CN116879216A - 一种烟草组分厚度太赫兹检测方法 - Google Patents

一种烟草组分厚度太赫兹检测方法 Download PDF

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杨心安
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张二强
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Abstract

本发明涉及一种烟草组分厚度太赫兹检测方法，属于卷烟生产领域。该方法先标定烟支组分样品的折射率，再将无样品的透层载物台移动到太赫兹镜头焦点位置扫描一个点获取参考信号，将有样品的透层载物台移动到太赫兹镜头焦点位置，输入若干个扫描点坐标，逐点扫描直至全部完成，然后在透层载物台下获取扫描的信号并转化为时域波形信号并进行傅里叶变换，得到太赫兹相位谱，将有样品的相位谱与无样品的作差得到烟草组分的太赫兹相移谱，利用离散粒子群算法选出最优的频率组合，利用最优频率的太赫兹相移谱建立偏最小二乘模型并输出烟草组分的厚度值。通过上述过程，本发明能够实现对片状烟草组分厚度参数的无接触、无辐射和精确测量。

Description

一种烟草组分厚度太赫兹检测方法
技术领域
本发明涉及一种烟草组分厚度太赫兹检测方法，属于卷烟生产领域。
背景技术
烟草组分厚度主要是指原烟烟叶、梗片、薄片等片状烟草物质的厚度，是衡量烟草加工品质及稳定性的一项重要指标，对卷烟成品的填充性、整丝率、燃烧速度有着一定的影响。特别是对于薄片而言，实现其厚度的在线实时检测，并反馈控制压光机等压制设备，从而改进薄片厚度的加工稳定性，对于改善卷烟工艺品质具有重要意义。
目前的厚度检测方法有离线检测和在线检测。离线检测法是指在生产线上进行在线取样，再由操作人员按照行业标准采用纸和纸板厚度的测定方法来检测薄片等的厚度，该法存在读数不稳定、测量准确性受样品特性影响的问题，不利于检测和控制。在线检测法又分为接触式和非接触式，接触式检测需要使用测厚探头接触表面，但薄片等烟草组分的表面非常粗糙，容易被探头刮破导致后续加工困难；非接触式检测包括射线、超声等手段，β射线计的工作原理是根据β射线照射在被测物表面上的衰减情况测量被测物的厚度值，X射线传感器的工作原理是利用X射线穿透被测材料时的强度变化与材料的厚度相关的特性来测定材料的厚度，但X射线和β射线存在电离辐射，会对人体安全造成影响；空气耦合超声传感器是一种非接触、安全的解决方案，但需要在对象表面添加耦合剂，会破坏产品的表面特性，而且很强大的脉冲激励条件也限制了该传感器的普及应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种烟草组分厚度太赫兹检测方法，用以解决现有烟草组分厚度检测方法中存在测量准确性不高的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种烟草组分厚度太赫兹检测方法，包括以下步骤：
1)标定烟支组分样品的折射率；
2)先将无样品的透层载物台移动到太赫兹镜头焦点位置扫描一个点获取参考信号，然后将有样品的透层载物台移动到太赫兹镜头焦点位置，准备进行扫描；
3)输入若干个扫描点坐标，透层载物台在X、Y方向上进给相应位移，逐点扫描直至全部完成；
4)在透层载物台下获取扫描的信号并转化为时域波形信号，对时域波形信号进行傅里叶变换后得到太赫兹相位谱，有样品的相位谱与无样品的作差后得到烟草组分的太赫兹相移谱；
5)利用离散粒子群算法BPSO选出最优的频率组合，利用最优频率的太赫兹相移谱建立偏最小二乘PLS模型并输出烟草组分的厚度值。
本发明利用太赫兹技术检测烟草组分的厚度参数具有非接触、安全、包含大量有用信息等优点。通过获取不同烟草组分的太赫兹时域信号波形，并对时域信号的转换分析，建立了一种厚度计算方法，实现了对片状烟草组分厚度参数的无接触、无辐射、精确测量。
进一步地，步骤1)中，所述折射率的标定步骤为：先测得标定样品的实际厚度值，然后移动透层载物台使样品与太赫兹镜头中心点重合，根据测得的太赫兹时域信号脉冲延迟反算标定样品的折射率。
本发明的烟草组分厚度太赫兹检测方法先标定折射率，用于后续计算待测烟支组份样品的理论厚度。
进一步地，所述反算标定样品的折射率的计算公式为：
式中，ng为样品折射率，c为光速，τ为脉冲延迟，d为样品厚度。
本发明采用上述计算公式得到烟支组份样品的折射率。
进一步地，步骤3)中，所述扫描由太赫兹测量模块执行；所述太赫兹测量模块包括环形轨道，所述环形轨道上设置有用于将太赫兹波准直并会聚于透层载物台上的发射端和获取扫描信号的接收端；所述发射端和接收端位于过环形轨道圆心的同一条直线上。
本发明的太赫兹测量模块中的环形轨道能够在扫描时使烟支组份样品得到全面充分的检测，提高了检测结果的精确性。
进一步地，步骤5)中，由离散粒子群算法BPSO进行太赫兹光谱频率筛选，得到所述最优的频率组合；用筛选出的频率所对应的太赫兹相移谱数据作为自变量U，烟草组分样品厚度作为因变量V，建立偏最小二乘模型，并更新粒子的适应度值fitness、个体极值和群体极值，循环迭代直到达到最大迭代次数或达到实验精度时循环结束；选择群体极值，构建烟草组分样品厚度的最佳偏最小二乘模型，并输出烟草组分的预测厚度。
本发明利用BPSO-PLS算法进行烟草组分厚度计算，通过BPSO筛选出最优的太赫兹光谱频率，在最优频率基础上建立PLS模型，构建最佳PLS模型，提高了对片状烟草组分厚度的测量精确性。
进一步地，在所述标定烟支组份样品折射率前，进行参数输入，所述参数包括扫描时间范围、采集点数和透层载物台的尺寸信息所对应的X、Y方向起始、结束值。
本发明在进行标定折射率之前对透层载物台的尺寸、扫描时间范围和采集点进行预设，用于在后续扫描过程中控制透明载物台的移动并进行烟支组份样品的逐点扫描。
进一步地，在参数输入之前，根据待测烟草组分的尺寸选择合适大小的透层载物台；切换透射方式，调节将盛有样品的透层载物台的高度以确定焦点位置。
本发明在输入参数前对透层载物台的调试确保后续检测结果的精确性。
附图说明
图1是烟草组分厚度太赫兹检测系统的结构图；
图2是太赫兹测量模块的原理图；
图3是烟草组分厚度计算算法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明，所举实施例仅用于解释本发明，并非以此限定本发明的保护范围。
一种烟草组分厚度太赫兹检测方法，该检测方法所采用的系统如图1所示，包括工控一体机1、供电传输模块2、太赫兹测量模块3、进料模块4。其中，太赫兹测量模块3包括环形轨道3-1、光学聚焦镜头3-2、光学采集镜头3-3、飞秒激光器3-4、衰减器3-5、偏压源3-6、光电导天线发射器3-7、光电导天线接收器3-8、锁相放大器3-9、延时线3-10，进料模块4包括透层载物台4-1。所述环形轨道上设置有用于将太赫兹波准直并会聚于透层载物台上的发射端和获取扫描信号的接收端；所述发射端和接收端位于过环形轨道圆心的同一条直线上，发射端包括光学聚焦镜头3-2，接收端包括光学采集镜头3-3。透层载物台置于光学聚焦镜头3-2正下方、光学采集镜头3-3正上方。
太赫兹测量模块的原理如图2所示，太赫兹主机中的飞秒激光器3-4发出光束，经衰减器3-5会聚于光电导天线发射器3-7上，激发出太赫兹波，偏压源3-6起稳压作用，然后光学聚焦镜头3-2将太赫兹波准直并会聚于透层载物台4-1上的样品上，经过样品之后，载有样品性质信息的太赫兹波经光学采集镜头3-3准直和会聚后，被光电导天线接收器3-8接收，在太赫兹波探测端，太赫兹光经过衰减器3-5和延迟线3-10后被采集，在数据输出端，太赫兹光经锁相放大器3-9放大后得到最终的测量信号，传输至工控一体机1。
一种烟草组分厚度太赫兹检测方法实施例
在进行烟草组分厚度太赫兹检测前需要调试设备，根据待测片状烟草组分的尺寸，选择内部空间尺寸为120mm*120mm*15mm的透层载物台4-1，在载物槽内铺满片状烟草组分样品；选择光谱扫描模式，将镜头入射角度调至0°，切换为透射方式，将盛有样品的透层载物台4-1置于光学聚焦镜头3-2正下方、光学采集镜头3-3正上方，调节高度以确定焦点位置。透层载物台4-1的尺寸信息所对应的X起始、结束位置分别为1mm、120mm，与Y起始、结束位置相同，采集点数选择最大点数，激光器频率为19.892MHz，扫描频率为10Hz，扫描时间范围为90ps，将上述参数输入控制软件。控制软件在工控一体机上运行，通过发送指令控制透层载物台移动，配合太赫兹测量模块完成扫描，也可完成数据处理任务。将烟草载物台4-1移动到太赫兹镜头焦点位置，准备进行扫描，动作到位后，随机生成30个扫描点坐标，使载物台4-1在X、Y方向上进给相应位移，在每个扫描点的停留时间设置为3s，逐点扫描直至全部完成。
该种烟草组分厚度计算方法为，首先标定折射率，用游标卡尺或螺旋测微器测得标定样品的实际厚度值，然后移动透层载物台4-1至其与太赫兹镜头中心点重合，扫描获取其太赫兹时域信号，根据测得的太赫兹时域信号脉冲延迟反算标定样品的折射率，计算公式为：
式中，ng为样品折射率，c为光速3*108m/s，τ为脉冲延迟，d为样品厚度。
然后分别测量无样品和有样品的太赫兹时域波形信号，先将无样品的透层载物台4-1移动到太赫兹镜头焦点位置扫描一个点获取参考信号，然后将有样品的透层载物台4-1移动到太赫兹镜头焦点位置，准备进行扫描，动作到位后，输入若干个扫描点坐标，透层载物台4-1在X、Y方向上进给相应位移，逐点扫描直至全部完成。将光学采集镜头3-3获取的光信号转换为电压信号并传输至控制软件，软件内嵌计算模块对时域波形信号进行傅里叶变换后得到太赫兹相位谱，有样品的相位谱与无样品的作差后得到烟草组分的太赫兹相移谱。软件计算模块利用离散粒子群算法(BPSO)选出最优的频率组合，利用最优频率的太赫兹相移谱建立偏最小二乘(PLS)模型并输出烟草组分的厚度值。
BPSO-PLS算法的整体流程如图3所示，用BPSO算法进行太赫兹光谱频率筛选，用筛选出的频率所对应的太赫兹相移光谱数据作为自变量U，烟草组分样品厚度作为因变量V，建立偏最小二乘模型，并更新粒子的适应度值fitness、个体极值和群体极值，循环迭代直到达到最大迭代次数或达到实验精度循环结束。选择群体极值，构建烟草组分样品厚度的最佳偏最小二乘模型，并输出烟草组分的预测厚度。
具体来说，假设有搜索空间为d维、粒子总数为h个的二进制粒子群X—(x1,x2,…,xk)，其中第i个粒子的位置为xi—(xi1,xi2,…,xid)，第i个粒子的速度为vi—(vi1,vi2,…,vid)，速度vik定义了粒子的每个位置赋值为1的概率，粒子的速度通过Sigmoid函数约束到区间[0，1]上。位置xik的更新为
式中，t为迭代次数，rand()是每次迭代中随机产生的均匀分布在区间[0，1]里的随机数，Sigmoid函数定义为
基于BPSO算法的频率选择采用二进制编码方式，每个粒子长度等于全部的频率点数，每个粒子对应一个二进制码，其中数值1表示所对应的频率被选中，而数值0表示对应的频率未被选中。基于筛选出的相位信息建立关于烟草组分厚度的PLS定量模型，定量模型的优劣由模型的预测均方根误差(root mean error prediction,RMSEP)评价，其定义如下
式中，n为样本数，yjp为第j个样本的预测值，yjr第j个样本的真实值。BPSO算法中的优化目标为适应度函数最小化，因此适应度函数fitness即为RMSEP。
应用该检测方法测量部分实验样品的厚度，并用螺旋测微器实测其厚度值以作对比，结果如下表所示：
表1样品厚度实验结果
可以看出，片状烟草组分的厚度测量误差较小，在允许范围内。
本发明设计了一种烟草组分厚度太赫兹检测方法，利用太赫兹技术检测烟草组分的厚度参数具有非接触、安全、包含大量有用信息等优点，获取了不同烟草组分的太赫兹时域信号波形，基于对时域信号的转换分析，建立了一种厚度计算方法，实现了对片状烟草组分厚度参数的无接触、无辐射、精确测量，对于提高某些片状烟草组分(如薄片)厚度的加工稳定性，从而改善卷烟工艺品质具有重要意义。

Claims (7)

1.一种烟草组分厚度太赫兹检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)标定烟支组分样品的折射率；
2)先将无样品的透层载物台移动到太赫兹镜头焦点位置扫描一个点获取参考信号，然后将有样品的透层载物台移动到太赫兹镜头焦点位置，准备进行扫描；
3)输入若干个扫描点坐标，透层载物台在X、Y方向上进给相应位移，逐点扫描直至全部完成；
4)在透层载物台下获取扫描的信号并转化为时域波形信号，对时域波形信号进行傅里叶变换后得到太赫兹相位谱，有样品的相位谱与无样品的作差后得到烟草组分的太赫兹相移谱；
5)利用离散粒子群算法BPSO选出最优的频率组合，利用最优频率的太赫兹相移谱建立偏最小二乘PLS模型并输出烟草组分的厚度值。
2.根据权利要求1所述的烟草组分厚度太赫兹检测方法，其特征在于，步骤1)中，所述折射率的标定步骤为：先测得标定样品的实际厚度值，然后移动透层载物台使样品与太赫兹镜头中心点重合，根据测得的太赫兹时域信号脉冲延迟反算标定样品的折射率。
3.根据权利要求2所述的烟草组分厚度太赫兹检测方法，其特征在于，所述反算标定样品的折射率的计算公式为：
式中，ng为样品折射率，c为光速，τ为脉冲延迟，d为样品厚度。
4.根据权利要求1所述的烟草组分厚度太赫兹检测方法，其特征在于，步骤3)中，所述扫描由太赫兹测量模块执行；所述太赫兹测量模块包括环形轨道，所述环形轨道上设置有用于将太赫兹波准直并会聚于透层载物台上的发射端和获取扫描信号的接收端；所述发射端和接收端位于过环形轨道圆心的同一条直线上。
5.根据权利要求1所述的烟草组分厚度太赫兹检测方法，其特征在于，步骤5)中，由离散粒子群算法BPSO进行太赫兹光谱频率筛选，得到所述最优的频率组合；用筛选出的频率所对应的太赫兹相移谱数据作为自变量U，烟草组分样品厚度作为因变量V，建立偏最小二乘模型，并更新粒子的适应度值fitness、个体极值和群体极值，循环迭代直到达到最大迭代次数或达到预设精度时循环结束；选择群体极值，构建烟草组分样品厚度的最佳偏最小二乘模型，并输出烟草组分的预测厚度。
6.根据权利要求1所述的烟草组分厚度太赫兹检测方法，其特征在于，在所述标定烟支组份样品折射率前，进行参数输入，所述参数包括扫描时间范围、采集点数和透层载物台的尺寸信息所对应的X、Y方向起始、结束值。
7.根据权利要求6所述的烟草组分厚度太赫兹检测方法，其特征在于，在参数输入之前，根据待测烟草组分的尺寸选择合适大小的透层载物台；切换透射方式，调节将盛有样品的透层载物台的高度以确定焦点位置。
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