發布時間：2020-09-26所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要:分析比較了目前國內卷煙企業剔除煙草異物所運用的技術，詳細闡述了基于激光分揀技術異物剔除系統的原理和優點。從實際應用效果來看，其能夠在較低誤剔率的情況下對煙草物料中所含異物進行高效可靠地剔除，很好地滿足卷煙企業有效凈化煙草物料的使用需
摘 要:分析比較了目前國內卷煙企業剔除煙草異物所運用的技術，詳細闡述了基于激光分揀技術異物剔除系統的原理和優點。從實際應用效果來看，其能夠在較低誤剔率的情況下對煙草物料中所含異物進行高效可靠地剔除，很好地滿足卷煙企業有效凈化煙草物料的使用需求。
關鍵詞:煙草; 激光分揀技術; 異物剔除系統
0 引言
隨著生活水平的提高，消費者對食品的安全和質量問題越來越關心，特別是卷煙產品，作為一種直接燃吸的消費品，某些異物直接燃燒后產生的異味和有害成分不僅影響卷煙品質，甚至會對消費者身體造成嚴重危害。因此，卷煙企業對異物剔除系統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，國內絕大多數煙草企業剔除煙草異物除了采用人工挑選的方式外，也配置機械式除雜設備，如除麻機、金探器、風選機等，但這些方式均是針對某一特定異物進行剔除，無法做到涵蓋煙草中的所有異物[1]。隨著科技進步，國內部分煙草企業從歐美國家引進了攝像除雜機，從使用效果來看，攝像除雜技術存在當異物的顏色與煙草相同或相似時無法識別出異物等缺點，而基于激光分揀技術的激光除雜系統則可剔除與煙草顏色相同或相似的異物[2]。
1 國內卷煙企業異物剔除主要方式
目前，應用于煙草企業異物剔除的方式主要有攝像除雜技術和激光分揀技術等。這兩種方式在檢測原理上有所不同，剔除效果也各異，具有各自的優缺點，如表 1 所示。
2 激光除雜系統組成激光除雜系統的組成
示意圖如圖 1 所示。該系統主要由 5 個部分組成[4]: 1) 物料單層化處理裝置; 2) 激光發生及掃描裝置; 3) 物料信息采集系統; 4) 實時圖像處理系統; 5) 異物剔除系統[3]。
3 激光除雜系統技術實現
當激光束照射在物質上時會發生不同的物理現象，比如選擇性吸收、反散射、熒光效應等，利用這些現象可以用來對產品進行顏色分揀、結構分揀以及熒光分揀，達到識別和剔除異物的目的。
3.1 顏色分揀
不同物質對不同波長單色光的反射和吸收強度是有差異的，而物質能夠呈現不同的顏色，則是其對不同波長的單色光有選擇地進行吸收而產生的。一束白光通過某種有色物質時，特定波長的單色光被物質吸收，而其他波長的光透過或反射，這時物質呈現的顏色取決于透過或反射的混合光的顏色，如復烤后的煙葉被白光照射時強烈吸收綠光，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、藍激光照射物質后物質反射或透出的光，根據接收到的光信號強弱來識別顏色差異較大的合格產品和異物。圖 2a) 中，紅色的激光照射在紅色物質上后，大部分的紅光被物質反射至探測器，則系統探測到一個高電平的信號; 而當紅色激光照射到綠色物質上后，大部分的紅光被物質吸收，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上后，大部分的綠光被物質吸收，探測器則探測到一個較弱的低電平信號; 而當綠色激光照射到綠色物質上后，大部分的綠光被物質反射至探測器，則系統探測到一個高電平的信號。圖 2c) 中，藍色的激光照射在黃色物質上后，大部分的藍光被物質吸收，探測器則探測到一個較弱的低電平信號; 而當藍色激光照射到藍色物質上后，大部分的藍光被物質反射至探測器，則系統探測到一個高電平的信號( 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弱，并輔以一些算法，最終剔除顏色與合格產品有差異的異物。
3.2 結構分揀
結構分揀是基于被檢測物料內部結構的疏密程度進行的分揀。如圖 3 所示，當紅外激光照射到物質上時，由于物質在結構上的差異會產生不同強度的散射光斑，探測器根據探測到的散射光強度的不同從而識別出異物。結構分揀就是利用這種原理來達到剔除結構與合格產品有差異的異物的目的。該技術的實現，需要在探測器前設置濾光元件，比如透光孔、透光環等，使得合格產品和異物表面散射強度的差異更加明顯。如圖 4 所示，針對散射光有兩種探測方法，區別是所加的濾光元件不同，圖 4a) 中濾光板的透光區域是一個環，環的外徑略小于探測器探測區域尺寸，內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后由探測器接收。圖 4b) 中濾光板的透光區域是一個小孔，小孔的直徑遠小于探測器探測區域尺寸，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，紅外激光照射在結構疏松的物質上時，會在入射點光斑外圍產生散射光暈，這些反射光透過濾光板中間的環后到達探測器，會探測到較多的光，得到高電平信號; 而當入射光照射在結構緊密的物質上時，不易產生散射光暈，此時透過濾光板中間的環到達探測器的光較少，得到低電平信號。圖 4b) 中，紅外激光照射在結構疏松的物質上時，入射點光斑外圍的散射光暈極少能通過濾光板中間的小孔到達探測器，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; 而當入射光照射在結構緊密的物質上時，不易產生散射光暈，此時光斑處的反射光絕大部分透過濾光板中間的小孔到達探測器，得到高電平信號。
3.3 熒光分揀
常溫物質被某種波長的入射光照射后，吸收光子能量進入激發態并立即被觸發，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，發光現象也會立即消失，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射的，這是因為吸收的光通常用于開啟光合作用，而未被用于光合作用的光則會消退。使用激光照射激發物質時，葉綠素含量不同時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) 時，探測器能探測到煙葉發出的較強熒光而得到較強的電平信號，而異物不能發出熒光( 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原理來實現對綠色植物中不含葉綠素異物的剔除。
4 應用效果
為測試激光除雜系統實際應用效果，根據菲利普莫里斯國際、英美煙草、帝國煙草集團、日本煙草集團和 Von Eicken 在煙草行業指引中所定的評估煙草光學分選機效率的方法[7]對某卷煙企業的攝像除雜系統及激光除雜系統的除雜率和誤剔率進行對比測試，結果見表 2。
由表 2 可見，兩個系統的誤剔率基本相同，但是激光除雜系統 96.33%的剔除率遠高于攝像除雜系統 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 結語
從實際應用效果來看，基于激光分揀技術的煙草異物除雜系統利用選擇性吸收、反散射和熒光效應等激光與物質相互作用產生的物理現象，具有除顏色分揀之外的結構分揀和熒光分揀功能，在較低誤剔率情況下剔除率達到 96%以上，有著其他異物剔除技術無法比擬的優勢。但該系統一次性投資成本較大，有待國內異物剔除設備研發制造企業在消化吸收國外技術的基礎上開發出具有自主知識產權的產品，降低采購及使用成本。——論文作者：楊俊杰，陶文華
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