CN113029475A - 适用于软包装食品密封性的在线检测方法及系统、介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种本发明提供的一种适用于软包装食品密封性的在线检测系统，包括：伺服电机：测量用于被测软包装的下压力F；光栅尺位置编码器：测量被测软包装的下压行程L；通过伺服电机带动下压板压持被测软包装，当下压板与被测软包装开始接触时，利用伺服电机和光栅尺位置编码器测量被测软包装受到的下压力F和进行的下压行程L来在线监测被测软包装的密封性。本发明通过采用适用于软包装食品密封性的在线检测方法和系统，既能快速定性也能精确定量地分析软包装袋的密封性能，具有很强的可操作性，可直接集成到食品包装生产线中使用，实现在线检测，检测效率及检测效果均明显优于传统实验室采用抽真空的检测方法。

Description

适用于软包装食品密封性的在线检测方法及系统、介质
技术领域
本发明涉及食品包装密封性检测技术领域，具体地，涉及适用于软包装食品密封性的在线检测方法及系统、介质。
背景技术
食品包装分成很多种类，其中复合塑料薄膜类软包装是市场上占有量最大的包装种类。这种复合薄膜包装类食品生产流水线效率要求很高，以前包装密封性检测主要靠质检员目测、按压、揉捏检测，无法实现100％全检，并且针眼型缺陷很难靠人来判定，漏检的不合格食品在运输、存储、销售过程中很容易变质、损坏，极大地影响到客户体验，给食品加工厂造成严重的声誉损失。食品包装密封性是食品生产包装过程中的关键工艺，是一个否决项，需要从技术手段上攻克这个难关，保证食品的质量安全。
常见的包装密封检测将被试样品放入检测水槽腔室，水槽腔室的下部是水槽、上部是空腔，对样品腔室抽真空，使浸在腔室水中的试样产生内外压差，观测试样内气体外逸情况，或者将被试样品放入空腔室，通过对空腔室抽真空，使试样产生内外压差，观测试样膨胀及释放真空后试样形状恢复情况，以此判定试样的密封性能。这两种方法都是采用抽真空，使被试品包装内部与外部空间形成较大的气体压强差，物理学证明气体分子都是往气体压强低的方向扩散逃逸，当包装破损时观测气泡或者包装是否膨胀变形可以有效地检测包装密封性。但是上述这种检测方案都需要建立真空环境，这个过程至少需要几分钟时间，检测效率很低，并且测试是离线的，无法嵌入到食品加工生产线中在线使用。
经过检索，专利文献CN212059266U公开了一种食物包装密封检测装置，包括透明桶，所述透明桶的口部可拆卸连接有支撑架，所述支撑架上滑动设有压杆，所述压杆的上端设有滑动限制挡块，所述压杆的下端滑动设有调节滑杆，所述压杆的内部转动设有螺杆，所述调节滑杆的内壁设有内螺纹，本实用新型在检测的时候，将透明桶内注入清水，将食品包装袋放入到透明桶内，通过挤压食品包装袋观察是否有气泡来判断食品包装袋的密封性是否良好，该现有技术的不足之处在于使用透明桶内注入清水的方法来检验密封性，这样会加大操作成本，并且水下环境有很多不可控因素。最重要的是这种检测方法测试时间过长，很难在食品包装生产线中推广应用。
因此，亟需研发一种能够快速在生产线上实现检验食品包装密封性的方法和系统，提高食品生产流水线的效率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于软包装食品密封性的在线检测方法及系统、介质。
根据本发明提供的一种适用于软包装食品密封性的在线检测系统，包括：
伺服电机：精确测量用于被测软包装的下压力F；
光栅尺位置编码器：精确测量被测软包装的下压行程L；
通过伺服电机带动下压板压持被测软包装，当下压板与被测软包装开始接触时，利用伺服电机和光栅尺位置编码器测量被测软包装受到的下压力F和进行的下压行程L来在线监测被测软包装的密封性。
优选地，使用伺服电机时，选择带抱闸的直线伺服电机，不会产生机械传动的损失。
优选地，利用伺服电机进行精确测量被测软包装的下压力F时，伺服电机输出力的大小减去下压板的重量及加减速负荷，即可得到精确的下压力F。
优选地，所述下压行程L的行程精度和所述下压力F的力的精度能够是任意范围；下压行程L的行程精度为0.1μm但不限于此精度，下压力F的力的精度为0.001N但不限于此精度。
优选地，进行测试时要求下压板与被测软包装完全接触时开始测量，测量过程中下压板与被测软包装的接触面积A不变。
根据本发明提供的一种适用于软包装食品密封性的在线检测方法，包括如下步骤：
步骤1：对测试行程坐标进行校准，建立工作原点；
步骤2：建立好工作原点之后，进入测试阶段，利用伺服电机和光栅尺位置编码器测量被测软包装受到的下压力F和进行的下压行程L；
步骤3：得到测量的下压力F和下压行程L之后，对测试行程进行标定，完成理想的拟合曲线。
优选地，标定和测试时行程包括三个阶段：
第一阶段：下压板从工作原点下压至和被测软包装接触，测试被测软包装的高度H，伺服电机通过匀速运行过程中电磁力的变化判断第一阶段的结束；
第二阶段：下压板持续下压至被测软包装的设定阈值处，测试下压力F和下压行程L的关联性；
第三阶段：对测试行程进行标定，确保最大行程不压爆被测软包装，且覆盖所有高度H的被测软包装。
优选地，测试之前设置偏差阈值，区分泄露软包装样品和消除测量系统通道误差。
优选地，标定和测试时将测试样品放在环境中达到温度平衡后进行，标定或测试时需要准确读取环境温度T值。
根据本发明提供的一种计算机可读介质，其存储有可由适用于软包装食品密封性的在线检测系统执行的计算机程序，当计算机程序在适用于软包装食品密封性的在线检测系统上运行时，使得适用于软包装食品密封性的在线检测系统执行上述适用于软包装食品密封性的在线检测方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过采用适用于软包装食品密封性的在线检测方法和系统，既能快速定性也能精确定量地分析软包装袋的密封性能，具有很强的可操作性，可直接集成到食品包装生产线中使用，实现在线检测，检测效率及检测效果均明显优于传统实验室采用抽真空的检测方法。
2、本发明深入分析了软包装密封各种参数变量的相关性，在确定了一些关键背景条件下，包括包装材料、包装款式、充气种类，采用了一种黑盒标定测试方法，把难以直接测量的包装物内部压强p与体积V的关系，关联到可以确定性测量的压力F和行程L(包含包装物高度H)的对应关系上去，将复杂的数学模型转变成了简单的多项式表达式，最终通过测量值与理论计算值的偏差范围，反推软包装物密封性能的好坏。
3、本发明能够实现软包装食品100％密封检测，具有快速、准确、有效的特点。如果在软包装食品加工企业中大量推广使用，可以显著提高食品安全检测水平，防范食品安全风险，保护广大消费者权益，与此同时企业也可以减少安全检测人力成本支出，维护企业声誉。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的测试示意图；
图2为本发明中的测试标定数据拟合示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种适用于软包装食品密封性的在线检测系统，包括：
伺服电机：精确测量用于被测软包装的下压力F，下压行程L的行程精度不限于0.1μm。
光栅尺位置编码器：精确测量被测软包装的下压行程L，下压力F的力的精度不限于0.001N。
通过伺服电机带动下压板压持被测软包装，当下压板与被测软包装开始接触时，利用伺服电机和光栅尺位置编码器测量被测软包装受到的下压力F和进行的下压行程L来在线监测被测软包装的密封性。伺服电机带动下压板压持被测软包装，当下压板与被测软包装开始接触时，内部压强p、容积、外表面形变张力将立即发生改变。为了保证检测精度，测试时要求下压板与被测软包装完全接触时开始测量，测量过程中接触面积A不变。
本发明的优选例，作进一步说明。
基于上述基础实施例，伺服电机可以选择带抱闸机构的直线伺服驱动系统或带抱闸机构的旋转伺服电机+丝杆机构。推荐使用直线电机，直线电机无机械传动机构，因此没有机械传动的损失，输出力的大小减去下压机构的重量及加减速负荷即可得到精确的F压力值。
基于上述基础实施例，本发明中的下压行程L的行程精度优选为0.1μm，下压力F的力的精度优选为0.001N。
本发明还提供了一种本发明提供的一种适用于软包装食品密封性的在线检测方法，包括如下步骤：
步骤1：对测试行程坐标进行校准，建立工作原点；
步骤2：建立好工作原点之后，进入测试阶段，利用伺服电机和光栅尺位置编码器测量被测软包装受到的下压力F和进行的下压行程L；
步骤3：得到测量的下压力F和下压行程L之后，对测试行程进行标定，完成理想的拟合曲线。
进一步来说，第一阶段：下压板从工作原点下压至和被测软包装接触，测试被测软包装的高度H，伺服电机通过匀速运行过程中电磁力的变化判断第一阶段的结束；第二阶段：下压板持续下压至被测软包装的设定阈值处，测试下压力F和下压行程L的关联性；第三阶段：对测试行程进行标定，确保最大行程不压爆被测软包装，且覆盖所有高度H的被测软包装。
本发明研究了软包装袋内压强p和软包装袋体积V的对应性关系。
理想气体方程p*V＝(m/M)*R*T (1)
p:压强
V：容器体积
m：气体质量
M：摩尔质量，对任意理想气体而言，M是常量
R：普适常量，对任意理想气体而言，R是恒定的，约为8.31441±0.00026J/(mol·K)。
T：绝对温度
由公式(1)可知，p、V间的关系在一定条件下(温度T、袋内气体种类M及气体质量m不变)呈明确的反比例函数关系。p是袋内的气压，食品包装袋完好时，p是没办法直接测量的，但是内部气体p压强和包装材料形变张力产生的压强α+外部大气压pA是相等的，即
p＝pA+α (2)
pA：环境大气压
α：包装材料形变外表压强
设软包装袋未被按压时内部气压
p0＝pA+α0
p0：没有按压时的内部压力
α0：没有按压时包装材料形变张力产生的外表压强
当我们去按压外表面时，因为压力导致V0变成V1，这时内部压强p1、表面形变压强α1、按压力F1、下压行程L、接触面积A1、V0、V1形成如下函数关系如下：
p1＝pA+α1
α1-α0＝F1/A1
p1-p0＝pA+α1-(pA+α0)＝α1-α0
p1-p0＝F1/A1 (3)
V1-V0＝f(L1) (4)
α：包装材料形变外表压强；
p1：按压1动作时的内部压强；
F1：按压1动作时的按压力；
A1：按压1动作时的接触面积；
L1：从气袋容积从V0变化到V1时下压板的行程；
f():容积变化是下压行程L1的函数，在密封完好(m不变)，温度T不变的情况下，L1与容积变化量的函数关系是确定的；
由公式(1)可知
p0*V0＝p1*V1＝(p0+Δp)*(V0+ΔV)＝(m/M)*R*T (5)
由公式5可以分析，如果密封完好(m不变)，M、R、T是常量，则Δp和ΔV是有明确关系的对应的，设定函数关系为：
Δp＝g(ΔV)；
由公式(3)、(4)，得知：
F1/A1＝g(ΔV)＝g(f(L1))
为简化分析设h(L1)＝g(f(L1)
所以，h(L1)＝F1/A1 (6)
由等式(6)可以看出，在一定条件下(m、T不变)行程L和压力值F、接触面积A有着相关性。为进一步简化，设定A不变，即下压板和气泡袋的接触面积不变，这个可以通过选择较小的下压板来实现，测试时保证下压板与包装袋完整接触。
所以，最终的分析可以简化到F1＝h’(L1)上来。
h’()函数是一个复合函数，和包装材料、包装袋形状、气体分子摩尔质量M、气体质量m、环境温度T、未下压前的压强p0、容积V0都有关联，很难直接准确表达。
本发明提出了一种通过实验测试的方法，在上述条件(包装材料、包装袋形状、气体分子摩尔质量M、气体质量m、环境温度T)不变的条件下，分析测试在L变化时，F的变化趋势。当行程L变化时，观测记录F的值大小，采集到足够多的观测数据以后(10个以上)，在软件仿真中进行曲线拟合，我们可以得到h’()函数的多项式表达式，经测试验证，5次以上表达式可以准确表达两者之间的关系。比如如下一组L、F实测数据：
L＝[0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20]；
F＝[0 5 27 79 155 255 379 527 699 895 1115]；
经过曲线拟合后，将产生附图2的数据曲线图，对应的5次多项式系数自动生成。如图2所示。
软包装食品袋包装封包时存在着一定的偏差，充气量有所不同，最终反映在包装袋的高度H上，我们重复上述的实验测试过程，可以得到不同包装袋高度值H下的F和L的多项表达式。同理在不同包装材料、包装袋形状、充气类型、环境温度不同的情况下，也可以通过上述方式标定F、L的多项式曲线。
实际应用中，针对一种具体的包装，标定工作可以简化。只要选取几种高度样品，在几种温度条件下分别进行测量标定，最终形成3维自变量的函数F＝h3’(L、H、T)的多项式F变化曲线。
当气泡袋密封完好时，在一定环境温度T下，不同H高度的行程L和包装袋压力F有者稳定的对应关系，当气泡袋出现泄漏时，压力F和行程L的关系将偏离多项式曲线，压力实测值F’将小于理论计算值，偏差大于一定的设定阈值，可以判定样品不合格，泄露量也可以通过针眼破孔测试标定，精确定量分析泄漏量。我们通过这种简单有效的黑盒标定办法可以快速的在线检测软包装食品的密封状况，达到非常准确的筛选效果。
本发明的核心发明点是通过实验测试标定某种软包装气泡袋在不同工况环境下内部压强和容积之间的对应关系，它最终反映在下压力F和下压行程L间的函数关系，所以测试标定工作非常关键。需要解决如下几个关键问题：
1、直线伺服电机的选型非常重要，电机型号要与被测样品匹配，测试功率及输出力大小范围、最高速度、行程精度都需要满足测试要求，以期在测试中既能达到测试精度要求又能保证检测效率；
2、标定和测试时必须将测试样品放在环境中达到温度平衡后方可进行，标定或检测时需要准确读取环境温度T值；
3、标定和测试前必须做一次行程坐标的校准，建立工作原点，随后进入后续标定或测试阶段；
4、伺服电机在加减速会有力的输出，与下压板一起运动的结构质量有关，这个移动机构的质量可以通过测试获取，匀速或静止时需要扣除移动机械部件质量，加减速时需要扣除移动机械部件质量和加减速的力输出，剩余输出值才是下压气泡袋的压力值F；
5、标定和测试时行程需要分成三个段：第一段从工作原点下压至和面包接触，这个阶段是测试气泡袋的高度H，直线电机通过匀速运行过程中电磁力的变化判断第一阶段的结束。第二阶段是下压至下压板与气泡袋完全结束，这个阶段是测试下压力F与行程L的关联性。这两个阶段动作是连续的，阶段切换是自动进行的；
6、标定时测试行程范围要设置合理，既要保证最大行程不压爆被测样品，又要覆盖所有高度H的被试样品。为了得到理想的拟合曲线，标定时测试行程点位要大于10个以上，如下图2所示。
7、正常检测时需要正确设置偏差阈值，设置原则：既可以准确分离泄露样品，又能够消除测量系统通道误差，通道误差可以通过校准降低；
8、泄露量的大小需要通过样品的破坏试验(扎眼)获取，孔径可以由针头直径测量获取。
食品包装密封检测是食品安全检测流程中重要一环。以往的食品密封检测都是采用离线检测方式，无法在生产线中实施。生产线主要采用人工抽检，人力成本高，检测速度、检测效果也满足不了高效生产的要求，给食品安全造成了很大隐患。本发明旨在提出一种在线智能检测软包装食品密封性能的有效方法，能够实现软包装食品100％密封检测，该方法具有快速、准确、有效的特点。如果在软包装食品加工企业中大量推广使用，可以显著提高食品安全检测水平，防范食品安全风险，保护广大消费者权益，与此同时企业也可以减少安全检测人力成本支出，维护企业声誉。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于软包装食品密封性的在线检测系统，其特征在于，包括：
伺服电机：测量用于被测软包装的下压力F；
光栅尺位置编码器：测量被测软包装的下压行程L；
通过伺服电机带动下压板压持被测软包装，当下压板与被测软包装开始接触时，利用伺服电机和光栅尺位置编码器测量被测软包装受到的下压力F和进行的下压行程L来在线监测被测软包装的密封性。
2.根据权利要求1所述的适用于软包装食品密封性的在线检测系统，其特征在于，使用伺服电机时，选择带抱闸的直线伺服电机，不会产生机械传动的损失。
3.根据权利要求1所述的适用于软包装食品密封性的在线检测系统，其特征在于，利用伺服电机进行精确测量被测软包装的下压力F时，伺服电机输出力的大小减去下压板的重量及加减速负荷，即可得到精确的下压力F。
4.根据权利要求1所述的适用于软包装食品密封性的在线检测系统，其特征在于，所述下压行程L的行程精度和所述下压力F的力的精度能够是任意范围；
下压行程L的行程精度为但不限于0.1μm，下压力F的力的精度为但不限于0.001N。
5.根据权利要求1所述的适用于软包装食品密封性的在线检测系统，其特征在于，进行测试时要求下压板与被测软包装完全接触时开始测量，测量过程中下压板与被测软包装的接触面积A不变。
6.一种适用于软包装食品密封性的在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对测试行程坐标进行校准，建立工作原点；
步骤2：建立好工作原点之后，进入测试阶段，利用伺服电机和光栅尺位置编码器测量被测软包装受到的下压力F和进行的下压行程L；
步骤3：得到测量的下压力F和下压行程L之后，对测试行程进行标定，完成理想的拟合曲线。
7.根据权利要求6所述的适用于软包装食品密封性的在线检测方法，其特征在于，标定和测试时行程包括三个阶段：
第一阶段：下压板从工作原点下压至和被测软包装接触，测试被测软包装的高度H，伺服电机通过匀速运行过程中电磁力的变化判断第一阶段的结束；
第二阶段：下压板持续下压至被测软包装的设定阈值处，测试下压力F和下压行程L的关联性；
第三阶段：对测试行程进行标定，确保最大行程不压爆被测软包装，且覆盖所有高度H的被测软包装。
8.根据权利要求6所述的适用于软包装食品密封性的在线检测方法，其特征在于，测试之前设置偏差阈值，区分泄露软包装样品和消除测量系统通道误差。
9.根据权利要求6所述的适用于软包装食品密封性的在线检测方法，其特征在于，标定和测试时将测试样品放在环境中达到温度平衡后进行，标定或测试时需要准确读取环境温度T值。
10.一种计算机可读介质，其特征在于，其存储有可由适用于软包装食品密封性的在线检测系统执行的计算机程序，当所述计算机程序在适用于软包装食品密封性的在线检测系统上运行时，使得所述适用于软包装食品密封性的在线检测系统执行权利要求6-9中任一项所述的适用于软包装食品密封性的在线检测方法的步骤。
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