基于微波技术的包装产品内部缺失检测装置设计

作者/沈宝诚¹，万玮²，彭刚³(1.中国电子科技集团公司第41研究所，安徽 蚌埠 233010;2.江西中烟工业有限责任公司南昌卷烟厂，江西 南昌 330000;3.重庆中烟工业有限责任公司黔江卷烟厂，安徽 蚌埠 409000)

　　摘要：本文设计了一种包装产品内部缺失检测装置，该装置基于微波检测原理^[1-2]，用于检测包装内部产品是否存在缺失，避免有问题的产品流入市场。本装置已在多个行业的包装生产线上安装运用，系统运行稳定，检测准确度高，得到客户的一致好评。

　　关键词：微波检测;包装内部;产品缺失;微波发射;喇叭天线

　　0 引言

　　在市场经济发达的今天，产品质量对于企业的重要性日益增高，越来越多的企业认为质量是他们的生命线。在各个行业中，包装内部产品缺失被公认为是最严重的质量问题之一，存在这种问题的产品一旦流入市场，既损害了消费者利益，又损坏了企业的形象和信誉，有问题的产品被市场反馈回企业，在一定程度上也会增加企业的成本。

　　随着自动化技术的进步，生产线上包装机的包装速度越来越快，但因为种种原因，在包装过程中，经常会出现包装完成后的产品内部有产品缺失现象。根据对多家企业调查，企业对“包装内部产品缺失”问题非常重视，为了彻底杜绝产品缺失问题，许多厂家分别安装了或者同时安装了各种不同检测方式的产品缺失检测装置，其中包括光电式、称重式、负压式、拍照式、射线式等，但从现场使用情况来看，都存在着不同程度的缺陷，同时，也无法彻底解决包装内部产品缺失问题。本文提出了采用微波检测原理来检测产品缺失的方案并给出了具体设计，该检测装置具有更准确、更直观、更安全等优点。

　　1 总体设计

　　本检测装置安装在生产线传输通道上，对包装产品内部是否缺失进行检测。它是利用高频微波信号遇到被测产品时，部分微波会被吸收或者反射，接收天线接收通过被测产品后的微波信号功率与发射天线发射的微波功率相比将会减小，通过前后功率变化的大小来判断包装内部产品是否缺失。根据测试原理和功能要求，包装产品内部缺包检测器主要包括一套微波发射模块、一套微波接收模块、一套控制器、报警器及同步激光传感器等外围设备，其总体结构如图1所示。

　　2 硬件设计

　　由图1可知包装产品内部缺失检测装置的核心部件是微波发射模块、微波接收模块、控制器，其电路框图如图2所示。工作流程为：当激光传感器检测到产品进入测试通道时，向控制板发送产品到位信号，控制板接收到信号后驱动微波采样板对微波接收天线接收到的微波信号进行采集^[3]和运算处理，并把最终数据结果传给控制板。控制板将接收到的数据与工控机设置的阈值进行比较，如果测得值超过设定阈值则表示包装内部产品存在缺失，反之则正常。当检测器检测出有产品缺失时，即向生产线传输控制系统发送停机信号，并同时进行声光报警，提醒生产人员及时处理。

　　2.1 微波发射模块

　　微波发射模块负责通过内置的微波信号发生器和微波天线向外发射高频微波信号。微波发射模块包含一个电源、一个微波信号发射器、一个发射天线。微波发射天线有多种形状，本检测器选用了喇叭天线^[4]，因为喇叭天线的基本形式是把矩形波导管和圆波导管的开口面逐渐扩展而形成，由于波导开口面的逐渐扩大，改善了波导与自由空间的匹配，使得波导中的反射系数小，即波导中传输的绝大部分能量由喇叭口辐射出去，反射的能量减少，减少功率损耗。

　　2.2 微波接收模块

　　微波接收模块负责通过内置的微波天线和微波信号处理器接收微波信号，并经过初步处理后传送给控制器中微波信号采集板。微波接收模块包含一个微波信号处理器、一个接收天线，本检测器选用了喇叭天线作为微波接收天线。

　　2.3 控制器

　　控制器主要由微波信号采集板、控制板以及工控机组成。它主要负责整个检测器的数据采集、数据处理、系统控制、人机界面的运行等。

　　微波信号采集板主要采集微波接收天线接收到的微波信号，并对微波信号进行滤波、放大、转换、处理等，同时把最终的结果发给控制板。

　　控制板主要把微波信号采集板发送来的数据与工控机上设置的阈值进行比较，并把测试结果发送给工控机，如若判断出被测产品内部存在缺失，则向外发送停机信号和报警信号。

　　工控机用于操作系统以及人机界面软件的运行。本检测器的工控机采用的是英特尔四核处理器，12.1英寸的彩色液晶触摸显示屏，其分辨率为1280×800，用户可以通过显示屏查看系统运行和实时检测的相关信息，并可以通过触摸屏设置系统相关参数，同时可以实现WIFI与4G联网以及远程监控功能等。

　　3 软件设计

　　为了提高开发效率，便于软件维护，本装置选择Windows Embedded Standard 7操作系统，选用的编程工具为Visual Studio 2010，编程语言为C#，其软件流程如图3所示。

　　在图3中，系统首先进行初始化，上位机把上一次设置的参数或阈值发送给下位机。下位机保存完参数阈值后，开始实时采集激光传感器信号，来判断产品是否进入测试通道，一旦产品进入测试通道，下位机立刻控制微波信号采集板进行微波信号采集，微波信号采集板对采集到的微波信号进行运算处理，把最后计算得到的数据发送给下位机，下位机接到检测数据后与保存的参数或阈值进行比较。如果实测数据小于阈值，则表示微波信号被遮挡严重，包装内部产品无缺失，如果实测数据大于阈值则表示微波信号基本无遮挡，包装内部产品有缺包。如若下位机判断出被测产品有缺失存在，并且待到被测产品离开检测通道后，下位机则立即发送停机信号和报警信号，有缺失的包装产品被处理完成后，系统复位，进行下一轮的检测。

　　4 结论

　　本文详细介绍了一种基于微波技术的包装产品内部缺失检测装置，该装置与目前市场上其他的产品缺失检测装置相比，具有更准确、更直观、更安全的优点，在保留其他产品缺失检测设备的功能外，增加了实时显示检测曲线及缺失图像保存等一些辅助功能，使检测数据可复现。本装置已在很多行业生产线上对包装内部产品进行缺失检测，具有广泛的应用空间和市场价值。

　　参考文献

　　[1]董树义.微波测量技术[M],北京:北京理工大学出版社, 1990. 2-35.

　　[2]赵丽生.微波检测机理与矢量分析.物理实验[J],2003:23(9):35-36.

　　[3]郑敏杰.微波自动测量系统的数据采集卡研制[D].厦门大学,2013(03):56-58.

　　[4]刘涛,陈志平,伍玉涛,等.一种应用于微波水分检测仪的角锥喇叭天线设计与分析[J].现代电子技术,2013:36(03):81-84.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第3期第43页，欢迎您写论文时引用，并注明出处