CN208833690U - 一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，包括微波信号产生器、第一隔离器、输入探针、扁矩形微波谐振腔、输出探针、第二隔离器、检波放大器、A/D变换器、信号处理器、数据采集处理计算机、显示器、工控机和滤棒成型机实时速度检测器，第一隔离器、输入探针、扁矩形微波谐振腔、输出探针、第二隔离器和检波放大器依次通过微波同轴电缆相连；显示器、工控机和滤棒成型机实时速度检测器分别与数据采集处理计算机相连。本实用新型的用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，采用微波谐振原理对滤棒的合格与否进行检测，能对滤棒进行快速、连续进行在线检测，且检测准确度及可靠性高，不因环境因素影响检测准确性。

Description

一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，属于微波非电量测试技术领域。

背景技术

正像烟支一样，滤棒的质量指标有多种、多项。其中吸阻对滤棒来说是一个关键性的指标，因为它直接影响到烟支的吸阻指标。

目前，各种在用的成型机中对滤棒吸阻指标的控制办法均为人工进行，其中的检测环节也至多为半自动取样完成，没有真正意义上的成熟的在线自动检测。

根据理论分析和实际经验，我们认为滤棒的吸阻主要受到以下几个原因的影响：1、滤棒材料密度；2、固化剂含量；3、滤棒材料中混入的杂质。

从电学的角度上看，影响滤棒吸阻的几个因素都能从滤棒材料及其所含杂质的介质常数这个参数的变化而表现出来。而材料介质常数则是可以用测量含一定介质的微波谐振腔的谐振频率及谐振幅度的变化来进行测量的。材料密度增加，其相对介质常数的虚部增加，相应于微波谐振腔的谐振频率的减小；由于滤棒固化剂中含有水分，固化剂含量的增加，意味着滤棒中的水分含量的增加，即其相对介质常数的实部增大，相应于微波谐振腔的谐振幅度的降低。由于烟嘴滤棒的主要成分为三醋酸甘油酯，其介质常数为6.1，比空气的介质常数1大得多，所以用微波谐振腔技术来测量滤棒材料的密度以及固化剂及杂质的含量是可能的。

由材料的介质常数来计算出介质材料的密度和湿度的方法已在多年前由我们开发成功并大量应用于在线烟支重量控制系统中。我们完全可以应用其成熟经验，用来测量滤棒材料的品质。

微波在一个金属制成的容器(我们将其称为微波谐振腔)内具有谐振特性。当在该谐振腔内部分或全部填充有其它非金属物质(我们称其为介质材料)时，其谐振频率和谐振幅度会因填充的介质材料的介质常数不同、介质材料的多少和形状的不同而产生不同的变化。这种变化对于所填充的介质材料的不同所产生的响应的十分敏感的。由于滤棒材料的密度和其固化剂含量的不同，它们的介质常数会有一些差别。因而，通过对这些介质常数的变化的精确测量，我们可以分析计算出滤棒材料密度和其固化剂含量。当滤棒材料中含有杂质时，滤棒通过谐振腔时，会使其谐振频率和谐振幅度出现异常变化。

我们设计一个微波谐振腔，滤棒丝束成型时通过该谐振腔运动。由于滤棒材料密度和其固化剂含量的不同，也就是它们介质常数的不同，使得谐振腔的谐振频率和谐振幅度产生变化。通过精确测量微波谐振腔的谐振频率和谐振幅度变化就能分析计算出滤棒材料的密度和固化剂含量。我们采用了一套全新的微波谐振幅频特性的解析方法来快速、精确地测出微波谐振腔内所填充的物质的介质常数。

在正常滤棒材料填充的情况下，由于滤棒材料密度变化以及固化剂含量本身有些波动的影响，所测得的谐振频率ΔF和谐振幅度ΔU总在其平均值上下一定的范围内变化。但当滤棒材料中有杂质存在时，所测得的谐振频率和谐振幅度的变化将大大偏离正常滤棒填充的情况。

为了测得不同物质的介质常数所产生的微波谐振频率及谐振幅度变化，我们首先要设计出适当的适用于滤棒成分检测的微波谐振腔，才能有效地对滤棒进行快速、连续进行在线检测。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，采用微波谐振原理对滤棒的合格与否进行检测，能对滤棒进行快速、连续进行在线检测，且检测准确度及可靠性高，不因环境因素影响检测准确性。

实现上述目的的技术方案是：一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，包括微波信号产生器、第一隔离器、输入探针、扁矩形微波谐振腔、输出探针、第二隔离器、检波放大器、A/D变换器、信号处理器、数据采集处理计算机、显示器、工控机和滤棒成型机实时速度检测器，其中：

所述微波信号产生器、第一隔离器、输入探针、扁矩形微波谐振腔、输出探针、第二隔离器、检波放大器、A/D变换器、信号处理器和数据采集处理计算机依次相连；且所述第一隔离器、输入探针、扁矩形微波谐振腔、输出探针、第二隔离器和检波放大器依次通过微波同轴电缆相连；

所述显示器、工控机和滤棒成型机实时速度检测器分别与所述数据采集处理计算机相连；

所述扁矩形微波谐振腔包括从前至后依次连接的进端导管、扁矩形谐振腔本体和出端导管，所述扁矩形谐振腔本体的上下端均设置有前端面板、后端面板以及位于前端面板和后端面板之间的侧边板，所述进端导管和出端导管分别呈前大后小的喇叭状，所述扁矩形谐振腔本体中设置有中段导管，所述中段导管的前后端一一对应地与所述进端导管和出端导管连通，所述进端导管与扁矩形谐振腔本体的连接处设置有防泄漏过渡波导。

上述的一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，其中，所述微波信号产生器的输出功率为10毫瓦。

上述的一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，其中，所述进端导管、中段导管和出端导管分别采用四氟乙烯材料制成；所述扁矩形谐振腔本体采用低膨胀合金材料制成，所述扁矩形谐振腔本体的表面涂覆有耐腐蚀导电材料层。

上述的一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，其中，所述扁矩形谐振腔本体采用4J36铁镍合金制成。

上述的一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，其中，所述检波放大器采用微波检波二极管。

本实用新型的用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，具有以下优点：

(1)采用微波谐振原理对滤棒的合格与否进行检测，能对滤棒进行快速、连续进行在线检测，且检测准确度及可靠性高，不因环境因素影响检测准确性；

(2)采用的微波信号源输出功率小，仅为10毫瓦，是一般手机发射功率的百分之一，安全性高。其在操作位置的辐射强度仅为0.1mW/cm2,远远低于国家规定的5mW/cm2的安全标准；

(3)采用工控机进行控制，具有良好的人机界面，可根据需要设置告警、剔除等功能，并给出统计分析报告；

(4)开机后即可正常工作，不需预热、不需调零，操作使用方便。

附图说明

图1为本实用新型的用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置的结构图；

图2为扁矩形微波谐振腔的结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1和图2，本实用新型的最佳实施例，一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，包括微波信号产生器1、第一隔离器2、输入探针3、扁矩形微波谐振腔4、输出探针5、第二隔离器6、检波放大器7、A/D变换器8、信号处理器9、数据采集处理计算机10、显示器11、工控机12和滤棒成型机实时速度检测器13。

微波信号产生器1、第一隔离器2、输入探针3、扁矩形微波谐振腔4、输出探针5、第二隔离器6、检波放大器7、A/D变换器8、信号处理器9和数据采集处理计算机10依次相连；且第一隔离器2、输入探针3、扁矩形微波谐振腔4、输出探针5、第二隔离器6和检波放大器7依次通过微波同轴电缆14相连。显示器11、工控机12和滤棒成型机实时速度检测器13分别与数据采集处理计算机10相连。

再请参阅图2，扁矩形微波谐振腔4包括从前至后依次连接的进端导管41、扁矩形谐振腔本体42和出端导管43，扁矩形谐振腔本体42的上下端均设置有前端面板44、后端面板45以及位于前端面板44和后端面板45之间的侧边板46，进端导管41和出端导管43分别呈前大后小的喇叭状，扁矩形谐振腔本体42中设置有中段导管47，中段导管47的前后端一一对应地与进端导管41和出端导管43连通，进端导管41与扁矩形谐振腔本体42的连接处设置有防泄漏过渡波导。进端导管41、中段导管47和出端导管43分别采用四氟乙烯材料制成；扁矩形谐振腔本体42采用低膨胀合金材料制成，比如采用4J36铁镍合金制成。扁矩形谐振腔本体42的表面涂覆有耐腐蚀导电材料层。

扁矩形微波谐振腔4具有以下特点：

(1)谐振腔设计为扁矩形谐振腔。由于滤棒成型机结构的限制及检测的要求，我们将扁矩形微波谐振腔4置于滤棒成型前的滤芯丝束从散开的扁形到聚集成圆形滤棒的变换段。为此，我们针对滤芯丝束100的形状，选用了扁矩形谐振腔；

(2)此谐振腔工作于TE101模，以使其具有最大的Q值，TE101模是矩形谐振腔的最低工作模式，在矩形谐振腔的所有工作模式中，它的Q值最高；

(3)滤芯丝束100从进端导管41进入在扁矩形谐振腔本体42的宽边中心，沿谐振腔的长度方向开一窄缝，让滤芯丝束通过。按照微波技术理论，对于微波矩形谐振腔的TE101模，其宽边中心的电场强度最大，所以，当滤芯丝束通过时，对滤芯丝束的密度及固化剂、杂质等材料的变化的灵敏度最大。由此，构成了高灵敏度的传感器；

(4)为了减小电磁场由开槽缝隙中的泄漏，我们在谐振腔宽边开槽的位置设计了一段防泄漏过渡波导，即在进端导管41与扁矩形谐振腔本体42的连接处设置有防泄漏过渡波导。这段过渡波导被设计成过极限波导，理论上它的长度越长，电磁场的泄漏越小。实际过渡波导的长度以成型机的结构允许的最大长度为限；

(5)为了防止当滤芯丝束100材料通过时，丝束及固化剂细颗粒、杂质粉尘在谐振腔内表面的集聚，而使得谐振腔的Q值不断降低，我们在丝束通过谐振腔的途径周围用四氟乙烯材料构成保护套，即进端导管41、中段导管47和出端导管43分别采用四氟乙烯材料制成，构成保护套；

(6)为了提高谐振腔的热稳定性，扁矩形谐振腔本体42应由低膨胀合金材料(例如，4J36铁镍合金)制成；扁矩形谐振腔本体42的表面应当用耐腐蚀的导电材料涂复，以保证其长期稳定性。

本实用新型的用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，微波信号产生器1的输出功率为10毫瓦。微波信号产生器1是一个由数字控制的快速跳频锁相微波源，由其产生的微波信号通过微波同轴电缆14及第一隔离器2由输入探针3注入扁矩形微波谐振腔4。然后，再由输出探针5将受被测物质的影响而变化的微波谐振信号引出。引出的微波谐振信号通过微波同轴电缆14及第二隔离器6进入检波放大器7。检波放大器7可采用一般的微波检波二极管,检波后再进行直流放大，放大后输出为直流电压信号。为了提高系统的稳定性必须对检波放大器7进行温度补偿。

A/D变换器8将经过检波放大器7放大后的直流电压信号经过模数转换，变为数字信号，并将该数字信号发送给信号处理器9，信号处理器9将各个时刻的检出信号送入信号处理器的随机存取储存器中。由于微波信号产生器是一个由数字控制的快速跳频锁相微波源，每一时刻对应于一个微波信号频率。比较各个时刻的输出信号大小，即可求得谐振腔的实时谐振特性，从而得到当时的微波谐振频率及谐振幅度。当谐振腔内被测滤棒的密度和固化剂含量变化时，微波谐振腔的谐振频率及谐振幅度也将发生改变。再根据微波谐振腔的谐振频率及谐振幅度与填充物质的关系，通过计算机处理，判断出谐振频率与谐振幅度的对应关系的异常，从而鉴别出滤棒的密度和固化剂含量变化的变化。

信号处理器9在信号处理过程中，我们采用了高速数据处理技术，其数据处理速度达到了几十兆赫的量级，在国内也处于先进水平。它的应用提高了数据处理能力，使得设备能在滤棒成型机高速运行(每分钟8000支滤棒的生产速度)中能对滤棒的材料及固化剂含量的微小变化所产生的微波谐振频率及幅度的变化响应进行实时检测；我们还采用了专用微波发射及接收装置和特殊电子线路，从根本上解决微波元件电参数现场使用时易漂移和受各种环境变化(如振动、温度、湿度、灰尘)的影响；采用了温度软件补偿方式，克服了检测装置因温度变化而造成的信号波动。

为了准确地判断吸阻异常的滤棒区段，我们采用滤棒成型机实时速度检测器13对滤棒成型机实时运行速度进行检测，将滤棒成型机实时运行速度及经过处理的滤棒谐振信号经过数据采集处理计算机10的处理，然后输送给滤棒成型机上开松机构和固化剂供给机构，实现对吸阻异常的滤棒检测与剔除相同步的功能。

显示器11和工控机12构成人机交互界面，可根据需要设置告警、剔除等功能，并给出统计分析报告。

综上所述，本实用新型的用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，采用微波谐振原理对滤棒的合格与否进行检测，能对滤棒进行快速、连续进行在线检测，且检测准确度及可靠性高，不因环境因素影响检测准确性。本实用新型的用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，可用作烟草行业生产过程中滤嘴成型机在线检测装置，用于各种滤嘴成型机组。本装置可安装于上述生产设备卷制成型产品输送线上。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，其特征在于，包括微波信号产生器、第一隔离器、输入探针、扁矩形微波谐振腔、输出探针、第二隔离器、检波放大器、A/D变换器、信号处理器、数据采集处理计算机、显示器、工控机和滤棒成型机实时速度检测器，其中：

所述微波信号产生器、第一隔离器、输入探针、扁矩形微波谐振腔、输出探针、第二隔离器、检波放大器、A/D变换器、信号处理器和数据采集处理计算机依次相连；且所述第一隔离器、输入探针、扁矩形微波谐振腔、输出探针、第二隔离器和检波放大器依次通过微波同轴电缆相连；

所述显示器、工控机和滤棒成型机实时速度检测器分别与所述数据采集处理计算机相连；

所述扁矩形微波谐振腔包括从前至后依次连接的进端导管、扁矩形谐振腔本体和出端导管，所述扁矩形谐振腔本体的上下端均设置有前端面板、后端面板以及位于前端面板和后端面板之间的侧边板，所述进端导管和出端导管分别呈前大后小的喇叭状，所述扁矩形谐振腔本体中设置有中段导管，所述中段导管的前后端一一对应地与所述进端导管和出端导管连通，所述进端导管与扁矩形谐振腔本体的连接处设置有防泄漏过渡波导。

2.根据权利要求1所述的一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，其特征在于，所述微波信号产生器的输出功率为10毫瓦。

3.根据权利要求1所述的一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，其特征在于，所述进端导管、中段导管和出端导管分别采用四氟乙烯材料制成；所述扁矩形谐振腔本体采用低膨胀合金材料制成，所述扁矩形谐振腔本体的表面涂覆有耐腐蚀导电材料层。

4.根据权利要求3所述的一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，其特征在于，所述扁矩形谐振腔本体采用4J36铁镍合金制成。

5.根据权利要求1所述的一种用于滤棒成型机滤棒成分检测的微波检测装置，其特征在于，所述检波放大器采用微波检波二极管。