理和控制程序

介质材料在微波谐振腔内的对谐振腔谐振频率和谐振幅度的影

响是由于介质材料的介质常数不同而产生的[4]。介质材料的介质常数通常是一个复数：

（式1）

其虚部ε”表示微波能量通过介质材料时的损耗；而实部ε′

表示微波能量在介质材料中的储存[4]。通过ε’和ε”即可得到物料湿度，同时也可得到物料的整体密度。而功率衰减和谐振频率等是与介电常数密切相关的物理量，只要测得这两个物理量就能够测得介质材料的密度和湿度。

在微波密度和湿度的测量中，被测物的介质常数起到了桥梁的作用：一方面穿透被测物料的微波的两个参量（衰减a和谐振频率f0）与不同物料的介质常数和其密度有关；另一方面由于水的介质常数远远大于一般物质，因此被测物湿度（ψ）的变化也表现为被测物介质常数的变化。

通过ε’和ε”的中介，可以建立被测物的密度及湿度与被测量衰减a和谐振频率f0的关系。但通常这种关系相当复杂，我们由大量实验结果可以得到以下关系：在被测量衰减a和谐振频率f0

的关系图中，被测物质的密度表现为一条直线关系；而被测物质的湿度决定该直线的斜率。

定标常数a、b、c 、d只需根据对已知密度和湿度的四种不同滤嘴棒材料作四次测量即可确定。

定标常数a、b、c 、d确定以后，在每次测量中只需测得δa和δf，即可确定材料的密度与湿度。

按照复合滤棒生产机械技术指标，复合成型的速度为400m/min。而要求成型滤棒的最大测量误差不大于0.5mm，所以要求测量的取样速率大于75μs/次。为了消除外部瞬时突发干扰信号的影响，我们采取多次采样值平均的方法，为此要求测量的取样速率大于10

μs/次，即采样频率为100khz。这样在每次测量周期内，有7次以上的采样数据进行平均，从而避免了一些外部干扰的影响。在f-u 图上可以得到如图4所示的图形。图4中：u表示微波谐振曲线振幅；f表示微波谐振曲线频率。红点表示a段材质滤棒产生的微波信号；蓝点表示b段材质滤棒产生的微波信号。根据该图所示，不同材质的复合滤棒其微波信号u，f完全不同，据此，可以判断复合滤棒是否有错位现象。而当复合滤棒存在有拼接间隙时，谐振腔内则出现一段空腔，此时u，f明显升高。我们在原机上加装有轴编码器，可以实时检测烟机的速度，根据a段或b段滤棒u、f出现持续的时间，结合烟机的速度，我们可以推算出复合滤棒每段的相位长度。并确定所生产的滤棒是否合格，将不合格信号送给剔除装置，从而将不合格滤棒剔除。

3 系统操作过程

本系统操作步骤如图5所示。系统开机后微波信号源（1）产生微波信号，通过微波信号隔离器（2）和微波同轴传输电缆（3）由信号输入探针（4）送给微波谐振腔（5），

信号输出探针（6）将收到被测滤棒扰动的微波谐振信号接收，并通过微波信号隔离器（7）和微波同轴传输电缆（8）传输到检波放大器（9）。检波放大器（9）将接收到的微弱的微波信号进行检波并且放大，输出直流检测电压信号送给数据分析处理单元。

模数转换和信号处理电路⑽将直流检测电压作a/d变换，变成数字电压并进行采样，将采样得到的（u-f）值送到数据采集和处理