基于软X射线的条包缺支检测技术设计与应用

【摘 要】本文针对ZB45包装机生产过程中，出现的条包缺包、缺支的烟条进行检测。通过对软X射线的研究，设计一套检测装置，实现条包缺包、缺支的烟条自动检出，避免了缺陷条烟流入下道工序造成的产品质量反馈。

【关键词】ZB45；软X射线；自动检出

卷包车间包装小盒缺支缺陷，属于X类质量缺陷。目前行业内在线缺支常规检测方式为：在 “支入包”工位模盒处加装“缺支检测器”。但该工位检测非终端检测，且该工艺流程后也再无复检设备。因此，仍可能有漏检的小盒缺支缺陷烟条流入市场的风险。在实际生产中，通过自检也发现了烟包存在缺支现象，而且频次较高。

为了解决漏检问题，国内各卷烟厂普遍选择在包装机产线终端安装光电式条烟缺支检测器。然而，普通光电式检测器电离辐射强，对周边长时间工作操作、维修、检验人员伤害大。为了彻底解决这一难题，需要一种稳定高效安全的终端检测设备，实现小盒缺支缺陷烟条的检测。

1检测装置的设计与安装

1.1系统功能研究

系统应有完备的工控机、触摸屏、X射线发射系统、射线接收成像系统及控制系统组成，构成完整的X射线产生、接收、成像、图像处理以及相关I/O信号控制整套系统。

待检条烟通过传送机构间歇性向前移动（每条烟之间存在间隙），当待检测条烟到达检测区域时，光电传感器检测到条烟到位，系统进行检测。

1.2软X射线原理

主控制板通过高压控制信号控制高压电源工作，产生高压驱动X射线管发射出X射线。利用光子对烟支水分感应原理，及光子在特定条件下产生弥漫特征。当条烟内上层烟包缺失，下层烟包不缺失时，信号量级可达到1/2变化量。

X射线穿透烟支到达射线传感器并生成图像，经过图像采集卡将图像发送给工业计算机。图像处理软件在工业计算机上运行，实时分析当前接收到的图像，确定当前烟支是否有缺支现象，并将分析结果通知给主控制板。

1.3光子透射成像技术的研究

利用光子穿透物体时具有衰减的特性，用探测器检测弱光子穿透烟条后的强度进行判定，正常X射线成像即是基于这一效应。要做到空盒、缺支检测，X射线投射方向必须与烟盒运动方向垂直，与烟支长度方向一致。且为减少辐射量，射线管产生的射线呈宽度较小的片状区域，在高度上全程覆盖烟盒的厚度，而在宽度上仅覆盖烟盒的一小部分，相当于射线对烟盒进行了切片透射。当烟盒随传送带在检测区域内移动时，射线持续发射，从而形成对整个烟盒的全程切片扫描。当烟盒通过后，射线管即关闭发射。

传统双光子缺包检测原理：

传统光子检测采用2支光电池接收光子信号，属于一维信号采样，一维波形信号对缺陷反映不全面不直观，检测盲区大，这种检测原理上对缺包缺陷可以检测出来，但是对于缺支缺陷，分辨率是不够。本新型光子缺包、缺支图像检测器采用线阵探测器接收光子信号，一个线阵探测器由沿直线分布的几十到数百个传感器单元组成，在烟条剖面上，不同衰减程度的软x射线被线阵探测器接收并转换成可见光，经过光电转换产生电信号。由于线阵探测器接收到的射线能量的差异，经由信号处理器处理后，电信号被转换为像素灰度值不同、层次存在差异的软X射线图像。经过处理后，线阵探测器就得到完整的烟条透视图像，因此这种方式属于二维信号检测。

烟条移动方向连续扫描光子信号这种检测方式采集的烟条信息完整，不存在烟条检测死角和盲区，检测精度高，信号处理基于图像分析算法，观察和调整直观方便。

1.4图像算法的逻辑

1.4.1图像采集

设备运行前，需对软X射线源进行训管操作。采用线阵光子信号探测传感器，传感器长度覆盖条烟宽度，通过条烟的连续运动完成整条烟的透视图像采集。当烟支轴心与软X射线光束垂直时，得到的烟支射线图像清晰，成像效果最好。当轴心与软X射线光束平行或轴心与软X射线光束存在一定的夹角时，烟支透射层过厚，得到的烟支软X射线图像结构不清晰。因此，采集烟支软又射线图像前，需保证烟条轴心与软X射线光束平行。

1.4.2图像平滑去噪

系统采集的烟条扫描图像数据，由于各种原因引入的不希望的随机变化或干扰，导致图像质量下降。噪声可以出现在图像的亮度、和纹理等方面，对图像分析、计算机视觉和图像处理任务造成困难。为了减少或消除图像中的噪声，采用不同类型的滤波算法进行比较，得出高斯滤波的去噪效果最佳。因此，采用高斯滤波对采集的图像进行去噪。

1.4.3图像增强

软X射线成像受射线强度、环境和元器件制造工艺的影响，图像质量普遍较低，对比度不佳。项目组采用灰度变换和边缘灰度值增强算法，对去噪后的软X射线图像进行增强。

1.4.4图像处理算法

系统实时采集透视图像数据，检测图像有变化时开始收集条烟数据，直到烟支运行结束，形成一个条烟的透视图像，并发送给图像处理板。采集一定数量的合格条烟图像，形成合格条烟参数模板进行建模。利用BLOB分析，对缺陷特征进行提取。

2光子型条缺支智能检测器外观设计

对于S型提升机上的安装，本检测装置设计了检测主机、取烟装置、取烟定位传感器及编码器装置。检测主机加装防护功能，报警灯环状一体化设计。采用轴编码器与输送带同步运转，结合定位信号，准确判断烟条位置，针对烟条进行不间断检测。

3安全研究

辐射的本质是能量，所以在达到检测效果的前提之下，使用尽可能低的能量的X射线，所产生的辐射强度就越低，就越容易进行有效防护。

软X射线（也称弱光子）是介于紫外线和y射线之间的电磁波，波长范围在10纳米到100纳米，医用级光子，能量低，安全稳定。

同时遵循电离辐射防护基本三原则：实践的正当性、辐射最优化、个人计量限值。同时检测设备的防护属于外照射的防护方法，需要从时间、距离、屏蔽三个方向做好防护。而设备本身的防护原理就需要从做好屏蔽这个方面展开。

4效果验证

为检验烟支缺支检测系统性能，项目组对4#ZB45包装机2023年9月11～16与18～23日12个班次系统的稳定性、检出次数、误检次数等指标进行统计。检测时烟支通过传送机构输送的运行速度为40条/min（步进间歇运动）。

其具体数据如下表：

从上述统计表可以看出，在安装使用条包缺支检测装置后，4#ZB45包装机缺陷烟包均可有效检出，误检次数较低。

5结束语

基于软X射线的条包缺支检测装置检测系统、显示系统、停机系统均能有效使用，杜绝了条烟缺支、缺包等不良产品流入下道工序，保证产了品质量。

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