基于三角測量的卷煙包裝密封度無損檢測方法

徐永敏 白鵬翔 吳主峰 雷 冬

(1. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210019；2. 南京大樹智能科技股份有限公司，江蘇 南京 211103)

卷煙作為一種將煙葉干燥加工后使用的商品，包裝的密封嚴密程度對卷煙的含水率與揮發(fā)性氣味物質(zhì)有直接影響，因此對包裝的密封性有著較高的需求。在市面上通常采用具有良好阻隔作用的煙用BOPP薄膜進行密封，防止卷煙水分流失，或是吸潮變質(zhì)[1-2]。包裝密封度是反映包裝密封性能的重要參數(shù)，也是評價卷煙包裝質(zhì)量的重要指標[3-4]。卷煙生產(chǎn)過程中，可能造成卷煙包裝密封性不足的原因較多，例如薄膜折疊成型或在煙包輸送到烙鐵燙貼的過程中會發(fā)生薄膜褶皺、松弛、燙貼有氣泡、切合面不緊實、BOPP膜規(guī)格使用不當?shù)萚5]。當密封度較差的卷煙包裝在市場流通的過程當中，受到環(huán)境的影響較大，尤其是在高溫高濕或是氣候干燥地區(qū)，卷煙容易出現(xiàn)黃斑或是干裂等問題，影響卷煙口味，進而影響消費者體驗[6-7]。目前卷煙包裝氣密性檢測多采用充氣式檢測方法[8-9]，該法能夠快速了解卷煙包裝內(nèi)部高壓狀態(tài)下BOPP薄膜熱封后的密封性能，同時操作簡單，方便在工業(yè)化生產(chǎn)中進行抽樣檢查。也有研究者[10]采用負壓抽氣法對卷煙包裝密封性進行檢測。上述的兩種方法都需要對卷煙包裝表面穿孔，會對卷煙包裝造成不可逆?zhèn)?，進而影響卷煙在檢測過后的銷售，因而無法在工業(yè)生產(chǎn)過程中進行大范圍推廣與使用，只能采用抽檢方式進行。研究出一種在不損傷卷煙包裝的前提下對卷煙包裝密封性能進行檢測的設(shè)備不僅能夠大量避免卷煙產(chǎn)品的浪費，同時能夠追蹤卷煙包裝的品質(zhì)，實現(xiàn)對卷煙產(chǎn)品自包裝源頭開始進行產(chǎn)品質(zhì)量追蹤。但是直到現(xiàn)在還沒有提出一種適合在工業(yè)生產(chǎn)中大范圍推廣使用的無損檢測方法。

當擁有一定氣體物質(zhì)量的氣球隨著外部氣壓的降低，氣球的體積會逐漸降低[11]。當外部環(huán)境氣壓穩(wěn)定的狀況下氣球尾部充氣孔打開時，隨著充氣孔直徑增加氣球體積變化速率增加。根據(jù)這一基本現(xiàn)象，設(shè)計一套通過觀察密封包裝體積變化，推測其有效泄漏孔直徑的方法和裝置[12-14]。而三角測量作為一種被廣泛應(yīng)用于物體三維形貌測量的光學(xué)測量手段，能夠在不接觸試件的情況下，準確測量出試件的三維形貌以及變化后形貌特征，解決卷煙包裝體積變化測量的需求。研究擬采用數(shù)字圖像與三角測量相結(jié)合的方式，建立一種卷煙包裝密封性無損檢測方法，以期為快速無損檢測卷煙包裝密封度提供支持。

1 檢測原理

非接觸負壓卷煙包裝體積檢測裝置主要由計算機、串口控制板、負壓泵、CCD相機、特征點投影裝置、負壓倉等部件組成(見圖1)。通過計算機設(shè)置檢測參數(shù)、采集數(shù)據(jù)并計算檢測結(jié)果。檢測時首先通過計算機向串口控制板發(fā)送控制信號，負壓泵接收到串口控制板信號后開始工作。測試過程中負壓泵持續(xù)抽出倉內(nèi)氣體，負壓倉內(nèi)形成低壓，由于試件內(nèi)部氣壓與負壓倉內(nèi)氣壓出現(xiàn)差值，試件內(nèi)部氣體對其密封包裝產(chǎn)生垂直于包裝向外的壓應(yīng)力，導(dǎo)致試件膨脹。如試件存在泄漏，由于泄漏程度不同試件的體積膨脹程度也不同，泄露孔越大泄漏速率越快，通過記錄試件在檢測過程中發(fā)生的離面位移與泄漏孔之間的關(guān)系，可推算出泄漏孔面積。由于研究使用圓形破壞孔，在之后的內(nèi)容中將以破壞孔直徑代替面積進行表示。

1.計算機 2.CCD相機 3.特征點投影裝置 4.負壓倉 5.試件 6.串口控制板 7.負壓泵 8.負壓管圖1 非接觸負壓卷煙包裝體積檢測裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of non-contact negative pressure cigarette box volume detection device

圖2為斜射型散斑投影三角法的光路圖。散斑投影器發(fā)射一束散斑投影到試件表面，該散斑投影與試件表面的法線平行，由于試件表面不可能絕對光滑，所以部分散斑投影會出現(xiàn)漫反射，通過在光電檢測器前放置一個透鏡進行成像匯聚，使發(fā)生漫反射的散斑投影在光傳感器上匯聚成一個光斑，試件發(fā)生位移時，光斑也會發(fā)生位移，根據(jù)位移值、入射散斑投影和漫反射散斑投影的夾角θ、像距a和物距b等參數(shù)可以求出試件表面的位移值。散斑投影三角法測距主要有直射型三角法測距和斜射型三角法測距。其區(qū)別為：斜入射法散斑投影光線與成像光軸垂直；垂直入射法散斑投影光線垂直于入射平面。斜射光光斑小，光強集中，測量過程中設(shè)置方法簡單，傳感頭結(jié)構(gòu)易于做到小而緊湊，工程上應(yīng)用較多。文中以斜射型散斑投影三角法為代表進行分析。

1.CCD感光元件 2.特征散斑投影儀 3.成像透鏡 4.聚光透鏡 5.參考平面 6.測量平面圖2 斜射型三角法測量原理示意圖Figure 2 Schematic diagram of oblique triangulation measurement principle

圖3為斜射型散斑投影三角法的光路圖。散斑投影器發(fā)射一束散斑投影到試件表面，該散斑投影與試件表面的法線平行，散斑投影照射點為A，經(jīng)過漫反射與透鏡O的匯聚作用，散斑投影在感光芯片上匯聚成光斑的位置為B。隨后試件表面發(fā)生位移y，散斑投影入射角度不變，散斑投影照射物體表面的位置為A'，在感光芯片上匯聚光斑位置隨著物體表面位置改變而改變，此時的位置變?yōu)锽'，感光芯片上光斑位置在一定范圍內(nèi)與物體表面位置一一對應(yīng)。

1.成像透鏡 2.特征散斑投影儀 3.聚光透鏡圖3 斜射型三角測量法原理示意圖Figure 3 Schematic diagram of oblique triangulation method

要求出物體表面的位移值y，根據(jù)三角形相似，有:

(1)

又由于A'P=APtanθ，B'B=x，得：

(2)

求得：

(3)

感光芯片采集數(shù)據(jù)后，通過對特征點的追蹤確定監(jiān)測物體的離面位移[15-17]。對數(shù)據(jù)全集進行統(tǒng)計，最終可以獲得物體變形情況。

2 確定研究方法

2.1 方法驗證

方法驗證需要確定采集參數(shù)對測試結(jié)果的影響，可使用透明薄膜材料對GDX型號卷煙包裝BOPP薄膜熱封處[18]進行加固，確保卷煙包裝在密封加固后無泄漏點。之后在加固過的卷煙包裝中選出一半試驗樣本作為對照組，對試驗組加固卷煙包裝頂部熱封區(qū)正中心分別穿刺直徑為0.5 mm的泄漏孔，通過調(diào)節(jié)加載過程中的采集時間和負壓加載速率，用于驗證檢測方法的可行性。

試驗開始前，使用平移臺[17]與白板對設(shè)備進行標定。將白板置于平移臺上，通過向白板投射數(shù)字散斑后，白板每向后移動1 mm，即刻采集一張灰度圖，總計移動15 mm，試驗進行3次。經(jīng)過計算獲得白板每移動1 mm，白板上的特征點就會移動約6.579個像素，即離面位移對圖像中特征點的移動比值為0.152 mm/像素。再對白板進行4次試驗測試發(fā)現(xiàn)，此結(jié)果偏差在±2.63%，見表1。由此可見，研究中所搭建的非接觸小和包裝密封度檢測系統(tǒng)準確度良好。

表1 標定數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Calibration data statistics

2.2 關(guān)鍵參數(shù)對測試結(jié)果的影響

2.2.1 加載時間 將負壓泵的抽氣流速調(diào)整為600 mL/min，隨著加載時間的增加，負壓倉內(nèi)的氣體逐漸減少，如卷煙包裝熱封膜不存在泄漏，其離面位移最大值會隨加載時間的增加而增加；如卷煙包裝存在泄漏，由于卷煙包裝內(nèi)氣體受到氣壓影響，在加載過程中卷煙包裝內(nèi)部氣體會從泄漏孔不斷流出，當卷煙包裝內(nèi)部氣壓與負壓倉內(nèi)氣壓達到動態(tài)平衡后，卷煙包裝的體積不再發(fā)生變化。通過表2可知，密封度強化卷煙包裝會隨著加載時間的增加，最大離面位移逐漸增加，停止加載后最大離面位移下降率基本保持不變。而有著0.5 mm直徑泄漏孔的卷煙包裝，最大離面位移統(tǒng)一保持在2.3 mm左右。相同加載時間下，最大離面位移差距越大能夠預(yù)留更多的分類空間，為之后確定不同泄漏孔直徑與最大離面位移之間的關(guān)系提供幫助。通過觀察采集卷煙包裝體積變化過程中最大離面位移能夠?qū)Σ煌孤┣闆r進行更好的區(qū)分，加載時間越長效果就越好，但是加載時間超過10 s不僅對計算機處理數(shù)據(jù)的能力產(chǎn)生考驗，同時增加了數(shù)據(jù)存儲成本。為了能夠與實際生產(chǎn)過程相契合，采取加載時間10 s進行后續(xù)試驗。

表2 各類樣品測得試驗數(shù)據(jù)?Table 2 Experimental data of various samples

2.2.2 負壓加載速度 將加載時間固定為10 s，如表3所示，當負壓加載速度達到650～700 mL/min時無泄漏孔卷煙包裝隨著負壓加載速度的提升相對于負壓加載速度為600 mL/min開始放緩，而存在泄漏孔卷煙包裝無論流速如何發(fā)生變化，對體積變化的影響均較小。由此可知，10 s內(nèi)使最大離面位移達到最大值的負壓加載速度在600～650 mL/min。需要注意對卷煙包裝施加負壓載荷的過程中，卷煙紙盒與BOPP薄膜之間空隙縮小，最后會影響卷煙包裝內(nèi)的氣體溢出速率，進而影響最后的試驗結(jié)果。為了避免負壓加載速度過快導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，在上述試驗獲得結(jié)果上，后續(xù)試驗使用600 mL/min流速進行加載。

表3 各類樣品受到負壓加載速度的影響?Table 3 Effects of negative pressure loading speed on various samples

3 結(jié)果與討論

3.1 無泄漏孔卷煙包裝表面變形分析

樣品測試時，由于提升了密封性，當外部氣壓小于內(nèi)部氣壓時卷煙包裝會逐漸膨脹。圖4中的兩圖分別為密封度加固卷煙包裝與泄漏孔直徑0.6 mm卷煙包裝表面離面位移分布圖，特征點每一像素的水平移動代表卷煙包裝產(chǎn)生了0.152 mm的離面位移。由圖4(a)可知，膨脹過程中試件表面位移最大值出現(xiàn)在卷煙包裝開蓋部分，達到了5.183 mm。由于卷煙包裝表面存在不同程度的卷煙包裝開蓋側(cè)熱封區(qū)正中心BOPP薄膜分別穿刺直徑為0.5 mm的泄漏孔的試件。

圖4 無泄漏孔卷煙包裝與泄漏卷煙包裝表面離面位移分布圖Figure 4 Out of plane displacement distribution of cigarette case without leakage hole

花紋，會導(dǎo)致部分區(qū)域無法識別出特征點，導(dǎo)致無法計算出對應(yīng)的離面位移。通過將圖4(a)與圖4(b)進行對比，圖4(a)由于對密封性進行了提升，在負壓加載過程中，試件被測面離面位移最大達到了33.8像素。

3.2 有泄漏孔卷煙包裝表面變形分析

3.2.1 理論分析 圖5為試件受負壓荷載作用時內(nèi)部氣體的流動情況示意圖，考慮到測量卷煙包裝體積變化的實際目的是為了測量包裝卷煙包裝的密封薄膜存在多大的泄漏面積，故通過流體力學(xué)公式對結(jié)果進行理論計算。

根據(jù)伯努利方程，通過對卷煙包裝內(nèi)部氣體的勢能進行整理，得：

(4)

假設(shè)內(nèi)部氣體為理想氣體，不存在重力勢能，則式(4)可以簡化為：

(5)

u1.氣體從卷煙包裝中流出速度 u2.卷煙包裝內(nèi)氣體流速 P1.負壓倉內(nèi)氣壓 P2.卷煙包裝內(nèi)氣壓圖5 卷煙包裝內(nèi)部氣壓氣流與負壓倉氣壓示意圖Figure 5 Schematic diagram of air pressure in cigarette case and air pressure in negative pressure chamber

式中：

u1——氣體從卷煙包裝中流出速度，L/s；

u2——卷煙包裝內(nèi)氣體流速，L/s；

P1——負壓倉內(nèi)氣壓，Pa；

P2——卷煙包裝內(nèi)氣壓，Pa；

ρ——大氣壓強，1.013×105Pa。

由于卷煙包裝內(nèi)部存在較多阻隔物，假設(shè)u2的速度為0，可以根據(jù)式(6)計算出流出速度u1。

(6)

同時，在密封環(huán)境下氣體物質(zhì)的量是不變的，因此通過理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)，得出平衡方程：

n總RT=n抽出RT+P1(V1,0+ΔV)+P2(V2,0-ΔV)，

(7)

式中：

n總——整個密封艙內(nèi)存在的總氣體物質(zhì)的量，mol；

R——氣體普適常數(shù)；

T——結(jié)對溫度，K；

n抽出——測量過程中抽出的氣體物質(zhì)的量，mol；

V1,0——t=0時密封艙內(nèi)除去卷煙包裝的體積，L；

V2,0——t=0時卷煙包裝的體積，L；

ΔV——卷煙包裝體積變化量，L。

同時負壓倉內(nèi)存在的氣體物質(zhì)的量，即為負壓倉內(nèi)氣體物質(zhì)的量與卷煙包裝內(nèi)氣體物質(zhì)的量。由此可以得出：

P1,0V1,0+P2,0V2,0=n抽出RT+P1(V1,0+ΔV)+P2(V2,0-ΔV)，

(8)

式中：

P1,0——t=0時負壓倉內(nèi)氣壓，Pa；

P2,0——t=0時卷煙包裝內(nèi)氣壓，Pa。

根據(jù)式(9)可以計算出卷煙包裝內(nèi)氣壓P2。

(9)

引入孔流系數(shù)C0，就可以獲得有效泄漏面積A的公式：

(10)

式中：

C0——孔流系數(shù)，數(shù)值取0.61～0.62；

M——常溫常壓下空氣的摩爾質(zhì)量，2.9×10-2kg/moL。

再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程進行變換：

P2,0V2,0-P2(V2,0-ΔV)=ΔnRT。

(11)

假設(shè)時間變化足夠短，根據(jù)式(12)可以計算出有效泄漏面積A。

(12)

整個推導(dǎo)過程中需要測量的量分別為卷煙包裝體積變化量ΔV、抽出氣體總物質(zhì)的量n抽出和負壓倉內(nèi)氣壓P1。從上述推斷可知，有效泄漏面積與體積變化之間呈負相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析 根據(jù)推算原理可知，在加載時間與加載速度固定的情況下卷煙包裝的體積變化僅與泄漏孔直徑相關(guān)。分別設(shè)置了0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8 mm的泄漏孔直徑試樣(見表4)，對比了不同泄漏孔直徑在相同的負壓加載時間與相同的加載速度下卷煙包裝表面最大離面位移，并對各項數(shù)據(jù)的均值進行擬合。如圖6所示，泄漏孔直徑大小的差異對卷煙包裝最大離面位移的影響較為明顯。隨著泄漏孔直徑的增加卷煙包裝最大離面位移逐漸降低，與推算結(jié)果[式(12)]一致。對卷煙包裝膨脹過程中保持一定增長率的持續(xù)時間進行統(tǒng)計，如圖7所示?；谛孤┛字睆脚c增長率高于特定值持續(xù)時間相關(guān)系數(shù)達到了0.94，泄漏孔直徑不僅與卷煙包裝的最大離面位移相關(guān)，同時與保持一定增長率的持續(xù)時間擁有強相關(guān)。當泄漏孔直徑為0.2～0.4 mm時，泄露孔直徑與卷煙包裝最大離面位移以及保持一定增長率的持續(xù)時間的偏差較大，而隨著泄漏孔直徑的增加偏差逐漸減小。

圖6 泄漏孔直徑與卷煙包裝最大離面位移Figure 6 Leakage hole diameter and ma-ximum out of plane displacement of cigarette case packaging

圖7 泄漏孔直徑與增長率高于特定值持續(xù)時間Figure 7 Duration of leakage hole diameter and growth rate above specific value

表4 泄漏孔直徑與平均最大離面位移Table 4 Leakage hole diameter and average maximum out of plane displacement

如圖8所示，試驗開始的前2.0 s不同孔徑泄漏的卷煙包裝的最大離面位移區(qū)別不大，3.0 s后開始出現(xiàn)區(qū)別，但是0.3 mm與0.4 mm孔徑的區(qū)別不大，直到7.5 s左右，兩者之間才開始出現(xiàn)明顯差異。這可能是由于在負壓作用下卷煙包裝體積膨脹，卷煙包裝的紙質(zhì)包裝與BOPP薄膜之間接合更加緊密，泄漏孔孔徑較大的氣體泄漏較快，與無泄漏孔的卷煙包裝體積變化情況快速產(chǎn)生差別。但泄漏孔孔徑為0.2～0.4 mm時，無法快速泄漏，前7.0 s未出現(xiàn)較大差異。通過生產(chǎn)線中獲得的997組試驗數(shù)據(jù)驗證，該方法與生產(chǎn)線使用的方法檢測出不良品的吻合度達到88.1%。由于負壓倉內(nèi)負壓加載過快，一些特殊卷煙包裝表面材質(zhì)在加載過程中有可能出現(xiàn)BOPP薄膜與卷煙包裝之間接觸過于緊密，使得卷煙包裝內(nèi)部氣體無法溢出，現(xiàn)有測量參數(shù)還無法達到直接應(yīng)用于生產(chǎn)線中，由于僅對兩種特定品牌卷煙包裝進行測試，需要對不同試件包裝進行優(yōu)化，得到不同包裝所適合的測量參數(shù)，以確保對不同外包裝的測量準確性。

圖8 離面位移最大值點的位移情況Figure 8 Displacement at the point of maximum out of plane displacement

4 結(jié)論

試驗提出的基于三角測量原理的卷煙包裝密封度無損檢測方法，通過分析負壓環(huán)境下泄漏孔直徑范圍0.2～0.8 mm卷煙包裝體積變化與密封度之間的關(guān)系，實現(xiàn)了對卷煙包裝密封度快速無損的檢測，在保證包裝完整性的同時提升了檢測效率。但不同款式卷煙小盒表面花紋的差異可能會對該法的檢測結(jié)果造成影響，后續(xù)將針對不同包裝圖案進行改進，提升其在實際生產(chǎn)應(yīng)用中的準確度。