专利名称：烟箱缺条检测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在巻烟包装生产过程中烟箱缺条的检测方法及其装置，可以准确的检测 出烟箱的缺条情况，并发出信号通知操作人员，属于检测装置及方法技术领域。
背景技术：
烟箱缺条的检测是巻烟生产工业中一个重要的环节，目前，普遍的做法是利用射线通过 物体时产生变化的原理来进行检测。在2005年12月7日公开的发明专利申请200410073695.2 中提出一种利用物质吸收Y射线的原理实现条烟缺包在线检测的装置及其检测方法，其缺点 是y射线由放射性同位素产生，对管理和使用要求较高。而在2007年8月22号公开的发明 专利申请200710064026.2中提出了利用x射线通过物质衰减的原理，采用多对x射线源和 x射线传感器，检测通过大箱后的x射线强度，并根据测量的强度值进行大箱缺条检测的 装置及其检测方法，系统结构较为复杂，成本较高，并且x射线对人体安全有潜在的威胁。 可见，利用射线原理对烟箱条情况进行检测，存在结构复杂、成本高的缺点，并存在很大的 安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种烟箱缺条检测方法及其装置，利用电容的容值与其极板间介 质的关系原理，以电容传感器作为检测单元，实现准确、快速、安全的检测。
本发明采用的技术方案如下
一种烟箱缺条检测方法，其特征在于采用电容传感器作为检测单元，对烟箱中各列烟的 每一层烟进行检测，通过读取各电容传感器的电容值并进行处理，判断烟箱缺条情况；对烟 箱中各列烟采用相同的检测方法，具体包括如下步骤
步骤l:确定判断缺少烟条的特征参数，该步骤具体包括以下步骤
步骤101:测量烟箱不缺条时的基准值
选定一装满烟条的烟箱并放置在检测位置，使作为测试对象的一列烟的各层烟条分别位 于各检测单元的电容极板之间，读取与该列烟各层烟分别对应的各电容传感器的电容值，并 记录为各电容传感器的基准值C(k);
步骤102:测量烟箱缺条时各电容传感器的电容值对一列烟中不同位置出现缺条的情况进行测量，具体方法为从步骤101中作为测试对象 的一列烟中任意抽掉位于(n,m)位置的烟条，记录此时的各电容传感器的电容值cn,m(k); 步骤103:计算特征参数
A. 对于测量得到的所有烟箱缺条情况，计算每种情况下电容传感器电容值与基准值之
间的变化值，并取其最小值作为一组特征值， ，=mO)-柳；
B. 计算烟箱缺条时所有电容传感器变化值的平方和，并取其最小值作为特征参数， /2=min(》c m(A0-柳2;
步骤2:检测及判断，该步骤具体包括以下步骤 步骤201:数据采集
准备待测烟箱并放置在检测位置，使作为测试对象的一列烟的各层烟条分别位于各电容 的电容极板之间，读取各电容传感器当时的电容值c/^); 步骤202:数据处理 按照下列公式计算和& ，
步骤203:判断是否合格
如果A(A:)〉0.8""且a >0.&2，则判断该列烟有缺条，否则无缺条；其中，n=l~N， m=l~M， k=l~N， N为满箱时烟箱中每列烟的层数，M为满箱时每列烟中每层烟所包含的 烟条数。
一种实施上述烟箱缺条检测方法的检测装置，包括数据采集装置和数据处理装置，其特 征在于所述数据采集装置包括检测传感器板，检测传感器板的一面上设有电容极板，每两块 检测传感器板成对地分别设置在烟箱传送带两侧，且设有电容极板的所述面相对，传送带同 一侧的检测传感器板之间的距离与烟箱中列与列之间的距离相等，每一检测传感器板上的电 容极板之间的垂直距离与烟箱中层与层之间的距离相等，每对检测传感器板中相对的电容极 板构成的电容传感器作为检测装置的检测单元，数据处理装置与每一检测单元分别连接，用 于读取各检测单元的电容值并进行处理，判断烟箱缺条情况。
包括数据采集装置和数据处理装置，其特征在于所述数据采集装置包括检测传感器板， 检测传感器板的一侧面从上到下设有电容极板，每两块检测传感器板成对地分别设置在烟箱 传送带两侧，且设有电容极板的所述面相对，传送带同一侧的检测传感器板之间的距离与烟箱中列与列之间的距离相等，每一检测传感器板上的电容极板之间的垂直距离与烟箱中层与 层之间的距离相等，每对检测传感器板中相对的电容极板构成的电容传感器作为检测装置的 检测单元，数据处理装置与每一检测单元分别连接，用于读取各检测单元的电容值并进行处 理，判断烟箱缺条情况。
本发明的烟箱缺条检测方法利用电容的容值与其极板间介质的关系原理，当电容极板间 介质发生变化时，其电容值也会发生相应变化，以烟箱中的列为基本单元(目前，标准包装 烟箱内的排列方式为每层10条烟分两列平卧排列，五层相叠，该"列"的定义同样适用于异 型包装)，对每一列采用相同的检测方法进行检测，采用多个灵敏度极高的电容传感器测量烟 箱中每列烟中每层烟的电容，并综合利用各电容传感器的检测值，能快速准确地判断出烟箱 缺条情况。本发明的检测装置为无损、快速检测装置，可配合本发明的检测方法实现在线检 测。当检测装置检测到不合格产品时，可通过数据处理系统发出停机或剔除信号，由机械自 动处理或人工手动处理。
有益效果本发明采用电容传感器作为检测单元，利用电容的容值与其极板间介质的关 系原理，当介质发生变化时，其电容值也会发生相应变化，采用多个灵敏度极高的电容传感 器测量烟箱中每层烟条的电容，并综合利用多个电容传感器的检测值，对烟箱缺条情况进行 准确、快速的检测。与传统采用射线原理进行检测的装置相比，结构大大简化，可实现在线 检测，并且成本得到有效控制，不存在任何辐射危险，安全可靠。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的阐述。
图1为本发明检测方法的流程图2为本发明检测装置的平面结构示意图2a为检测装置的正视示意图2b为检测装置的俯视示意其中各标号表达的意思为-
I、 烟箱 2、箱盒运行导轨 3、检测传感器板4、电容极板 5、位置检测传感器 6、数据处理装置7、烟箱传送带8、箱盒抬起装置9、抬起托盘10、抬起汽缸
II、 气动开关电磁阀12、气管
图3为本发明的检测装置核心部件的位置关系示意图4为箱盒抬起装置示意图4a为箱盒抬起装置组成示意图
图4b为箱盒抬起装置用于在线检测的功能示意图(未抬起状态)；
图4C为箱盒抬起装置用于在线检测的功能示意图(抬起状态)；图5为本发明数据处理装置电路原理框图； 图6为电磁阀驱动电路图7为微处理器模块和数据采集模块的电路连接图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，本具体实施方式
以标准包装烟箱为2*5*5的烟条 阵列为例，即满箱时共2列5层(满箱时烟箱中每列烟的层数N:5)香烟，每列烟中每层烟 包含5条(满箱时每列烟中每层烟所包含的烟条数M=5)香烟，相应地，设置两对检测传 感器板分别与烟箱的两列烟对应。每块检测传感器板上设置的电容极板数量由烟箱中烟条的 层数决定，因此每块检测传感器板上设置5块电容极板。每对检测传感器板上相对的电容极 板形成的电容传感器分别作为检测单元，每对检测传感器板上分别有5个检测单元，分别与 每一列烟的每一层烟相对应。
如图1所示为本发明检测方法的流程图，具体包括如下步骤
步骤l:确定判断缺少烟条的特征参数，该步骤具体包括以下步骤 步骤101:测量烟箱不缺条时的基准值
选定一装满烟条的烟箱并放置在检测位置，使作为测试对象的一列烟的各层烟条分别位 于各电容的电容极板之间，读取与该列烟各层烟条分别对应的各电容传感器的电容值，并记 录为各电容传感器的基准值C(k);
步骤102:测量烟箱缺条时各电容传感器的电容值
对一列烟中不同位置出现缺条的情况进行测量，具体方法为从步骤101中作为测试对象
的一列烟中任意抽掉位于(n,m)位置的烟条，记录此时的各电容传感器的电容值cn,ffl0c);
步骤103:计算特征参数
A. 对于测量得到的所有烟箱缺条情况，计算每种情况下电容传感器电容值与基准值之
间的变化值，并取其最小值作为一组特征值，
<formula>formula see original document page 7</formula>
B. 计算烟箱缺条时所有电容传感器变化值的平方和，并取其最小值作为特征参数，
<formula>formula see original document page 7</formula>步骤2:检测及判断，该步骤具体包括以下步骤 步骤201:数据采集
准备待测烟箱并放置在检测位置，使作为测试对象的一列烟的各层烟条分别位于各电容 的电容极板之间，读取各电容传感器当时的电容值^A:); 步骤202:数据处理按照下列公式计算和& ， 步骤203:判断是否合格
如果、0t)〉O.8"A:)且A >0.&2，则判断该列烟有缺条，否则无缺条。如果所有列均无缺 条，判断烟箱合格，回到步骤201，开始对下一烟箱进行检测；如果任何一列有缺条，判断 烟箱不合格，进入下一步；
步骤204:发出箱盒缺条信号
步骤205:判断箱盒缺条信号的类型，如果是停机信号，则关掉传送带，结束检测过程; 如果不是停机信号，则回到步骤201，开始对下一烟箱进行检测，同时对缺条烟箱进行处理； 所有步骤中，n=l~5， m=l~5， k=l 5。 ， 如图2所示为本发明检测装置的平面结构示意图。
一种烟箱缺条检测装置，包括数据采集装置和数据处理装置6，数据采集装置包括4块 检测传感器板3，每块检测传感器板3的一面上设有5块电容极板4， 5块电容极板从上到 下排成一纵列。每两块检测传感器板3成对地分别设置在烟箱传送带7两侧，且设有电容极 板4的面相对。烟箱传送带7同一侧的检测传感器板3之间的距离与烟箱1中列与列之间的 距离相等，每一检测传感器板3上的电容极板4之间的垂直距离与烟箱1中层与层之间的距 离相等，每对检测传感器板3中相对的电容极板4构成的电容传感器作为检测装置的检测单 元。数据处理装置6与每一检测单元分别连接，用于读取各检测单元的电容值并进行处理， 判断烟箱缺条情况。
具体地，检测传感器板采用绝缘材料制成，在检测传感器板的一面上，按被检测烟箱及 其内部烟条的尺寸镶嵌5块铜质的极板作为电容极板，铜质极板的尺寸应比烟条的尺寸略 小，铜质极板的设置应满足各极板位置与各层烟条的一一对应关系，每块电容极板有导线接 出，用于和数据处理装置连接，导线有屏蔽保护。
烟箱缺条检测装置还包括一对位置检测传感器5，该对位置检测传感器5分别设置在烟 箱传送带7两侧的检测位置，并与数据处理装置6连接。所述检测位置是为检测工作设置的 一个检测标示位，当烟箱1的前端到达该检测位置时，每对检测传感器板3的位置分别与烟 箱1中的一列相对应，每个检测单元的位置分别与对应列中每一层相对应，烟箱1的前端与 两个位置检测传感器5在同一水平线上。通过一对位置检测传感器的设置，能准确地检测出 烟箱是否到达检测位置。当烟箱1的前端到达检测位置，位置检测传感器5发送检测同步信 号到数据处理装置6，数据处理装置6响应该检测同步信号，读取各检测单元的电容值并进行处理，判断烟箱缺条情况。位置检测传感器可采用光电式传感器。
检测传感器板和位置检测传感器可通过固定支架安装在烟箱传送带两侧。也可在烟箱传 送带上跨设一用于固定检测传感器板和位置检测传感器的绝缘材料箱体，箱体由顶板和左右 侧板组成，左右侧板分别设于烟箱传送带两侧，顶板连接左右侧板，位于烟箱传送带上方。 箱体的高度应允许烟箱通过。检测传感器板和位置检测传感器可分别设于该箱体的左右侧板 内侧。
图3给出了本实施例的检测装置核心部件的位置关系示意图，烟箱1沿箭头所示方向运 行，Al与A2构成一对检测传感器板，与烟箱1的一列烟对应；A3与A4构成另一对检测 传感器板，与第二列烟对应。两对检测传感器板上的电容极板组成10对电容传感器阵列(2 列5行)，每个电容传感器是本发明检测装置的检测单元，与对应列中每一层烟分别对应。 实际上，Al的5块极板中的任意1块对A2或A4的10块极板中的任意1块都构成电容； 同样，A3的5块极板中的任意1块对A2或A4的10块极板中的任意1块也都构成电容， 因此每一个作为检测单元的电容传感器(一对检测传感器板上同一高度位置相对的两块电容 极板构成的电容)的检测结果都综合了多个电容的影响，检测结果是多个电容综合作用的结 果，检测结果正确可靠。当烟箱1运行到位置检测传感器5时(只画出一个位置传感器示意)， 位置传感器5发送检测同步信号到数据处理装置。
图2a中的箱盒抬起装置是为特殊情况设置的，由于有的烟箱传送带是金属滚轮构成的， 如果检测传感器板设置的位置太低，最下面的电容传感器会受到影响，造成检测结果不准确， 这种情况下，需要抬高检测传感器板的设置位置。为了满足检测单元和烟箱中对应烟层之间 的位置对应关系，需要采用抬起装置将烟箱抬起到适合的位置。
图4为箱盒抬起装置示意图，箱盒抬起装置8设置在检测传感器板的下方，具体可以设 置在检测传感器板之间烟箱传送带的下方，位置与到达检测位置时箱盒的位置对应。箱盒抬 起装置8与数据处理装置6电连接。箱盒抬起装置8包括抬起托盘9、抬起汽缸10和气动 开关电磁阀11，抬起汽缸10通过伸縮滑杆与抬起托盘9连接，抬起汽缸10上设有与外部 气源连接的气嘴。气动开关电磁阀11与数据处理装置6连接，用于控制抬起汽缸IO内气体 的进出。当烟箱到达检测位置，位置检测传感器5发送检测同步信号到数据处理装置6，数 据处理装置6向箱盒抬起装置8发出抬起命令，气动开关电磁阀11工作，内部气动开关打 开，压缩空气经过气动开关电磁阀11、气管12作用于抬起汽缸10，抬起汽缸10膨胀使伸 縮滑杆向外推出，连接在一起的抬起托盘9抬高，将烟箱抬起离开烟箱传送带，使检测单元 和烟箱中对应烟层之间的位置一一对应；检测完毕后，数据处理装置6向箱盒抬起装置8发 出放下命令，气动开关电磁阀ll释放，内部气动开关关闭，压缩空气断开，抬起汽缸10收 縮使伸縮滑杆回缩，烟箱随抬起托盘9的回落回到烟箱传送带上，烟箱继续运行。如果烟箱缺条，数据处理装置6发出控制信号进行剔除或停机处理，剔除或停机处理可以通过机械装 置自动处理，也可由人工手动操作。
图2中的烟箱缺条检测装置还包括安装在烟箱传送带7两侧的一对箱盒运行导轨2。烟 箱在传输过程中，由于人为或机器放置时会有偏左、偏右或歪斜现象，会出现位置偏移的情 况，运行导轨2的作用是引导并调整烟箱的位置与姿态，使每次检测时，烟箱离检测传感器 板3的距离一致，通过位置检测传感器5时的位置一致，保证检测结果的准确性。
如图5所示为本发明数据处理装置电路原理框图，包括文本显示器连接电路、电磁阀驱 动电路、位置检测传感器连接电路、微处理器模块和电容检测模块，电容检测模块包括10 个数据采集模块，分别与10个电容传感器检测单元对应。
文本显示器连接电路采用电平转换芯片MAX232实现RS232电平与TTL电平之间的转 换，用于处理微处理器模块和PC机之间的通信，在检测生产过程中，用户可通过PC机的 文本显示器设置各种工作参数，并实时监控检测数据。
在需要箱盒抬起装置配合的特殊情况下，因为气动开关电磁阔是个大功率电器，需要额 外的驱动电路驱动。电磁阀驱动电路图如图5所示。
当C8051F020的OUT输出n为低电平时，OPTOSIOl做为开关电路打开，射极被拉为 约24V，发光二极管有电流通过，此电流被普通三极管C1008放大后再通过功率型肖基特 三极管放大，所达到的电流能够驱动电磁阀。
反之，当C8051F020的OUT输出口为高电平时，OPTOSIOl做为开关电路关闭，射极 被拉为地，后面的电路都不工作。
微处理器模块和数据采集模块的电路连接图见图7。微处理器模块包括主单片机，数据 采集模块中的每一个包括从单片机和电容数字转换芯片。主单片机型号为C8051F020，其内 部集成了丰富的接口，可以方便的用于连接各种外设。从单片机釆用单片机C8051F310，电 容数字转换芯片采用AD7745。主、从单片机通过同步串行接n (SPI)连接，从单片机 C8051F310和电容数字转换芯片AD7745通过系统管理总线(SMBUS)连接，电容数字转 换芯片AD7745的转换输入端EXC、 CIN分别与对应检测单元的两个极板连接。
主单片机C8051F020的端口 IN和OUT是IO 口 ，端口 IN连接位置检测传感器，OUT 连接电磁阀驱动电路，异步串行接n RX、 TX连接文本显示器连接电路中电平转换芯片 MAX232的输入端。主单片机C8051F020的SPI接口分别连接10个数据采集模块中从单片 机C8051F310的SPI接n， C8051F020单片机作为主SPI，数据采集模块作为从SPI接收主 单片机的命令。如图所示，端口MISO为主进从出，MOSI为从进主出，SCK为同步脉冲信 号，CSn为从机选择信号，某一CSn为低电平时，相应的从机被选中，同一时间只允许一 个从机被选中。从单片机C8051F310通过SMBUS总线与电容数字转换芯片AD7745连接，其中SCL为同步脉冲，SDA为串行数据传送，INT为AD7745的数据采集完成信号。
当电路板上电或者复位后，主单片机C8051F020初始化所有的外围部件，并通过SPI 接n把电容数字转换芯片AD7745的配置数据传送给从单片机C8051F310，单片机 C8051F310再用这些数据对电容数字转换芯片AD7745进行配置，获取电容传感器的数据。 当烟箱到达检测位置时，触发位置检测传感器，主单片机C8051F020上连接位置检测传 感器的IN管脚电平跳变，程序检测到这个变化，主单片机C8051F020通过从单片机 C8051F310向电容数字转换芯片AD7745发出开始采集数据命令，AD7745开始采集数据。 数据采集完成后，数据采集完成信号INT中断从单片机C8051F310，从单片机C8051F310 通过SMBUS总线获取检测单元的电容值，从单片机C8051F310再把数据传送给主单片机 C8051F020。如此循环，直到采集完所有的电容值，主单片机C8051F020根据本发明的检测 方法进行计算，判断烟箱缺条情况。如果烟箱缺条，主单片机C8051F020发出控制信号进 行剔除或停机处理，剔除或停机处理可以通过机械装置自动处理，也可由人工手动操作。在 需要箱盒抬起装置配合的特殊情况下，主单片机C8051F020在向电容数字转换芯片AD7745 发出开始采集数据命令之前，要先向箱盒抬起装置发出抬起命令，通过OUT管脚输出控制 信号(高电平)给电磁阀驱动电路，控制箱盒抬起装置将烟箱抬起到适合的位置。
权利要求
1. 一种烟箱缺条检测方法，其特征在于采用电容传感器作为检测单元，对烟箱中各列烟的每一层烟进行检测，通过读取各电容传感器的电容值并进行处理，判断烟箱缺条情况；对烟箱中各列烟采用相同的检测方法，具体包括如下步骤步骤1确定判断缺少烟条的特征参数，该步骤具体包括以下步骤步骤101测量烟箱不缺条时的基准值选定一装满烟条的烟箱并放置在检测位置，使作为测试对象的一列烟的各层烟条分别位于各检测单元的电容极板之间，读取与该列烟各层烟分别对应的各电容传感器的电容值，并记录为各电容传感器的基准值c(k)；步骤102测量烟箱缺条时各电容传感器的电容值对一列烟中不同位置出现缺条的情况进行测量，具体方法为从步骤101中作为测试对象的一列烟中任意抽掉位于(n，m)位置的烟条，记录此时的各电容传感器的电容值cn，m(k)；步骤103计算特征参数A.对于测量得到的所有烟箱缺条情况，计算每种情况下电容传感器电容值与基准值之间的变化值，并取其最小值作为一组特征值，t1(k)＝min(cn，m(k)-c(k))；B.计算烟箱缺条时所有电容传感器变化值的平方和，并取其最小值作为特征参数，
2. 如权利要求1所述的烟箱缺条检测方法，其特征在于所述步骤101和步骤201还包 括烟箱位置检测步骤，当检测到烟箱到达检测位置时，开始读取各电容传感器的电容值。
3. —种实施权利要求1所述烟箱缺条检测方法的检测装置，包括数据采集装置和数据 处理装置，其特征在于所述数据采集装置包括检测传感器板，检测传感器板的一面上设有电容极板，每两块检测传感器板成对地分别设置在烟箱传送带两侧，且设有电容极板的所述面 相对，传送带同一侧的检测传感器板之间的距离与烟箱中列与列之间的距离相等，每一检测 传感器板上的电容极板之间的垂直距离与烟箱中层与层之间的距离相等，每对检测传感器板 中相对的电容极板构成的电容传感器作为检测装置的检测单元，数据处理装置与每一检测单 元分别连接，用于读取各检测单元的电容值并进行处理，判断烟箱缺条情况。
4. 如权利要求3所述的烟箱缺条检测装置，其特征在于所述检测装置还包括一对位置 检测传感器，所述一对位置检测传感器分别设置在烟箱传送带两侧的检测位置，并与数据处 理装置连接。
5. 如权利要求4所述的烟箱缺条检测装置，其特征在于所述检测装置还包括用于抬起 烟箱的箱盒抬起装置，所述箱盒抬起装置设置在检测传感器板的下方，并与数据处理装置电 连接。
6. 如权利要求5所述的烟箱缺条检测装置，其特征在于所述箱盒抬起装置包括抬起汽 缸、抬起托盘和气动开关电磁阀，抬起汽缸通过伸縮滑杆与抬起托盘连接，抬起汽缸上设有 与外部气源连接的气嘴，所述气动开关电磁阀与数据处理装置电连接，用于在数据处理装置 的驱动下控制汽缸内气体的进出。
7. 如权利要求3~6任一所述的烟箱缺条检测装置，其特征在于所述数据处理装置包括 微处理器模块和电容检测模块，所述微处理器模块和所述电容检测模块连接，所述电容检测 模块包括与所述检测单元相等数量个数据采集模块，数据采集模块分别与检测单元连接，用 于读取检测单元的电容值，并传给微处理器模块处理。
8. 如权利要求7所述的烟箱缺条检测装置，其特征在于所述微处理器模块包括主单片 机，与所述检测单元相等数量个数据采集模块中的每一个包括从单片机和电容数字转换芯 片，主、从单片机分别通过同步串行接口连接，从单片机和电容数字转换芯片分别通过系统 管理总线连接，电容数字转换芯片的转换输入端分别与检测单元连接。
9. 如权利要求8所述的烟箱缺条检测装置，其特征在于所述检测传感器板的所述面上 设有的电容极板数量为5块，所述5块电容极板排成一纵列。
10. 如权利要求4所述的烟箱缺条检测装置，其特征在于所述位置检测传感器为光电式 传感器。
全文摘要
本发明公开一种烟箱缺条检测方法，利用电容的容值与其极板间介质的关系原理，当介质发生变化时，其电容值也会发生相应变化，采用多个灵敏度极高的电容传感器测量烟箱中每层烟条的电容，并综合利用多个电容传感器的检测值，对烟箱缺条情况进行准确、快速、安全的检测，方法简单可靠。本发明还公开了实施该方法的检测装置，采用电容传感器作为检测单元，与传统采用射线原理进行检测的装置相比，结构大大简化，成本得到有效控制，并且不存在任何辐射危险，安全可靠。
文档编号G01N27/22GK101281155SQ20081002556
公开日2008年10月8日 申请日期2008年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者普 张, 丰 汪, 蒋明毅, 马小强 申请人:东南大学;江苏先锋工业自动化有限公司