基于三角測(cè)量的卷煙包裝密封度無(wú)損檢測(cè)方法

徐永敏 白鵬翔 吳主峰 雷 冬

(1. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210019；2. 南京大樹智能科技股份有限公司，江蘇 南京 211103)

卷煙作為一種將煙葉干燥加工后使用的商品，包裝的密封嚴(yán)密程度對(duì)卷煙的含水率與揮發(fā)性氣味物質(zhì)有直接影響，因此對(duì)包裝的密封性有著較高的需求。在市面上通常采用具有良好阻隔作用的煙用BOPP薄膜進(jìn)行密封，防止卷煙水分流失，或是吸潮變質(zhì)[1-2]。包裝密封度是反映包裝密封性能的重要參數(shù)，也是評(píng)價(jià)卷煙包裝質(zhì)量的重要指標(biāo)[3-4]。卷煙生產(chǎn)過程中，可能造成卷煙包裝密封性不足的原因較多，例如薄膜折疊成型或在煙包輸送到烙鐵燙貼的過程中會(huì)發(fā)生薄膜褶皺、松弛、燙貼有氣泡、切合面不緊實(shí)、BOPP膜規(guī)格使用不當(dāng)?shù)萚5]。當(dāng)密封度較差的卷煙包裝在市場(chǎng)流通的過程當(dāng)中，受到環(huán)境的影響較大，尤其是在高溫高濕或是氣候干燥地區(qū)，卷煙容易出現(xiàn)黃斑或是干裂等問題，影響卷煙口味，進(jìn)而影響消費(fèi)者體驗(yàn)[6-7]。目前卷煙包裝氣密性檢測(cè)多采用充氣式檢測(cè)方法[8-9]，該法能夠快速了解卷煙包裝內(nèi)部高壓狀態(tài)下BOPP薄膜熱封后的密封性能，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，方便在工業(yè)化生產(chǎn)中進(jìn)行抽樣檢查。也有研究者[10]采用負(fù)壓抽氣法對(duì)卷煙包裝密封性進(jìn)行檢測(cè)。上述的兩種方法都需要對(duì)卷煙包裝表面穿孔，會(huì)對(duì)卷煙包裝造成不可逆?zhèn)ΓM(jìn)而影響卷煙在檢測(cè)過后的銷售，因而無(wú)法在工業(yè)生產(chǎn)過程中進(jìn)行大范圍推廣與使用，只能采用抽檢方式進(jìn)行。研究出一種在不損傷卷煙包裝的前提下對(duì)卷煙包裝密封性能進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備不僅能夠大量避免卷煙產(chǎn)品的浪費(fèi)，同時(shí)能夠追蹤卷煙包裝的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙產(chǎn)品自包裝源頭開始進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量追蹤。但是直到現(xiàn)在還沒有提出一種適合在工業(yè)生產(chǎn)中大范圍推廣使用的無(wú)損檢測(cè)方法。

當(dāng)擁有一定氣體物質(zhì)量的氣球隨著外部氣壓的降低，氣球的體積會(huì)逐漸降低[11]。當(dāng)外部環(huán)境氣壓穩(wěn)定的狀況下氣球尾部充氣孔打開時(shí)，隨著充氣孔直徑增加氣球體積變化速率增加。根據(jù)這一基本現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一套通過觀察密封包裝體積變化，推測(cè)其有效泄漏孔直徑的方法和裝置[12-14]。而三角測(cè)量作為一種被廣泛應(yīng)用于物體三維形貌測(cè)量的光學(xué)測(cè)量手段，能夠在不接觸試件的情況下，準(zhǔn)確測(cè)量出試件的三維形貌以及變化后形貌特征，解決卷煙包裝體積變化測(cè)量的需求。研究擬采用數(shù)字圖像與三角測(cè)量相結(jié)合的方式，建立一種卷煙包裝密封性無(wú)損檢測(cè)方法，以期為快速無(wú)損檢測(cè)卷煙包裝密封度提供支持。

1 檢測(cè)原理

非接觸負(fù)壓卷煙包裝體積檢測(cè)裝置主要由計(jì)算機(jī)、串口控制板、負(fù)壓泵、CCD相機(jī)、特征點(diǎn)投影裝置、負(fù)壓倉(cāng)等部件組成(見圖1)。通過計(jì)算機(jī)設(shè)置檢測(cè)參數(shù)、采集數(shù)據(jù)并計(jì)算檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)時(shí)首先通過計(jì)算機(jī)向串口控制板發(fā)送控制信號(hào)，負(fù)壓泵接收到串口控制板信號(hào)后開始工作。測(cè)試過程中負(fù)壓泵持續(xù)抽出倉(cāng)內(nèi)氣體，負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)形成低壓，由于試件內(nèi)部氣壓與負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)氣壓出現(xiàn)差值，試件內(nèi)部氣體對(duì)其密封包裝產(chǎn)生垂直于包裝向外的壓應(yīng)力，導(dǎo)致試件膨脹。如試件存在泄漏，由于泄漏程度不同試件的體積膨脹程度也不同，泄露孔越大泄漏速率越快，通過記錄試件在檢測(cè)過程中發(fā)生的離面位移與泄漏孔之間的關(guān)系，可推算出泄漏孔面積。由于研究使用圓形破壞孔，在之后的內(nèi)容中將以破壞孔直徑代替面積進(jìn)行表示。

1.計(jì)算機(jī) 2.CCD相機(jī) 3.特征點(diǎn)投影裝置 4.負(fù)壓倉(cāng) 5.試件 6.串口控制板 7.負(fù)壓泵 8.負(fù)壓管圖1 非接觸負(fù)壓卷煙包裝體積檢測(cè)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of non-contact negative pressure cigarette box volume detection device

圖2為斜射型散斑投影三角法的光路圖。散斑投影器發(fā)射一束散斑投影到試件表面，該散斑投影與試件表面的法線平行，由于試件表面不可能絕對(duì)光滑，所以部分散斑投影會(huì)出現(xiàn)漫反射，通過在光電檢測(cè)器前放置一個(gè)透鏡進(jìn)行成像匯聚，使發(fā)生漫反射的散斑投影在光傳感器上匯聚成一個(gè)光斑，試件發(fā)生位移時(shí)，光斑也會(huì)發(fā)生位移，根據(jù)位移值、入射散斑投影和漫反射散斑投影的夾角θ、像距a和物距b等參數(shù)可以求出試件表面的位移值。散斑投影三角法測(cè)距主要有直射型三角法測(cè)距和斜射型三角法測(cè)距。其區(qū)別為：斜入射法散斑投影光線與成像光軸垂直；垂直入射法散斑投影光線垂直于入射平面。斜射光光斑小，光強(qiáng)集中，測(cè)量過程中設(shè)置方法簡(jiǎn)單，傳感頭結(jié)構(gòu)易于做到小而緊湊，工程上應(yīng)用較多。文中以斜射型散斑投影三角法為代表進(jìn)行分析。

1.CCD感光元件 2.特征散斑投影儀 3.成像透鏡 4.聚光透鏡 5.參考平面 6.測(cè)量平面圖2 斜射型三角法測(cè)量原理示意圖Figure 2 Schematic diagram of oblique triangulation measurement principle

圖3為斜射型散斑投影三角法的光路圖。散斑投影器發(fā)射一束散斑投影到試件表面，該散斑投影與試件表面的法線平行，散斑投影照射點(diǎn)為A，經(jīng)過漫反射與透鏡O的匯聚作用，散斑投影在感光芯片上匯聚成光斑的位置為B。隨后試件表面發(fā)生位移y，散斑投影入射角度不變，散斑投影照射物體表面的位置為A'，在感光芯片上匯聚光斑位置隨著物體表面位置改變而改變，此時(shí)的位置變?yōu)锽'，感光芯片上光斑位置在一定范圍內(nèi)與物體表面位置一一對(duì)應(yīng)。

1.成像透鏡 2.特征散斑投影儀 3.聚光透鏡圖3 斜射型三角測(cè)量法原理示意圖Figure 3 Schematic diagram of oblique triangulation method

要求出物體表面的位移值y，根據(jù)三角形相似，有:

(1)

又由于A'P=APtanθ，B'B=x，得：

(2)

求得：

(3)

感光芯片采集數(shù)據(jù)后，通過對(duì)特征點(diǎn)的追蹤確定監(jiān)測(cè)物體的離面位移[15-17]。對(duì)數(shù)據(jù)全集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終可以獲得物體變形情況。

2 確定研究方法

2.1 方法驗(yàn)證

方法驗(yàn)證需要確定采集參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，可使用透明薄膜材料對(duì)GDX型號(hào)卷煙包裝BOPP薄膜熱封處[18]進(jìn)行加固，確保卷煙包裝在密封加固后無(wú)泄漏點(diǎn)。之后在加固過的卷煙包裝中選出一半試驗(yàn)樣本作為對(duì)照組，對(duì)試驗(yàn)組加固卷煙包裝頂部熱封區(qū)正中心分別穿刺直徑為0.5 mm的泄漏孔，通過調(diào)節(jié)加載過程中的采集時(shí)間和負(fù)壓加載速率，用于驗(yàn)證檢測(cè)方法的可行性。

試驗(yàn)開始前，使用平移臺(tái)[17]與白板對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。將白板置于平移臺(tái)上，通過向白板投射數(shù)字散斑后，白板每向后移動(dòng)1 mm，即刻采集一張灰度圖，總計(jì)移動(dòng)15 mm，試驗(yàn)進(jìn)行3次。經(jīng)過計(jì)算獲得白板每移動(dòng)1 mm，白板上的特征點(diǎn)就會(huì)移動(dòng)約6.579個(gè)像素，即離面位移對(duì)圖像中特征點(diǎn)的移動(dòng)比值為0.152 mm/像素。再對(duì)白板進(jìn)行4次試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此結(jié)果偏差在±2.63%，見表1。由此可見，研究中所搭建的非接觸小和包裝密封度檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度良好。

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Calibration data statistics

2.2 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

2.2.1 加載時(shí)間 將負(fù)壓泵的抽氣流速調(diào)整為600 mL/min，隨著加載時(shí)間的增加，負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)的氣體逐漸減少，如卷煙包裝熱封膜不存在泄漏，其離面位移最大值會(huì)隨加載時(shí)間的增加而增加；如卷煙包裝存在泄漏，由于卷煙包裝內(nèi)氣體受到氣壓影響，在加載過程中卷煙包裝內(nèi)部氣體會(huì)從泄漏孔不斷流出，當(dāng)卷煙包裝內(nèi)部氣壓與負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)氣壓達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，卷煙包裝的體積不再發(fā)生變化。通過表2可知，密封度強(qiáng)化卷煙包裝會(huì)隨著加載時(shí)間的增加，最大離面位移逐漸增加，停止加載后最大離面位移下降率基本保持不變。而有著0.5 mm直徑泄漏孔的卷煙包裝，最大離面位移統(tǒng)一保持在2.3 mm左右。相同加載時(shí)間下，最大離面位移差距越大能夠預(yù)留更多的分類空間，為之后確定不同泄漏孔直徑與最大離面位移之間的關(guān)系提供幫助。通過觀察采集卷煙包裝體積變化過程中最大離面位移能夠?qū)Σ煌孤┣闆r進(jìn)行更好的區(qū)分，加載時(shí)間越長(zhǎng)效果就越好，但是加載時(shí)間超過10 s不僅對(duì)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力產(chǎn)生考驗(yàn)，同時(shí)增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本。為了能夠與實(shí)際生產(chǎn)過程相契合，采取加載時(shí)間10 s進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

表2 各類樣品測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)?Table 2 Experimental data of various samples

2.2.2 負(fù)壓加載速度 將加載時(shí)間固定為10 s，如表3所示，當(dāng)負(fù)壓加載速度達(dá)到650～700 mL/min時(shí)無(wú)泄漏孔卷煙包裝隨著負(fù)壓加載速度的提升相對(duì)于負(fù)壓加載速度為600 mL/min開始放緩，而存在泄漏孔卷煙包裝無(wú)論流速如何發(fā)生變化，對(duì)體積變化的影響均較小。由此可知，10 s內(nèi)使最大離面位移達(dá)到最大值的負(fù)壓加載速度在600～650 mL/min。需要注意對(duì)卷煙包裝施加負(fù)壓載荷的過程中，卷煙紙盒與BOPP薄膜之間空隙縮小，最后會(huì)影響卷煙包裝內(nèi)的氣體溢出速率，進(jìn)而影響最后的試驗(yàn)結(jié)果。為了避免負(fù)壓加載速度過快導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，在上述試驗(yàn)獲得結(jié)果上，后續(xù)試驗(yàn)使用600 mL/min流速進(jìn)行加載。

表3 各類樣品受到負(fù)壓加載速度的影響?Table 3 Effects of negative pressure loading speed on various samples

3 結(jié)果與討論

3.1 無(wú)泄漏孔卷煙包裝表面變形分析

樣品測(cè)試時(shí)，由于提升了密封性，當(dāng)外部氣壓小于內(nèi)部氣壓時(shí)卷煙包裝會(huì)逐漸膨脹。圖4中的兩圖分別為密封度加固卷煙包裝與泄漏孔直徑0.6 mm卷煙包裝表面離面位移分布圖，特征點(diǎn)每一像素的水平移動(dòng)代表卷煙包裝產(chǎn)生了0.152 mm的離面位移。由圖4(a)可知，膨脹過程中試件表面位移最大值出現(xiàn)在卷煙包裝開蓋部分，達(dá)到了5.183 mm。由于卷煙包裝表面存在不同程度的卷煙包裝開蓋側(cè)熱封區(qū)正中心BOPP薄膜分別穿刺直徑為0.5 mm的泄漏孔的試件。

圖4 無(wú)泄漏孔卷煙包裝與泄漏卷煙包裝表面離面位移分布圖Figure 4 Out of plane displacement distribution of cigarette case without leakage hole

花紋，會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域無(wú)法識(shí)別出特征點(diǎn)，導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的離面位移。通過將圖4(a)與圖4(b)進(jìn)行對(duì)比，圖4(a)由于對(duì)密封性進(jìn)行了提升，在負(fù)壓加載過程中，試件被測(cè)面離面位移最大達(dá)到了33.8像素。

3.2 有泄漏孔卷煙包裝表面變形分析

3.2.1 理論分析 圖5為試件受負(fù)壓荷載作用時(shí)內(nèi)部氣體的流動(dòng)情況示意圖，考慮到測(cè)量卷煙包裝體積變化的實(shí)際目的是為了測(cè)量包裝卷煙包裝的密封薄膜存在多大的泄漏面積，故通過流體力學(xué)公式對(duì)結(jié)果進(jìn)行理論計(jì)算。

根據(jù)伯努利方程，通過對(duì)卷煙包裝內(nèi)部氣體的勢(shì)能進(jìn)行整理，得：

(4)

假設(shè)內(nèi)部氣體為理想氣體，不存在重力勢(shì)能，則式(4)可以簡(jiǎn)化為：

(5)

u1.氣體從卷煙包裝中流出速度 u2.卷煙包裝內(nèi)氣體流速 P1.負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)氣壓 P2.卷煙包裝內(nèi)氣壓圖5 卷煙包裝內(nèi)部氣壓氣流與負(fù)壓倉(cāng)氣壓示意圖Figure 5 Schematic diagram of air pressure in cigarette case and air pressure in negative pressure chamber

式中：

u1——?dú)怏w從卷煙包裝中流出速度，L/s；

u2——卷煙包裝內(nèi)氣體流速，L/s；

P1——負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)氣壓，Pa；

P2——卷煙包裝內(nèi)氣壓，Pa；

ρ——大氣壓強(qiáng)，1.013×105Pa。

由于卷煙包裝內(nèi)部存在較多阻隔物，假設(shè)u2的速度為0，可以根據(jù)式(6)計(jì)算出流出速度u1。

(6)

同時(shí)，在密封環(huán)境下氣體物質(zhì)的量是不變的，因此通過理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)，得出平衡方程：

n總RT=n抽出RT+P1(V1,0+ΔV)+P2(V2,0-ΔV)，

(7)

式中：

n總——整個(gè)密封艙內(nèi)存在的總氣體物質(zhì)的量，mol；

R——?dú)怏w普適常數(shù)；

T——結(jié)對(duì)溫度，K；

n抽出——測(cè)量過程中抽出的氣體物質(zhì)的量，mol；

V1,0——t=0時(shí)密封艙內(nèi)除去卷煙包裝的體積，L；

V2,0——t=0時(shí)卷煙包裝的體積，L；

ΔV——卷煙包裝體積變化量，L。

同時(shí)負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)存在的氣體物質(zhì)的量，即為負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)氣體物質(zhì)的量與卷煙包裝內(nèi)氣體物質(zhì)的量。由此可以得出：

P1,0V1,0+P2,0V2,0=n抽出RT+P1(V1,0+ΔV)+P2(V2,0-ΔV)，

(8)

式中：

P1,0——t=0時(shí)負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)氣壓，Pa；

P2,0——t=0時(shí)卷煙包裝內(nèi)氣壓，Pa。

根據(jù)式(9)可以計(jì)算出卷煙包裝內(nèi)氣壓P2。

(9)

引入孔流系數(shù)C0，就可以獲得有效泄漏面積A的公式：

(10)

式中：

C0——孔流系數(shù)，數(shù)值取0.61～0.62；

M——常溫常壓下空氣的摩爾質(zhì)量，2.9×10-2kg/moL。

再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行變換：

P2,0V2,0-P2(V2,0-ΔV)=ΔnRT。

(11)

假設(shè)時(shí)間變化足夠短，根據(jù)式(12)可以計(jì)算出有效泄漏面積A。

(12)

整個(gè)推導(dǎo)過程中需要測(cè)量的量分別為卷煙包裝體積變化量ΔV、抽出氣體總物質(zhì)的量n抽出和負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)氣壓P1。從上述推斷可知，有效泄漏面積與體積變化之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析 根據(jù)推算原理可知，在加載時(shí)間與加載速度固定的情況下卷煙包裝的體積變化僅與泄漏孔直徑相關(guān)。分別設(shè)置了0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8 mm的泄漏孔直徑試樣(見表4)，對(duì)比了不同泄漏孔直徑在相同的負(fù)壓加載時(shí)間與相同的加載速度下卷煙包裝表面最大離面位移，并對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行擬合。如圖6所示，泄漏孔直徑大小的差異對(duì)卷煙包裝最大離面位移的影響較為明顯。隨著泄漏孔直徑的增加卷煙包裝最大離面位移逐漸降低，與推算結(jié)果[式(12)]一致。對(duì)卷煙包裝膨脹過程中保持一定增長(zhǎng)率的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。基于泄漏孔直徑與增長(zhǎng)率高于特定值持續(xù)時(shí)間相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.94，泄漏孔直徑不僅與卷煙包裝的最大離面位移相關(guān)，同時(shí)與保持一定增長(zhǎng)率的持續(xù)時(shí)間擁有強(qiáng)相關(guān)。當(dāng)泄漏孔直徑為0.2～0.4 mm時(shí)，泄露孔直徑與卷煙包裝最大離面位移以及保持一定增長(zhǎng)率的持續(xù)時(shí)間的偏差較大，而隨著泄漏孔直徑的增加偏差逐漸減小。

圖6 泄漏孔直徑與卷煙包裝最大離面位移Figure 6 Leakage hole diameter and ma-ximum out of plane displacement of cigarette case packaging

圖7 泄漏孔直徑與增長(zhǎng)率高于特定值持續(xù)時(shí)間Figure 7 Duration of leakage hole diameter and growth rate above specific value

表4 泄漏孔直徑與平均最大離面位移Table 4 Leakage hole diameter and average maximum out of plane displacement

如圖8所示，試驗(yàn)開始的前2.0 s不同孔徑泄漏的卷煙包裝的最大離面位移區(qū)別不大，3.0 s后開始出現(xiàn)區(qū)別，但是0.3 mm與0.4 mm孔徑的區(qū)別不大，直到7.5 s左右，兩者之間才開始出現(xiàn)明顯差異。這可能是由于在負(fù)壓作用下卷煙包裝體積膨脹，卷煙包裝的紙質(zhì)包裝與BOPP薄膜之間接合更加緊密，泄漏孔孔徑較大的氣體泄漏較快，與無(wú)泄漏孔的卷煙包裝體積變化情況快速產(chǎn)生差別。但泄漏孔孔徑為0.2～0.4 mm時(shí)，無(wú)法快速泄漏，前7.0 s未出現(xiàn)較大差異。通過生產(chǎn)線中獲得的997組試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該方法與生產(chǎn)線使用的方法檢測(cè)出不良品的吻合度達(dá)到88.1%。由于負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)負(fù)壓加載過快，一些特殊卷煙包裝表面材質(zhì)在加載過程中有可能出現(xiàn)BOPP薄膜與卷煙包裝之間接觸過于緊密，使得卷煙包裝內(nèi)部氣體無(wú)法溢出，現(xiàn)有測(cè)量參數(shù)還無(wú)法達(dá)到直接應(yīng)用于生產(chǎn)線中，由于僅對(duì)兩種特定品牌卷煙包裝進(jìn)行測(cè)試，需要對(duì)不同試件包裝進(jìn)行優(yōu)化，得到不同包裝所適合的測(cè)量參數(shù)，以確保對(duì)不同外包裝的測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖8 離面位移最大值點(diǎn)的位移情況Figure 8 Displacement at the point of maximum out of plane displacement

4 結(jié)論

試驗(yàn)提出的基于三角測(cè)量原理的卷煙包裝密封度無(wú)損檢測(cè)方法，通過分析負(fù)壓環(huán)境下泄漏孔直徑范圍0.2～0.8 mm卷煙包裝體積變化與密封度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)卷煙包裝密封度快速無(wú)損的檢測(cè)，在保證包裝完整性的同時(shí)提升了檢測(cè)效率。但不同款式卷煙小盒表面花紋的差異可能會(huì)對(duì)該法的檢測(cè)結(jié)果造成影響，后續(xù)將針對(duì)不同包裝圖案進(jìn)行改進(jìn)，提升其在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的準(zhǔn)確度。