基于红外传感器的卷烟纸阴燃速率测量仪设计

李文伟 牛芳芳 颜秋男 朱 震

(1. 河南中烟有限责任公司安阳卷烟厂，河南安阳，455000;2. 中科院合肥物质科学研究院，安徽合肥，230031)

在卷烟的生产中，卷烟纸的阴燃速率对于烟支熄火等现象有很大影响，同时影响着烟支的焦油含量和烟气烟碱含量。卷烟纸阴燃速率的测定对于卷烟生产中的质量控制以及对卷烟质量的检验具有很大的意义［1］。

本文介绍了一种新型的卷烟纸阴燃速率测量仪(简称阴燃仪)的设计，与传统阴燃仪相比，采用红外传感器通过温度直接探测纸张燃烧位置，避免了传统方法中采用普通LED 发射管和接收管来探测纸张燃烧的位置时，纸张燃烧后的灰烬会挡住发射管的光线而引起误判造成测量误差。该阴燃仪具有高可靠性、高精度的优点，即使纸张燃烧后的灰烬不脱落，也不会影响系统正常的测量和判断。同时，烟支水平放置，避免了垂直放置时阴燃速率不均匀的现象［2］。

1 阴燃速率测试原理

根据YC/T 197—2005 烟草行业标准的规定，卷烟纸的阴燃速率定义为:测量阴燃150 mm 长、全宽的卷烟纸所需的时间，以秒(s)计，并计算出其燃烧速率，单位为s/150 mm［3］。

1.1 红外辐射的基本原理

凡温度高于绝对零度的物体均会向外辐射红外线，物体的温度越高，其辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。

由斯蒂芬-波尔兹曼定律可知，物体发射的全部能量M (W/m2)由物体的温度决定，两者之间的关系可以表示为式(1)。

式中，ε 为被测物体能量的表面发射率，σ 为斯蒂芬-波尔兹曼常数，W/m2·K4，T 为物体的绝对温度，K［4］。

1.2 阴燃仪的测量原理

根据红外辐射原理，卷烟纸燃烧过程中会辐射大量红外线，利用红外传感器探测红外线的强度，感应距离不同，传递到红外传感器的红外线强度也会不同。

在阴燃仪的测量中，卷烟纸在燃烧过程中，其燃烧线与红外传感器达到一定距离时，红外传感器测得的红外线辐射就会达到一定的强度，此时即可作为测量的计时点。利用起始与终止两处计时的时间差即可得到阴燃速率。

2 系统设计

本设计阴燃仪的工作过程为:将卷烟纸置于支撑杆上，通过电阻丝引燃卷烟纸，控制系统根据红外探测装置探测卷烟纸燃烧的位置，控制步进电机运转，使每个卷烟纸支撑杆依次离开，完成卷烟纸阴燃速率的测试。系统结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

系统主要包括红外探头、电阻丝、步进电机、卷烟纸纸样的支撑装置及人机界面等部分。

为了保证测试精度和测试准确度，本设计使用了多组红外传感器作为测试探头来跟踪探测卷烟纸的燃烧位置。

纸样支撑装置包括多个支撑杆，用以使卷烟纸在燃烧过程中保持平稳。同时，为了不妨碍卷烟纸的正常燃烧，支撑杆在接近阴燃线时需离开。于是本设计利用控制步进电机的运动来使支撑杆随着阴燃速率依次下落。

测试过程中，将卷烟纸置于支撑杆上，利用人机界面输入开始测试信号，控制器控制电阻丝加热卷烟纸使之开始阴燃，当探测装置的第一个探头探测到卷烟纸阴燃线时开始计时，同时步进电机转动推进斜块前进，使每个支撑杆依次离开，当探测装置最后一个探头探测到阴燃线时，测试结束，控制器计算出被测卷烟纸的阴燃速率，并显示在人机界面上。

3 测量误差分析

本设计阴燃仪的测量误差主要由以下几方面组成。

3.1 红外传感器的精度

红外传感器可以分为热传感器与光子传感器两种。

热传感器利用探测元件吸收入射的红外辐射能量而引起温升，在此基础上借助各种物理效应把温升转变为电量。

而光子传感器是利用半导体材料的光电效应，使材料的电学性质发生变化，通过测量电学性质的变化，从而确定红外辐射的强弱［5］。

采用光子传感器作为系统的红外传感器，与热传感器相比，其灵敏度高，响应速度快，响应频率高等。能够很好地减小系统的测试误差。

3.2 卷烟纸包灰现象的影响

卷烟纸在燃烧过程中，有时会出现燃烧后的灰烬附着在正在燃烧的卷烟纸上，导致红外传感器不动作，直到灰烬脱落后，红外传感器才发出信号。这样就会造成燃烧计时的延迟，影响测量结果的准确性。

为了避免这种现象的发生，阴燃仪上下均设置了红外光电传感器，能够同时测试卷烟纸燃烧时上侧和下侧的红外线强度，避免了卷烟纸燃烧灰烬上卷或下卷造成的探测延迟。

3.3 测量长度的误差

由于卷烟纸的阴燃速率是由阴燃时间除以阴燃长度得到的，因此阴燃长度的准确性对最终测得阴燃速率的精度影响很大。

烟草行业标准规定，用于样品阴燃长度的测试装置，其量程需为150 mm，精度为±1mm。

为了使阴燃仪阴燃长度的量程符合要求，需对其测试量程进行标定。

3.4 环境影响

在卷烟纸的燃烧过程中，环境条件对其燃烧性能有着一定的影响。如空气的流通会加快卷烟纸的燃烧，而空气湿度较大时，卷烟纸的燃烧速率较低等［6］。

本设计采用了密闭的燃烧空间，避免了空气流动对燃烧的影响。但另一方面，密闭空间可能会造成烟雾遮挡，影响红外探头的探测，由于红外探头的精度较高，使得这种影响微乎其微，可以忽略不计。

此外，红外探头的位置、计时器的精度、阴燃线的整齐与否等都会对测试结果造成影响。

4 阴燃仪测量距离的标定

为了减小阴燃仪量程误差对测试精度的影响，设计了一种标定装置来标定阴燃仪的量程。利用通电发热的电阻丝来模拟燃烧线，并通过步进电机驱动电阻丝的移动来模拟卷烟纸的燃烧过程，同时采用分辨率为0.01 mm 的数字深度尺来测量电阻丝在测试起始和结束时的位置信息，以计算出阴燃仪的实测阴燃长度，从而实现标定功能。

标定装置的工作原理如图2 所示，由图2 可以看出，该标定装置主要包括主电路和控制电路两部分。其中，主电路部分包括数字深度尺、步进电机、限位开关以及电阻丝等，是测量过程的主要实现单元。而控制电路部分主要实现对步进电机的控制、读取数字深度尺的数据、与阴燃仪之间数据交换等功能。

图2 标定装置的工作原理

若设LS为测试起始点位置，LE为测试终止点位置，则可得出阴燃仪的测试长度Y，见式(2)。

5 实验分析

为了检测上述阴燃仪的可实现性与准确性，利用所设计的阴燃仪对卷烟纸进行阴燃速率测试。

对两种定量的卷烟纸分别进行多次测试，测试结果见表1 和表2。

表1 定量为28.5 g/m2 的卷烟纸阴燃速率的测试结果

由表1 和表2 可以看出，在对同一种类卷烟纸进行多次重复测试时，得出的结果具有较高的稳定性。同时，在测试不同种类卷烟纸时，测试结果的标准偏差的稳定性同样较高。

由此可见，本设计的卷烟纸阴燃仪符合实际测试需要。

表2 定量为32 g/m2 的卷烟纸阴燃速率的测试结果

6 结 语

为了检测卷烟纸的阴燃速率，设计了一种新型的卷烟纸阴燃速率测量仪，利用红外传感器测定卷烟纸阴燃线的位置，来判断测试的起止位置。同时分析了阴燃仪测量误差的来源，并采取了相应的措施来减小误差。

通过实验测试表明，本设计的卷烟纸阴燃仪完全符合实际需要，且与传统阴燃仪相比，测试精度与稳定性大大提高。

［1］ LI Jin-song，LI Hong-yan. Requirement，Production and Development of Paper Grade for Cigarette in China［J］. China Pulp ＆Paper，2010，29(z1):56.李劲松，李洪艳. 我国卷烟配套用纸需求、生产现状及发展趋势［J］. 中国造纸，2010. 29(增刊):56.

［2］ ZHAO Ju-feng，The latest cigarette paper smoldering speed tester design defects［J］. China Metrology，2005(12):27.赵举峰，最新卷烟纸阴燃速度测试仪的设计缺陷［J］. 中国计量，2005(12):27.

［3］ YC/T 197-2005. Determination of static combustibility rate of cigarette paper［S］.YC/T 197-2005.卷烟纸阴燃速率的测定［S］.

［4］ XU Nan-rong，BIAN Nan-hua. Infrared radiation and Guidance［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1997.徐南荣，卞南华. 红外辐射与制导［M］. 北京:国防工业出版社，1997.

［5］ LI Jun，et al. Research on Non-contact Infrared Temperature Measurement［J］. Piezoelectrics ＆ Acoustooptics，2001，23(6):64.李 军，等. 非接触式红外测温的研究［J］. 压电与声光，2001，23(6):64.

［6］ WU Xiao-song，LIU Yong，ZHANG Long，et al，Measuring Technique of Cigarette Paper Permeability［J］. China Pulp ＆ Paper，2005，24(11):56.吴晓松，刘 勇，张 龙，等，烟用纸张透气度检测技术［J］. 中国造纸，2005，24(11):56.