掃描成像式煙絲快速測(cè)量?jī)x的取樣及應(yīng)用研究

掃描成像式煙絲快速測(cè)量?jī)x的取樣及應(yīng)用研究

劉洋劉民昌溫若愚趙維一曾建周學(xué)政（川渝中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，四川成都610066）煙絲寬度是一項(xiàng)重要的卷煙工藝指標(biāo)，對(duì)卷煙的感官質(zhì)量及物理指標(biāo)有明顯的影響［1］。傳統(tǒng)用的膠棒法測(cè)量煙絲寬度，是將膠棒放在切絲機(jī)入口處，然后通過(guò)切絲機(jī)將膠棒切成片狀，再用千分位游標(biāo)卡尺測(cè)片狀膠片寬度來(lái)模擬煙絲寬度。因其人工參與度較高、精度較低等缺點(diǎn)，而不能準(zhǔn)確反映出煙絲的寬度［2］。掃描成像式煙絲寬度快速測(cè)量?jī)x是一種快速、精確的煙絲寬度檢測(cè)儀器，該儀器對(duì)平鋪在煙絲盒中的若干煙絲進(jìn)行CCD線(xiàn)陣掃描成像，根據(jù)投影算法，將二維灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S灰度和序列，利用自適應(yīng)閾值分割，獲得單根煙絲所在的圖像區(qū)域［3］。對(duì)所獲得的圖像區(qū)域采用圖像二值化、高通濾波、sobel邊緣算子方法進(jìn)行處理，獲得單根煙絲輪廓邊緣圖像［4］。計(jì)算圖像灰度發(fā)生突變時(shí)兩個(gè)位置間的像素?cái)?shù)，根據(jù)單個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際面積，結(jié)合CCD成像系統(tǒng)倍率和像元尺寸，計(jì)算出被測(cè)煙絲的寬度［5］。煙絲快速測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果誤差≤0.5%，變異系數(shù)＜0.2%，能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切絲寬度允差（±0.1mm）［6］。然而，前人［5，6］并未確定快速測(cè)量?jī)x取樣方法，也未將快速測(cè)量?jī)x應(yīng)用到對(duì)切絲質(zhì)量和切絲機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)中，因此，本研究擬根據(jù)煙絲快速測(cè)量?jī)x的功能屬性，確定煙絲樣本取樣方法，將煙絲快速測(cè)量?jī)x與膠棒測(cè)量煙絲寬度的方法進(jìn)行對(duì)比研究，并采用傳統(tǒng)煙絲、膨脹絲、薄片絲3種煙絲物料及TOBSPIN和YS14兩種切絲機(jī)對(duì)掃描成像式煙絲寬度快速測(cè)量?jī)x進(jìn)行應(yīng)用研究。1材料與方法1.1原料與儀器川渝中煙所生產(chǎn)的嬌子（藍(lán)）切后煙絲：川渝中煙有限責(zé)任公司成都分廠(chǎng)；CO2膨脹煙絲：川渝中煙有限責(zé)任公司成都分廠(chǎng)多寶寺廠(chǎng)區(qū)；造紙法薄片煙絲：成都市西河薄片廠(chǎng)；煙絲快速測(cè)量?jī)x：Tm－i型，川渝中煙技術(shù)中心；切絲機(jī)專(zhuān)用膠棒：JCT型，振華機(jī)械有限公司；千分位游標(biāo)卡尺：500－196型，日本Mitutoyo公司；切絲機(jī)：TOBSPIN型，德國(guó)Hauni公司；切絲機(jī)：YS14型，昆明煙機(jī)集團(tuán)二機(jī)有限公司。1.2試驗(yàn)方法1.2.1煙絲快速測(cè)量?jī)x的測(cè)量方式將所取樣品煙絲放入煙絲工件盒中（圖1），然后通過(guò)煙絲工件臺(tái)系統(tǒng)（圖2）將煙絲盒送至CCD掃描鏡頭下待掃描成像（圖3），通過(guò)控制界面控制（圖4），能夠完成煙絲自動(dòng)進(jìn)樣、圖像采集、圖像分析、數(shù)據(jù)計(jì)算及輸出等功能。1.2.2膠棒法測(cè)量煙絲寬度的測(cè)量方式膠棒法是目前校驗(yàn)切絲機(jī)切絲寬度符合性的常用方法，即在切絲機(jī)片煙內(nèi)放置一根切絲機(jī)專(zhuān)用膠棒，隨切絲機(jī)內(nèi)的煙片同步運(yùn)行，經(jīng)切刀切割后膠棒被切成薄片，利用千分位游標(biāo)卡尺測(cè)量膠片的厚度，以此代表煙絲的寬度。圖1煙絲盒示意圖Figure1Cuttobaccoboxsystem圖2工件臺(tái)系統(tǒng)Figure2Workpiecetablesystem2結(jié)果與討論2.1擺放數(shù)量對(duì)煙絲寬度測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果的影響為了考察煙絲擺放數(shù)量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在煙絲盒上擺放一根寬度為0.90mm的標(biāo)準(zhǔn)樣品，再分別擺放1，5，10，15，20，25根煙絲，每次擺放不同數(shù)量煙絲后重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣品6次，考察擺放數(shù)量對(duì)0.90mm標(biāo)準(zhǔn)寬度樣品測(cè)量結(jié)果的影響。由表1可知，在相同擺放數(shù)量下，不同試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性較好；在不同擺放數(shù)量下，各測(cè)量結(jié)果平均值的平均值呈無(wú)規(guī)律變化，且相對(duì)誤差均小于0.1%，說(shuō)明煙絲的擺放數(shù)量對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響。測(cè)量時(shí)，在保證煙絲無(wú)交叉重疊的前提下，對(duì)擺放數(shù)量沒(méi)有要求。圖3掃描成像系統(tǒng)Figure3Scanningimagingsystem圖4計(jì)算機(jī)軟件操作頁(yè)面Figure4Softwareoperatingsystem表1不同擺放數(shù)量的寬度測(cè)量結(jié)果Table1Tobaccowidthmeasuredresultsofdifferenttobaccoamout2.2煙絲取樣重量對(duì)煙絲寬度測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果的影響為了確定影響測(cè)量結(jié)果的最小取樣量，在切絲機(jī)出口分別取煙絲10，30，50，100g，從每批煙絲中隨機(jī)選取25根煙絲進(jìn)行寬度測(cè)量，考察取樣重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。由表2可知，不同取樣重量下測(cè)量結(jié)果呈無(wú)規(guī)律性變化。對(duì)平均值差別最大的30g和100g測(cè)量結(jié)果進(jìn)行Z檢驗(yàn)（雙樣本均值分析），其P值為0.3456，大于0.05，平均值無(wú)顯著性差異，說(shuō)明取樣重量對(duì)煙絲寬度測(cè)量結(jié)果無(wú)顯著性影響。取樣時(shí)煙絲重量滿(mǎn)足測(cè)量要求的煙絲數(shù)量即可。2.3煙絲取樣數(shù)量對(duì)煙絲寬度測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果的影響2.3.1利用統(tǒng)計(jì)學(xué)確定樣本量在抽樣測(cè)量時(shí)，樣本量的大小直接影響抽樣樣本的代表性，足夠的樣本量是保證測(cè)量誤差在規(guī)定范圍內(nèi)的重要因素，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，樣本量的大小應(yīng)考慮樣本的變異程度、絕對(duì)誤差限和置信水平［7］。即樣本的離散性越大，樣本量越大；抽樣誤差越小，樣本量越大；置信水平越高，樣本量越大，一般置信水平取95%。樣本量的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）：式中：n——樣本量，根；U1－α/2——統(tǒng)計(jì)量，置信水平為95%時(shí)，U1－α/2＝1.96；σ——標(biāo)準(zhǔn)偏差，mm；E——絕對(duì)誤差限，mm。取300根煙絲，測(cè)量其寬度，煙絲寬度的平均值為1.128mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ＝0.130mm，當(dāng)置信水平為95%時(shí)，統(tǒng)計(jì)量U1－α/2＝1.96，絕對(duì)誤差限取煙絲寬度平均值的5%，E≈0.056mm，經(jīng)計(jì)算，樣本量n≈21。2.3.2驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)按照不同樣本量進(jìn)行煙絲寬度測(cè)量，每個(gè)樣本量重復(fù)測(cè)量6次，考察不同樣本量測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，隨著樣本量的增大，測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差呈逐漸減小的趨勢(shì)，且當(dāng)樣本量大于25時(shí)，其減小幅度不明顯?？紤]到實(shí)際測(cè)量時(shí)的煙絲盒的大小以及上述統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算結(jié)果，最終確定測(cè)量煙絲寬度的樣本量為25根。表2不同取樣重量煙絲寬度測(cè)量結(jié)果Table2Tobaccowidthmeasuredresultsofdifferentsamplingweightmm表3不同樣本量煙絲寬度測(cè)量結(jié)果Table3Tobaccowidthmeasuredresultsofdifferentsamplingamountmm2.4測(cè)量時(shí)間對(duì)煙絲寬度測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果的影響現(xiàn)場(chǎng)抽取樣品后，對(duì)7根煙絲分別在0，5，10，20，30，60，120，180min時(shí)進(jìn)行寬度測(cè)量，考察測(cè)量時(shí)間對(duì)煙絲寬度測(cè)量結(jié)果的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，隨著測(cè)量時(shí)間的增加，煙絲寬度總體呈減小的趨勢(shì)，且前期減小較快，后期趨于平緩，以零時(shí)刻的測(cè)量結(jié)果為真值，相對(duì)誤差隨測(cè)量時(shí)間的增加而增加，當(dāng)測(cè)量時(shí)間大于20min時(shí)，相對(duì)誤差超過(guò)1%。這是因?yàn)闊熃z寬度與煙絲含水率在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)：y＝0.004x＋1.082，如圖5和圖6所示，煙絲含水率隨著放置時(shí)間的增加導(dǎo)致煙絲細(xì)胞收縮，從而造成煙絲寬度降低，且前期減小較快，后期趨于平緩。因此，對(duì)煙絲進(jìn)行寬度測(cè)量時(shí)，取樣后應(yīng)密封樣品并立即測(cè)量，不宜長(zhǎng)時(shí)間放置，測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)境應(yīng)符合GB/T16447—2004要求。2.5煙絲快速測(cè)量?jī)x測(cè)量不同類(lèi)型煙絲的寬度分別取25根相同切絲參數(shù)下的傳統(tǒng)煙絲、膨脹絲、薄片絲進(jìn)行寬度測(cè)量。由表5可知，對(duì)于平均寬度，傳統(tǒng)煙絲和薄片絲的寬度差別不大，膨脹煙絲寬度明顯增大；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)偏差，膨脹煙絲標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，薄片絲標(biāo)準(zhǔn)偏差最小。這是由于膨脹煙絲是經(jīng)液體CO2浸泡后，通過(guò)200℃左右的熱風(fēng)快速加熱膨脹工序生產(chǎn)的，其煙絲寬度的不規(guī)則性要大于傳統(tǒng)煙絲［8］；而造紙法薄片是通過(guò)煙末等原料經(jīng)過(guò)造紙過(guò)程而制造的，相對(duì)于傳統(tǒng)片煙，它的煙片結(jié)構(gòu)更加均勻，因此薄片煙絲比傳統(tǒng)煙絲要均勻［9］。可以看出測(cè)量?jī)x對(duì)3種常用煙絲寬度的測(cè)量結(jié)果能夠反映其真實(shí)性。表4不同測(cè)量時(shí)間下的煙絲寬度Table4Tobaccowidthmeasuredresultsofdifferent圖5煙絲含水率隨測(cè)量時(shí)間的變化Figure5Relationshipbetweenmoisturecontentoftobaccoandmeasuringtime圖6煙絲寬度與含水率的關(guān)系Figure6Relationshipbetweentobaccowidthandmoisturecontent表53種煙絲的寬度測(cè)量結(jié)果Table5Tobaccowidthmeasuredresultsofthreekindsofcuttobacco2.6煙絲快速測(cè)量?jī)x測(cè)量不同切絲機(jī)類(lèi)型切后煙絲寬度對(duì)TOBSPIN和YS14兩種切絲機(jī)日常工作中的煙絲進(jìn)行寬度測(cè)量，考察其符合性和穩(wěn)定性，樣品數(shù)量為25。由表6可知，對(duì)于符合性，TOBSPIN切絲機(jī)實(shí)際測(cè)量值明顯大于設(shè)定寬度，相對(duì)誤差較大，YS14型切絲機(jī)實(shí)際測(cè)量值和設(shè)定值較為接近，相對(duì)誤差較??；對(duì)于穩(wěn)定性，兩種切絲機(jī)所切煙絲的標(biāo)準(zhǔn)偏差均較大，相對(duì)而言，YS14切絲機(jī)較TOBSPIN切絲機(jī)更為穩(wěn)定。YS14切絲機(jī)的符合性和穩(wěn)定性?xún)?yōu)于TOBSPIN切絲機(jī)，因此煙絲快速測(cè)量?jī)x也可用于對(duì)不同切絲機(jī)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。表6不同切絲機(jī)的煙絲寬度測(cè)量結(jié)果Table6Tobaccowidthmeasuredresultsofdifferenttobaccocutters2.7煙絲快速測(cè)量?jī)x測(cè)量不同切絲機(jī)參數(shù)下的煙絲寬度為了考察切絲參數(shù)對(duì)煙絲寬度的影響，在相同刀門(mén)壓力（37kN）下設(shè)定不同切絲寬度（0.85，0.90，0.95mm），測(cè)量煙絲寬度，樣品數(shù)量為25。由表7可知，對(duì)于不同切絲寬度，實(shí)際測(cè)量值均大于設(shè)定寬度，相對(duì)誤差隨設(shè)定值的增大而增大。表7不同切絲參數(shù)的寬度測(cè)量結(jié)果Table7Tobaccowidthmeasuredresultsofdifferenttobaccocutters’parameters2.8煙絲快速測(cè)量?jī)x與膠棒法對(duì)比對(duì)切絲機(jī)設(shè)定不同切絲寬度，分別用膠棒法和煙絲寬度快速測(cè)量?jī)x進(jìn)行寬度測(cè)量，樣品數(shù)量為25。由圖7可知，膠棒法和煙絲寬度快速測(cè)量?jī)x的實(shí)際測(cè)量值整體均大于設(shè)定值，說(shuō)明切絲機(jī)切絲寬度的符合性存在不足；由于膠棒與煙絲在彈性系數(shù)和塑性系數(shù)等物理特性方面存在差異，導(dǎo)致膠棒法的測(cè)量結(jié)果比煙絲寬度測(cè)量?jī)x平均小0.062mm；在一定范圍內(nèi)，測(cè)量?jī)x與膠棒法的測(cè)量結(jié)果呈正相關(guān)，其關(guān)系方程為：y＝0.9309x＋0.1275。圖7膠棒法與測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果的關(guān)系Figure7Widthresultsbytherapidmeasuringinstrumentandusingplasticrod寬度測(cè)量?jī)x更能夠?qū)熃z寬度進(jìn)行直接測(cè)量，對(duì)切絲工作進(jìn)行正確指導(dǎo)；利用煙絲寬度測(cè)量?jī)x對(duì)煙絲進(jìn)行寬度測(cè)量，可隨時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，省去停機(jī)放置膠棒和人工挑選膠片的工作，避免由于膠片挑選不干凈而造成生產(chǎn)事故。通過(guò)對(duì)膠棒法和煙絲快速測(cè)量?jī)x測(cè)試同種樣品進(jìn)行計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)膠棒法用1h左右才能完成膠棒切片、游標(biāo)卡尺測(cè)量讀數(shù)、數(shù)據(jù)整理工作；而煙絲快速測(cè)量?jī)x總計(jì)用時(shí)只有12min左右，煙絲快速測(cè)量?jī)x測(cè)試用時(shí)為膠棒法的1/5。3結(jié)論綜上所述，本試驗(yàn)基于煙絲快速測(cè)量?jī)x的設(shè)備性能，通過(guò)對(duì)取樣重量、每次煙絲擺放數(shù)量、取樣根數(shù)的研究，確立了測(cè)量煙絲寬度所需的樣品量為25根；并以此取樣方法為基礎(chǔ)進(jìn)行了煙絲快速測(cè)量?jī)x的應(yīng)用研究。結(jié)果表明：①煙絲寬度快速測(cè)量?jī)x所測(cè)批次樣品時(shí)間為膠棒法測(cè)量時(shí)間的1/5，不僅能縮短測(cè)試時(shí)間避免煙絲水分散失對(duì)測(cè)量結(jié)果真實(shí)性的影響，還能夠簡(jiǎn)化人工操作避免煙用膠棒混入切后煙絲而造成的生產(chǎn)事故；②煙絲快速測(cè)量?jī)x對(duì)于傳統(tǒng)煙絲、膨脹煙絲、薄片煙絲的煙絲寬度測(cè)量具有較高的準(zhǔn)確性，能夠滿(mǎn)足日常卷煙工業(yè)生成所用煙絲類(lèi)型的測(cè)量；③煙絲寬度快速測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果可以對(duì)不同切絲機(jī)不同切絲參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，進(jìn)而指導(dǎo)日常制絲工藝生產(chǎn)。1王建民.煙堿/焦油比與卷煙吸味品質(zhì)之間的關(guān)系［J］.煙草科技，2002（5）：8～10.2趙國(guó)慶.膠棒檢測(cè)法在梗絲厚度測(cè)試中的應(yīng)用［C］//2010年中國(guó)煙草學(xué)會(huì)工業(yè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)煙草工藝學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.青島：中國(guó)煙草學(xué)會(huì)工業(yè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2010：139～141.3王淑蓉.一種基于自適應(yīng)技術(shù)的二維平面采樣方法：中國(guó)，CN201310231667.8［P］.2011—11—02.4胡松.一種基于邊緣檢測(cè)的生物芯片樣點(diǎn)識(shí)別方法：中國(guó)，CN201110006888.6［P］.2011—01—10.5鐘玲娜.一種用于高精度數(shù)據(jù)