新型光纤式松头烟支检测器设计

余宝意

（湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂，武汉430000）

质量就是生命，卷烟生产企业为保证产品质量，赢得市场，减少客户投诉反馈，在生产的各个环节严把质量关，在卷接机和包装机上多个环节进行烟支松头缺陷的检测及剔除工作[1]。

烟支松头的检测方式由早期的人工抽检逐步实现了自动化检测，主要的检测方式有：机械式[2]、电容式[3]、光电式[4-7]和基于机器视觉的检测方式[8-10]。

机械式检测因机械装置容易受弹簧材料疲劳引起的应力下降导致误检，另外机械装置在高速运行过程中检测部件本身的磨损较快，发生烟支挤压和碰撞的可能性也相对增大。电容传感器检测烟支端部烟丝量变化造成的电容值变化较微弱，解调得到的传感器信号环境稳定性较差，从而造成松头烟支检测准确性不理想。目前，仍有大量卷烟厂采用电容式松头检测，检测器常年运行，电路老化，检测效果不太理想，亟待改进，迫切需要研发适用于PROTOS 70 卷接机的新型光纤式松头烟支检测器[11]。

1 总体设计

因PROTOS 70 卷接机的松头烟判据是依据电容式松头检测信号设计的，而电容式松头信号和光纤式松头信号不兼容，两者谷值特性一致、峰值特性相反，需要在光纤式松头信号进入CIS 之前对其进行转换。考虑到信号转换需要借助MAX 时钟码盘的MCP 信号和DCP 信号进行峰值时刻的确定，而卷接机的FLO 烟支检测器电缆没有这两个信号。因此，要完成兼容PROTOS 70 卷接机的松头缺陷检测，需要在设计光纤式FLO 烟支检测器之外，再设计信号转换模块。

松头检测主要由红外光发生电路、红外光传导介质、红外光检测电路、电流电压I/V 变换电路、电压信号调理放大电路等几个部分组成[12]。

2 关键技术

2.1 红外光纤检测头设计

松头检测需要发射光线对准烟支点燃端，采用中心发射、四周接收方式进行检测头设计。烟支点燃端距红外光纤发射端的距离约为6.5 mm。国标GB/T22838 规定空陷深度大于1 mm 且空陷截面比大于2/3 的烟支为松头烟。因此，检测窗口下边缘距发射端的垂直距离应为7.5 mm，这样能保证烟支空陷深度小于1 mm 的烟支对松头检测电压的影响较小。检测窗口直径为2 mm，检测窗口水平面距发射端垂直距离8.5 mm。根据红外光电传感器发射端的尺寸，光纤检测头发射窗口的直径应设计为3.2 mm。

烟支松头位置可能是随机的，有可能在烟支中心，也有可能在烟支边缘处[13-15]。在待检烟支周围设计4 个检测窗口组成检测矩阵进行多点检测求和，以提高松头检测的准确性。若检测窗口距烟支边缘太远，则透过烟支的红外光在空气中衰减大且检测值易受外界环境影响，若检测窗口距烟支边缘太近，则4 个检测窗口只能检测局部，不能对透过烟支周围的红外光进行全覆盖检测。综合考虑，将4个检测窗口距烟支边缘的距离设计为5 mm。普通烟支的直径是7.8 mm，则检测窗口距检测中心的垂直距离为8.9 mm。如图1所示为红外光束与烟支端面及检测窗口相对位置关系示意图。

图1 红外光束与烟支端面及检测窗口相对位置关系示意图Fig.1 Schematic diagram of relative position relationship between infrared beam and cigarette end and detection window

光纤检测头发射窗口需要用光学薄透镜对红外光电传感器发出的红外光进行发散，需要合理设计薄透镜的焦距和球面半径。

薄透镜焦距公式如式（1）所示：

式中：nL为两球面间构成透镜的折射率；r1、r2为透镜两球面半径，如果第一个表面的透镜是凸透镜，r1的数值是正值，如果是凹透镜则是负值；如果第二个表面是凹透镜，r2的数值是正值，如果是凸透镜则是负值。

红外光电传感器发射窗口发出的红外光为平行光束，经过光纤检测头的薄透镜后红外光开始发散，设薄透镜的焦距为f，红外光的发散角为α，则：

光束在烟支端面位置时，红外光圈面积大于烟支截面面积，则：

为了防止发出的红外光直接射入检测窗口影响松头检测效果，在检测窗口边缘处，红外光圈面积应小于环状分布的检测窗口组成的圆的面积，则：

三式联立，得2.08

选择制作薄透镜的玻璃材料的折射率nL为1.5，设r2足够大，根据薄透镜焦距式（1），得r1=0.5f。薄透镜焦距f选择4 mm，则薄透镜的球面半径r1应为2 mm。

松头传感器发出的红外光通过光纤导光束直通检测头的红外光发射窗口，发射窗口发出的红外光照射在烟支点燃端面上，一部分红外光被烟支点燃端烟丝吸收，另一部分红外光透过烟支，被四周4个接收窗口组成的矩阵检测接收。接收窗口将检测到的红外光通过四合一光纤导光束输送至松头传感器的接收端。光纤导光束另一端与红外松头传感器的发射、接收窗口紧配合连接，并用螺帽旋紧。

2.2 信号实时转换

卷接机运行时，烟支松头检测是连续进行的，待检烟支在检测轮上依次通过松头检测位置，当烟支中心正对松头检测头时，松头传感器获得松头峰值，当待检烟支完全离开松头检测头时，松头传感器获得松头谷值。烟支质量检测系统根据松头峰谷差值判断烟支是否为松头烟。

PROTOS 70 卷接机松头烟检测判据是依据电容式松头传感器的输出信号设计的。如图2所示为电容松头传感器与红外光纤式松头传感器输出信号对比示意图。

图2 电容松头传感器与红外光纤式松头传感器输出信号对比示意图Fig.2 Schematic diagram of output signal comparison between capacitive sensor and infrared fiber sensor

电容式松头信号正常烟支的峰谷差值比松头烟支的峰谷差值大，而红外光纤式松头信号正常烟支的峰谷差值比松头烟支的峰谷差值小。如果直接将红外光纤式松头传感器输出值接入烟支质量检测系统，则会导致卷接机开机生产时，大部分好烟被误剔，松头烟全被漏剔。因此，采用红外光纤式松头检测时，需在松头信号进入烟支质量检测系统之前对信号进行转换。

考虑到鼓轮边缘正对检测头时，取得的谷值大小是近似恒定的。为减轻信号转换模块处理负荷，减少信号转换次数，可以只在峰值时刻进行信号转换，在谷值时刻信号转换模块输出置恒定值。

卷接机MAX 时钟码盘可以产生2 种脉冲信号：DCP 双烟脉冲信号及MCP 脉冲信号。卷接机每卷制2 支烟产生1 个周期的DCP 信号，1 个DCP 信号周期内产生20 个周期的MCP 脉冲信号。所有卷制的烟支都要经过检测，检测1 支烟也要经过10个MCP 脉冲信号周期。两种脉冲信号的频率与机器速度相关，考虑可以用DCP 双烟脉冲信号和MCP脉冲信号来共同判断红外光纤式松头信号的峰值时刻。

信号转换模块的输入信号峰值与输出信号的峰值成反比，简单起见，令信号转换模块的输入信号峰值与输出信号峰值满足线性关系，且斜率设为-1。设信号转换模块输入峰值信号为ULin，输出峰值信号为ULout，则输入输出峰值信号应满足式（5）关系：

式中：UC为参考电压，可以通过电位器设置。这样，在松头输入信号不变的情况下，调整参考电压，相当于对松头输出电压进行缩放，以便调节松头剔废灵敏度。

2.2.1 硬件电路设计

信号转换模块主控芯片选择常用的PIC18F2580单片机[16]，该器件内部时钟有从31 kHz 到8 MHz 8个可选主频，工作电压范围2.0～5.5 V，有3 个外部中断接口，1 个捕获/比较/PWM 模块、主同步串口（MSSP，MASTER SYNCHRONOUS SERIAL PORT）模块支持3 线SPI 和I2C 主从模式，10 位模数转换器A/D，采样率最高为100 ksps。

为了提高信号转换模块的抗干扰能力，DCP信号经过光耦隔离进入主控芯片INT0 中断接口，MCP 信号经过光耦隔离进入内部定时器T0 接口。光耦选择高速数字光耦，器件速度可达10 MBit/s，输入侧至少2 mA 的电流才能使输出侧电平发生翻转，2 mA 电流时，光耦输入侧分压约为1.35 V，输入DCP/MCP 脉冲信号的高电平约为24 V，则限流电阻：

另外，输入侧最大电流不能超过5 mA，则限流电阻：

考虑到DCP/MCP信号由光电接近开关产生，光电接近开关最大只能提供20 mA 的电流，且DCP/MCP 信号需要同时提供给CIS 烟支质量检测系统和PLC 传动系统，如果信号转换模块消耗太大电流，会影响DCP/MCP 信号质量，进而影响整个机组的稳定工作。因此，信号转换模块DCP/MCP 信号经光耦的限流电阻应尽可能取较大值，使得光电接近开关供给信号转换模块的电流较小，限流电阻R取10 kΩ。

松头输入信号和电位器设置的参考电压分别接入主控模块的10 位A/D 转换器。拨码开关接入主控芯片的数字输入通道。转换后的松头输出信号通过D/A 输出。选择I2C 接口的12 位D/A 转换器，工作电流：电源电压5 V 时140 μA，电源电压范围：2.7～5.5 V，I2C 接口速度达3.4 Mbps。该器件主要通过串行时钟输入端口（SCL Serial Clock Input）和串行数据输入端口（SDA Serial Data Input）与主控芯片相连，D/A 转换器在从模式下使用I2C 总线接收数据。

2.2.2 软件程序设计

在软件设计中，首先要对PIC18F2580 的内部时钟、单片机启动定时、I/O 口、指令集等进行配置，然后要对单片机系统进行初始化，对捕获、比较、PWM 模块、I/O 管脚分配、A/D 转换时间及转换后的格式、定时器开启及是否分频、主控同步串行D/A、中断优先级等进行设置，最后是主程序设计、中断入口程序设计、中断程序设计、相关子程序设计。

在主程序中，先初始化，清看门狗，判断高优先级中断是否到来，当高优先级中断到来时，MCP 计数清零并清INT0 中断标志，然后读电位器设置的模拟参考电压值、拨码开关状态值，根据读值计算峰值位置、谷值位置。

高优先级的INT0 中断由DCP 上升沿触发，在中断中，先等待A/D 转换完成，然后暂存转换值，将MCP 计数清零并恢复A/D 转换值。低优先级的T0溢出中断由外部MCP 脉冲上升沿触发、在中断中，先等待A/D 转换完成，暂存转换值，然后调用松头转换程序并恢复A/D 转换值，最后重新设置T0 计数起始值，清T0 中断标志。

松头转换程序流程如图3所示，在松头转换程序中，先判断DCP 信号是否处于高电平，如果是，将MCP 计数清零，否则进行MCP 累加计数。当MCP计数和峰值转换位置相等时，熄灭发光二极管，进行松头电压值采样并判断是否超界。如果不超界，将计算值送入D/A 转换器，否则将0 送入D/A 转换器。当MCP 计数与谷值位置相等时，点亮发光二极管并将0 送入D/A 转换器。

图3 松头转换处理程序流程图Fig.3 Loose end conversion process flow chart

如图4所示为信号转换模块输出信号与电容、光纤松头曲线对比图，由图4 可知，经过信号转模块转换后的松头信号正常烟支时峰谷差值大，松头烟支时峰谷差值小，与电容式松头输出信号一致。转换后的信号可以兼容PROTOS 70 卷接机CIS 烟支质量检测系统。

图4 信号转换模块输出信号与电容、光纤松头曲线对比图Fig.4 Curve comparison of output signal of signal conversion module with capacitance and fiber loose end

信号转换模块的设计作为光纤式松头烟支检测器设计的关键技术之一，采用中断处理技术进行采样时刻的判断，采用单片机内置A/D 进行高速采样，内部精简计算，I2C 总线D/A 高速输出，实现信号的高速实时转换。信号转换速度最高可达10 kHz，信号转换精度高达97%以上。

3 结语

在卷烟生产过程中，技术人员关心的往往是松头烟支检测器剔废准确度，通常用下列指标进行评估：

（1）剔废率：剔出的废品烟数量占生产烟支总数的百分比；

（2）误剔率：剔废阀剔除的烟支中正常烟支数量占剔废总数的百分比；

（3）漏剔率：正常通过的烟支中缺陷烟支占烟支总数的百分比。

经质检人员验收评估，光纤式松头烟支检测器松头检测误剔率小于5%，漏剔率小于1%，优于电容式松头烟支检测器相关指标20%以上。且光纤式松头烟支检测器剔废率可调，调节范围：0.1%～0.5%，方便用户使用。同一台卷接机经常换牌生产不同品牌的卷烟，当生产高价值品牌，对品质要求较高时，质管人员希望剔废率高一些，减少漏剔的烟支；当生产低价值烟支时，质管人员希望剔废率低一些，减少烟丝、盘纸等消耗，降低成本。新型光纤式松头烟支检测器能满足用户个性化需求。