CN108968142A - 激光烟纸或者烟支打孔的监测装置和判别检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种通过对烟支或者烟纸在激光打孔过程中的火焰成像判别检测来间接地反映成孔情况的装置，其安装在激光和烟纸/烟支交汇处的一侧，该设备包括：球面透镜，装配于烟纸/烟支和高速影像传感器之间；高速影像传感器，装配于球面透镜出射光路中与其组成转换光路；采集装置，将传送过来的图像转化为量化的特征参数；逻辑控制及信号输出装置，分别通讯连接激光打孔控制装置、卷烟机控制装置和采集装置；该设备带有利用快速火焰成像转化和判别、来实现打孔情况的反馈监控以及功能。

Description

激光烟纸或者烟支打孔的监测装置和判别检测方法

技术领域

本发明涉及一种激光烟纸或者烟支打孔的监测装置，还涉及该设备的判别检测方法。

背景技术

激光打孔在卷烟生产上的应用以及有近20年的时间了，但因其安装位置空间狭小、打孔速度快、激光脉冲时间短、远红外CO2激光的不可见性，所以无法直接、实时地在烟支表面观察到孔洞形成时的情况，且现场灰尘大空间狭小，也给传感器的选择、信号采集和处理带来较大难度，一直以来，市场上投入应用的在线激光打孔均没有安装打孔的成孔过程以及孔洞情况的反馈和监控系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种激光烟纸或者烟支打孔的监测装置以及判别检测方法，利用高速成像传感器对打孔产生的火焰进行快速成像转化和判别、对所获得的火焰特征信号进行反馈监控以及调节功能的检测装置。利用打孔产生的火焰，并根据火焰的特征数据变化，间接地反映出打孔的能量以及成孔的情况。

本发明解决以上技术问题的技术方案：

一种激光烟纸或者烟支打孔的监测装置，安装在激光和烟纸或者烟支交汇处的一侧，该设备包括：

球面透镜，装配于烟纸或者烟支和高速影像成像传感器之间，用于将激光灼烧烟纸或者烟支形成的火焰斑点转换成物像；

高速影像传感器，装配于球面透镜出射光路中与其组成转换光路，用于接收球面透镜转换得到的物像并构成采集装置；

采集装置，利用高速影像成像传感器接收球面透镜转换得到的物像，从而将传送过来的图像转化为量化的特征参数；

逻辑控制及信号输出装置，分别通讯连接激光打孔控制装置、卷烟机控制装置和采集装置，用于根据卷烟机控制装置或激光打孔控制装置的同步信号，对采集装置获得的特征参数做逻辑判断，根据判断结果发送控制信号给卷烟机控制装置或激光打孔控制装置。

该装置的特点在于：1、利用间接的火焰检测来反映烟支或纸上打孔的情况；2、利用球面透镜将火焰形成平面的物像，再用线阵CCD采集其中的特定位置处的特征值（直径或高度）；

本方面进一步限定的技术方案为：

进一步的，所述球面透镜与烟纸或者烟支火焰斑点之间的距离大于所述球面透镜的1倍焦距；所述球面透镜与高速影像成像传感器之间的距离在球面透镜焦距的1倍和2倍之间的成像面上。

所述火焰与物镜（球面透镜)之间距离大于所述球面透镜的1倍焦距时，火焰将成像与球面透镜焦距的1倍和2倍之间的成像面上，所述高速影像传感器位于该成像面上。

进一步的，所述球面透镜与高速影像成像传感器之间的距离在球面透镜焦距的1倍焦距处，该位置处火焰被压缩成一定比例的收缩的像，当利用高速影像传感器采集图像时，获得图像的亮度较高，增加了对周围环境背景亮度的抗干扰能力。

进一步的，所述高速影像传感器为CCD相机或CMOS相机，优选面阵CCD或线阵CCD,优选线阵CCD。

进一步的，所述火焰的特征信号为火焰亮度、面积、直径、高度中的一种或者多种的组合。

一种激光烟纸或者烟支打孔的监测判别检测方法，按照如下步骤进行：

S1，获得特征信号，采集装置利用高速影像传感器和球面透镜获得的图像计算得到量化的特征信号，利用激光打孔控制装置、卷烟机控制装置获得同步脉冲信号，因激光打孔的发射激光为脉冲形式，另外，烟支的出现也是脉动的方式，即烟支由输送装置送过来打孔，打孔完成后再输送离开，所以，使得火焰不是一个常亮的点，而是一个烟支到位、激光脉冲发出后，才产生的脉动式的火焰，所以特征信号是与同步脉冲关联的脉冲信号。同步脉冲信号的作用就是使得逻辑控制及信号输出装置在正确的时间内去采集特征信号；

S2、获得控制特征参数，提取至少一个特征信号转换为控制特征参数；

S3、将控制特征参数与设定值进行比对；

S4、根据比对产生的差异，分别进行预设的操作和处理。

本方面进一步限定的技术方案为：

进一步的，步骤S4中，所述预设的操作和处理包括：报警停机、报警不停机、报警并触发打孔焦距调节、循环比对调节中的一种或多种组合。

进一步的， 所述控制特征参数为火焰特征信号经过量化的模拟量或数字量参数。

进一步的，所述同步脉冲信号为每次开机后控制系统所发出打孔脉冲的第二个开始、或激光发射指令发出后，延时0.01S后的每支卷烟的首个打孔脉冲信号或或者及其后的若干脉冲信号。

本发明公开激光烟纸或者烟支打孔的监测装置以及判别检测方法，利用高速成像传感器对打孔时所产生的火焰进行快速成像转化和判别、以间接地获得打孔的功率、能量、以及与孔大小对应的火焰直径、高度等对所获得的火焰特征信号进行反馈监控以及调节功能的检测装置。利用打孔产生的火焰，并根据火焰的特征数据变化，间接地反映出打孔的能量以及成孔的情况。

利用高速影像传感器以及同步脉冲，捕捉远红外激光照射到纸张表面，纸张材料吸收了该波长的激光能量而气化产生孔洞，其过程中产生物质喷射，与激光的光束方向而形成交叉，所形成微弱的可见光火苗。将该光学现象可以通过光学系统转化为与激光气化纸张所关联的火焰特征参数，经过比对运算而判断出打孔状态的例如打孔功率的大小、聚焦情况的好坏、激光是否被遮挡等情况，实现闭环的反馈和监控回路。

附图说明

图1是本发明的流程结构示意图；

图2是捕捉火焰高度的示意图；

图3是捕捉火焰直径的示意图；

图4是利用双轴安置的相互夹角的球面透镜结合双轴方向的线阵CCD捕捉火焰面积参数的额示意图；

图5是球面透镜结合柱面透镜构成检测系统的示意图。

具体实施方式

实施例1

一种激光烟纸或者烟支打孔的监测判别检测方法，按照如下步骤进行：

S1，获得特征信号，采集装置利用高速影像成像传感器和球面透镜获得的图像计算得到量化的特征信号，利用激光打孔控制装置、卷烟机控制装置获得同步脉冲信号，因激光打孔的发射激光为脉冲形式，另外，烟支的出现也是脉动的方式，即烟支由输送装置送过来打孔，打孔完成后再输送离开，所以，使得火焰不是一个常亮的点，而是一个烟支到位、激光脉冲发出后，才产生的火焰，所以特征信号是与同步脉冲关联的脉冲信号。同步脉冲信号的作用就是使得逻辑控制及信号输出装置在正确的时间内去采集特征信号；所述同步脉冲信号为每次开机后控制系统所发出打孔脉冲的第二个开始、或激光发射指令发出后，延时0.01S后的每支卷烟的首个打孔脉冲信号或/及其后的若干脉冲信号。

S2、获得控制特征参数，提取至少一个特征信号转换为控制特征参数；所述控制特征参数为火焰特征信号经过量化的模拟量或数字量参数；

S3、将控制特征参数与设定值进行比对；

S4、根据比对产生的差异，分别进行预设的操作和处理，所述预设的操作和处理包括：报警停机中的一种或多种组合。

一种激光烟纸或者烟支打孔的监测装置：

安装在激光和烟纸或者烟支交汇处的一侧，该设备包括：

球面透镜，装配于烟纸或者烟支和高速影像成像传感器之间，用于将激光灼烧烟纸或者烟支形成的火焰斑点转换成转换成物像；

高速影像成像传感器，装配于球面透镜出射光路中与其组成转换光路，用于接收球面透镜转换得到的线状斑点并构成采集装置；

采集装置，利用高速影像成像传感器接收球面透镜转换得到的物像，从而将传送过来的图像转化为量化的特征参数；

逻辑控制及信号输出装置，分别通讯连接激光打孔控制装置、卷烟机控制装置和采集装置，用于根据卷烟机控制装置或激光打孔控制装置的同步信号，对采集装置获得的特征参数做逻辑判断，根据判断结果发送控制信号给卷烟机控制装置或激光打孔控制装置。

其中，球面透镜与烟纸或者烟支火焰斑点之间的距离大于所述球面透镜的1倍焦距；球面透镜与高速影像成像传感器之间的距离在柱面镜焦距的1倍和2倍之间的成像面上，如图3或图4所示。

优选的，球面透镜与高速影像成像传感器之间的距离在球面透镜焦距的1倍焦距处。

优选的，球面透镜为柱状球面透镜。

高速影像成像传感器为CCD相机或CMOS相机，优选面阵CCD或线阵CCD,优选线阵CCD。

火焰的特征信号为火焰亮度、面积、直径、高度中的一种或者多种的组合。

具体实施案例：如图3所示，设定火焰为垂直方向，球面透镜的焦距50mm，球面透镜为水平安置，火焰位于球面透镜的80mm之外；

线阵CCD选用toshiba东芝TCD1254,该CCD 器件的采样窗口长度8毫米、宽度64微米，为水平或者垂直方向安置，使得球面透镜形成的聚焦线（该聚焦线的长度等于火焰的腰围直径或者或高度、该聚焦线的线宽度等于透镜焦点的大小）与线阵CCD的采集窗口平行且线阵CCD的采集窗口位于球面透镜的焦点位置；此时所述的特征信号即为火焰的腰围直径；

如果经过比对发现，火焰的腰围直径变小，说明激光能量变弱、或者光路中出现遮挡物，必须立即报警或停机检查即可。如果腰围直径变大，说明激光功率太大，或者，烟支已经起火，也同样必须立即报警或停机检查即可。

实施例2

如图2所示，设定火焰为垂直方向，球面透镜的焦距50mm，火焰位于球面透镜的80mm之外；

线阵CCD选用toshiba东芝TCD1254,为垂直方向安置，使得球面透镜形成的聚焦线与线阵CCD的采集窗口平行且线阵CCD的采集窗口位于球面透镜的焦点位置；此时所述的特征信号即为火焰的高度；

如果经过比对发现，火焰的高度变小，说明激光能量变弱、或者光路中出现遮挡物，必须立即报警或停机检查即可。如果高度变大，说明激光功率太大，或者，烟支已经起火，也同样必须立即报警或停机检查即可。

实施例3

可以结合实施例1和2的结构，如图5所示，使用两组检测装置同时检测火焰的高度和腰围直径，通过简单计算，即可一次性获得单个脉冲下，火焰的面积，通过对面积的变化，调整激光功率。

实施例4

作为一种变形结构，在实施例1的基础上，把球面透镜替换成柱面镜等其他具有相似光学性能的透镜，也能实现相类似的功能，或者把球面镜和柱面镜组合形成光路，如图5所示，也能实现基本功能。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光烟纸或者烟支打孔的监测装置，安装在激光和烟纸或者烟支交汇处的一侧，其特征在于，该设备包括：

球面透镜，装配于烟纸或者烟支和高速影像传感器之间，用于将激光灼烧烟纸或者烟支形成的火焰转换成物像；

高速影像传感器，装配于球面透镜出射光路中与其组成转换光路，用于接收球面透镜形成的物像并构成采集装置；

采集装置，利用高速影像传感器接收球面透镜形成的物像，从而将传送过来的图像转化为量化的特征参数；

逻辑控制及信号输出装置，分别通讯连接激光打孔控制装置、卷烟机控制装置和采集装置，用于根据卷烟机控制装置或激光打孔控制装置的同步信号，对采集装置获得的特征参数做逻辑判断，根据判断结果发送控制信号给卷烟机控制装置或激光打孔控制装置。

2.根据权利要求1所述的激光烟纸或者烟支打孔的监测装置，其特征在于，所述球面透镜与烟纸或者烟支火焰斑点之间的距离大于所述球面透镜的1倍焦距；所述球面透镜与高速影像传感器之间的距离在球面透镜焦距的1倍和2倍之间的成像面上。

3.根据权利要求1所述的激光烟纸或者烟支打孔的监测装置，其特征在于，所述球面透镜与高速影像传感器之间的距离在球面透镜焦距的1倍焦距处。

4.根据权利要求1所述的激光烟纸或者烟支打孔的监测装置，其特征在于，所述高速影像传感器为CCD相机或CMOS相机，优选面阵CCD或线阵CCD,优选线阵CCD；所述的面阵CCD或线阵CCD为电荷耦合器件，面阵CCD为像元成两维排列；线阵CCD为像元成一维排列。

5.根据权利要求1所述的激光烟纸或者烟支打孔的监测装置，其特征在于，所述火焰的特征信号为火焰亮度、面积、直径、高度中的一种或者多种的组合。

6.一种激光烟纸或者烟支打孔的监测判别检测方法，其特征在于：按照如下步骤进行：

S1，获得激光打孔产生的火焰的特征信号，采集装置利用高速影像传感器和球面透镜获得的图像计算得到量化的火焰特征信号，利用激光打孔控制装置、卷烟机控制装置获得同步脉冲信号；

S2、获得控制特征参数，提取至少一个火焰特征信号转换为控制特征参数；

S3、将控制特征参数与设定值进行比对；

S4、根据比对产生的差异，分别进行预设的操作和处理。

7.根据权利要求6所述的激光烟纸或者烟支打孔的监测判别检测方法，其特征在于：步骤S4中，所述预设的操作和处理包括：报警停机、报警不停机中的一种或多种组合。

8.根据权利要求6所述的激光烟纸或者烟支打孔的监测判别检测方法，其特征在于：所述控制特征参数为火焰特征信号经过量化的、间接反映打孔能量、功率和与孔径大小对应的火焰直径和高度以及对焦情况的模拟量或数字量参数。

9.根据权利要求6所述的激光烟纸或者烟支打孔的监测判别检测方法，其特征在于：所述同步脉冲信号为每次开机后控制系统所发出打孔脉冲的第二个开始、或激光发射指令发出后，延时0.01S后的每支卷烟的首个打孔脉冲信号或或者及其后的若干脉冲信号。