新型光纖式松頭煙支檢測器設計

余寶意

（湖北中煙工業有限責任公司武漢卷煙廠，武漢430000）

質量就是生命，卷煙生產企業為保證產品質量，贏得市場，減少客戶投訴反饋，在生產的各個環節嚴把質量關，在卷接機和包裝機上多個環節進行煙支松頭缺陷的檢測及剔除工作[1]。

煙支松頭的檢測方式由早期的人工抽檢逐步實現了自動化檢測，主要的檢測方式有：機械式[2]、電容式[3]、光電式[4-7]和基于機器視覺的檢測方式[8-10]。

機械式檢測因機械裝置容易受彈簧材料疲勞引起的應力下降導致誤檢，另外機械裝置在高速運行過程中檢測部件本身的磨損較快，發生煙支擠壓和碰撞的可能性也相對增大。電容傳感器檢測煙支端部煙絲量變化造成的電容值變化較微弱，解調得到的傳感器信號環境穩定性較差，從而造成松頭煙支檢測準確性不理想。目前，仍有大量卷煙廠采用電容式松頭檢測，檢測器常年運行，電路老化，檢測效果不太理想，亟待改進，迫切需要研發適用于PROTOS 70 卷接機的新型光纖式松頭煙支檢測器[11]。

1 總體設計

因PROTOS 70 卷接機的松頭煙判據是依據電容式松頭檢測信號設計的，而電容式松頭信號和光纖式松頭信號不兼容，兩者谷值特性一致、峰值特性相反，需要在光纖式松頭信號進入CIS 之前對其進行轉換。考慮到信號轉換需要借助MAX 時鐘碼盤的MCP 信號和DCP 信號進行峰值時刻的確定，而卷接機的FLO 煙支檢測器電纜沒有這兩個信號。因此，要完成兼容PROTOS 70 卷接機的松頭缺陷檢測，需要在設計光纖式FLO 煙支檢測器之外，再設計信號轉換模塊。

松頭檢測主要由紅外光發生電路、紅外光傳導介質、紅外光檢測電路、電流電壓I/V 變換電路、電壓信號調理放大電路等幾個部分組成[12]。

2 關鍵技術

2.1 紅外光纖檢測頭設計

松頭檢測需要發射光線對準煙支點燃端，采用中心發射、四周接收方式進行檢測頭設計。煙支點燃端距紅外光纖發射端的距離約為6.5 mm。國標GB/T22838 規定空陷深度大于1 mm 且空陷截面比大于2/3 的煙支為松頭煙。因此，檢測窗口下邊緣距發射端的垂直距離應為7.5 mm，這樣能保證煙支空陷深度小于1 mm 的煙支對松頭檢測電壓的影響較小。檢測窗口直徑為2 mm，檢測窗口水平面距發射端垂直距離8.5 mm。根據紅外光電傳感器發射端的尺寸，光纖檢測頭發射窗口的直徑應設計為3.2 mm。

煙支松頭位置可能是隨機的，有可能在煙支中心，也有可能在煙支邊緣處[13-15]。在待檢煙支周圍設計4 個檢測窗口組成檢測矩陣進行多點檢測求和，以提高松頭檢測的準確性。若檢測窗口距煙支邊緣太遠，則透過煙支的紅外光在空氣中衰減大且檢測值易受外界環境影響，若檢測窗口距煙支邊緣太近，則4 個檢測窗口只能檢測局部，不能對透過煙支周圍的紅外光進行全覆蓋檢測。綜合考慮，將4個檢測窗口距煙支邊緣的距離設計為5 mm。普通煙支的直徑是7.8 mm，則檢測窗口距檢測中心的垂直距離為8.9 mm。如圖1所示為紅外光束與煙支端面及檢測窗口相對位置關系示意圖。

圖1 紅外光束與煙支端面及檢測窗口相對位置關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of relative position relationship between infrared beam and cigarette end and detection window

光纖檢測頭發射窗口需要用光學薄透鏡對紅外光電傳感器發出的紅外光進行發散，需要合理設計薄透鏡的焦距和球面半徑。

薄透鏡焦距公式如式（1）所示：

式中：nL為兩球面間構成透鏡的折射率；r1、r2為透鏡兩球面半徑，如果第一個表面的透鏡是凸透鏡，r1的數值是正值，如果是凹透鏡則是負值；如果第二個表面是凹透鏡，r2的數值是正值，如果是凸透鏡則是負值。

紅外光電傳感器發射窗口發出的紅外光為平行光束，經過光纖檢測頭的薄透鏡后紅外光開始發散，設薄透鏡的焦距為f，紅外光的發散角為α，則：

光束在煙支端面位置時，紅外光圈面積大于煙支截面面積，則：

為了防止發出的紅外光直接射入檢測窗口影響松頭檢測效果，在檢測窗口邊緣處，紅外光圈面積應小于環狀分布的檢測窗口組成的圓的面積，則：

三式聯立，得2.08

選擇制作薄透鏡的玻璃材料的折射率nL為1.5，設r2足夠大，根據薄透鏡焦距式（1），得r1=0.5f。薄透鏡焦距f選擇4 mm，則薄透鏡的球面半徑r1應為2 mm。

松頭傳感器發出的紅外光通過光纖導光束直通檢測頭的紅外光發射窗口，發射窗口發出的紅外光照射在煙支點燃端面上，一部分紅外光被煙支點燃端煙絲吸收，另一部分紅外光透過煙支，被四周4個接收窗口組成的矩陣檢測接收。接收窗口將檢測到的紅外光通過四合一光纖導光束輸送至松頭傳感器的接收端。光纖導光束另一端與紅外松頭傳感器的發射、接收窗口緊配合連接，并用螺帽旋緊。

2.2 信號實時轉換

卷接機運行時，煙支松頭檢測是連續進行的，待檢煙支在檢測輪上依次通過松頭檢測位置，當煙支中心正對松頭檢測頭時，松頭傳感器獲得松頭峰值，當待檢煙支完全離開松頭檢測頭時，松頭傳感器獲得松頭谷值。煙支質量檢測系統根據松頭峰谷差值判斷煙支是否為松頭煙。

PROTOS 70 卷接機松頭煙檢測判據是依據電容式松頭傳感器的輸出信號設計的。如圖2所示為電容松頭傳感器與紅外光纖式松頭傳感器輸出信號對比示意圖。

圖2 電容松頭傳感器與紅外光纖式松頭傳感器輸出信號對比示意圖Fig.2 Schematic diagram of output signal comparison between capacitive sensor and infrared fiber sensor

電容式松頭信號正常煙支的峰谷差值比松頭煙支的峰谷差值大，而紅外光纖式松頭信號正常煙支的峰谷差值比松頭煙支的峰谷差值小。如果直接將紅外光纖式松頭傳感器輸出值接入煙支質量檢測系統，則會導致卷接機開機生產時，大部分好煙被誤剔，松頭煙全被漏剔。因此，采用紅外光纖式松頭檢測時，需在松頭信號進入煙支質量檢測系統之前對信號進行轉換。

考慮到鼓輪邊緣正對檢測頭時，取得的谷值大小是近似恒定的。為減輕信號轉換模塊處理負荷，減少信號轉換次數，可以只在峰值時刻進行信號轉換，在谷值時刻信號轉換模塊輸出置恒定值。

卷接機MAX 時鐘碼盤可以產生2 種脈沖信號：DCP 雙煙脈沖信號及MCP 脈沖信號。卷接機每卷制2 支煙產生1 個周期的DCP 信號，1 個DCP 信號周期內產生20 個周期的MCP 脈沖信號。所有卷制的煙支都要經過檢測，檢測1 支煙也要經過10個MCP 脈沖信號周期。兩種脈沖信號的頻率與機器速度相關，考慮可以用DCP 雙煙脈沖信號和MCP脈沖信號來共同判斷紅外光纖式松頭信號的峰值時刻。

信號轉換模塊的輸入信號峰值與輸出信號的峰值成反比，簡單起見，令信號轉換模塊的輸入信號峰值與輸出信號峰值滿足線性關系，且斜率設為-1。設信號轉換模塊輸入峰值信號為ULin，輸出峰值信號為ULout，則輸入輸出峰值信號應滿足式（5）關系：

式中：UC為參考電壓，可以通過電位器設置。這樣，在松頭輸入信號不變的情況下，調整參考電壓，相當于對松頭輸出電壓進行縮放，以便調節松頭剔廢靈敏度。

2.2.1 硬件電路設計

信號轉換模塊主控芯片選擇常用的PIC18F2580單片機[16]，該器件內部時鐘有從31 kHz 到8 MHz 8個可選主頻，工作電壓范圍2.0～5.5 V，有3 個外部中斷接口，1 個捕獲/比較/PWM 模塊、主同步串口（MSSP，MASTER SYNCHRONOUS SERIAL PORT）模塊支持3 線SPI 和I2C 主從模式，10 位模數轉換器A/D，采樣率最高為100 ksps。

為了提高信號轉換模塊的抗干擾能力，DCP信號經過光耦隔離進入主控芯片INT0 中斷接口，MCP 信號經過光耦隔離進入內部定時器T0 接口。光耦選擇高速數字光耦，器件速度可達10 MBit/s，輸入側至少2 mA 的電流才能使輸出側電平發生翻轉，2 mA 電流時，光耦輸入側分壓約為1.35 V，輸入DCP/MCP 脈沖信號的高電平約為24 V，則限流電阻：

另外，輸入側最大電流不能超過5 mA，則限流電阻：

考慮到DCP/MCP信號由光電接近開關產生，光電接近開關最大只能提供20 mA 的電流，且DCP/MCP 信號需要同時提供給CIS 煙支質量檢測系統和PLC 傳動系統，如果信號轉換模塊消耗太大電流，會影響DCP/MCP 信號質量，進而影響整個機組的穩定工作。因此，信號轉換模塊DCP/MCP 信號經光耦的限流電阻應盡可能取較大值，使得光電接近開關供給信號轉換模塊的電流較小，限流電阻R取10 kΩ。

松頭輸入信號和電位器設置的參考電壓分別接入主控模塊的10 位A/D 轉換器。撥碼開關接入主控芯片的數字輸入通道。轉換后的松頭輸出信號通過D/A 輸出。選擇I2C 接口的12 位D/A 轉換器，工作電流：電源電壓5 V 時140 μA，電源電壓范圍：2.7～5.5 V，I2C 接口速度達3.4 Mbps。該器件主要通過串行時鐘輸入端口（SCL Serial Clock Input）和串行數據輸入端口（SDA Serial Data Input）與主控芯片相連，D/A 轉換器在從模式下使用I2C 總線接收數據。

2.2.2 軟件程序設計

在軟件設計中，首先要對PIC18F2580 的內部時鐘、單片機啟動定時、I/O 口、指令集等進行配置，然后要對單片機系統進行初始化，對捕獲、比較、PWM 模塊、I/O 管腳分配、A/D 轉換時間及轉換后的格式、定時器開啟及是否分頻、主控同步串行D/A、中斷優先級等進行設置，最后是主程序設計、中斷入口程序設計、中斷程序設計、相關子程序設計。

在主程序中，先初始化，清看門狗，判斷高優先級中斷是否到來，當高優先級中斷到來時，MCP 計數清零并清INT0 中斷標志，然后讀電位器設置的模擬參考電壓值、撥碼開關狀態值，根據讀值計算峰值位置、谷值位置。

高優先級的INT0 中斷由DCP 上升沿觸發，在中斷中，先等待A/D 轉換完成，然后暫存轉換值，將MCP 計數清零并恢復A/D 轉換值。低優先級的T0溢出中斷由外部MCP 脈沖上升沿觸發、在中斷中，先等待A/D 轉換完成，暫存轉換值，然后調用松頭轉換程序并恢復A/D 轉換值，最后重新設置T0 計數起始值，清T0 中斷標志。

松頭轉換程序流程如圖3所示，在松頭轉換程序中，先判斷DCP 信號是否處于高電平，如果是，將MCP 計數清零，否則進行MCP 累加計數。當MCP計數和峰值轉換位置相等時，熄滅發光二極管，進行松頭電壓值采樣并判斷是否超界。如果不超界，將計算值送入D/A 轉換器，否則將0 送入D/A 轉換器。當MCP 計數與谷值位置相等時，點亮發光二極管并將0 送入D/A 轉換器。

圖3 松頭轉換處理程序流程圖Fig.3 Loose end conversion process flow chart

如圖4所示為信號轉換模塊輸出信號與電容、光纖松頭曲線對比圖，由圖4 可知，經過信號轉模塊轉換后的松頭信號正常煙支時峰谷差值大，松頭煙支時峰谷差值小，與電容式松頭輸出信號一致。轉換后的信號可以兼容PROTOS 70 卷接機CIS 煙支質量檢測系統。

圖4 信號轉換模塊輸出信號與電容、光纖松頭曲線對比圖Fig.4 Curve comparison of output signal of signal conversion module with capacitance and fiber loose end

信號轉換模塊的設計作為光纖式松頭煙支檢測器設計的關鍵技術之一，采用中斷處理技術進行采樣時刻的判斷，采用單片機內置A/D 進行高速采樣，內部精簡計算，I2C 總線D/A 高速輸出，實現信號的高速實時轉換。信號轉換速度最高可達10 kHz，信號轉換精度高達97%以上。

3 結語

在卷煙生產過程中，技術人員關心的往往是松頭煙支檢測器剔廢準確度，通常用下列指標進行評估：

（1）剔廢率：剔出的廢品煙數量占生產煙支總數的百分比；

（2）誤剔率：剔廢閥剔除的煙支中正常煙支數量占剔廢總數的百分比；

（3）漏剔率：正常通過的煙支中缺陷煙支占煙支總數的百分比。

經質檢人員驗收評估，光纖式松頭煙支檢測器松頭檢測誤剔率小于5%，漏剔率小于1%，優于電容式松頭煙支檢測器相關指標20%以上。且光纖式松頭煙支檢測器剔廢率可調，調節范圍：0.1%～0.5%，方便用戶使用。同一臺卷接機經常換牌生產不同品牌的卷煙，當生產高價值品牌，對品質要求較高時，質管人員希望剔廢率高一些，減少漏剔的煙支；當生產低價值煙支時，質管人員希望剔廢率低一些，減少煙絲、盤紙等消耗，降低成本。新型光纖式松頭煙支檢測器能滿足用戶個性化需求。