低频磁场穿透技术在卷烟设备上的应用

低频磁场穿透技术及其在卷烟设备上的应用低频磁场穿透技术在卷烟设备上的应用摘要：磁场的低频穿透式检测是一项成熟的技术。早在上世纪五、六十年代，这一技术即被应用于金属厚度的检测，其检测的分辨率可以达到微米级的水平。应用该技术检测卷烟产品中铝箔纸含量的多少以达到检测是否缺包的目的。关键词：低频；穿透；卷烟The Application of Technology of LF Penetration on the Tobacco EquipmentAbstract:Detecting through penetration of LF is a mature technology.This technology has been used to detecting the thickness of metal with micron accuracy ever since the mid of last century. In tobacco industry, it is used to detect the amount of foil in production to judge the integrity. Key words:LF;Penetration;Tobacco1 低频磁场穿透技术概述磁场的低频穿透式检测是一项成熟的技术，早在上世纪五、六十年代，这一技术即被应用于金属厚度的检测，其检测的分辨率可以达到微米级的水平。低频穿透式检测的基本原理是：在被测金属的一侧产生一低频磁场，使该磁场穿过金属，在被测金属的另一侧测量穿过的磁场强度，由于磁场穿过金属时，金属的涡流效应将使穿过的磁场强度减弱，所以根据测量到的穿过的磁场强度即可判断被测金属的厚度。该检测方式具有以下特点：1：无公害性；2：少维护性；3：多适应性；4：足够的精度和稳定性。2 同普通电磁感应式接近开关检测方式的对比采用电磁场原理检测金属的方法不局限于低频穿透式的检测方法，通常的电磁感应式接近开关也是针对金属进行检测的.下面以检测一条香烟内的铝箔纸含量来判断是否缺包为例来对两种检测方式进行对比分析： 2.1 磁场特性不同电磁感应接近开关式传感器采用的是高频交流磁场，一般设计频率在200KHZ以上，而低频穿透式缺包检测采用的是直流脉动磁场，脉动的频率也就数十千赫兹。我们知道，磁场的频率越高，在检测金属层表面产生的涡流效应越强，对磁场的阻碍越大，磁场也越不容易穿透金属，所以当采用接近开关式检测时，传感器的磁场一般被最接近传感器的金属所吸收，当条盒的包装材料含有较强金属成分时，传感器的磁场很难穿透该金属层到达小包的铝箔纸，在这种情况下，采用接近开关式传感器检测缺包变得困难。（如图1所示）图1 采用接近开关检测时的磁场分布示意而采用低频穿透式原理进行检测时，由于磁场为直流脉动式且脉动频率低，磁场很容易穿透条盒包装材料的金属层而达到小包的被测金属层，从而对条包烟的内部金属成分结构进行分析和处理。所以在任何情况下，小包金属都能被检测到。（如图2所示）低频激励电压U1加到线圈L1的两侧，线圈中流过一个同频的电流产生一个交变磁场，由于不存在被测金属（铝箔纸）或由于缺包，被测金属（铝箔纸）减少，此交变磁场将较强的贯穿L2，由电磁感应定律可知，将在L2中产生感应电势U2，这时U2的值较大。图2 低频穿透式缺包检测的磁场分布示意2.2 工作原理不同虽然接近开关和低频穿透式检测都是采用电磁场做为检测的媒介，但两者的工作原理是不一样的。接近开关是反射式检测，接近开关有一自激振荡电路，通过振荡线圈向外发送高频磁场，当被测金属进入高频磁场时，被测金属产生涡流，使传感器的振荡电路的阻抗发生变化，直至不能满足自激振荡的条件，造成停振（磁场消失），后级电路检测到停振后改变输出电平使输出发生变化。也就是说，系统是将被测金属是作为振荡电路的一部分进行检测的，被测金属的材料特性对振荡器的影响即检测的影响至关重要。我们知道，当高频磁场作用于金属时，金属产生的涡流效应和金属的材料特性直接相关，一般接近开关给出的检测参数是以检测物为黑色金属作为标准的，但对于被测物不是黑色金属时检测参数将有较大的不同，这从一般接近开关的制造商提供的技术参数中不难发现，如德国倍加福公司提供的接近开关手册中即说明如当接近开关的检测距离标定为40mm时，当检测金属为铝时，实际检测距离只有40mm的60%，即24mm。由此说明：不同的材料对传感器振荡电路的阻抗变化的影响是不一样的。由于小包铝箔纸的材料可能不一样、相同的材料也可能由于制造工艺（附膜和蒸发膜）不同，造成金属层的厚度不同等，都可能造成对传感器的振荡阻抗产生不同的影响。换句话说，当传感器对一种包装材料调定好时，不同的包装材料也可能造成传感器检测不到。当采用低频穿透式检测时，磁场是固定的，一直存在，由于磁力线的闭合特性和采用较低的脉动频率，磁场穿过被测烟包，在整个磁场的分布区域，各种金属的材料（不管是条盒包装材料上的金属层还是小包上的金属层）的涡流效应都将改变接收线圈的感应电势，但是这种改变只发生在接收线圈上，不能影响稳定的磁场发送端。换句话说，检测时，被测金属和检测磁场之间不存在联系（这和采用接近开关检测时不同）。检测系统依据接收线圈接收到的信号强弱判断是否存在小包金属成分。由于低频磁场的穿透特性，所以在任何时候，小包的金属成分都能够被检测到。2.3 检测分辨率不同如上所述，当采用接近开关检测时，被测金属对振荡器阻抗的改变只有达到足以造成振荡器停振时，被测金属才能被检测到。这对于某种铝箔纸可能是难以做到的。而采用低频穿透磁场检测时，不论金属特性如何及量值多少，肯定的是必定会造成接收到的感应电势变化，这种变化能通过高分辨的数值处理技术检测到，所以具有较高的检测分辨率。3 低频穿透式检测技术在卷烟设备上的应用缺包检测是卷烟生产中的一项重要检测工序。一条完好的香烟应该包含十包烟，包装机本身具有“防止缺包和缺包检测功能”，但是由于包装材料的不断变化等原因，原机缺包检测装置不能很好地满足生产的需要；为此，国内不少的研发和制造部门相继开发了一些新的包装机缺包检测装置以弥补原机缺包检测功能的不足，主要有以下两种：（1）、电磁感应接近开关的缺包检测装置；（2）、称重式的缺包检测装置。秤重式缺包检测装置由于其检测分辨率低、工业现场适应性差等特性已逐步淡出市场；接近开关检测方式前面已经作了比较透彻的分析。对于接近开关和低频磁场穿透式缺包检测装置，由于两者对电磁场应用的思想不同、采用的设计机理不同、电磁场的应用参数不同，所以两者的适应场合就完全不一样，低频穿透式的检测方法能更好的适合于需要进行量值分析的场合，电磁感应式接近开关较适合于简单的金属存在的判断。 低频磁场穿透式缺包检测装置已经在重庆卷烟厂等全国多家烟厂得到了实际应用和推广，经过两年多的实际运行证明该检测装置比原机缺包检测装置、称重式检测装置以及接近开关式检测装置都具有无可比拟的优势：（1）、对不同包装材料的适应性不同的金属材料在一个特定的交变磁场中产生的涡流效应是不同的，不论对接近开关式的缺包检测还是对低频穿透式缺包检测都存在影响，对低频穿透式缺包检测系统而言，这种影响仅仅是反映在接收线圈上的感应电势的数值大小不同，由于检测系统采用的是数值分析方法，所以这种影响很容易通过软件的设计或参数的调整加以解决，不存在不可解决的问题的“死区”，而接近开关式检测方式对外包装材料含金属膜的产品无法有效检测。（2）、抗干扰能力在机械推动成品的条装烟移动的过程中，条装烟受到一定的周期性的挤压、释放，其程度还和机器的速度有关，这种周期性的挤压、释放将造成条装烟在空间位置上的波动；条装烟外包装松紧，以及设备其它机械的调整可能造成条装烟外围尺寸变化；条盒包装纸上可能存在具有金属成分的图案，并且对于不同的牌号，金属图案的形状和位置可能不同。接近开关检测对被检测物的材料特性、位置和距离有较严格要求，因此上述干扰将对检测结果造成严重影响，可能造成检测系统失效；而对于有金属印花图案的包装材料，系统更是难以自适应，严重时，不得不进行传感器安装机械的重新调整。而对低频穿透检式检测，上述机械波动只对检测数据造成轻微的波动，设计中适当采用硬件或软件的数据滤波即可解决对系统几乎无影响；对于对于有金属印花图案包装材料的情况，由于系统的处理软件设计成具有“自学习”的能力，且检测磁场具有穿透的能力，不论金属图案的形状和位置如何，系统都能够自适应。（3）、系统的可维护性和扩展性接近开关式的检测系统相对结构简单，但提供的对系统的干预手段少，几乎所有的系统的调整不得不通过机械的调整来完成，和电参数的调整方法比较而言，机械调整的保证性、一致性、便捷性都不好，适应性也差。而低频穿透式检测系统采用数据分析的方法进行检测，需要开发相应软件支持，检测系统具有良好的扩展性，同时使检测参数的调整变得灵活和便捷，系统的调整都可以通过电参数（