卷烟阴燃速率测试系统的设计

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Design of the test system of cigarettesmoldering rateZhao Jijun，Zhang Long ，Gao Zhenyu ，Feng Qian，Liu Yong(1.Zhengzhou Tobacco Research Institute of China National Tobacco Corporation，Zhengzhou Henan 450001，China2.Anhui Institute ofOptics and Fine Mechanics，Chinese Academy ofScience，Hefei Anhui 230031，China)Abstract：Research on cigarete fire safety is increasingly deepening at home and abroad.The faster the cigarete bums，the faster the heat releases duringsmoldering.So those cigaretes are easier tO ignite other objects and lead to a fire.Research of cigarette smoldering rate is signifcance to the evaluation ofcigarette ignition resistance.Two kinds ofmethod ofmeasuring cigarete smoldering rate based on the principle ofinared temperature and machine visionare introduced，and the coresponding testing devices are manufactured Compared with tWO kinds ofnew method and artificial record，the results show thatthe two kinds of new method are able tO measure the cigarete smoldering rate accurately and reduce the influence ofhuman factors on test results。

Key Words：Fire safety Smoldering rate Infrared temperature measurement Machine vision Heat release卷烟的燃烧是-个非常复杂的物理、化学变化过程。火灾的发生常常是由于点燃的卷烟掉落在易燃家具上引起的，从而导致了大量的人员伤亡和财产损失↑几年，国内外对卷烟防火安全问题日益重视，对于卷烟引起火灾的研究也 日益深入。这些工作对卷烟的制作工艺及检测手段提出了更高的要求。材料的释热量是火灾危险性的重要特征之-，释热量越大的材料，形成灾难性火灾的可能性越高l1。特别是释热速率 ，对评估材料火灾安全性更具实际意义∩来研究的-个方向，研究卷烟的阴燃速率对评价卷烟引燃性能具有重要意义。

测定卷烟阴燃速率的关键是对卷烟燃烧状态的判别及对卷烟燃烧线的跟踪，为了不破坏卷烟的燃烧状态，所有测试均应该采用非接触式的方法。文章基于红外测温及机器视觉的原理，设计了两种测试系统，可以准确的探测卷烟的燃烧状态，测试卷烟的阴燃速率。

鑫 火灾的机率也越高。阴燃速率是卷烟的-个物理指标，随着低弓f燃 - ” --。：- 倾向卷烟等概念的出现，卷烟静燃状态下的燃烧速率也逐渐成为未 博/1～ - j rM32 livL)z /- - ～ 3红外温度传感～ ～ 微控制器 、J-～～1 MLX90614 STM32 ～--～ j ，ARM I-IC入i铁电存储器 微控制器-- FM31 0 (主) UARTr-～ -～- <≥显示屏l<二触摸解J- -- -- -- j L- ～-～ 图1 基于红外测温的系统结构图基金项 目：国家质检总局 2011年度质检公益性行业科研专项 卷烟防火安全与引燃倾向测试方法的研究”(201110257)作者简介：赵继俊(1981-)，男，硕士，工程师，主要从事烟草国际标准4-Y-作。

通信作者：刘勇(1969-)，男，博士，研究员，博士生导师，主要研究方向为光电子技术与智能仪器。

⑩设计开发- - - -～ 点击 开始”卡芟键 j图2 步进电机闭环控制系统电机控制潮 -En：t探头回到复位 谶(逛烟过滤嘴部位 )1..-电机 l目 运动(过滤嘴 - 烧锥)V--- 。'逸线5个uAR 断，、、、、N、 、 - ，、 - / Y，电机反向运动05fnm(燃烧锥-≥过滤嘴 )，、 ，，√ 、、 、 ./ -1s内强否右 缔5个u A rI断· 、、Y工作 沃态OO/ 奉次洲试结束 /、，图3 装置电机工作状态及工作流程图- 切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，红外测温原理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号的大小，可以确定物体的温度[21。卷烟表面温度最高的位置位于燃烧区域，通过步进电机带动红外温度传感器移动，配有合适的算法控制电机的运动轨迹，可以实现跟踪卷烟的燃烧线及判l数 字 技 术 1I 五鬲计算机 卷烟火持装髓l ～ 。 -工业相机 、镜头 测试柜 卷土pj光源 卷烟点火装鬻图4基于机器视觉的系统结构图(a) (b)图5 卷烟燃烧两个阶段的图像处理结果断卷烟的燃烧状态。

1.2系统结构设计系统依据红外温度传感器测试卷烟燃烧部分的温度，通过精密的电机控制带动红外传感器移动，寻找卷烟燃烧线的位置作为跟踪目标，在测试的同时记录电机的移动距离及燃烧时间，从而计算卷烟的阴燃速率。该系统由红外测温拈、电机控制拈、人机及存储拈组成，为保证温度的采样频率和实时传输不受影响，本系统的红外测温拈采用单独的STM32作为温度采集的控制器 ，并通过UART口向主控制器传输有效数据，(图1)为该系统的结构图。

1.2.1红外测温拈测温拈采用红外温度传感器MLX9o614KSF-BAF，该温度传感器集成了红外感应热电堆探测器芯片和信号处理专用集成芯片，其中包括了低噪声放大器、17位模数转换器和强大的数字信号处理单元，使得高精度和高分辨度的温度测量得以实现。测温探头的前端配置-个金属挡片，与卷烟的轴向方向垂直安装，用以指示卷烟燃烧线的位置。通过调节温度采集频率及选认适的温度阈值 ，控制电机跟踪卷烟的燃烧线。

1.2.2步进电机 控制拈电机控制拈用于控制测温探头的运动，实时跟踪卷烟燃烧线的位置，并最终计算卷烟燃烧长度。该系统选用步距角为1.8。的两相混合式步进电机，并配以螺距为lmm的丝杆传动～红外测温模块安装在丝杆上，则电机的转动可以带动测温拈横向移动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同、I数 字 技 术 r 镑 设计开发图6 基于机器视觉测试装置的工作流程时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的3。本系统需要计算卷烟的燃烧长度，即电机跟踪卷烟燃烧线从起始位置到卷烟熄灭位置所经过的行程。该行程可以通过统计电机运动的控制脉冲数并配合丝杆的尺寸计算得到。但为保证计算的准确性，在电机控制拈中添加光电编码器 ，将电机的运动状态反馈给微控制器，形成-个闭环的控制系统，其结构如(图2)所示 。

1.3测 试 方法装置的主控制拈可以实现接收温度的实时采集数据、控制电机的运动、数据的处理与存储、状态与结果的显示等功能。主控制器根据温度的采集信息，控制电机跟踪卷烟的燃烧线运动，最终计算电机的行程，即卷烟的燃烧长度，结合卷烟的燃烧时间，最终统计卷烟的阴燃速率。

测试时，将电机的运动情况划分为4个工作状态，其中0为起始状态，电机没有动作；1为到达复位位置的工作状态，电机反转，运动至卷烟过滤嘴部位的光电开关位置；2为由复位位置开始寻找卷烟的燃烧锥的工作状态，电机正转，到达卷烟燃烧锥后停止；3为跟踪卷烟燃烧线的工作状态 ，电机根据温度采集情况随卷烟燃烧线移动，并判别卷烟是否熄灭。卷烟熄灭后，电机停止运动，本次测试结束，工作状态变为0。(图3)为电机工作状态及工作流程图。

2基于机器视觉的测试系统2.1测试原理机器视觉技术就是使用图像采集设备将被采集目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，通过像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字信号，图像系统对这些数字信号进行运算以提取目标特征，进而识别被采集目标的动作行为[4。该系统使用工业相机采集卷烟燃烧图像，通过适当的算法判别卷烟的燃烧状态，计算卷烟的阴燃速率。

2.2系统结构设计测试系统包括工业相机、光源系统、测试柜、卷烟夹持装置及卷烟点火装置。本文基于-个有机玻璃测试柜搭建实验装置，装置结构图如图4所示。

表 1 三种方法的测试结果对比序 A样 (单位：mm/mm) B样 (单位：mm/min)号 人工 红外测 机器视 人工 红外测 机器视记录 温法 觉法 记录 温法 觉法1 4.82 4.41 4.42 4.62 4.17 4.3l2 4.46 4.47 4.31 4.58 3.91 4.423 4.62 4.67 4.46 3.91 4.29 4.o44 4.53 4.36 4.5O 4.25 4.38 3.665 4.32 4.52 4.37 3.31 4.O8 3.946 4.29 4.44 4.62 4.15 4.49 4.2l7 4.52 4.76 4.84 4.09 3.86 3.738 5.00 4.73 4.43 4.09 3.92 4.o69 4.40 4.4l 4.52 4.91 4.27 4.5210 4.32 4.63 4.42 3.45 3.73 3.9411 4.73 4.74 4.28 4.22 4.13 3.5312 4.55 4.54 4.56 4.20 4.54 4.1513 4.59 4.66 4.48 3.33 4.54 3.8414 4.39 4.69 4.42 4.5l 3.73 3.6915 4.81 4.43 4.39 4.28 4.20 4.5O16 4.29 4.77 4.40 3.69 4.41 4.3217 4.39 4.66 4.38 4.16 4.28 3.4718 5.24 4.56 4.6l 4.48 4.5O 3.69l9 4.40 4.68 4.45 3.87 3.72 4.1520 4.46 4.78 4.52 3.69 3.65 4.78平均 4.5565 4.59 4.469 4.0895 4.14 4.O475值标准 0.253 0.14 0.124 0.436 O.30 0.360偏差变异 5.54% 3.O2% 2.78% 10.67% 7.22% 8.9O%系数2.2.1测试柜测试柜使用透明有机玻璃制作，在测试柜的底部和侧面使用黑色遮光纸覆盖，为卷烟的探测提供黑色背景。卷烟夹持装置放置于测试柜内，用于放置点燃的卷烟，且保证卷烟置于工业相机的视野范围内。每次测试时，使用点火装置点燃卷烟，然后关闭柜门。

2.2.2工业相机 与镜头装置采用德国映美精工业相机，相机通过USB接口与电脑连接 ，采用CMOS面阵图像传感器，传感器尺寸为1/2.5英寸，分辨率最高可达2592×1944。

相机的视野范围需包括整支卷烟，相机的工作距离约30Cm，选取 日本Computar公司的变焦工业镜头M3Z1228C-MP，可手动调节光圈和焦距，焦距范围为l2～36mm。该镜头成像效果好，图像清晰，可以满足测试的需要5I。

2.2.3 LED光源装置测试柜采用透明有机玻璃制作，虽然便于观察，但采集图像时易受到外界环境光线变化的影响。适当的光源照明设计，可以使图像中的目标与背景信息得到最佳分离，降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度 ，使系统的可靠性和综合性能得到提高。为了消除环境光线的影响，光源的亮度应大大高出环境光线的亮度，则环境光线变化的影响就可以忽略了。装置使用发光效率高的恒流型LED灯珠，每个灯珠都配有发散角为8度的聚光透镜，贴片LED灯珠处于聚光透镜的焦点位置，光源位于被测样品的上方，直接照射被测试卷烟[6]。

2.3测试方法测试初期的关键在于获取被测卷烟的位置信息，由于卷烟只占整幅图像的-d，部分 ，使用图像轮廓提取与跟踪的方法，提取出采集图像中所需要关注的区域，可以大大提高软件的处理效率。

未点燃的卷烟经过图像二值化处理 ，卷烟部分为白色，保存此时的图像为初始图像，如图5(a)(b)左侧的图像。卷烟点燃后，燃烧中设计开发 I数字技术 十rii丽的图像与初始图像有明显差异，主要为燃烧端卷烟形状的变化，在卷烟纸上会出现-条黑色的燃烧线，如图5(a)(b)中间的图像。使用初始图像减去当前图像，会得到-副只有卷烟燃烧锥轮廓的图像，如图5(a)(b)右侧的处理结果所示 ，最上方的曲线即为卷烟的燃烧线，对图像从上向下扫描，即可获得燃烧线上各个点的y坐标∩见，燃烧线并非-条直线，为了计算卷烟的阴燃长度，需要将燃烧线上的点拟合成-条X轴方向的直线，记为卷烟的燃烧线位置71。

基于机器视觉的卷烟阴燃速率测试系统的测试流程如(图6)所示。首先将卷烟放置在测试柜中的卷烟夹持装置上并点燃，工业相机将采集卷烟的图像进行处理，识别卷烟的位置，每间隔5s进行-次图像采样，按照上述算法对卷烟燃烧线进行跟踪，燃烧线位置没有变化时即为卷烟熄灭，最终记录卷烟阴燃长度、阴燃时间，计算出卷烟阴燃速率。

3实验分析及方法对比对于卷烟阴燃速率的测试，之前的方法主要是通过人工记录卷烟的燃烧时间，统计卷烟的燃烧长度，最后算出卷烟的阴燃速率。本次实验选取-种普通卷烟纸制作的烤烟型卷烟A和-种阻燃带卷烟纸制作的低引燃倾向卷烟B分别使用人工记录、红外测温法、机器视觉法进行阴燃速率测试，统计结果如(表1)所示。

从实验结果可以看出，人工记录的方法在平均值上与其他两种方法相近，但标准偏差、变异系数较高∩见，本文设计的两种测试方法可以较为有效的测试卷烟的阴燃速率，并且稳定性好，可以大大降低人为因素对测试结果的影响。相比较两种新方法，对于普通卷烟 ，两种测试方法在稳定性方面相近，对于低引燃倾向的卷烟，由于该类卷烟存在阻燃环带，在环带区域燃烧较慢，且有熄灭的可能性8，阴燃过程中存在较大的不确定性，使用红外测温的方法更为稳定可靠。

4结语对于普通的市售卷烟，阴燃速率大多相差无几。但随着国内外 上接第168页NN个星号构成的图形问题 ，学生都能迎刃而解。

木木 木幸木木 幸 术 枣牛 年半 卡中图2 星号组成的三角形这个题目在简单的二层循环应用下提高了-些难度，学生通过分析 ，发现二层循环结构不能解决类似问题，要加-层循环才能实现。

女幸枣 枣木木幸七幸 幸幸士幸 幸 凇术木毒木图3 星号组成的菱形这个题目在先前题 目的基础上，进-步提高了难度，由有规律变换变成了无规律变换的图形组合，学生通过本题目的练习有意识的会拆分图形，把无规律变换成为有规律变换，对知识融会贯通，成功解决问题。

由此可见，从所学知识的简单应用到复杂推广，可在逐步增加对卷烟防火安全的重视，在国外市场上出现了较多的低引燃倾向卷烟，旨在降低由卷烟引起火灾的概率。这种低引燃倾向的卷烟目前采用主要的技术是在卷烟纸上涂布阻燃材料，使卷烟上具有若干个低透气度的阻燃环带，从而降低卷烟引燃其他物体的倾向。阻燃带的透气度决定了低引燃倾向卷烟的有效性，也使该类卷烟的阴燃速率产生了差异。

物质的燃烧速率与其释热速率相关，而释热速率对于评价材料的火灾安全性具有重要意义。因此，本文介绍了两种测试卷烟阴燃速率的方法，可以实现更高效、更稳定的测试，为卷烟火灾安全性的研究提供了更有效的手段。