基于圖像法和葉面積分布模型的機(jī)制雪茄芯片結(jié)構(gòu)檢測(cè)及應(yīng)用

祝富祥，付立偉，張友杰，徐德龍，張雪，王勝曉

（1.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠；2.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250014）

機(jī)制雪茄以葉片式雪茄為主，葉組配方由不同產(chǎn)區(qū)雪茄煙葉打后葉片（以下簡(jiǎn)稱芯片）組成，芯片的結(jié)構(gòu)特征對(duì)機(jī)制雪茄的煙支燃燒和吸阻穩(wěn)定性都有重要影響。目前，采用圖像分析技術(shù)的葉片結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法已廣泛應(yīng)用于烤煙打葉復(fù)烤過程中，雪茄煙葉打葉過程芯片的檢測(cè)仍主要是通過篩分法,在篩分過程中可能出現(xiàn)過篩、漏篩的現(xiàn)象，造成結(jié)果的準(zhǔn)確性下降。本文基于圖像法和葉面積分布模型，利用光學(xué)分析儀進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比了不同產(chǎn)區(qū)雪茄煙葉打后的芯片結(jié)構(gòu)，以期為雪茄煙葉打葉過程實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、片形控制和參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

4 個(gè)產(chǎn)區(qū)的雪茄煙葉原料A、B、C、D。其中A、B為自然把，C、D 為平攤把。

500kg/h 雪茄打葉生產(chǎn)線（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司），煙草光學(xué)檢測(cè)儀（±0.2%,北京澳普樂科技開發(fā)有限公司），XS6001M METTLER TOLEDO 電子天平(±0.1g，瑞士Mettler 公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和條件

1.2.1 圖像獲取及分析

煙草光學(xué)檢測(cè)儀如圖1 所示，通過背景光場(chǎng)補(bǔ)償，扣除背景的亮度均一圖像，對(duì)圖像平滑，去除圖像中的隨機(jī)噪點(diǎn)，將圖像二值化處理，抽取待測(cè)物體最長(zhǎng)的中軸長(zhǎng)度，以及計(jì)算物體面積、寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)圖像面積等參數(shù)進(jìn)行區(qū)間分布。

圖1 煙草光學(xué)檢測(cè)儀示意圖

1.2.2 葉面積分布測(cè)試方法

（1）區(qū)間面積。參照YC/T 449-2012《煙葉 片煙大小及其分布的測(cè)定 葉面積法》方法進(jìn)行檢測(cè)。生產(chǎn)線穩(wěn)定30min 后，從芯片裝箱前輸送帶上，以橫截面取出成品芯片，每個(gè)樣本量不少于1500g，各樣品生產(chǎn)加工工藝參數(shù)一致。利用光學(xué)分析儀測(cè)量芯片面積，分成(0-100)mm2、(100-200)mm2、(200-300)mm2、(300-400)mm2、(400-500)mm2、(500-600)mm2、(600-7 0 0)mm2、(700-800)mm2、(800-900)mm2、(900-1000)mm2、≥1000mm211 個(gè)面積區(qū)間，分別計(jì)算各區(qū)間芯片的面積和。

（2）均勻性系數(shù)。以≥100mm2、≥200mm2、≥300 mm2、 ≥400mm2、 ≥500mm2、 ≥600mm2、 ≥700mm2、≥800mm2、≥900mm2、≥1000mm2為面積區(qū)間，分別計(jì)算各區(qū)間面積占樣品總面積的百分比。根據(jù)各區(qū)間面積百分比及對(duì)應(yīng)區(qū)間面積下限，利用Origin9.1 軟件，采用最小二乘法擬合芯片面積分布方程（1），得到方程中參數(shù)a、b。其中b 為均勻性系數(shù)。

式中，F(xiàn)(x)為大于或等于x 的芯片面積之和占總面積的比例；x 為區(qū)間下限，單位為平方毫米（mm2）；a為方程參數(shù)；b 為均勻性系數(shù)。

（3）特征面積參數(shù)。將a、b 代入公式（2）計(jì)算芯片特征面積。

1.2.3 長(zhǎng)寬比測(cè)試方法

對(duì)采集的樣品進(jìn)行最長(zhǎng)軸線抽取后，通過該軸線上各相鄰像素點(diǎn)之間的距離總和來測(cè)量軸線的長(zhǎng)度，并以此代表樣品長(zhǎng)度。

沿樣品的最長(zhǎng)軸線方向計(jì)算每一處的寬度，并進(jìn)行累計(jì)平均寬度，并以此代表樣品寬度。

1.2.4 生產(chǎn)應(yīng)用

按表1 所示，對(duì)芯片B 進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試,分別設(shè)置一級(jí)打葉打輥頻率31Hz、29Hz、27Hz，其他參數(shù)不變。參數(shù)調(diào)整穩(wěn)定30min 后，從打葉后輸送帶上，以橫截面取出芯片，平衡后進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)樣本量不少于1500g。

表1 打葉機(jī)參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果

2.1 葉面積分布

2.1.1 面積區(qū)間

運(yùn)用圖像分析法測(cè)量打后雪茄煙葉的芯片，將面積分為(0-100)mm2、(100-200)mm2、(200-300)mm2、(300-400)mm2、(400-500)mm2、(500-600)mm2、(600-700)mm2、(700-800)mm2、(800-900)mm2、(900-1000)mm2、 ≥1000mm211 個(gè)區(qū)間，測(cè)量所得面積分布如圖2 所示。可以看出，隨著芯片面積區(qū)間的增大，各區(qū)間所占樣品總面積的百分比呈逐漸減少趨勢(shì)，芯片面積主要集中在(0-100)mm2、(100-200)mm2、(200-300)mm2、(300-400)mm2四個(gè)區(qū)間，占總面積的80%左右。

圖2 芯片面積區(qū)間分布

2.1.2 均勻性系數(shù)

對(duì)11 個(gè)面積區(qū)間進(jìn)行累計(jì)得到如表2 所示結(jié)果，根據(jù)芯片面積分布方程（1），對(duì)各樣品用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)作出ln[-lnF(x)]與ln(x)的散點(diǎn)圖，用最小二乘法擬合得結(jié)果如圖3 和表3 所示，各擬合結(jié)果R2均大于0.99，說明面積分布模型的擬合效果較好。

表2 面積累計(jì)百分比

表3 模型擬合結(jié)果

圖3 樣品ln[-lnF(x)]與ln（x）擬合曲線

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，b 為擬合直線的斜率，其值越大，擬合直線越陡，ln(x)的變化范圍越小，相應(yīng)的x 即芯葉面積分布所占范圍較小，說明芯片面積分布較均勻；反之，則芯片面積分布較為分散。通過b 值其大小可以判斷芯片面積分布的均勻性。從表2 中可以看出，芯片B 的均勻性系數(shù)最小，為1.00，芯片C 的均勻性系數(shù)最大，為1.20。說明芯片B 的芯片面積分布最分散，芯片C 的面積分布最均勻。

2.1.3 特征面積參數(shù)

對(duì)于芯片的面積分布，可將x0.50所對(duì)應(yīng)的芯片面積作為衡量芯片整體大小的特征量，其物理意義是大于或等于該面積的芯片面積之和占樣品總面積的比例為50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的面積大小。該值越大，芯葉整體面積越大。x0.50可通過公式（2）求取。從表4 中可以看出，樣品B的芯片特征面積值最小，為155.4，樣品D 的芯片特征面積值最大,為270.6，說明樣品B 的芯片整體面積最小，樣品D 的芯片整體面積最大。

表4 芯片特征面積

2.2 長(zhǎng)寬比

圖4 為芯片長(zhǎng)寬比坐標(biāo)圖，表5 為芯片的長(zhǎng)寬比值。對(duì)芯片的長(zhǎng)寬比進(jìn)行方差分析，從圖4 和表5 可以看出，各樣品芯片的長(zhǎng)寬比存在顯著差異，其中芯片A 的長(zhǎng)寬比最大，為6.38，芯片C 的長(zhǎng)寬比最小，為5.22。

表5 芯片的長(zhǎng)寬比值

圖4 芯片的長(zhǎng)寬比坐標(biāo)圖

在打葉線參數(shù)一致的情況下，來料雪茄煙葉的結(jié)構(gòu)可能與打后芯片結(jié)構(gòu)存在相關(guān)性。雪茄原料煙葉樣品A 和B 為自然把，外觀接近，煙葉皺縮明顯，呈豎長(zhǎng)條狀，而樣品C 和D 為自然把，外觀舒展平整。因此，出現(xiàn)樣品A 和B 打后芯片的均勻系數(shù)和特征面積均較小，長(zhǎng)寬比偏大，打后芯片面積分散、整體尺寸偏小的結(jié)果。

2.3 生產(chǎn)驗(yàn)證及應(yīng)用

以兩級(jí)打葉風(fēng)選過程為例，通過調(diào)整一級(jí)打葉打輥頻率，固定其他參數(shù)，驗(yàn)證打葉過程參數(shù)調(diào)整對(duì)芯片結(jié)構(gòu)的影響以及驗(yàn)證圖像法和葉面積分布模型的適用性。

一級(jí)打葉不同打輥頻率時(shí)芯片結(jié)構(gòu)特征參數(shù)如表6 所示。從表6 可以看出，面積分布模型的R2均大于0.99，擬合效果較好，說明面積分布模型可以應(yīng)用于不同工藝條件下芯片結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著一級(jí)打葉打輥頻率的降低，均勻系數(shù)、特征面積參數(shù)和長(zhǎng)寬比均呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)。當(dāng)一級(jí)打葉打輥頻率降低至29Hz 時(shí)，打輥轉(zhuǎn)速降低，葉梗撕裂效率降低，從而進(jìn)入二級(jí)打葉的流量降低，二級(jí)打葉的強(qiáng)度相對(duì)增加，造碎增多，造成特征面積等參數(shù)下降；而當(dāng)一級(jí)打葉頻率進(jìn)一步降低至27Hz 時(shí)，打輥轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低，進(jìn)入風(fēng)選的流量顯著降低，風(fēng)選的氣料比增大，分出的葉片增多，造成特征面積等參數(shù)又變大。

表6 一級(jí)打葉不同打輥頻率時(shí)的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

3 結(jié)語

根據(jù)本文不同產(chǎn)區(qū)雪茄原料打后芯片的測(cè)試結(jié)果，在相同加工條件下，來料煙葉形態(tài)對(duì)打后芯片結(jié)構(gòu)有顯著影響，平攤把煙葉在現(xiàn)有工藝參數(shù)條件下，芯片面積分布更均勻、整體特征面積更大、長(zhǎng)寬比更小。機(jī)制葉片式雪茄和手工葉片式雪茄由于規(guī)格尺寸差異較大，所需要適宜的芯片結(jié)構(gòu)也是不一樣的，在今后的研究中可針對(duì)不同雪茄規(guī)格、雪茄原料外觀特點(diǎn)及加工特性，進(jìn)一步優(yōu)化兩級(jí)打葉風(fēng)分過程，實(shí)現(xiàn)片形精準(zhǔn)控制，確定不同規(guī)格尺寸葉片式雪茄適宜的芯片結(jié)構(gòu)范圍，以及可以進(jìn)一步探索機(jī)制雪茄芯片結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒和吸阻穩(wěn)定性的影響。

（1）采用圖像分析法可以準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)制雪茄芯片的面積等參數(shù)，測(cè)量結(jié)果證明，機(jī)制雪茄芯片分布滿足面積分布模型。

（2）均勻性系數(shù)可以表征機(jī)制雪茄芯片面積分布的均勻性，均勻性系數(shù)越小，面積分布最分散；特征面積參數(shù)可以表征芯片整體大小，特征面積參數(shù)越大，芯片整體越大。芯片樣品的均勻性系數(shù)和特征面積參數(shù)各不相同，其中芯片C 的均勻性系數(shù)最大，面積分布最均勻，芯片D 的面積特征參數(shù)最大，整體面積最大。

（3）不同產(chǎn)區(qū)雪茄原料打后芯片的長(zhǎng)寬比存在顯著差異。其中芯片A 的長(zhǎng)寬比最大，芯片C 的長(zhǎng)寬比最小。

（4）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著一級(jí)打葉打輥頻率的降低，均勻系數(shù)、特征面積參數(shù)和長(zhǎng)寬比呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)。芯片結(jié)構(gòu)的檢測(cè)可應(yīng)用于葉片式雪茄芯片生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)和片形控制，為雪茄煙葉打葉過程參數(shù)優(yōu)化等提供技術(shù)依據(jù)。