卷煙燃燒錐落頭傾向測試裝置的設(shè)計

桑瑤爍，張明建，洪 流，徐振宇，張 龍，張 翼，李志剛，李 斌*

1. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所，合肥市長江西路2221 號 230088

2. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業(yè)煙草工藝重點實驗室，鄭州高新技術(shù)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

3. 江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南昌市高新開發(fā)區(qū)金圣工業(yè)科技園 330096

近年來由于助燃劑的添加，卷煙紙燃燒速率發(fā)生較大變化，卷煙紙燃燒速率增加容易使卷煙產(chǎn)生較大體積的燃燒錐，同時由于葉組配方與煙絲結(jié)構(gòu)變化，造成卷煙內(nèi)部煙絲間作用力改變，導(dǎo)致消費者在彈煙灰時容易發(fā)生燃燒錐掉落現(xiàn)象，造成卷煙抽吸中斷，產(chǎn)生煙支損耗，掉落的煙頭還可能會燒壞衣物，影響消費者利益，降低消費者對卷煙品牌的認(rèn)可度[1-2]。燃燒錐落頭是指卷煙燃吸或彈煙過程中發(fā)生燃燒錐脫落或明顯歪斜等現(xiàn)象[2]，研究燃燒錐落頭影響因素，實現(xiàn)燃燒錐落頭自動化檢測，已成為卷煙工業(yè)企業(yè)越來越重視和關(guān)注的問題。Gao 等[3]通過調(diào)查定量地表征了人為彈落煙灰的行為特征，研究得出彈擊和敲擊兩種施力方式下的施力參數(shù)具有顯著性差異。趙秋蓉等[4]、喬月梅等[5]通過篩出不同長度煙絲發(fā)現(xiàn)煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙燃燒錐掉落率的影響因素大小順序為再造煙葉絲比例> 長絲比例>中絲比例>梗絲比例，同時對助燃劑比例、卷煙紙定量、麻漿比例、卷煙紙助燃劑鉀鹽比例、卷煙紙透氣度與燃燒錐掉落相關(guān)性也進行了研究；王亮等[6]針對細支煙煙絲結(jié)構(gòu)分布與燃燒錐落頭之間相關(guān)性進行了研究，分析了軸向煙絲密度分布與燃燒錐掉落的關(guān)系；訾瑩瑩等[7]提出各工序煙絲結(jié)構(gòu)與掉火頭率的相關(guān)性均達極顯著水平。但目前對于卷煙燃燒錐落頭問題大多是通過自行搭建的實驗裝置進行研究，施力參數(shù)無法精確控制，人為識別燃燒錐掉落存在測試誤差。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YC/T 558—2018 卷煙 燃燒錐落頭傾向的測試》[2]的推出，為卷煙燃燒錐落頭研究及質(zhì)量控制提供了統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測試依據(jù)。為此，基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了一種卷煙燃燒錐落頭傾向檢測裝置，以期實現(xiàn)卷煙燃燒錐落頭自動化檢測，減少人為誤差，提高卷煙產(chǎn)品質(zhì)量控制水平。

1 系統(tǒng)組成

卷煙燃燒錐落頭傾向檢測裝置主要由吸煙輔助單元、施力單元、燃燒錐掉落識別單元、控制單元等部分組成，見圖1。吸煙輔助單元主要完成自動上煙、點煙、抽吸和排煙等操作；施力單元可以模擬抽煙時對卷煙的施力動作，并利用高速力度采集裝置對施力力度和作用時間進行采集；燃燒錐掉落識別單元通過紅外測溫和圖像識別相結(jié)合的方法判斷燃燒錐掉落情況；控制單元控制整個系統(tǒng)的運動順序，采集和處理運動信號，利用單片機和人機交互界面控制各單元動作。為滿足標(biāo)準(zhǔn)“一組測試樣品量為40 支”的要求，該檢測裝置每組可同時對8 支煙進行測量，自動測試5 組。

1.1 吸煙輔助單元

吸煙輔助單元包括點煙、上煙、抽吸、排煙和燃燒線探測等模塊，是完成燃燒錐落頭檢測的輔助性單元。上煙模塊采用滾筒式結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)常規(guī)煙和細支煙的自動上煙，配合旋轉(zhuǎn)盤完成每組8支煙的上煙動作；點煙和抽吸模塊相配合可實現(xiàn)樣品的點燃和抽吸；燃燒線探測模塊通過紅外測溫傳感器探測燃燒線位置；排煙模塊用于收集測試過程中產(chǎn)生的煙氣并排出室外。

圖1 卷煙燃燒錐落頭傾向檢測裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of device for testing burning cone falling out propensity of cigarettes

1.2 施力單元

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

施力單元主要由敲擊、彈擊和夾持等模塊組成[8]，見圖2。施力單元通過夾持模塊對樣品進行夾持，利用彈擊和敲擊模塊實現(xiàn)彈擊和敲擊兩種施力方式自動切換。彈擊和敲擊兩個模塊通過氣動元件驅(qū)動，對煙支進行施力，并利用出氣口節(jié)流閥和電氣比例閥配合控制彈擊模塊和敲擊模塊的施力力度和作用時間。通過上位機軟件對夾持位置、施力位置等進行設(shè)置，施力單元可以滿足不同規(guī)格和長度卷煙的檢測要求。

圖2 施力單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of actuator

1.2.2 高速力度采集裝置

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，消費者在抽吸卷煙時對煙支施加彈擊和敲擊兩種方式的力均為瞬時力。其中，彈擊力作用時間為10～50 ms，敲擊力作用時間為60～120 ms，兩種力的大小在50～1 000 mN 之間。由于煙支直徑小，質(zhì)量輕，表面強度低，采用普通力度測試方式難以滿足精確測量煙支所受作用力大小和時間要求。

圖3 高速力度采集裝置原理圖Fig.3 Principle of high-speed force acquisition device

高速力度采集裝置主要由檢測棒、薄膜傳感器、信號放大器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機處理系統(tǒng)等組成[3，9-10]，見圖3。該裝置配置有常規(guī)和細支煙檢測棒，薄膜傳感器粘貼在檢測棒上，傳感器接收施力力度和作用時間信號，將信號處理后得到施力力度大小和作用時間。薄膜傳感器具有準(zhǔn)確度高、分辨率高、性能穩(wěn)定、體積小等優(yōu)點。采集卡的采樣頻率大于1 000 Hz，可以對傳感器兩端的電壓進行實時采集，滿足精確測量煙支所受作用力大小和時間要求，進而實現(xiàn)對彈擊和敲擊兩種施力方式的實時檢測，提高落頭檢測準(zhǔn)確性。

1.3 燃燒錐掉落識別單元

卷煙燃燒錐掉落識別單元由工業(yè)相機、光源、煙支夾持器、卷煙、背景板、紅外測溫模塊等部分組成，見圖4。由于燃燒錐完全掉落和煙支燃燒錐較短兩種狀態(tài)在圖像呈現(xiàn)中相似度較高，難以采用圖像算法進行區(qū)分。為此，該單元采用紅外測溫模塊對樣品端部溫度進行測量，當(dāng)測量溫度小于設(shè)定閾值時，則判斷為燃燒錐完全掉落；當(dāng)測量溫度大于或等于設(shè)定閾值時，再通過圖像算法對燃燒錐是否出現(xiàn)歪斜進行判斷。為避免圖像受光源影響，相機與光源布置在同一側(cè)，并選用光強度較強的光源濾除環(huán)境光的影響，采用紫色背景板可以較好地將燃燒錐與煙灰進行區(qū)分，提高判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 卷煙燃燒錐掉落識別單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of burning cone falling out identification unit

卷煙燃燒錐掉落識別單元的檢測流程如圖5所示，當(dāng)卷煙轉(zhuǎn)動至識別單元所在位置時，該單元通過紅外測溫模塊檢測燃燒錐溫度T，若T＜60℃說明燃燒錐完全掉落，判斷為落頭；若T≥60℃，通過相機兩次采集燃燒卷煙圖像并進行算法處理，區(qū)分出煙支燃燒錐和未燃燒段。在未燃燒段的煙支邊緣標(biāo)出上下兩條平行線（圖6），平行線距離煙支邊緣1.8 mm，通過圖像識別燃燒錐是否在平行線內(nèi)。若燃燒錐在平行線內(nèi)，則判斷為未落頭；若燃燒錐超出平行線，則計算燃燒錐超出面積S。若S＜面積閾值，則判斷為未落頭；若S≥面積閾值，則判斷為落頭。該方法能夠有效實現(xiàn)落頭傾向檢測，自動識別煙支燃燒測試長度，利用圖像算法查找并記錄煙支燃燒測試起始點和終止點，并計算出煙支燃燒長度[11]。

圖5 卷煙燃燒錐掉落識別單元檢測流程圖Fig.5 Detection flow of burning cone falling out identification unit

圖6 水平邊緣切線示意圖Fig.6 Schematic diagram of horizontal edge tangent

1.4 控制單元

控制單元包括人機界面、上位機軟件、STM32單片機、電源系統(tǒng)和通訊模塊等部分。上位機軟件通過下發(fā)指令控制各執(zhí)行部件運行，同時通過STM32 單片機反饋信號判斷裝置的下一步動作。為實現(xiàn)多個單元同時控制，控制單元通過STM32單片機實時采集施力、吸煙輔助、燃燒錐掉落識別等單元的傳感器信號，根據(jù)上位機軟件指令對電機、運動位置進行控制。人機界面的功能是下發(fā)設(shè)置參數(shù)和控制相應(yīng)單元運動，同時接收測試數(shù)據(jù)，并顯示在人機界面上。

2 試驗驗證

2.1 試驗設(shè)計

材料：常規(guī)卷煙樣品D1、D2（由江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

儀器：卷煙燃燒錐落頭傾向測試儀CFP800A（自制）；BSA224S-CW 電子天平（精度0.1 mg，德國Sartorius 公司）；高速力度采集裝置（自制，配置有細支卷煙和常規(guī)卷煙施力參數(shù)檢測棒）；KBF-S 115 型恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；游標(biāo)卡尺（量程0～300 mm，哈爾濱量具刃具有限公司）。

方法：通過分析彈擊和敲擊兩種方式下施力位置、施力力度和作用時間3 個技術(shù)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，驗證施力單元的穩(wěn)定性；比較人工觀察燃燒錐掉落次數(shù)與裝置識別燃燒錐掉落次數(shù)的一致性，驗證燃燒錐掉落識別單元的準(zhǔn)確性；利用重復(fù)性試驗對系統(tǒng)測試結(jié)果的穩(wěn)定性進行評價。

2.2 施力單元穩(wěn)定性

利用高速力度采集裝置和游標(biāo)卡尺對彈擊與敲擊兩種方式下的施力位置、施力力度、作用時間3 個參數(shù)分別測量10 次，計算平均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見表1。可見，在兩種施力方式下，施力位置最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05 mm，施力力度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.6 mN，作用時間最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.002 s，各參數(shù)測量值均在標(biāo)準(zhǔn)允差范圍內(nèi)，能夠滿足燃燒錐落頭傾向測試要求。

2.3 燃燒錐掉落識別準(zhǔn)確性

為測試燃燒錐掉落識別單元的性能，從常規(guī)卷煙樣品D1、D2 中隨機抽取樣品200 支進行檢測，利用人工通過觀察窗監(jiān)測燃燒錐掉落情況并記錄，與檢測裝置的測試結(jié)果進行對比，結(jié)果見表2。可見，檢測裝置對燃燒錐掉落識別與人工識別結(jié)果一致，檢測準(zhǔn)確率達到100%。

2.4 重復(fù)性試驗

為驗證檢測裝置的穩(wěn)定性，對系統(tǒng)進行重復(fù)性試驗。以常規(guī)卷煙樣品D1、D2 為研究對象，對樣品進行質(zhì)量分選，在恒溫恒濕環(huán)境中平衡48 h，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]中的測試條件調(diào)整裝置參數(shù)，分別進行5 組卷煙燃燒錐落頭傾向試驗，每組樣品數(shù)40 支，結(jié)果見表3。可見，彈擊方式下兩種樣品測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.37%～2.24%之間，敲擊方式下兩種樣品測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在2.09%～2.24%之間，數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好，表明系統(tǒng)具有較高的檢測穩(wěn)定性。

表1 施力單元技術(shù)參數(shù)試驗結(jié)果①Tab.1 Test results of technical parameters of actuator

表2 燃燒錐掉落識別準(zhǔn)確率Tab.2 Accuracy of burning cone falling out identification

表3 不同落頭傾向水平樣品測試結(jié)果重復(fù)性Tab.3 Repeatability of test results of cigarette samples with different burning cone falling out propensities

3 結(jié)論

針對卷煙燃燒錐掉落難以檢測等問題，研制了一種燃燒錐落頭傾向自動檢測裝置，通過設(shè)計高速力度采集裝置用于測量卷煙施加的彈擊力和敲擊力大小及作用時間，利用紅外測溫與圖像識別相結(jié)合方法對燃燒錐掉落進行檢測。以江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供的常規(guī)卷煙樣品為對象，對施力單元的穩(wěn)定性、識別單元準(zhǔn)確性和系統(tǒng)重復(fù)性進行測試，結(jié)果表明：在彈擊和敲擊兩種施力方式下，施力位置最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05 mm，施力力度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.60 mN，作用時間最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.002 s，各技術(shù)參數(shù)測量值均在標(biāo)準(zhǔn)允差范圍內(nèi)；識別單元對燃燒錐掉落識別準(zhǔn)確率達到100%；彈擊方式下兩種樣品測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.37%～2.24%之間，敲擊方式下兩種樣品測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在2.09%～2.24%之間，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，表明系統(tǒng)具有較高穩(wěn)定性，能夠滿足卷煙燃燒錐落頭傾向自動化檢測要求。