CN110514553A - 一种输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测方法，其特征在于：是通过烟丝物料体积流量检测系统对输送带上的烟丝物料流量进行实时检测得出在测量时间T内通过的烟丝体积流量Q、以及通过在线皮带称重系统对输送带上的烟丝物料进行实时称重得出在检测时间T内的烟丝质量M，通过质量与体积的比值，获得测量时间T内的烟丝物料堆积密度。本发明的特点在于：所用设备安全、方便，方法原理可靠实用，利用电子在线皮带称重系统与光学检测系统连用在线检测输送带上烟丝堆积密度是可行的，使用此方法可方便快速地测定烟丝物料的堆积密度，对于实现在线检测烟丝物料填充性能质量稳定性及质量的波动情况，指导卷烟制丝及卷接工艺调控具有重要意义。

Description

一种输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测方法

技术领域

本发明属于烟草工艺检测技术领域，具体涉及一种输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测方法。

背景技术

在卷烟卷接之前的制丝和掺配加香工艺环节中，烟丝(包括叶丝、膨胀叶丝、薄片丝、配方烟丝等)填充值是一项重要的物理检测指标。烟丝填充值是指单位重量的烟丝在一定压力下，经过一定时间后保持的体积。烟丝的填充能力与烟支的质量、卷烟单箱耗丝量、焦油含量有着密切的关系，对卷烟的主流烟气化学指标和感官内在质量有重要影响。目前，烟草生产企业烟丝填充值的测量大都是采用行业标准《YC/T152-2001卷烟烟丝填充值的测定》和《YC/T163-2003卷烟膨胀梗丝填充率的测定》，通过人工抽样静态方法测量，而该方法抽样比例低、数据离散大，不能准确地反映整批烟丝的填充值及变化。

专利ZL200310121802.X和ZL200510086912.6分别公开了采用γ射线和X光进行在线测量烟丝填充值的方法和装置，但上述方法检测工艺复杂，并且在防护安全性及精确度存在问题。专利号为ZL201210000176.8公开了一种利用称重法，通过重量或其变化量与单位体积之间的对应关系，进行在线测量烟丝填充值的方法，但在实际过程中，单位时间烟丝的体积流量本身就是一个难以控制的变量，上述测量方法不能较好的反映烟丝的填充值变化。专利CN201710163715.2公开了一种储柜内烟丝填充值均值测量方法，该方法以装柜重量和体积获得柜批次的堆积密度进行数据转换得到填充值，并通过建立模型进行修正，但该方法是以柜为单位，不但检测过程信息少，大体量下烟丝堆积下内部密度本身不均匀。堆积密度为单位体积内烟丝的重量，对比上述填充值定义，其和填充值为倒数关系。上述测量方法是基于施加一定压辊压力将测量的堆积密度数据转换得到填充值，并与行业标准方法进行一定的建模修正，但填充值为一个综合表观值，它与烟丝的水分、配方组成、化学成分及烟丝结构都有关系，简单的模型修正并不准确，难以进行推广。

因此，在线检测过程中，准确测量其堆积密度具有更直接的应用价值，可更直接的反映和关联制丝工艺过程引起的变化，以及对卷接质量的影响。所以，如何在线准确测量烟丝的堆积密度，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种输送带上在线测定烟丝堆积密度的方法。本发明的意义在于提供了一种所用设备安全、方便，方法原理可靠和实用的输送带上在线测定烟丝堆积密度的方法。使用激光光场技术实现在线体积流量实时准确测量，电子皮带秤实现质量流量实时准确测量，获得自定义物料量颗粒的堆积密度，实现在线检测烟丝物料填充性能质量稳定性及质量的波动情况，指导卷烟制丝及卷接工艺实时调控。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测方法，是通过烟丝物料体积流量检测系统对输送带上的烟丝物料流量进行实时检测得出在测量时间T内通过的烟丝体积流量Q、以及通过在线皮带称重系统对输送带上的烟丝物料进行实时称重得出在检测时间T内的烟丝质量M，通过质量与体积的比值，获得测量时间T内的烟丝物料堆积密度ρb：

所述烟丝物料体积流量检测系统包括光场相机、线性激光器、速度传感器和信息处理计算机组成，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测，线型激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理以提高测量的准确度；速度传感器用以实时测量输送带前进速度；信息处理计算机用于接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据输送带的速度计算得到烟丝的体积流量；

所述在线皮带称重系统为生产线原有或新增皮带秤，光场相机及线性激光器安装于在线电子皮带秤之后的输送皮带中，两者之间(即皮带秤与输送皮带之间)无混料设备，称重系统实时称重输出重量。

本发明具体包括以下步骤：

1、通过光场成像测量输送带上烟丝物料在线体积流量。

在烟丝物料传送带上方安装光场相机和线型激光器，线型激光器增强烟丝颗粒表面纹理，光场相机采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测；在传送带滚轮处安装有速度传感器，用以实时测量传送带前进速度；利用信息处理计算机接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取瞬时烟丝截面高度，并根据传送带的速度计算得到烟丝的体积流量。

(1)将光场相机采集的光场信息用四维光场函数L(u,v,x,y)表示，用两组坐标(u,v)、(x,y)记录每一束进入相机的光线的方向。其中，光场相机中的微透镜阵列面上坐标(u,v)用于记录入射到的微透镜的位置，光场相机中的CCD平面上记录的坐标(x,y)用于表示入射光线到达像素的几何位置；

(2)对光场相机采集的四维光场信息进行可视化操作。通过固定u＝u^*,x＝x^*，对于第u^*列微透镜下的v幅图像，抽取第x^*列像素并按从左到右的顺序排列组合成为极平面图像如下式所示，

(3)通过对极平面图像进行边缘检测(即利用边缘检测算法对图像中的纹理线进行边缘检测)，然后进行直线检测，获得纹理线斜率。其中，通过边缘检测算子检测极平面图像中的纹理线，采用霍夫变换(Hough Transform)进行直线检测，并获得纹理线斜率k。边缘检测算子采用Sobel各向同性算子，横向和纵向算子的表达式分别为：

(4)纹理深度计算。首先由三角测量原理，计算被测对象虚拟成像面到图像探测器CCD的距离：

式中，l_MLA，CCD为微透镜阵列到图像探测器之间的距离，l_p为单个像素尺寸，d为微透镜直径。

则虚拟成像面到主透镜的距离为：

l_s',ML＝l_ML,CCD-l_s',CCD

式中，l_ML，CCD为主透镜到图像探测器的距离。

因此根据透镜成像公式，被测对象到主透镜的距离为：

式中，f为主透镜焦距，在得到被测对象到主透镜的距离l_O，ML之后，选定基线零点(就是参考位置点，类似于海平面高度设为零)所在位置，得到被测对象高度h。

(5)对所获取的烟丝表面光场图像进行数据处理计算得到烟丝表面高度图h(x，y)。在y方向取均值，得到烟丝截面高度曲线H(x)。

烟丝截面高度：

式中，Y为激光照射带宽度；

(6)对计算得到的烟丝截面高度H_i进行滤波、函数拟合操作，使其高度分布更加符合烟丝散落规律。其中，函数拟合采用傅里叶级数拟合，滤波公式为

(7)设传送带宽度为X，在t时刻烟丝瞬时截面高度为H(x，t)，皮带速度测量传感器得到烟丝瞬时前进速度v(t)，计算烟丝体积流量Q。

烟丝截面积为：

烟丝瞬时体积流量为Q(t):

Q(t)＝S(t)·v(t)

在测量时间T内，烟丝通过的体积流量Q：

2、通过在线皮带称重系统读取在线烟丝质量，

皮带称重系统为生产线原有或新增皮带秤，光场相机及线性激光器安装于在线电子皮带秤之后的输送皮带中，两者之间无混料设备。皮带称重系统实时称重输出重量。电子皮带秤称重桥架安装于输送机架上，当物料经过时，计量托辊检测到皮带秤的物料重量通过杠杆作用于称重传感器，产生一个正比于皮带负荷的电压信号，记录测量时间T内通过的烟丝质量M：

3、结合皮带秤重量检测点与体积流量检测点之间距离及皮带速率，得到两者数据对应的烟丝迟滞时间差△t，获得烟丝物料同步对应的瞬时体积流量Q(t)和瞬时质量流量M(t)；

4、根据烟丝物料颗粒度控制需求，通过质量与体积的比值，获得自定义时间量T(或物料量)的烟丝堆积密度。

将测量时间T内的质量M与体积流量Q相比得到堆积密度ρb：

本发明的优点在于：提供了一种所用设备安全、方便，方法原理可靠和实用的输送带上在线测定烟丝堆积密度的方法。使用激光光场技术实现在线体积流量实时准确测量，电子皮带秤实现质量流量实时准确测量，获得自定义物料量颗粒的堆积密度，实现在线检测烟丝物料填充性能质量稳定性及质量的波动情况，指导卷烟制丝及卷接工艺实时调控。

附图说明

图1为本专利所使用的输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测装置图；

图1中序号为：1、烟丝物料；2、线型激光器(光斑直径为0.1mm，激光器激发频率高于1000Hz)；3、光场相机；4、传送带；5、信息处理计算机；6、物料横截面；7、速度传感器；8、称重仪表；9、计量托辊。

图2光场四维信息表征示意图；其中a为点光源进入光场相机后光线传播示意图，b为点光源的光场点扩散示意图；

图3为极平面图像示意图；

图4为烟丝高度测量结果与真实高度对比图；

图5烟丝堆积密度在线测量工作示意图。

具体实施方式

本发明以下结合附图做进一步描述：

1、通过光场成像测量输送带上烟丝物料在线体积流量。

如图1所示在烟丝物料传送带上方安装光场相机和线型激光器，线型激光器增强烟丝颗粒表面纹理，光场相机采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测；在传送带滚轮处安装有速度传感器，用以实时测量传送带前进速度；利用信息处理计算机接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取瞬时烟丝截面高度，并根据传送带的速度计算得到烟丝的体积流量；

(1)光场相机采集的光场信息可用四维光场函数L(u,v,x,y)表示，如图2(a)所示，用两组坐标(u,v)、(x,y)记录每一束进入相机的光线的方向。其中，微透镜阵列面上坐标(u,v)用于记录入射到的微透镜的位置，CCD平面上记录的坐标(x,y)用于表示入射光线到达像素的几何位置，图2(b)给出了记录四维光场信息的原始光场图像示例，在此示例中包含3×3个微透镜，每个微透镜下的覆盖的像素数为5×5；

(2)对光场相机采集的四维光场信息进行可视化操作，光场可视化是指固定两个维度，将四维光场投影为二维图像，从而对光场进行观察。通过固定u＝u^*,x＝x^*，对于第u^*列微透镜下的v幅图像，抽取第x^*列像素并按从左到右的顺序排列组合成为极平面图像过程如下式所示。

以图2(b)中虚线部分为例，将第2列微透镜的每个微透镜下覆盖像素的第3行像素依次提取，从左到右排列，得到的极平面图像E_2，3(v，y)如图3所示，图3中既包含光线的空间信息，也包含着光线的角度信息，纹理线(图3中填充色区域)的斜率k可以映射出该点的深度信息；

(3)通过对图3所示极平面图像进行边缘检测，然后进行直线检测，获得纹理线斜率，其方法是：首先通过边缘检测算子检测极平面图像中的纹理线，其中，边缘检测算子采用Sobel各向同性算子，包括横向算子S_x和纵向算子S_y，其表达式为：

获取边缘之后，利用霍夫变换(Hough Transform)检测直线，并得到纹理线斜率k；

(4)纹理深度计算。首先由三角测量原理，计算被测对象虚拟成像面到图像探测器CCD的距离：

式中，l_MLA，CCD为微透镜阵列到图像探测器之间的距离，l_p为单个像素尺寸，d为微透镜直径。

则虚拟成像面到主透镜的距离为：

l_s',ML＝l_ML,CCD-l_s',CCD

式中，l_ML，CCD为主透镜到图像探测器的距离。

因此根据透镜成像公式，被测对象到主透镜的距离为：

式中，f为主透镜焦距，在得到被测对象到主透镜的距离l_O，ML之后，选定高度零点所在位置，得到被测对象高度h；

(5)对所获取的烟丝表面光场图像进行数据处理计算得到烟丝表面高度图h(x，y)。在y方向取均值，得到烟丝截面高度曲线H(x)。

烟丝截面高度：

式中，Y为激光照射带宽度；

(6)对计算得到的烟丝截面高度进行滤波、函数拟合操作，使其高度分布更加符合烟丝散落规律。由于光线不均匀等因素，会造成个别点深度识别错误，导致局部区域高度方向上的剧烈变化。因此，为了将提取的轮廓尽可能接近于真实值，需要对这些测量数据进行预处理，将个别误差点进行舍弃。

首先引入如下滤波规则：对于横截面不同位置烟丝高度H_i，当某一点与相邻左右两点相比异常尖锐，既相对于左邻点很高又相对于右邻点很高，并且与左右两点的差值之和超过规定阈值M时，这个点将会被判定为误差点，应当进行处理。处理方法为用左右两点的算术平均值替换此误差点，即为：

经过两次滤波处理后，图像中的尖锐点被消除。

为使截面更加平滑，更加接近于真实变化趋势，进行函数拟合。对获取结果进行傅里叶级数拟合。由此，我们便从光场原始图像中提取出了深度信息，并且重新构建出了被激光束照射位置的截面轮廓。

为评价重建轮廓的误差，人工测量了真实截面高度，与该方法所重建轮廓作了对比，如图4所示，经计算，测量误差仅为5％；

(7)为获取烟丝体积流量信息，还需要测量传送皮带前进速度。设传送带宽度为X，在t时刻烟丝瞬时截面高度为H(x，t)，皮带速度测量传感器得到烟丝瞬时前进速度v(t)，进一步计算烟丝体积流量Q。

烟丝截面积为：

烟丝瞬时体积流量为Q(t):

Q(t)＝S(t)·v(t)

在测量时间T内，烟丝通过体积流量Q：

图5所示；

2、通过电子皮带秤读取在线烟丝质量，

电子皮带秤为生产线原有或新增皮带秤，光场相机及线性激光器安装于在线电子皮带秤之后的输送皮带中，两者之间无混料设备。皮带秤实时称重输出重量。电子皮带秤称重桥架安装于输送机架上，当物料经过时，计量托辊检测到皮带秤的物料重量通过杠杆作用于称重传感器，产生一个正比于皮带负荷的电压信号，输出测量时间T内通过的烟丝质量M：

3、结合皮带秤重量检测点与体积流量检测点之间距离及皮带速率，得到两者数据对应的烟丝迟滞时间差△t，获得烟丝物料同步时间段T所对应的体积Q^0-T和质量M^0-T；

4、根据烟丝物料颗粒度控制需求，通过质量与体积的比值，获得自定义时间量或物料量的烟丝堆积密度。

如图5所示，将测量时间T内的质量M^0-T与体积Q^0-T相比得到堆积密度ρb：

以某牌号加香后叶丝为检测对象，经测定叶丝含水率在12％～13％之间。当叶丝在常压下稳速均匀地通过皮带称重装置时，以30s为单位，在线记录通过的叶丝质量M，为保持获取的叶丝体积流量与称重叶丝相对应，根据测量点皮带距离和速率，在记录质量后，延时10s后记录相应30s内体积流量Q。将对应的叶丝质量M与体积流量Q相比较，得到瞬时称重叶丝对应的实测堆积密度ρb。以30s为单位记录数据，连续测定10min，每组获得20个数据，同时共进行了3组测定。(30秒为单位，代表在线检测数据输出的颗粒度)

在线堆积密度测量结果如下表1所示。

分别对3组实验中，10分钟内获取的20个数据取平均值，得到第一组ρb＝0.202，标准偏差为0.015；第二组ρb＝0.179，标准偏差为0.012；第三组ρb＝0.212，标准偏差为0.014。由表中可以看出，利用电子皮带秤与光场相机连用在线检测烟丝堆积密度是可行的，使用此方法可方便快速地测定烟丝物料的堆积密度，实现在线检测烟丝物料填充性能质量稳定性及质量的波动情况，指导卷烟制丝及卷接工艺实时调控，具有重要意义。

Claims (4)

1.一种输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测方法，其特征在于：是通过烟丝物料体积流量检测系统对输送带上的烟丝物料流量进行实时检测得出在测量时间T内通过的烟丝体积流量Q、以及通过在线皮带称重系统对输送带上的烟丝物料进行实时称重得出在检测时间T内的烟丝质量M，通过质量与体积的比值，获得测量时间T内的烟丝物料堆积密度ρb：

所述烟丝物料体积流量检测系统包括光场相机、线性激光器、速度传感器和信息处理计算机组成，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测，线型激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理以提高测量的准确度；速度传感器用以实时测量输送带前进速度；信息处理计算机用于接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取烟丝截面高度，并根据输送带的速度计算得到烟丝的体积流量；

所述在线皮带称重系统为生产线原有或新增皮带秤，光场相机及线性激光器安装于在线皮带秤之后的输送皮带中，称重系统实时称重输出重量。

2.根据权利要求1所述的输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过光场成像测量输送带上烟丝物料在线体积流量，

在烟丝物料传送带上方安装光场相机和线型激光器，且二者均垂直指向下方烟丝物料，线型激光器用于增强烟丝颗粒表面纹理，光场相机用于采集烟丝颗粒的光场信息以实现烟丝高度探测；在传送带滚轮处安装有速度传感器，用以实时测量传送带前进速度；信息处理计算机用于接收光场相机和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取瞬时烟丝截面高度，并根据传送带的速度计算得到烟丝的体积流量，具体方案如下

(1)将光场相机采集的光场信息用四维光场函数L(u,v,x,y)表示，用两组坐标(u,v)、(x,y)记录每一束进入相机的光线的方向，其中，光场相机中的微透镜阵列面上坐标(u,v)用于记录入射到的微透镜的位置，光场相机中的CCD平面上记录的坐标(x,y)用于表示入射光线到达像素的几何位置；

(2)对光场相机采集的四维光场信息进行可视化操作，通过固定u＝u^*,x＝x^*，对于第u^*列微透镜下的v幅图像，抽取第x^*列像素并按从左到右的顺序排列组合成为极平面图像如下式所示，

(3)通过对极平面图像进行边缘检测，然后进行直线检测，获得纹理线斜率，其中，通过边缘检测算子检测极平面图像中的纹理线，采用霍夫变换(Hough Transform)进行直线检测，并获得纹理线斜率k。边缘检测算子采用Sobel各向同性算子，横向和纵向算子的表达式分别为：

(4)纹理深度计算。首先由三角测量原理，计算被测对象虚拟成像面到图像探测器CCD的距离：

式中，l_MLA，CCD为微透镜阵列到图像探测器之间的距离，l_p为单个像素尺寸，d为微透镜直径，

则虚拟成像面到主透镜的距离为：

l_s',ML＝l_ML,CCD-l_s',CCD

式中，l_ML，CCD为主透镜到图像探测器的距离。

因此根据透镜成像公式，被测对象到主透镜的距离为：

式中，f为主透镜焦距，在得到被测对象到主透镜的距离l_O，ML之后，选定基线零点所在位置，得到被测对象高度h；

(5)对所获取的烟丝表面光场图像进行数据处理计算得到烟丝表面高度图h(x，y)，在y方向取均值，得到烟丝截面高度曲线H(x)。

烟丝截面高度：

式中，Y为激光照射带宽度；

(6)对计算得到的烟丝截面高度H_i进行滤波、函数拟合操作，使其高度分布更加符合烟丝散落规律。其中，函数拟合采用傅里叶级数拟合，滤波公式为

(7)设传送带宽度为X，在t时刻烟丝瞬时截面高度为H(x，t)，皮带速度测量传感器得到烟丝瞬时前进速度v(t)，计算烟丝体积流量Q。

烟丝截面积为：

烟丝瞬时体积流量为Q(t):

Q(t)＝S(t)·v(t)

在测量时间T内，烟丝通过的体积流量Q：

2)、通过在线皮带称重系统读取在线烟丝质量，

皮带称重系统为生产线原有或新增皮带秤，光场相机及线性激光器安装于在线皮带秤之后的输送皮带中，皮带称重系统实时称重输出重量，皮带称重系统中的皮带秤称重桥架安装于输送机架上，当物料经过时，计量托辊检测到皮带秤的物料重量通过杠杆作用于称重传感器，产生一个正比于皮带负荷的电压信号，记录测量时间T内通过的烟丝质量M：

3)、结合皮带秤重量检测点与体积流量检测点之间距离及皮带速率，得到两者数据对应的烟丝迟滞时间差△t，获得烟丝物料同步对应的瞬时体积流量Q(t)和瞬时质量流量M(t)；

4)、根据烟丝物料颗粒度控制需求，通过质量与体积的比值，获得自定义时间量T(或物料量)的烟丝堆积密度。

将测量时间T内的质量M与体积流量Q相比得到堆积密度ρb：

3.权利要求1或2所述的输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测方法，其特征在于：所述线性激光器其光斑直径为0.1mm，激光器激发频率高于1000Hz。

4.权利要求1或2所述的输送带上烟丝物料堆积密度的在线检测方法，其特征在于：所述在线皮带称重系统为电子皮带秤。