专利名称：检测连续导引产品流中异物的方法及实施该方法的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测连续导引产品流中异物的方法，包括以下步骤用校准照射光照射产品流，通过和校准照射光的交互作用检测至少一部分从产品流发出的检测光，由此，照射和检测至少部分发生在同一光束路径上。此外，本发明涉及一种检测连续导引产品流中异物的设备，基本上由一个照射产品流的照射装置，一个通过和校准辐射光的交互作用检测至少一部分从产品流发出的检测光的检测装置，和从检测光中分离照射光的分束器组成，由此，照射装置和检测装置被设置为照射和检测的光束路径至少部分重合。
背景技术：
这种类型的方法和设备被应用于不同方面，以检测产品流中的异物并直接将之挑选出去。在烟草加工工业中，所提到的方法和设备用于检测以平面模式被连续适当地输送的烟草流中不可加工和/或有害的成分，例如金属箔片残留物、纸张残留物或类似物质，并将之从产品流中分离出去。
有不同的方法来检测产品流，特别是烟草流中的异物。一个公知的方法是用摄像机来检测异物。检测所需要的照射，也就是说产品流的照射，通过安装在摄像机两边呈直线设置的灯来实现。应用这种方法或设备，一侧的摄像机和另一侧的灯的光路彼此呈一定角度，这样就出现阴影效应。因为烟草流是在几个平面上输送的，故测量的异物可能会彼此重叠，上面异物的阴影会投射到下面的异物上，这在测定摄像机拍摄的图像时，将导致错误的估计。因而这种方法或设备各自在检测烟草流中异物时的检测灵敏度低。
为避免阴影效应的问题，在另一个公知的方法中，一束激光穿过静态光学元件，然后在产品流之上以与产品流的输送方向横向的方向移动。这种运动可被例如另一个反射激光束的光学元件，优选地是一个旋转镜所影响。因而激光束依据时间在与产品流，即待测材料的输送方向横向的方向移动。换句话说，产品流被及时移动，即被激光束沿其整个宽度连续扫描。从产品流返回的光至少部分在同一光轴，即光束路径的反方向返回，并被偏转到上面提及的静态光学元件上，以被一检测装置接收。这种方法和结构的缺点是旋转光学元件仅仅允许有限的旋转速度。当产品流高速输送时，产品流的扫描仅可以间隔地进行，通常为在产品流输送方向每隔4mm的间隔。结果，图像分析和异物检测的分辨率受到很大的限制。另外一个缺点在于，由于空气中有尘粒，旋转镜的旋转速度或圆周速度足以使镜子的可视表面磨损。结果，该旋转镜的寿命受到限制。总之，移动部件易于磨损，从而形成一个潜在的误差源。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种可以适用于用一个简单无误的方式在产品流中高灵敏度可靠地检测异物的方法。此外，本发明的目的是提供一种简单的装置，通过该装置可以可靠地保证产品流中的异物检测。
本发明的目的通过具有上文中提到的步骤的方法来实现，产品流沿其整个宽度范围内被同时照射，其中校准照射光为此扩展为用来线性照射产品流的扇形光束。结果，以极其简单的方式就可以保证产品流一步即可在其整个宽度范围内被覆盖，并以高检测精度检测出异物。由于线性照射，可以平行并同时拍摄在其整个宽度范围内的产品流，因而可以省去结构复杂的限制产品流分辨率的装置。结果，即使是在不同平面的异物重叠的情况下，也可以保证产品流中异物的高检测精度。特别地，可以保证高于4mm的改进分辨率。
优选地，照射光由多种含有不同波长的光束构成。结果，依靠照射光的不同波长的个数，就可以更简单清楚地测定检测光中的差别，这样，改良了测定结果。使用单个波长无法检测的异物现在通过本发明的步骤可以检测出来了。
本方法的一个优选改进中，使用由可见光或近红外光组成的校准照射光。通过这种选择，因为是高强度照射，故可以以很简单精确的方式检测不同波长的反射光，因而异物的检测通过不同的工作波长的对比度来实现。换句话说，特别强调一方面异物和另一方面产品流，例如烟草，的不同反射特性。
本方法的另一个优选实施例中，使用由红外光构成的校准照射光。用这个光谱，尤其可以测量在该红外光谱，例如反射，中发生的水位线和其他反应。的确，烟草和其他植物物质通常有水分成分，而最重要和普遍的异物中缺少这种水分成分。因而，以一个很简单的方式就可以可靠地从有用和可加工的产品流中区分异物。这些也可以应用于在产品流中检测预定的有机物，预定的有机物和红外光有显著的反应，故容易检测。
有利地，使用由紫外光构成的校准照射光。从而，可以保证产品流和检测装置上的一个特别高的照射强度，因此可以提高检测过程中的相对精度。换句话说，这样，即使产品流中构成中最小的差别也可以被检测到。因而，发酵的烟草和异物的不同的荧光现象可以被选择性地用于分拣。
本发明的进一步的优选实施例中，用不同波长的光束照射产品流，和反射和/或荧光检测光的检测发生在不同的时候。使用这种方法，也就是公知的名为“时分多路”的方法，可以在不同照射条件下利用单个检测装置，优选为单个摄像机，来检测反射和/或荧光光线。在时分多路测量中，光源各自根据预定时间模式顺序打开，这样，一个时刻只执行一个波长的照射。因此在这个时刻，反射也可以只通过这个波长来完成。因此，用一个对所有波长都敏感的线形排列就足够了。因而反射数据通过单个的快速摄像机就可以确定。而且，循环的激励和检测可省去用于选择波长的光学仪器，例如滤光器或光栅，这样，方法简化了，同时测量的灵敏度提高了。换句话说，通过时分多路法，借助于同时向各个照射光赋值，可以做出另外的测量选择，即在一个波长范围内对整体信号的测量。
此外，本发明的目的通过上文中提及的这种装置来实现，因为在分束器前的照射装置的光束路径中设置一个用来线性扩张光束的装置。因而，提供了一种结构特别简单但操作很精确的装置。用这种装置，以一种很简单的方式就可以一步保证产品流在其整个宽度上的检测，并对异物进行高精度测试。由于装置设置在检测光的外面，故可以实现线性照射，从而可以实现沿产品流整个宽度的平行和同时摄像，所以可以省去限制产品流分辨率的结构复杂的装置。结果，即使在不同平面的异物重叠的情况下，也可以保证产品流中异物的高检测精度。
在本发明的优选实施例中，该装置至少包括一个作为光源的激光，它以多个波长同时工作的方式构建。因此，结构设计进而简化了，并有一个很小而紧凑的整体尺寸。
有利地，照射光在可见和/或近红外和/或红外和/或紫外光谱范围内。因而，可以产生多个分析选项，这些选项可根据被检测的产品和所需要的检测精度来选择。
该方法的进一步优选改进和装置的特征及实施例从下面的权利要求和描述中可很显然地得到。通过附图，对装置的一个特别优选实施例进行详细阐明，借助于装置实施例也对方法进行的描述。附图表示
图1依据本发明的装置的优选实施例的侧视图，图2图1所示装置的俯视图，以及图3通过在至少三维空间内的相应点描述至少三个不同波长的强度的原理图。
具体实施例方式
所给出的装置用于检测连续导引产品流内的异物，该产品流优选地由烟草构成。
图1所示的装置10包括一个照射装置11，一个检测装置15和一个用于一个或多个光束的线性扩张的装置17；其中，照射装置11用照射光14照射在一流动通路12或类似通路输送的产品流13上，产品流优选由烟草构成，并在一个自由行程区被输送；该检测装置15用来检测至少一部分产品流13经过和照射光14相互作用而放射的检测光16。该装置17构建为一个光束扩张器18，并设置在照射装置11的光路19上。照射装置11和检测装置15相对设置为与照射装置11的光路19和检测装置15的光路20至少部分重合，即至少部分形成同一光轴。
照射装置11至少包括一个光源，从而本实施例中给出4个光源21，22，23，24。每个光源21-24优选地被设计为激光(然而其他光源也可以使用)，从而不仅至少一个光源21至24或激光，而且可以多个或全部光源21-24或激光以不同波长发射。本质上也可以使用同时以几个波长发射的单个激光。在每个光源21-24的每个光束路径上设置有一个光学元件，该光学元件适当地被设计为一个分束器25，26，27，因而光源23和24有一个共同的分束器27。通过分束器25-27，光源21-24的校准光束被聚焦，使得偏转通过镜子28和设置在镜子28后面的中心分束器34，并在产品流23上汇聚成一个结合光束29。象这样，中心分束器34从检测光16中分离照射光14。换句话说，分束器34将光路分成一个正向光路和返回光路。光束扩张器18设置在中心分束器34的前面，这样光束在路径19、20的重合部分前面被扩张。
该检测装置15至少包括一个摄像机，图1和图2的实施例中设置有四个摄像机30，31，32，33。然而作为选择，可以使用有多个线路的单个摄像机，线路的数目同光源21-24的数目适当相符。每个光源21-24或每个激光光束被分配一个摄像机30-33，优选地，摄像机30-33为线路摄像机，除了后面所描述的时分多路法外，对所有的实施例而言，每个摄像机30-33对不同的光谱范围都有各自的灵敏度。如果使用多线路的单个摄像机，每个线路都对一个不同的光谱范围敏感。
每个摄像机30-33的每个光束路20设有一个光学元件，该光学元件被适当地设计为分束器35，36，37。摄像机30和31在所示的实施例中有一个共同的分束器37。摄像机30-33可被按如下方式调节，即照射产品流13的光线可在每个单独的摄像机30-33的线路上准确成像。
为了更好地说明，图2所示的装置10被轻微偏置。为了更精确，元件21-28示为平行于虚轴43偏移。实际装置10中镜子28设置在中心分束器34的上面，分束器25设置在分束器35的上面。
可选择地，摄像机30-33的每个光束路径可以设置一个光学过滤器39，40，41，42和/或偏振过滤器。可选择地，照射光14可以在可见和/或近红外和/或红外和/或紫外光谱范围内。这主要依赖于检测光16的选择性分析，在下文中将详细叙述。为了能校准照射光14的各自光强度，提供一个有背景频率的反射元件。适当地，反射元件的反射特性相应于产品流13的反射特性。因而，同时出现的结果是在产品流13的检测过程中有两个反射体，即一方面是作为产品流13的一部分的烟草，另一方面是产品流13中所含的异物。如果产品流13中产生问题，将被作为异物被检测到，不是因为反射特性与烟草不同，而是因为反射元件的反射特性相应于产品流13的反射特性，从而产生就像有烟草存在一样。
优选实施例中，本背景频率设计为背景滚筒38。该背景滚筒38可以旋转和设置在面向远离产品流13的流动通路12的一侧，该流动通路12优选为机械构件，例如是一矩形杆，或由该产品流13本身限定的流，例如描述一个外边缘由产品流13本身形成的行程路径的流，这样，同时可以获得一种清洁效果，例如是通过沉淀物的循环剥离。可以用一个带或类似物替代背景滚筒38。可选择地，反射元件也可以为一主动光源。
在一个未示出的实施例中，装置10还可以设置在产品流13的两侧，从而相互对置的装置10在高度上必须彼此偏移，即一个在另一个的上面。通过这样的设置，可以在两侧对产品流13进行扫描，这样可以检测出更高的产品流13的层厚度，反过来增加的烟草的生产量。
这些方法的不同变型如下对下面描述的所有的方法来说，以下都是正确的，即，来自光源21-24的一个或多个强校准光束，例如激光束，被偏转通过分束器25-27，通过镜子28和分束器34以结合光束29的形式到达产品流13上。然而，光束29通过光束扩张器18在光束路径19上被扩张为扇形光束29，这样，产品流13上的光束29沿产品流13的整个宽度形成一条线。换句话说，光束29在一个轴上扩张。
对于依据图1和图2描述的方法，以下是正确的，即，摄像机30-33通过分束器35-37以这样的方式被调节，即，使产品流13上的照射线准确地成像于每个单独的摄像机30-33的线路上。可选择地，在所有情况下每个摄像机对若干个光谱范围，例如红、绿和蓝光敏感，或者每个检测光光路设有一个光学过滤器39，40，41，42，该过滤器过滤所需波长并只让选择的光波长范围透到各自的摄像机30-33上。因为本实施例的光源21-24在可见或近红外光的光谱范围内工作，故通过摄像机30-33在不同波长对反射进行测量。异物的检测最后通过在不同工作波长下可测量的差异来实现。
在另一个实施例中，一个或多个光源21-24在红外光谱范围内，即水位线范围内工作。因为测量的植物物质即烟草主要有一水分成分，而大部分重要的异物没有，所以异物可以很容易地从被从加工的实际材料中区分开来。因此，产品流13被用红外线照射，如已在其他实施例中所提到的那样。通过一个或多个摄像机30-33接受被反射的检测光16，并在水线效应的基础上对之评测。
在进一步的实施例中，荧光生的光在检测异物中用作检测光16。特别地，发酵烟草在受到紫外光刺激时很清晰地发出荧光。烟草的荧光在可见光光谱范围内仍是有特征的。另一方面，不同的异物仅很微弱的或以一个特定颜色发出荧光，因此异物可以通过荧光分析推断出来。因此产品流13，正如前面所述，被一个或多个光源21-24发出的照射光14照射，其中照射光14处于紫外光谱范围内。一个或多个摄像机30-33采集荧光，从而荧光通过过滤器39-42选择合适波长。以这样的方式选取波长，使得异物和所测量的物质相区别。
依据本发明的另一方法中，不同波长光的照射在不同时段由一个或多个光源21-24来完成。换句话说，不同的激发波长在不同时段被循环控制。该摄像机或每个摄像机30-33通过这些激发中的每一个来选择，其中该或每个摄像机30-33可以采集反射光线和荧光光线。
还可能使反射光线或荧光光线通过合适的偏振过滤器，该过滤器设置在检测光的光路上。该偏振过滤器相对于偏振方向形成差别。这里已经产生偏振光的照射。照射光可被适当的过滤器偏振。然而，可选择地，光源本身可以发射偏振光。
在检测光16的分析中，除了传统的分析方法外，可以进行一个N维分析。这意味着N个不同波长的强度通过N维空间内的相应的点来描述。分析方法借助图3通过三个不同波长，如RGB信号(红、绿、栏)的强度的例子来描述。空间中的一点表示RGB信号的强度。每个产品流13具有典型的反射信号。在产品为烟草的情况下，典型反射信号在雪茄形区域内，标记为44。由于在强度波动的情况下颜色成分彼此近似成比例的变化，所以产生雪茄形区域44。区域44中所有点都和被检测的产品流13即烟草相对应。区域44外的所有点基本上来自异物。因为一种类型的异物，如薄膜残留物也有强度的波动，所以每种类型的异物也有一个雪茄形区域45。根据所示情况，异物有比烟草更高比例的蓝信号，所以异物的检测就特别容易。
权利要求
1.在连续导引产品流(13)中检测异物的方法，包括步骤用校准照射光(14)照射产品流(13)，通过和校准照射光(14)相互作用检测从产品流(13)发射出的至少一部分检测光(16)，从而照射和检测至少部分地在同一光束路径(19，20)上进行，其特征在于，产品流(13)在其整个宽度范围内同时被照射，从而，为此目的，校准照射光(14)被扩张为一个扇形光束(29)，以线性照射产品流(13)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于照射光(14)由具有不同波长的多个光束组成。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于照射光(14)由激光光束组成。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述多个激光光束以一个结合的扩张光束(29)被偏转到产品流(13)上。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于使用由可见或近红外光和/或红外光和/或紫外光组成的校准照射光(14)。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于检测反射和/或荧光检测光(16)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于通过不同的摄像机(30，31，32，33)在不同的波长采集所述反射检测光(16)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于异物的检测通过在不同波长下的对比来实现。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于用变化波长的光束对产品流(13)进行的照射，以及反射和/或荧光检测光(16)的检测发生在不同时刻。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于检测光(16)被过滤。
11.如权利要求1-10任一项所述的方法，其特征在于照射光(14)的强度被校准。
12.如权利要求1-11任一项所述的方法，其特征在于用在至少三维空间内相应的点对至少三种不同波长的强度进行描述。
13.用于在连续导引产品流(13)中检测异物的装置，主要由一个用来照射产品流(13)的照射装置(11)，用来通过和照射光(14)相互作用来检测从产品流(13)放射的至少一部分检测光(16)的检测装置(15)，和一个从检测光(16)中分离照射光(14)的分束器(34)组成，其中照射装置(11)和检测装置(15)设置为使得照射和检测的光束路径(19，20)至少部分重合，其特征在于位于分束器(34)前面的照射装置(11)的光束路径(19)中设有一个用于线性扩张照射光(14)的装置(17)。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于照射装置(11)包括至少一个光源(21，22，23，24)。
15.如权利要求13或14所述的装置，其特征在于每个光源(21，22，23，24)是激光。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于至少一个激光设计为可同时以多个波长照射。
17.如权利要求13-16任一项所述的装置，其特征在于每个光源的每个光束路径中设有一个分束器(25，26，27)。
18.如权利要求13-17任一项所述的装置，其特征在于检测装置(15)包括至少一个线路摄像机(30，31，32，33)。
19.如权利要求13-17任一项所述的装置，其特征在于检测装置(15)包括多个线路摄像机(30，31，32，33)，其中，每个光源(21，22，23，24)或每个激光配有一个线路摄像机(30-33)，或者设置一个具有对应于激光数目的线路数的线路摄像机。
20.如权利要求18或19所述的装置，其特征在于每个线路摄像机(30-33)或一个线路摄像机的每条线路对不同的光谱范围敏感。
21.如权利要求18-20任一项所述的装置，其特征在于n个线路摄像机(30-33)配有(n-1)个分束器(35-37)。
22.如权利要求13-21任一项所述的装置，其特征在于每个线路摄像机(30-33)的每个光束路径设有一个光学过滤器(39-42)和/或偏振过滤器。
23.如权利要求13-22任一项所述的装置，其特征在于照射光(14)在可见和/或近红外和/或红外和/或紫外光光谱范围内。
24.如权利要求13-23任一项所述的装置，其特征在于在面对远离产品流(13)的一侧设置有一个反射特性基本上匹配产品流的反射特性的反射元件。
全文摘要
本发明涉及一种在连续导引产品流中检测异物的方法及实施该方法的装置。通过已知的方法和设备，使照射光通过旋转光学元件被反射到产品流上，这样可随着时间的变化沿产品流的宽度检测产品流。然而这存在缺点，因为首先必须有一个复杂的装置，其次检测精度很低。通过本发明的方法和装置，因为照射光通过一个光束扩张器被扩张为一个扇形形状，所以通过一个特别简单和可靠的方法就可以完成产品流沿其宽度的同时照射。因此可以省去移动部分。而且，产品流可被连续和具有高分辨率地检测。
文档编号G01N21/89GK1576819SQ20041006404
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月16日 优先权日2003年7月17日
发明者D·施罗德, H·德鲁斯, F·舒斯特, S·哈普克, M·伊贝尔 申请人:豪尼机械制造股份公司