摘 要：本文提出了一種用微波測量方法來解決能使生產(chǎn)過程連續(xù)不間斷的進行，且快速、可靠、安全地對煙支復(fù)合濾棒的拼接間隙、濾棒錯位、相位偏移等各種缺陷進行檢測并實時剔除的方法。這種方法具有檢測速度快，測量結(jié)果準確，可靠性高，對操作者人體安全的特點。它可以適用于各種型號的復(fù)合濾嘴棒機組，對各種復(fù)合濾棒進行在線檢測并實時剔除有質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：復(fù)合濾棒；微波檢測；剔除

1 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，微波檢測與控制裝置在煙草行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，采用微波濕度檢測[1]的方法來檢測控制煙絲水分[2]，通過檢測煙條中煙絲密度的變化控制煙支重量[3]等。隨著降焦減害的要求提高，加上卷煙企業(yè)對烤煙型卷煙增香補香和突出產(chǎn)品差異化，在高檔卷煙中開始大量使用復(fù)合濾棒，而如何控制復(fù)合濾棒成型精度，保持吸阻穩(wěn)定，是復(fù)合濾棒成型中的關(guān)鍵技術(shù)。

復(fù)合濾棒通常由二至三種不同材質(zhì)濾棒，經(jīng)專用復(fù)合濾棒成型機分切、拼接而成。例如，某型號復(fù)合濾棒生產(chǎn)工藝要求如圖1所示：

其中，A1段、A2段、A3段材質(zhì)為普通高透濾棒；B1段、B2段材質(zhì)為同心圓濾棒。整根復(fù)合濾棒長120mm，除A2段長40mm外，其余段均為20mm長。

生產(chǎn)過程中，經(jīng)常容易出現(xiàn)如下幾種嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷：

1.1 拼接間隙；即A段濾棒與B段濾棒之間拼接不嚴密，產(chǎn)生縫隙。

如圖2所示：當相鄰兩段，如A+B不等于目標總長度，并當誤差大于設(shè)定值時，判定該復(fù)合濾棒中有間隙，輸出剔除信號。

1.2 濾棒錯位；即應(yīng)該放入A段濾棒的位置，錯放入B段濾棒，反之亦然。錯位濾棒將被剔除。

1.3 相位偏移；即A段濾棒與B段濾棒長度不符合工藝質(zhì)量要求。

目前，有采用光電照射法應(yīng)用于檢測復(fù)合濾棒間隙缺陷，但不能檢測復(fù)合濾棒錯位和相位偏移（基棒色差很小時）。

本文提出了一種解決能使生產(chǎn)過程連續(xù)不間斷的進行，且快速、可靠、安全地對煙支復(fù)合濾棒的拼接間隙；濾棒錯位；相位偏移等各種缺陷進行檢測并實時剔除的方法。微波測量方法是一種解決這個問題的較好的方法，它不受復(fù)合濾棒表面顏色完全一致的影響，具有檢測速度快，測量結(jié)果準確，可靠性高，對操作者人體安全的特點。它可以適用于各種型號的復(fù)合濾嘴棒機組，對各種復(fù)合濾棒進行在線檢測并實時剔除有質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品。

2 檢測、剔除控制方法的原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

“復(fù)合濾棒微波在線檢測剔除控制系統(tǒng)”由兩部分組成。第一部分是硬件部分，即微波探測單元，它的作用是使用微波諧振器作為傳感器，將部分填充不同濾嘴棒材料的微波諧振頻率和諧振幅度的變化信號檢測出來。第二部分是軟件部分，即分析處理和控制程序。它將微波探測器送出的微波諧振頻率和諧振幅度的變化信號經(jīng)過分析計算，轉(zhuǎn)換為材料介質(zhì)常數(shù)的變化。然后再按判斷規(guī)則，確定復(fù)合濾嘴棒是否合格。再將不合格信號送給執(zhí)行機構(gòu)，剔除不合格產(chǎn)品。

2.1 微波探測單元

它由微波諧振腔、微波信號產(chǎn)生器、微波信號隔離器、微波同軸傳輸電纜、微波信號檢波及放大器組件等組成。

微波在一個金屬制成的容器（我們將其稱為微波諧振腔）內(nèi)具有諧振特性。對于一個空的微波諧振腔，當諧振腔的幾何形狀確定后，其諧振頻率和諧振幅度也是確定的。但當在該諧振腔內(nèi)部分或全部填充有其它非金屬物質(zhì)（我們稱其為介質(zhì)材料）時，其諧振頻率和諧振幅度會因填充的介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)、介質(zhì)的多少和形狀的不同而產(chǎn)生不同的變化[4]。這種變化對于所填充的介質(zhì)材料的不同所產(chǎn)生的響應(yīng)的十分敏感的。當不同材料的濾棒通過微波諧振腔時，其介質(zhì)常數(shù)有著微小的差別，而微波諧振腔能夠明顯的區(qū)別這種材料的介質(zhì)常數(shù)的微小差別。因此，我們可以利用對微波諧振腔的諧振頻率和諧振幅度的測量來快速、精確地區(qū)別微波諧振腔內(nèi)所填充的濾棒的類型。

2.2 分析處理和控制程序

介質(zhì)材料在微波諧振腔內(nèi)的對諧振腔諧振頻率和諧振幅度的影響是由于介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)不同而產(chǎn)生的[4]。介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)通常是一個復(fù)數(shù)：

（式1）

其虛部 ε\"表示微波能量通過介質(zhì)材料時的損耗；而實部ε′表示微波能量在介質(zhì)材料中的儲存[4]。通過ε'和ε\"即可得到物料濕度，同時也可得到物料的整體密度。而功率衰減和諧振頻率等是與介電常數(shù)密切相關(guān)的物理量，只要測得這兩個物理量就能夠測得介質(zhì)材料的密度和濕度。

在微波密度和濕度的測量中，被測物的介質(zhì)常數(shù)起到了橋梁的作用：一方面穿透被測物料的微波的兩個參量（衰減A和諧振頻率f0）與不同物料的介質(zhì)常數(shù)和其密度有關(guān)；另一方面由于水的介質(zhì)常數(shù)遠遠大于一般物質(zhì)，因此被測物濕度（Ψ）的變化也表現(xiàn)為被測物介質(zhì)常數(shù)的變化。

通過ε'和ε\"的中介，可以建立被測物的密度及濕度與被測量衰減A和諧振頻率f0的關(guān)系。但通常這種關(guān)系相當復(fù)雜，我們由大量實驗結(jié)果可以得到以下關(guān)系：在被測量衰減A和諧振頻率f0的關(guān)系圖中，被測物質(zhì)的密度表現(xiàn)為一條直線關(guān)系；而被測物質(zhì)的濕度決定該直線的斜率。

定標常數(shù)a、b、c 、d只需根據(jù)對已知密度和濕度的四種不同濾嘴棒材料作四次測量即可確定。

定標常數(shù)a、b、c 、d確定以后，在每次測量中只需測得ΔA和ΔF，即可確定材料的密度與濕度。

按照復(fù)合濾棒生產(chǎn)機械技術(shù)指標，復(fù)合成型的速度為400M/min。而要求成型濾棒的最大測量誤差不大于0.5mm，所以要求測量的取樣速率大于75μS/次。為了消除外部瞬時突發(fā)干擾信號的影響，我們采取多次采樣值平均的方法，為此要求測量的取樣速率大于10μS/次，即采樣頻率為100KHz。這樣在每次測量周期內(nèi)，有7次以上的采樣數(shù)據(jù)進行平均，從而避免了一些外部干擾的影響。在F-U圖上可以得到如圖4所示的圖形。圖4中：U表示微波諧振曲線振幅；F表示微波諧振曲線頻率。紅點表示A段材質(zhì)濾棒產(chǎn)生的微波信號；藍點表示B段材質(zhì)濾棒產(chǎn)生的微波信號。根據(jù)該圖所示，不同材質(zhì)的復(fù)合濾棒其微波信號U，F(xiàn)完全不同，據(jù)此，可以判斷復(fù)合濾棒是否有錯位現(xiàn)象。而當復(fù)合濾棒存在有拼接間隙時，諧振腔內(nèi)則出現(xiàn)一段空腔，此時U，F(xiàn)明顯升高。我們在原機上加裝有軸編碼器，可以實時檢測煙機的速度，根據(jù)A段或B段濾棒U、F出現(xiàn)持續(xù)的時間，結(jié)合煙機的速度，我們可以推算出復(fù)合濾棒每段的相位長度。并確定所生產(chǎn)的濾棒是否合格，將不合格信號送給剔除裝置，從而將不合格濾棒剔除。

3 系統(tǒng)操作過程

本系統(tǒng)操作步驟如圖5所示。系統(tǒng)開機后微波信號源（1）產(chǎn)生微波信號，通過微波信號隔離器（2）和微波同軸傳輸電纜（3）由信號輸入探針（4）送給微波諧振腔（5），

信號輸出探針（6）將收到被測濾棒擾動的微波諧振信號接收，并通過微波信號隔離器（7）和微波同軸傳輸電纜（8）傳輸?shù)綑z波放大器（9）。檢波放大器（9）將接收到的微弱的微波信號進行檢波并且放大，輸出直流檢測電壓信號送給數(shù)據(jù)分析處理單元。

模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號處理電路⑽將直流檢測電壓作A/D變換，變成數(shù)字電壓并進行采樣，將采樣得到的（U-F）值送到數(shù)據(jù)采集和處理計算機⑾的存貯器1中。然后再進行第二次采樣，多次采樣得到的（U-F）值在數(shù)據(jù)采集和處理計算機中進行分析計算、歸納。

上圖中，縱坐標ρ為按微波檢測系統(tǒng)測得的濾棒材質(zhì)的密度。橫坐標為各種濾棒材質(zhì)的長度，它可以由機器運行的速度與和濾棒起始位置同步的掃描時間來計算。根據(jù)前面給出的判斷準則由處理單元進行分析、判斷。我們分別將測得的ρ1、ρ2及ρ3與相應(yīng)的要求值相比較，如果測得的ρ1、ρ2及ρ3比要求值超差±10%，我們即判斷該濾棒段的材質(zhì)不符合要求。其相應(yīng)的材質(zhì)長度或間隙d超過要求值的±10%，我們即判斷為該段濾棒的長度或間隙不合格。

將不合格信號提供給剔除控制單元（12），剔除不合格產(chǎn)品。

4 結(jié)語

4.1 本系統(tǒng)采用微波諧振原理對復(fù)合濾棒的生產(chǎn)產(chǎn)品合格與否進行快速、連續(xù)進行在線檢測，并將不合格產(chǎn)品進行實時剔除。檢測準確度及可靠性高，剔除可靠，不因環(huán)境因素影響檢測和剔除的準確性。

4.2 本系統(tǒng)采用的微波信號源輸出功率小，僅為10毫瓦，是一般手機發(fā)射功率的百分之一，安全性高。其在操作位置的輻射強度僅為0.1mW/cm2， 遠遠低于國家規(guī)定的5mW/cm2的安全標準。

4.3 本系統(tǒng)采用工控機進行控制，具有良好的人機界面，可根據(jù)需要設(shè)置告警、剔除等功能?？蓪?fù)合濾棒生產(chǎn)過程的合格和不合格產(chǎn)品進行統(tǒng)計，并給出統(tǒng)計分析報告。

4.4 本系統(tǒng)開機后即可正常工作，不需預(yù)熱、不需調(diào)零，操作使用方便。

4.5 本系統(tǒng)完全不受復(fù)合濾棒表面顏色的影響。

我們利用微波檢測原理，成功開發(fā)出了復(fù)合濾棒在線微波檢測剔除控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在線檢測并剔除各種有質(zhì)量缺陷的復(fù)合濾棒。目前，我們已經(jīng)在YL43和ZL41成功安裝使用了復(fù)合濾棒在線微波檢測剔除控制系統(tǒng)。

參考文獻

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