基于图像法和叶面积分布模型的机制雪茄芯片结构检测及应用

祝富祥，付立伟，张友杰，徐德龙，张雪，王胜晓

（1.山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂；2.山东中烟工业有限责任公司，山东 济南 250014）

机制雪茄以叶片式雪茄为主，叶组配方由不同产区雪茄烟叶打后叶片（以下简称芯片）组成，芯片的结构特征对机制雪茄的烟支燃烧和吸阻稳定性都有重要影响。目前，采用图像分析技术的叶片结构检测方法已广泛应用于烤烟打叶复烤过程中，雪茄烟叶打叶过程芯片的检测仍主要是通过筛分法,在筛分过程中可能出现过筛、漏筛的现象，造成结果的准确性下降。本文基于图像法和叶面积分布模型，利用光学分析仪进行测量，对比了不同产区雪茄烟叶打后的芯片结构，以期为雪茄烟叶打叶过程实时质量监测、片形控制和参数优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

4 个产区的雪茄烟叶原料A、B、C、D。其中A、B为自然把，C、D 为平摊把。

500kg/h 雪茄打叶生产线（秦皇岛烟草机械有限责任公司），烟草光学检测仪（±0.2%,北京澳普乐科技开发有限公司），XS6001M METTLER TOLEDO 电子天平(±0.1g，瑞士Mettler 公司）。

1.2 实验方法和条件

1.2.1 图像获取及分析

烟草光学检测仪如图1 所示，通过背景光场补偿，扣除背景的亮度均一图像，对图像平滑，去除图像中的随机噪点，将图像二值化处理，抽取待测物体最长的中轴长度，以及计算物体面积、宽度等结构参数，根据图像面积等参数进行区间分布。

图1 烟草光学检测仪示意图

1.2.2 叶面积分布测试方法

（1）区间面积。参照YC/T 449-2012《烟叶 片烟大小及其分布的测定 叶面积法》方法进行检测。生产线稳定30min 后，从芯片装箱前输送带上，以横截面取出成品芯片，每个样本量不少于1500g，各样品生产加工工艺参数一致。利用光学分析仪测量芯片面积，分成(0-100)mm2、(100-200)mm2、(200-300)mm2、(300-400)mm2、(400-500)mm2、(500-600)mm2、(600-7 0 0)mm2、(700-800)mm2、(800-900)mm2、(900-1000)mm2、≥1000mm211 个面积区间，分别计算各区间芯片的面积和。

（2）均匀性系数。以≥100mm2、≥200mm2、≥300 mm2、 ≥400mm2、 ≥500mm2、 ≥600mm2、 ≥700mm2、≥800mm2、≥900mm2、≥1000mm2为面积区间，分别计算各区间面积占样品总面积的百分比。根据各区间面积百分比及对应区间面积下限，利用Origin9.1 软件，采用最小二乘法拟合芯片面积分布方程（1），得到方程中参数a、b。其中b 为均匀性系数。

式中，F(x)为大于或等于x 的芯片面积之和占总面积的比例；x 为区间下限，单位为平方毫米（mm2）；a为方程参数；b 为均匀性系数。

（3）特征面积参数。将a、b 代入公式（2）计算芯片特征面积。

1.2.3 长宽比测试方法

对采集的样品进行最长轴线抽取后，通过该轴线上各相邻像素点之间的距离总和来测量轴线的长度，并以此代表样品长度。

沿样品的最长轴线方向计算每一处的宽度，并进行累计平均宽度，并以此代表样品宽度。

1.2.4 生产应用

按表1 所示，对芯片B 进行验证测试,分别设置一级打叶打辊频率31Hz、29Hz、27Hz，其他参数不变。参数调整稳定30min 后，从打叶后输送带上，以横截面取出芯片，平衡后进行检测。每个样本量不少于1500g。

表1 打叶机参数设置

2 结果

2.1 叶面积分布

2.1.1 面积区间

运用图像分析法测量打后雪茄烟叶的芯片，将面积分为(0-100)mm2、(100-200)mm2、(200-300)mm2、(300-400)mm2、(400-500)mm2、(500-600)mm2、(600-700)mm2、(700-800)mm2、(800-900)mm2、(900-1000)mm2、 ≥1000mm211 个区间，测量所得面积分布如图2 所示。可以看出，随着芯片面积区间的增大，各区间所占样品总面积的百分比呈逐渐减少趋势，芯片面积主要集中在(0-100)mm2、(100-200)mm2、(200-300)mm2、(300-400)mm2四个区间，占总面积的80%左右。

图2 芯片面积区间分布

2.1.2 均匀性系数

对11 个面积区间进行累计得到如表2 所示结果，根据芯片面积分布方程（1），对各样品用双对数坐标作出ln[-lnF(x)]与ln(x)的散点图，用最小二乘法拟合得结果如图3 和表3 所示，各拟合结果R2均大于0.99，说明面积分布模型的拟合效果较好。

表2 面积累计百分比

表3 模型拟合结果

图3 样品ln[-lnF(x)]与ln（x）拟合曲线

在双对数坐标下，b 为拟合直线的斜率，其值越大，拟合直线越陡，ln(x)的变化范围越小，相应的x 即芯叶面积分布所占范围较小，说明芯片面积分布较均匀；反之，则芯片面积分布较为分散。通过b 值其大小可以判断芯片面积分布的均匀性。从表2 中可以看出，芯片B 的均匀性系数最小，为1.00，芯片C 的均匀性系数最大，为1.20。说明芯片B 的芯片面积分布最分散，芯片C 的面积分布最均匀。

2.1.3 特征面积参数

对于芯片的面积分布，可将x0.50所对应的芯片面积作为衡量芯片整体大小的特征量，其物理意义是大于或等于该面积的芯片面积之和占样品总面积的比例为50%时所对应的面积大小。该值越大，芯叶整体面积越大。x0.50可通过公式（2）求取。从表4 中可以看出，样品B的芯片特征面积值最小，为155.4，样品D 的芯片特征面积值最大,为270.6，说明样品B 的芯片整体面积最小，样品D 的芯片整体面积最大。

表4 芯片特征面积

2.2 长宽比

图4 为芯片长宽比坐标图，表5 为芯片的长宽比值。对芯片的长宽比进行方差分析，从图4 和表5 可以看出，各样品芯片的长宽比存在显著差异，其中芯片A 的长宽比最大，为6.38，芯片C 的长宽比最小，为5.22。

表5 芯片的长宽比值

图4 芯片的长宽比坐标图

在打叶线参数一致的情况下，来料雪茄烟叶的结构可能与打后芯片结构存在相关性。雪茄原料烟叶样品A 和B 为自然把，外观接近，烟叶皱缩明显，呈竖长条状，而样品C 和D 为自然把，外观舒展平整。因此，出现样品A 和B 打后芯片的均匀系数和特征面积均较小，长宽比偏大，打后芯片面积分散、整体尺寸偏小的结果。

2.3 生产验证及应用

以两级打叶风选过程为例，通过调整一级打叶打辊频率，固定其他参数，验证打叶过程参数调整对芯片结构的影响以及验证图像法和叶面积分布模型的适用性。

一级打叶不同打辊频率时芯片结构特征参数如表6 所示。从表6 可以看出，面积分布模型的R2均大于0.99，拟合效果较好，说明面积分布模型可以应用于不同工艺条件下芯片结构的检测。在试验范围内，随着一级打叶打辊频率的降低，均匀系数、特征面积参数和长宽比均呈现先降低再升高的趋势。当一级打叶打辊频率降低至29Hz 时，打辊转速降低，叶梗撕裂效率降低，从而进入二级打叶的流量降低，二级打叶的强度相对增加，造碎增多，造成特征面积等参数下降；而当一级打叶频率进一步降低至27Hz 时，打辊转速进一步降低，进入风选的流量显著降低，风选的气料比增大，分出的叶片增多，造成特征面积等参数又变大。

表6 一级打叶不同打辊频率时的结构特征参数

3 结语

根据本文不同产区雪茄原料打后芯片的测试结果，在相同加工条件下，来料烟叶形态对打后芯片结构有显著影响，平摊把烟叶在现有工艺参数条件下，芯片面积分布更均匀、整体特征面积更大、长宽比更小。机制叶片式雪茄和手工叶片式雪茄由于规格尺寸差异较大，所需要适宜的芯片结构也是不一样的，在今后的研究中可针对不同雪茄规格、雪茄原料外观特点及加工特性，进一步优化两级打叶风分过程，实现片形精准控制，确定不同规格尺寸叶片式雪茄适宜的芯片结构范围，以及可以进一步探索机制雪茄芯片结构对燃烧和吸阻稳定性的影响。

（1）采用图像分析法可以准确测量机制雪茄芯片的面积等参数，测量结果证明，机制雪茄芯片分布满足面积分布模型。

（2）均匀性系数可以表征机制雪茄芯片面积分布的均匀性，均匀性系数越小，面积分布最分散；特征面积参数可以表征芯片整体大小，特征面积参数越大，芯片整体越大。芯片样品的均匀性系数和特征面积参数各不相同，其中芯片C 的均匀性系数最大，面积分布最均匀，芯片D 的面积特征参数最大，整体面积最大。

（3）不同产区雪茄原料打后芯片的长宽比存在显著差异。其中芯片A 的长宽比最大，芯片C 的长宽比最小。

（4）在试验范围内，随着一级打叶打辊频率的降低，均匀系数、特征面积参数和长宽比呈现先降低再升高的趋势。芯片结构的检测可应用于叶片式雪茄芯片生产的各环节，实现实时质量监测和片形控制，为雪茄烟叶打叶过程参数优化等提供技术依据。