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摘 要： 摘 要:分析比較了目前國內(nèi)卷煙企業(yè)剔除煙草異物所運(yùn)用的技術(shù)，詳細(xì)闡述了基于激光分揀技術(shù)異物剔除系統(tǒng)的原理和優(yōu)點(diǎn)。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，其能夠在較低誤剔率的情況下對煙草物料中所含異物進(jìn)行高效可靠地剔除，很好地滿足卷煙企業(yè)有效凈化煙草物料的使用需
摘 要:分析比較了目前國內(nèi)卷煙企業(yè)剔除煙草異物所運(yùn)用的技術(shù)，詳細(xì)闡述了基于激光分揀技術(shù)異物剔除系統(tǒng)的原理和優(yōu)點(diǎn)。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，其能夠在較低誤剔率的情況下對煙草物料中所含異物進(jìn)行高效可靠地剔除，很好地滿足卷煙企業(yè)有效凈化煙草物料的使用需求。
關(guān)鍵詞:煙草; 激光分揀技術(shù); 異物剔除系統(tǒng)
0 引言
隨著生活水平的提高，消費(fèi)者對食品的安全和質(zhì)量問題越來越關(guān)心，特別是卷煙產(chǎn)品，作為一種直接燃吸的消費(fèi)品，某些異物直接燃燒后產(chǎn)生的異味和有害成分不僅影響卷煙品質(zhì)，甚至?xí)䦟οM(fèi)者身體造成嚴(yán)重危害。因此，卷煙企業(yè)對異物剔除系統(tǒng)的效率和可靠性提出了更高的要求。
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煙草中的異物主要有金屬、麻繩、紙片、塑料薄膜、橡膠、羽毛、木頭、霉變煙葉等。二〇〇〇年之前，國內(nèi)絕大多數(shù)煙草企業(yè)剔除煙草異物除了采用人工挑選的方式外，也配置機(jī)械式除雜設(shè)備，如除麻機(jī)、金探器、風(fēng)選機(jī)等，但這些方式均是針對某一特定異物進(jìn)行剔除，無法做到涵蓋煙草中的所有異物[1]。隨著科技進(jìn)步，國內(nèi)部分煙草企業(yè)從歐美國家引進(jìn)了攝像除雜機(jī)，從使用效果來看，攝像除雜技術(shù)存在當(dāng)異物的顏色與煙草相同或相似時(shí)無法識別出異物等缺點(diǎn)，而基于激光分揀技術(shù)的激光除雜系統(tǒng)則可剔除與煙草顏色相同或相似的異物[2]。
1 國內(nèi)卷煙企業(yè)異物剔除主要方式
目前，應(yīng)用于煙草企業(yè)異物剔除的方式主要有攝像除雜技術(shù)和激光分揀技術(shù)等。這兩種方式在檢測原理上有所不同，剔除效果也各異，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表 1 所示。
2 激光除雜系統(tǒng)組成激光除雜系統(tǒng)的組成
示意圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)主要由 5 個(gè)部分組成[4]: 1) 物料單層化處理裝置; 2) 激光發(fā)生及掃描裝置; 3) 物料信息采集系統(tǒng); 4) 實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng); 5) 異物剔除系統(tǒng)[3]。
3 激光除雜系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)
當(dāng)激光束照射在物質(zhì)上時(shí)會發(fā)生不同的物理現(xiàn)象，比如選擇性吸收、反散射、熒光效應(yīng)等，利用這些現(xiàn)象可以用來對產(chǎn)品進(jìn)行顏色分揀、結(jié)構(gòu)分揀以及熒光分揀，達(dá)到識別和剔除異物的目的。
3.1 顏色分揀
不同物質(zhì)對不同波長單色光的反射和吸收強(qiáng)度是有差異的，而物質(zhì)能夠呈現(xiàn)不同的顏色，則是其對不同波長的單色光有選擇地進(jìn)行吸收而產(chǎn)生的。一束白光通過某種有色物質(zhì)時(shí)，特定波長的單色光被物質(zhì)吸收，而其他波長的光透過或反射，這時(shí)物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色取決于透過或反射的混合光的顏色，如復(fù)烤后的煙葉被白光照射時(shí)強(qiáng)烈吸收綠光，綠色和紅色波長的光被吸收，而黃色波長的光被反射，這就是為什么煙葉對人們來說是黃色的原因[2]。
顏色分揀過程中，探測器探測的主要是紅、綠、藍(lán)激光照射物質(zhì)后物質(zhì)反射或透出的光，根據(jù)接收到的光信號強(qiáng)弱來識別顏色差異較大的合格產(chǎn)品和異物。圖 2a) 中，紅色的激光照射在紅色物質(zhì)上后，大部分的紅光被物質(zhì)反射至探測器，則系統(tǒng)探測到一個(gè)高電平的信號; 而當(dāng)紅色激光照射到綠色物質(zhì)上后，大部分的紅光被物質(zhì)吸收，探測器只能探測到較弱的低電平信號。圖 2b) 中，綠色的激光照射在紅色物質(zhì)上后，大部分的綠光被物質(zhì)吸收，探測器則探測到一個(gè)較弱的低電平信號; 而當(dāng)綠色激光照射到綠色物質(zhì)上后，大部分的綠光被物質(zhì)反射至探測器，則系統(tǒng)探測到一個(gè)高電平的信號。圖 2c) 中，藍(lán)色的激光照射在黃色物質(zhì)上后，大部分的藍(lán)光被物質(zhì)吸收，探測器則探測到一個(gè)較弱的低電平信號; 而當(dāng)藍(lán)色激光照射到藍(lán)色物質(zhì)上后，大部分的藍(lán)光被物質(zhì)反射至探測器，則系統(tǒng)探測到一個(gè)高電平的信號( 因本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者) 。
通過探測到的信號強(qiáng)弱，并輔以一些算法，最終剔除顏色與合格產(chǎn)品有差異的異物。
3.2 結(jié)構(gòu)分揀
結(jié)構(gòu)分揀是基于被檢測物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疏密程度進(jìn)行的分揀。如圖 3 所示，當(dāng)紅外激光照射到物質(zhì)上時(shí)，由于物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上的差異會產(chǎn)生不同強(qiáng)度的散射光斑，探測器根據(jù)探測到的散射光強(qiáng)度的不同從而識別出異物。結(jié)構(gòu)分揀就是利用這種原理來達(dá)到剔除結(jié)構(gòu)與合格產(chǎn)品有差異的異物的目的。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需要在探測器前設(shè)置濾光元件，比如透光孔、透光環(huán)等，使得合格產(chǎn)品和異物表面散射強(qiáng)度的差異更加明顯。如圖 4 所示，針對散射光有兩種探測方法，區(qū)別是所加的濾光元件不同，圖 4a) 中濾光板的透光區(qū)域是一個(gè)環(huán)，環(huán)的外徑略小于探測器探測區(qū)域尺寸，內(nèi)徑約為激光光斑直徑的 1.5 倍左右，紅外激光照射物料后物料反射的光透過環(huán)后由探測器接收。圖 4b) 中濾光板的透光區(qū)域是一個(gè)小孔，小孔的直徑遠(yuǎn)小于探測器探測區(qū)域尺寸，約為激光光斑直徑的 1.5 倍左右，紅外激光照射物料后物料反射的光透過小孔后由探測器接收[5]。
圖 4a) 中，紅外激光照射在結(jié)構(gòu)疏松的物質(zhì)上時(shí)，會在入射點(diǎn)光斑外圍產(chǎn)生散射光暈，這些反射光透過濾光板中間的環(huán)后到達(dá)探測器，會探測到較多的光，得到高電平信號; 而當(dāng)入射光照射在結(jié)構(gòu)緊密的物質(zhì)上時(shí)，不易產(chǎn)生散射光暈，此時(shí)透過濾光板中間的環(huán)到達(dá)探測器的光較少，得到低電平信號。圖 4b) 中，紅外激光照射在結(jié)構(gòu)疏松的物質(zhì)上時(shí)，入射點(diǎn)光斑外圍的散射光暈極少能通過濾光板中間的小孔到達(dá)探測器，探測器僅探測到光斑處的小部分反射光，從而得到低電平信號; 而當(dāng)入射光照射在結(jié)構(gòu)緊密的物質(zhì)上時(shí)，不易產(chǎn)生散射光暈，此時(shí)光斑處的反射光絕大部分透過濾光板中間的小孔到達(dá)探測器，得到高電平信號。
3.3 熒光分揀
常溫物質(zhì)被某種波長的入射光照射后，吸收光子能量進(jìn)入激發(fā)態(tài)并立即被觸發(fā)，輻射出比入射光波長更長的出射光( 通常出射光的波長在可見光波段) ; 而且入射光一旦停止照射，發(fā)光現(xiàn)象也會立即消失，這種出射光就被稱為熒光[6]。
對于綠色植物來說，部分被葉綠素吸收的光是作為熒光重發(fā)射的，這是因?yàn)槲盏墓馔ǔＳ糜陂_啟光合作用，而未被用于光合作用的光則會消退。使用激光照射激發(fā)物質(zhì)時(shí)，葉綠素含量不同時(shí)能夠得到不同的熒光光譜，如圖 5 所示。激光照射到煙葉與異物( 塑料、橡膠、羽毛等不含葉綠素物質(zhì)) 時(shí)，探測器能探測到煙葉發(fā)出的較強(qiáng)熒光而得到較強(qiáng)的電平信號，而異物不能發(fā)出熒光( 因不含葉綠素) ，所以探測器不能探測到熒光。熒光分揀正是利用這個(gè)原理來實(shí)現(xiàn)對綠色植物中不含葉綠素異物的剔除。
4 應(yīng)用效果
為測試激光除雜系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果，根據(jù)菲利普莫里斯國際、英美煙草、帝國煙草集團(tuán)、日本煙草集團(tuán)和 Von Eicken 在煙草行業(yè)指引中所定的評估煙草光學(xué)分選機(jī)效率的方法[7]對某卷煙企業(yè)的攝像除雜系統(tǒng)及激光除雜系統(tǒng)的除雜率和誤剔率進(jìn)行對比測試，結(jié)果見表 2。
由表 2 可見，兩個(gè)系統(tǒng)的誤剔率基本相同，但是激光除雜系統(tǒng) 96.33%的剔除率遠(yuǎn)高于攝像除雜系統(tǒng) 85.67% 的剔除率。后者剔除率偏低是由于其對褐色繭狀物、黃色絕緣泡沫及黃褐色紙板等與煙葉顏色相同或相似異物的剔除率較低造成的。
4 結(jié)語
從實(shí)際應(yīng)用效果來看，基于激光分揀技術(shù)的煙草異物除雜系統(tǒng)利用選擇性吸收、反散射和熒光效應(yīng)等激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，具有除顏色分揀之外的結(jié)構(gòu)分揀和熒光分揀功能，在較低誤剔率情況下剔除率達(dá)到 96%以上，有著其他異物剔除技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。但該系統(tǒng)一次性投資成本較大，有待國內(nèi)異物剔除設(shè)備研發(fā)制造企業(yè)在消化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，降低采購及使用成本。——論文作者：楊俊杰，陶文華