煙支重量微波檢測系統的分析與設計

高宏亮，高 潔，杜勁松，李 晉

（1. 中國科學院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2. 沈陽工業大學 電氣學院，沈陽 110023）

0 引言

煙支重量是卷煙質量中一項重要指標，卷煙生產中依靠卷煙機中的高速在線檢測系統進行控制。自20世紀80年代以后，我國高速卷煙機普遍采用以鍶(Sr)90放射源為內核的煙支重量檢測系統。由于鍶(Sr)90放射性污染，對周圍人員和產出煙支都具有潛在危害，使得放射源檢測器的應用受到制約。本世紀初，微波檢測技術被應用到煙支重量檢測控制系統，此類系統重量控制精度與放射源型系統相當，但其無污染特性受到普遍歡迎，在我國煙廠中正逐步推廣[1]。典型產品包括德國HAUNI公司的MIDAS系統、德國TEWS公司的LIBRA系統和上海恒尚公司的HS-WB系統等。

本文將首先介紹微波型煙支重量系統的檢測原理、基本結構和工作過程，并給出一種基于DSP和FPGA為控制器的微波型煙支重量系統的實現方案。

1 微波密度檢測原理與結構

諧振腔是一種能對不同頻率微波信號產生不同程度衰減的器件，常見的圓柱型諧振腔會對某一頻率的信號產生的衰減最小，該頻率稱為諧振腔諧振頻率。對于一個尺寸、形狀固定的諧振腔，其諧振頻率固定不變；而當諧振腔內放入某種物質，諧振腔諧振頻率和其他特性都會發生微小的變化，即產生“微擾”。微波微繞法利用放入諧振腔內物質的密度與諧振腔微擾之間的對應關系進行物質密度檢測[3]。

煙支密度檢測的微波諧振腔為中間穿孔的圓柱形諧振腔，不同密度的煙支通過圓柱形諧振腔時的諧振曲線如圖1所示。典型的基于“微波微擾法”的煙支重量檢測系統的結構如圖2所示。

圖1 不同密度煙條對應諧振腔響應曲線

控制模塊產生直流控制電壓，驅動微波發生器產生某頻率的輸入信號，信號經諧振腔衰減后輸出，輸出信號經檢波器轉換為與微波信號幅值成正比的直流電壓。

圖2 典型煙支重量微波檢測系統的結構框圖

當控制模塊產生連續線性變化的鋸齒波控制電壓（如圖3所示），經微波發生器產生一段功率恒定、頻率連續線性變化的輸入信號，經諧振腔衰減、檢波器轉換后可得到某頻率段內諧振腔的幅頻特性曲線。圖2所示系統檢測得到的空諧振腔的幅頻特性曲線如圖4所示。

圖3 微波發生器控制電壓鋸齒波波形

圖4 諧振腔空腔時幅頻特性曲線波形

當煙條穿過諧振腔時，不同密度及含水率的煙條會引起微波諧振腔幅頻特性曲線發生變化。通過煙條時諧振腔的幅頻特性曲線如圖5所示。

圖5 諧振腔通過煙條時幅頻特性曲線波形

通過控制模塊及檢測電路對微擾變化量的檢測、分析和處理，得到煙條的密度信號并輸出到重量計算單元，從而完成煙支重量的檢測。

2 微波重量系統的設計實現

本文介紹的微波重量檢測系統中微波發生器和微波檢波器采用軍品級線性壓控振蕩器VCO和快速檢波器實現。控制器采用TI公司5000系列DSP處理器和Altera 公司的Cyclone II 系列FPGA芯片構成的雙控制器結構實現。檢測系統整體硬件結構如圖6所示。

圖6 煙支重量微波檢測器硬件結構圖

其中FPGA負責速度要求較高，數據計算量較小的任務，包括生成微波發生器(VCO)所需控制電壓，對檢波器輸出信號進行AD采集和對諧振腔幅頻特性曲線特征量提取等工作。

幅頻特性曲線特征量主要包括：諧振頻率f和半功率帶寬w。如圖7所示，諧振頻率為曲線幅值最高點處對應橫軸頻率f0，半功率帶寬為自曲線最高處向下3db對應頻率寬度。由于本系統中檢波器輸出特性為1mv/db，所以最高點B下方3mv處CC’對應頻率范圍即為半功率帶寬w。

圖7 FPGA算法提取幅頻特性曲線特征量示意圖

FPGA提取算法中，從曲線起點A初始化各變量后開始讀取當前曲線電壓值，逐點比較并保存當前最大值；當遇到當前電壓值小于當前最大值，說明曲線達到最大點B并開始下降，記錄此時時刻相對于A點時間偏移量即可計算出諧振頻率值f0。

自B點記錄曲線最大電壓值后繼續向后搜索，比較找到比B點電壓值小3mv對應點C。通常諧振曲線尖峰處諧振頻率點兩邊呈近似對稱分布，為了提高算法效率可認為BC間頻率區間約等于w/2。從C點繼續掃描到曲線結束點D處時，通知DSP一周期特征量掃描結束，并向DSP傳輸數據。

DSP負責速度要求不高，數據計算量大，邏輯分析的任務。包括對FPGA提取出的特征量進行從諧振腔微擾量到煙支密度的映射換算工作和對諧振腔的恒溫控制工作。計算煙支重量算法采用文獻4中介紹的計算公式，如式(1)所示。

式中：D——煙支密度；

Δf——諧振腔有煙/無煙諧振頻率變化量；

Δw——諧振腔有煙/無煙半功率帶寬變化量。

對于PASSIM卷煙機，檢測系統輸出煙支密度電壓信號給卷煙機控制器，本系統測量煙支密度曲線如圖8所示。從圖中可看出，所測煙支密度曲線與煙支緊頭(即煙支端部密度較大處)位置準確對應，表明密度電壓信號可以表示煙支密度特性。

圖8 微波重量檢測系統輸出煙條密度曲線

3 檢測結果驗證

為了驗證本文設計煙支重量檢測系統的檢測有效性，作者在兩臺同型號PASSIM7K型卷煙機上分別安裝了本文設計的微波重量檢測系統和傳統放射源型檢測系統，設備使用完全相同的煙絲和輔料。對兩臺設備生產出的煙支進行多次重量取樣測試，20支煙為一組，分別測出每組煙支平均重量及組內重量標準偏差，評價微波測量頭和核掃描測量頭的測量準確性。合格產品單只煙重量設為920±30mg，組內重量標準偏差≤40mg，測試結果如表1所示。

通過實驗表明，微波檢測系統和放射源檢測系統在平均重量控制效果上沒有明顯差異，標準偏差控制上微波系統略優于放射源系統。在操作員正常調整下，使用微波檢測系統的機臺長期標準偏差可在25mg以下。

表1 煙支樣品重量對比結果

4 結論

本文介紹了一種基于FPGA和DSP雙控制器結構的煙支密度微波檢測系統，并通過實際試驗驗證了本系統的有效性。相比于傳統放射源型檢測系統，微波檢測系統具有如下優點：

1） 微波發射功率小，對環境和煙支產品無污染；

2）煙支重量控制性能與傳統放射源系統相當，完全可滿足產品質量要求。

3）采用高集成度控制芯片，系統體積小巧，維護方便。

[1] 許昌煙草工業機械廠.卷煙設備重量控制系統[R].1999.

[2] 李嗣范.微波元件原理與設計[M].北京:人民郵電出版社,1992.

[3] 李英.微波、毫米波傳感器及其非電量檢測[M].北京:電子工業出版社,1991.

[4] 盧智遠,孫文權.煙支濕度與密度檢測的微波諧振腔傳感器研究[J].傳感技術學報,2007,5.