《烟草数字投影仪检定规程》技术报告

《烟草数字投影仪检定规程》技术报告计划文号:国烟科[2018]177合同号：2018B005《烟草数字投影仪检定规程》技术报告(征求意见稿)中国烟草标准化研究中心河南中烟工业有限责任公司广西中烟工业有限责任公司河北中烟工业有限责任公司内蒙古昆明卷烟有限责任公司四川中烟工业有限责任公司云南中烟工业有限责任公司浙江中烟工业有限责任公司湖北中烟工业有限责任公司中国科学院合肥物质科学研究院2019年09月目录1. 概述 12. 技术路线及实施方案 32.1技术路线 32.2实施方案 42.2.1工作台的检定 42.2.2长度示值误差的检定 42.2.3圆孔直径示值误差的检定 53. 实验验证 53.1实验仪器 53.2 实验方法 53.3 实验环境条件 83.4 实验数据 84. 总结 16概述烟草数字投影仪是一种用于烟草行业日常生产检测和质量监控的专用仪器，主要用于测量烟用接装纸、卷烟纸宽度、打孔接装纸孔带宽度、孔带距边宽度、打孔接装纸圆孔或近似圆形孔直径等的仪器等的快速检测，有效解决了烟用纸尺寸指标检测的难题。烟草数字投影仪采用了影像测量技术，是以图像作为信息载体，运用计算机视觉和图像处理等技术手段，提取被测对象的特征信息。烟草和烟草制品的尺寸测量是一项常规检测项目，国家标准GB/T22838.2-2009、GB/T22838.3-2009分别规定了非接触光学法测定卷烟和滤棒长度、圆周的方法，但早期尚没有相应的仪器设备对烟用纸张尺寸性能指标包括烟用接装纸、卷烟纸宽度、打孔接装纸圆孔或近似圆形孔直径等进行测定。烟用接装纸、卷烟纸宽度、打孔接装纸圆孔或近似圆形孔直径在实际检测时存在一定难度，会直接影响到测试结果的准确性和一致性。随着数字影像技术的快速发展和广泛使用，烟草行业逐渐开始应用这项技术。2009年前后，通过对行业需求的充分调研，国家烟草质量监督检验中心和中科院安徽光机所研制开发出第一代测量一维尺寸的A型烟草数字投影仪。为满足更多的测试需求，几年后中科院安徽光机所研制开发出第二代一维、二维均能测量的B型烟草数字投影仪。第二代和第一代有很大的区别，第二代投影仪采用自动对焦、自动标定、自动调整曝光强度，最大限度的降低了人为干预对测量的精度的影响，其外观和工作区域尺寸都有很大的变换，具有更多的功能和更高的自动化程度。目前两种烟草数字投影仪作为测量烟草制品尺寸的主流产品都已在行业中广泛应用，大多数卷烟生产企业和烟草公司质量监督检测站的辅料检测室均配置有烟草数字投影仪。项目组根据需要在郑州、合肥、武汉等不同地点选取了具有代表性的8台烟草数字投影仪进行了实验验证。国家在2015年发布了通用型投影仪的校准规范JJF1093-2015《投影仪校准规范》，然而它并不适用于行业所使用的烟草数字投影仪的计量。JJF1093-2015规定的投影仪与行业内使用的烟草数字投影仪在结构、原理和计量性能要求等方面都有所不同，（1）结构和原理上：JJF1093-2015规定的投影仪是直接把镜头上的刻度尺投影在圆形投影屏上，是机械读数装置，并且也没有针对烟用纸、烟用材料等样品的专用夹具及专用检测程序；而行业内使用的数字投影仪采用了数字成像原理，把物体的边界成像在显示屏上，显示器上的坐标尺是通过专用的算法虚拟出来的，不是机械读数装置；（2）计量性能要求上：a.烟草数字投影仪可以通过图像处理测量打孔纸的孔直径，因此需要对直径示值误差予以规定，而JJF1093-2015规定的投影仪没有直径这一指标；b.JJF1093-2015规定了读数装置示值最大允许误差不超过2.0μm(0.002mm)，而行业内的烟草数字投影仪最高精度为0.02mm,无法达到示值最大允许误差不超过2.0μm的要求；c.JJF1093-2015规定了光学机械式读数装置的0.1mm刻线与微米刻线的相符性不超过1.0μm、光学机械式读数装置的物镜放大倍数误差不超过1.0μm的要求，而烟草数字投影仪没有机械读数装置，也就不存在相符性和读数装置物镜放大倍数误差的要求；d.JJF1093-2015中规定的工作台纵横向移动的垂直度误差限是根据投影仪影屏直径大小进行规定的，而烟草数字投影仪没有投影屏，工作台纵横向移动的垂直度误差限不能根据投影屏直径大小进行规定。（3）由于没有适用于烟草行业所使用的数字投影仪的计量检定规程或校准规范，因此目前行业在用的烟草数字投影仪缺少计量的依据，无法实现统一规范的量值溯源，烟草数字投影仪测量数据的准确性和可靠性难以得到有效的保证。本项目的主要目的是填补行业烟草数字投影仪计量标准的空白，确定烟草数字投影仪的检定条件、检定项目、检定方法、检定结果的判定、检定周期等，最终编制出适合于当前烟草行业使用的烟草数字投影仪的检定规程，实现行业内烟草数字投影仪统一规范的量值溯源。标准化中心和协作单位以及其他参与规程修订工作的项目组成员一起对规程的操作可行性、规程中的检定项目及检定指标要求与相关标准的一致性进行了验证，以期达到科学、权威、可行的目的。技术路线及实施方案2.1技术路线项目技术线路图如图1所示。经过前期调研，行业在用的烟草数字投影仪分为只能测量一维A型和可以测量二维尺寸B型两种类型，项目组研讨确定针对只能测量一维尺寸的烟草数字投影仪的工作台移动的直线度、长度示值误差和数字显示器的漂移等三个部分分别进行检定，针对可以测量二维尺寸的烟草数字投影仪的工作台移动的直线度、工作台移动的相互垂直度、长度示值误差、圆孔直径示值误差和数字显示器的漂移等五个部分分别进行检定。项目研究过程中，针对以上检定指标进行研讨，拟重点开展工作台、长度测量和圆孔直径测量三个部分的技术研究，因此本项目的技术路线图如图1所示：项目启动项目启动方案讨论工作台直线度实验征求意见送审稿技术报告检定规程征求意见稿检定规程初稿 图1项目技术路线图2.2实施方案针对技术路线中明确的工作台、长度测量部分和圆孔直径测量三大部分，分别开展相应的检定项目和检定方法的研究。具体实施方案如下：2.2.1工作台的检定对于测量一维尺寸的烟草数字投影仪需要检定工作台移动的直线度，检定采用的测量仪器是平面直角尺和扭簧比较仪。平面直角尺是一种专业量具，用于检测工件或平台等的直线度和垂直度，由大理石制成，具有精度高，稳定性好，组织结构均匀，线胀系数极小，内应力完全消失，不变形，刚性好，硬度高，耐磨性强等特点；扭簧比较仪是利用扭簧元件作为尺寸转换和放大或光学原理的传动放大，将测量杆的直线位移转变为指针或指针线在弧形分度盘上角位移的计量器具，主要用于测量精密工件的几何尺寸、形位偏差等。按照行业内普遍在用的烟草数字投影仪工作台纵或横向移动的范围，并结合纵向或横向移动偏离对测量结果的影响，项目组决定采用准确度等级为1级的平面直角尺和最大允许误差为±0.001mm的扭簧比较仪对工作台纵或横向移动进行检定。对于可以测量二维尺寸的烟草数字投影仪需要检定工作台移动的直线度和相互垂直度，检定采用的测量仪器是平面直角尺和扭簧比较仪。相互垂直度的测量方法与直线度的测量方法类似。2.2.2长度示值误差的检定长度的检定可通过长度标准件标准值与烟草数字投影仪示值比对进行检定。金属材料的长度标准件在成像时边界比较模糊，会造成较大的测量误差；陶瓷材料的标准件目前加工精度都难以满足要求；烟草数字投影仪在自动测量模式下无法对玻璃线纹尺进行测量，而自动模式可以避免人为因素的干扰，并且可以同时验证图像算法。最终项目组根据测量范围和测量精度的要求，采用光刻掩膜版作为长度标准件对烟草数字投影仪的长度示值误差进行检定。光刻掩膜版的原理是不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形结构，再通过曝光过程将图形信息转移到产品基片上。本项目的光刻掩膜版透明基板采用的原材料是透光合成树脂（PET），遮光薄膜是感光乳胶，是一种感光材料，类似于照相用胶卷，通过光绘机曝光形成“潜影”，经过显影、定影、水洗、烘干过程最终形成了黑白分明的图案（黑色不透光、白色透明透光）。对于长度示值误差的检定，采用的图案是5个边长不同的长方形。经过项目组的研讨，5个近似均匀分布的不同长度值可以代表烟草数字投影仪测量范围。2.2.3圆孔直径示值误差的检定圆孔直径的检定可通过圆孔直径标准件标准值与烟草数字投影仪示值比对进行检定。圆孔直径标准件材料的选择与长度标准件类似，并且经过项目组的研讨，5个近似均匀分布的不同直径值可以代表烟草数字投影仪测量范围。实验验证在确定烟草数字投影仪的检定项目和检定方法的基础上，项目组完成了烟草数字投影仪检定规程的初稿，并对初稿中的检定方法开始进行实验验证。目前行业使用的烟草数字投影仪主要有两种（A、B）型号，A型号只能测量一维尺寸，B型号可以测量二维尺寸。项目组根据需要，共选取8台仪器开展实验验证。3.1实验仪器根据需要选定的实验仪器如下：（1）平面直角尺：准确度等级为1级，规格是250mm*160mm。（2）扭簧比较仪器：最大允差±0.001mm,量程是±0.05mm。（3）长度标准件：最大允差±0.003mm，长度值为20mm、50mm、84mm、100mm、120mm。（4）圆孔直径标准件：直径最大允差±0.003mm，直径值分别为0.1mm，0.2mm，0.3mm，04mm，0.5mm。（5）秒表：分度值0.1s，最大允差±0.05s。实验方法首先对烟草数字投影仪的外观和电气性能进行检查，确认烟草数字投影仪符合开机要求。打开烟草数字投影仪电源后，根据操作手册的要求对烟草数字投影仪进行工作前准备和预热，然后按照操作手册步骤对烟草数字投影仪的镜头和相机进行标定。（1）工作台纵、横向移动直线度的实验方法直线度采用平面直角尺和扭簧比较仪进行测量。将平面直角尺放置在工作台中心位置，扭簧比较仪固定在定做的支架上，扭簧比较仪探头与平面直角尺垂直或水平工作面接触，调整平面直角尺平行于工作台纵向或横向移动方向，扭簧比较仪连接示意图如图2所示。然后沿纵或横向移动工作台，记录该移动方向扭簧比较仪示值的最大变化量，重复测量10次。10次测量值的绝对值的平均值作为直线度的测量值。图2扭簧比较仪连接示意图工作台纵、横向移动相互垂直度的实验方法对于可以测量二维尺寸的烟草数字投影仪还需要检定工作台的相互垂直度。采用平面直角尺和扭簧比较仪对相互垂直度进行测量。测量完直线度，平面直角尺不动，移动支架使扭簧比较仪与平面直角尺另外一个直角边的工作面接触（连接方法与测量直线度时类似），沿该方向移动工作台，移动的行程为S，在扭簧比较仪上读出工作台行程首尾两点之差，并按照公式（1）计算垂直度α，重复测量10次。10次测量值的平均值作为相互垂直度的值，运动过程示意图如图3所示。α=其中：α——垂直度，（"）；ρ——常数，值为206265，1弧度对应的秒值；——移动工作台时扭簧比较仪的读数差值，mm；——移动工作台的行程，mm。图3运动过程示意图长度示值误差的实验方法选取长度值分别为20mm、50mm、84mm、100mm、120mm的长度标准件放置在投影仪夹持器上，采用自动测量模式，开始测定。对所有长度标准件重复测量10次，分别记录每次测量的长度值。计算出10次测量值的平均值与标准件标定值之间的差值。圆孔直径示值误差的实验方法选取直径值分别为0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm的圆孔直径标准件。用投影仪对圆孔直径标准件重复测量10次。分别记录每次测量的直径值，计算出10次测量值的平均值与标准件标定值之间的差值。数字显示器漂移的实验方法开机15min待数字显示装置稳定后，以仪器起始或任意位置读数值为初始值，静置1h内每隔15min观察记录1次，共计4次，计算每次观测值与初始值的差值填入记录表，以漂移量的极差作为检定值。实验环境条件——温度：（22±2）℃，相对湿度：（60±5）%RH，大气压力：（96±10）kPa。实验数据烟草数字投影仪A-1的实验数据工作台纵、横（垂）向移动的直线度（mm）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪最大示值7×10-3-6×10-37×10-36×10-36×10-37×10-3-5×10-3-6×10-37×10-36×10-36.3×10-3长度示值误差（mm）长度标准件标准值12345678910平均值20.0019.9919.9819.9820.0019.9919.9919.9919.9919.9919.9919.98950.0050.0150.0050.0050.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0150.00884.0084.0184.0184.0284.0184.0284.0184.0284.0184.0184.0284.014100.00100.01100.02100.02100.01100.02100.02100.01100.02100.02100.02100.017120.00120.01120.02120.01120.01120.02120.01120.01120.02120.02120.01120.014数字显示器的漂移（mm）序号1234备注漂移量0000烟草数字投影仪A-2的实验数据工作台纵、横（垂）向移动的直线度（mm）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪最大示值6×10-35×10-36×10-3-5×10-3-7×10-3-5×10-3-6×10-37×10-3-6×10-36×10-35.9×10-3长度示值误差（mm）长度标准件标准值12345678910平均值20.0020.0220.0120.0120.0220.0120.0120.0120.0120.0220.0220.00950.0049.9949.9950.0049.9849.9849.9949.9949.9849.9949.9949.99184.0084.0284.0184.0184.0184.0184.0184.0284.0184.0284.0184.013100.0099.9999.9999.9999.9999.9899.9899.9899.99100.0099.9999.993120.00119.98119.98119.98119.98119.99119.99119.98119.98119.99119.99119.989数字显示器的漂移（mm）序号1234备注漂移量0000烟草数字投影仪A-3的实验数据工作台纵、横（垂）向移动的直线度（mm）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪最大示值7×10-38×10-37×10-36×10-3-7×10-3-7×10-3-6×10-3-7×10-35×10-36×10-36.6×10-3长度示值误差（mm）长度标准件标准值12345678910平均值20.0019.9819.9819.9919.9919.9819.9919.9919.9819.9919.9919.98650.0050.0150.0250.0150.0250.0250.0250.0150.0250.0250.0250.01784.0083.9883.9883.9983.9983.9883.9883.9983.9883.9883.9883.983100.00100.02100.01100.01100.02100.02100.00100.02100.01100.02100.02100.015120.00120.01120.01120.01120.02120.02120.01120.01120.01120.02120.02120.014数字显示器的漂移（mm）序号1234备注漂移量0000烟草数字投影仪A-4的实验数据工作台纵、横（垂）向移动的直线度（mm）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪最大示值-9×10-3-9×10-3-8×10-39×10-39×10-38×10-310×10-39×10-38×10-38×10-38.7×10-3长度示值误差（mm）长度标准件标准值12345678910平均值20.0020.0220.0220.0220.0220.0220.0220.0120.0220.0220.0220.01950.0049.9849.9949.9949.9949.9849.9949.9949.9949.9849.9849.98684.0083.9983.9983.9983.9983.9984.0083.9983.9883.9983.9983.990100.0099.9899.9899.9899.9899.9899.9999.9899.9899.9999.9899.982120.00119.99119.98119.98119.99119.99119.99119.99119.98119.99119.99119.987数字显示器的漂移（mm）序号1234备注漂移量0000烟草数字投影仪A-5的实验数据工作台纵、横（垂）向移动的直线度（mm）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪最大示值-5×10-3-5×10-3-5×10-3-6×10-3-6×10-35×10-36×10-36×10-36×10-35×10-35.5×10-3长度示值误差（mm）长度标准件标准值12345678910平均值20.0020.0019.9920.0019.9920.0020.0019.9920.0019.9920.0019.99650.0050.0150.0050.0150.0150.0150.0150.0050.0150.0050.0150.00784.0084.0084.0084.0084.0184.0184.0084.0184.0284.0184.0184.007100.00100.00100.0099.9999.99100.00100.00100.00100.0099.99100.0099.997120.00120.00120.00120.00120.01120.00120.00120.01120.01120.00120.00120.003数字显示器的漂移（mm）序号1234备注漂移量0000烟草数字投影仪B-1的实验数据工作台纵、横（垂）向移动的直线度（mm）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪最大示值-6×10-3-5×10-3-5×10-3-6×10-3-7×10-36×10-36×10-36×10-37×10-36×10-36.0×10-3工作台纵、横（垂）向移动的相互垂直度（"）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪示值差40×10-336×10-320×10-330×10-3-30×10-3-40×10-340×10-342×10-336×10-338×10-373"长度示值误差（mm）长度标准件标准值12345678910平均值20.0020.0120.0120.0120.0120.0120.0120.0120.0120.0120.0120.0150.0050.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0250.0250.0150.0150.0184.0084.0184.0184.0184.0184.0184.0184.0184.0184.0184.0184.01100.00100.01100.01100.01100.01100.01100.01100.01100.01100.01100.01100.01120.00120.01120.01120.01120.01120.01120.01120.01120.01120.01120.01120.01圆孔直径示值误差（mm）圆孔直径标准件标准值12345678910平均值0.007850.0510.0520.0510.0510.0520.0520.0520.0520.0520.0510.05160.031420.1010.1000.1010.1010.1010.1000.1000.1010.1000.1010.10060.070690.1530.1530.1530.1530.1530.1530.1530.1520.1520.1530.15280.125660.2020.2030.2030.2030.2020.2030.2020.2030.2030.2030.20270.196350.2520.2520.2520.2520.2520.2510.2510.2520.2520.2520.2518数字显示器的漂移（mm）序号1234备注漂移量0000烟草数字投影仪B-2的实验数据工作台纵、横（垂）向移动的直线度（mm）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪最大示值-5×10-3-5×10-3-5×10-3-6×10-3-6×10-36×10-35×10-35×10-35×10-35×10-35.3×10-3工作台纵、横（垂）向移动的相互垂直度（"）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪示值差-89×10-3-89×10-3-87×10-388×10-389×10-390×10-389×10-390×10-388×10-3-89×10-3182"长度示值误差（mm）长度标准件标准值12345678910平均值20.0020.0020.0120.0120.0020.0020.0120.0120.0120.0020.0120.00650.0050.0150.0150.0050.0050.0050.0150.0150.0050.0050.0050.00484.0084.0184.0184.0084.0084.0084.0184.0084.0083.9984.0084.002100.00100.00100.01100.00100.00100.01100.00100.01100.00100.01100.00100.004120.00120.01120.01120.00120.00120.01120.00120.00120.00120.00120.00120.003圆孔直径示值误差（mm）圆孔直径标准件标准值12345678910平均值0.007850.0520.0520.0510.0520.0520.0520.0510.0520.0520.0520.05180.031420.1030.1030.1020.1030.1030.1020.1020.1030.1030.1030.10270.070690.1530.1530.1530.1530.1540.1540.1540.1540.1540.1540.15360.125660.2030.2030.2030.2030.2030.2030.2030.2030.2030.2030.20300.196350.2550.2470.2480.2540.2480.2470.2540.2540.2540.2540.2515数字显示器的漂移（mm）序号1234备注漂移量0000烟草数字投影仪B-3的实验数据工作台纵、横（垂）向移动的直线度（mm）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪最大示值-6×10-3-6×10-3-5×10-3-5×10-3-6×10-34×10-35×10-35×10-36×10-36×10-35.4×10-3工作台纵、横（垂）向移动的相互垂直度（"）序号12345678910绝对值平均值扭簧比较仪示值差90×10-390×10-3-90×10-3-90×10-390×10-390×10-3-90×10-3-90×10-3-90×10-390×10-3186"长度示值误差（mm）长度标准件标准值12345678910平均值20.0020.0020.0020.0020.0020.0120.0020.0120.0020.0020.0020.00250.0050.0050.0050.0150.0050.0150.0150.0050.0050.0050.0050.00384.0084.0083.9984.0084.0184.0084.0084.0184.0084.0084.0184.002100.00100.00100.01100.01100.00100.01100.01100.01100.00100.00100.01100.006120.00120.01120.00120.00120.00120.00120.00120.00120.01120.00120.00120.002圆孔直径示值误差（mm）圆孔直径标准件标准值12345678910平均值0.007850.0510.0520.0520.0520.0510.0510.0510.0510.0510.0510.05130.031420.1020.1020.1020.1020.1020.1020.1010.1010.1010.1020.10170.070690.1540.1530.1530.1520.1520.1520.1520.1520.1520.1520.15240.125660.2010.2010.2020.2020.2020.2020.2020.2020.2020.2020.20180.196350.2540.2480.2550.2540.2480.2540.2540.2550.2540.2540.2530数字显示器的漂移（mm）序号1234备注漂移量00003.5实验数据分析根据检定规程的要求，烟草数字投影仪工作台纵、横向移动的直线度偏差绝对值≤0.01mm；工作台纵、横向移动的相互垂直度偏差绝对值≤200"；长度测量最大允差满足±0.01mm；圆孔直径测量最大允差满足±0.01mm；数字显示器的示值变化不超过±1个分辨力。在实验室过程中未曾发现数字显示器有漂移的情况发生，因此项目组认为可以取消检定规程中数字显示器的漂移这项计量性能要求。依据规程中的计量性能要求对实验结果进行判定，具体每一项计量性能要求结论如下表所示。(a)直线度工作台纵、横向移动的直线度序号测量值（mm）计量性能要求测量结果判定第1台6.3×10-3×10-3×10-3偏差绝对值≤0.01mm合格第2台5.9×10-3×10-3合格第3台6.6×10-3合格第4台8.7×10-3合格第5台5.5×10-3合格第6台6.0×10-3合格第7台5.3×10-3合格第8台5.4×10-3合格(b)相互垂直度工作台纵、横向移动的相互垂直度序号测量值（"）计量性能要求测量结果判定第1台/偏差绝对值≤200"/第2台