烟叶品质检测分级装置以及方法

本发明属于农产品品质检测与自动分级装备，具体涉及一种融合近红外光谱检测、机器视觉识别、负压翻面输送和机械拨杆分级的烟叶品质智能检测分级装置、检测分级方法及其在烤烟收购和初加工中的应用。

背景技术：

1、烟叶是烟草工业的基础原料，其品质等级直接影响卷烟产品质量、原料利用率和烟叶交易结算。烟叶等级通常需要综合考虑颜色、成熟度、叶片结构、油分、破损和残伤等外观特征，以及水分、烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾和氯等内在化学成分。现有烤烟分级仍大量依赖人工感官评定，容易受到检验人员经验、疲劳程度、环境光照和主观偏好的影响，存在一致性较差、检测效率较低和劳动强度较大的问题。

2、近红外光谱技术可在不破坏烟叶的条件下快速获取含氢基团相关光谱信息，适用于水分、糖类和烟碱等内在品质参数的在线检测；机器视觉可对烟叶颜色、纹理、形态、破损面积和残伤比例进行量化识别。将两类技术融合，有利于形成兼顾内在品质和外观品质的客观判级结果。

3、但是，现有烟叶智能检测设备通常仍存在以下不足：第一，检测信息较单一，仅依靠图像或单点光谱难以全面反映烟叶品质；第二，普通传送带会遮挡烟叶背面，打孔传送带的带体和支撑结构也可能形成检测盲区；第三，烟叶形状不规则、易褶皱和重叠，未经平整会影响光谱和图像采集；第四，多片烟叶无序进入检测工位时容易堵料，分级出口处也可能发生卡滞；第五，装置各模块集成度和连续作业能力不足，难以适应烟叶收购站和初加工现场。

4、因此，需要提供一种能够完成烟叶有序输送、柔性平整、正反面无遮挡检测、内外品质融合判级以及防堵分流回收的烟叶品质智能检测分级装置。

技术实现思路

1、为了解决现有烟叶检测分级装置检测信息不全面、烟叶背面易受输送带遮挡、烟叶褶皱重叠影响检测、输送和分级过程易堵料等问题，本发明提出一种烟叶品质智能检测分级装置和方法。该装置采用“分流整理-两级柔性滚压-负压翻面双面检测-光谱视觉融合判级-拨杆防堵分级”的技术路线，实现烟叶连续在线无损检测和自动回收。

2、一种烟叶品质检测分级装置，包括沿烟叶流转方向自前向后依次连接的输送分流模块、滚压平整模块、检测模块和分级回收模块；各模块在控制系统控制下运转；

3、（一）所述输送分流模块用于接收烟叶并将无序烟叶整理成至少一列后输出。

4、所述输送分流模块包括料斗、输送传送带、设置在输送传送带两侧的引导挡板、设置在输送传送带出口处的分流扫杆以及输送机架；料斗设置在输送传送带的进料端上方，引导挡板用于将烟叶向输送传送带中部汇集，分流扫杆在独立驱动机构作用下周期摆动，以将汇集后的烟叶拨送至不同输送列。

5、所述分流扫杆的驱动机构包括扫杆驱动电机、传动齿轮组以及曲柄摇杆机构；扫杆驱动电机的输出轴与传动齿轮组传动连接，传动齿轮组的输出端与曲柄摇杆机构连接，曲柄摇杆机构的摇杆与分流扫杆连接，使分流扫杆绕其根部作往复摆动。

6、工程实现时候，分流扫杆长度为200mm，摆动角度为20°，完成一次往复摆动的时间为1s；传动齿轮组为二级直齿圆柱齿轮减速机构，总减速比为25，主动齿轮齿数为18、从动齿轮齿数为90，齿轮模数为1.5mm。

7、（二）所述滚压平整模块用于通过预滚压和二级滚压对烟叶进行柔性展平。

8、所述滚压平整模块包括支撑板、预滚压滚子、二级滚压滚子、限位器、滚压传送带和一体式机架。预滚压滚子和二级滚压滚子沿烟叶输送方向依次设置在滚压传送带上方，支撑板设置在滚压传送带下方并与滚压滚子相对，限位器设置在二级滚压滚子处并具有供滚压传送带和烟叶通过的左右开口以及供二级滚压滚子升降的上开口。支撑板包括基座、接触板、设置在基座与接触板之间的多个弹簧柱、设置在弹簧柱对应位置的伸缩模块以及设置于接触板的压力传感器；当压力传感器检测到支撑板受力超过预设值时，伸缩模块驱动弹簧柱下降，使接触板远离滚压滚子，以避让烟叶堆积物或硬质异物。

9、工程实现时候，支撑板基座长400mm、宽300mm、厚20mm；预滚压滚子和二级滚压滚子的滚压宽度均为250mm；限位器长300mm、宽350mm、高110mm；滚压传送带的运行速度为0.2m/s。

10、（三）所述检测模块包括暗箱、普通传送带、打孔传送带、负压吸附机构、近红外光谱检测组件、机器视觉检测组件和控制箱（控制系统的plc以及上位计算机等安装在控制箱内。上位计算机部署有机器视觉检测软件和近红外光谱检测软件），普通传送带与打孔传送带在烟叶输送方向上配合设置，负压吸附机构用于将位于普通传送带上的烟叶吸附至打孔传送带并在预定位置释放，使烟叶正反两面依次暴露于近红外光谱检测组件和机器视觉检测组件的检测视场。

11、暗箱为长方体结构，烟叶入口和烟叶出口分别设置在暗箱相对的两端，暗箱设有观察窗和可开启盖板；暗箱内沿烟叶输送方向设置近红外光谱检测工位和机器视觉检测工位，每一检测工位均设有用于正面检测和反面检测的检测区域。

12、工程实现时候，暗箱长度为1200mm、宽度为400mm、高度为350mm；普通传送带和打孔传送带按两排设置，每排有效宽度为150mm；负压吸附机构包括负压机、负压导管、负压吸附腔和负压释放口，负压吸附腔下表面与下方普通传送带之间的间距为75mm，工作负压为15pa，吸附气流速度为5m/s。近红外光谱检测组件包括近红外光谱探头和近红外光源，近红外光谱探头距对应传送带表面的距离为100～190mm；机器视觉检测组件包括工业相机、无影环形光源和背景板，工业相机的镜头距对应传送带表面的距离为140～180mm，无影环形光源距对应传送带表面的距离为100mm。

13、（四）所述分级回收模块包括滚轮传送带、分级拨杆和收集道，控制系统根据近红外光谱检测结果和机器视觉检测结果生成分级信号，并控制分级拨杆将烟叶导入对应的收集通道。

14、分级回收模块包括至少一组滚轮输送单元，每组滚轮输送单元具有主道和与主道平滑圆角连接的分级道；分级拨杆设置在主道与分级道的连接处，并包括分级驱动电机、传感控制模块、旋转支架、伸缩杆和设置在伸缩杆端部的拨杆本体，拨杆本体的烟叶接触侧设置柔性铲入部。

15、工程实现时候，滚轮传送带的单个滚轮直径为50mm，相邻滚轮的中心间距为60mm；分级拨杆的作业半径为200mm；收集道为薄壁倾斜结构，其高度为1200mm，宽度为300mm，并设有宽度为200mm的收集口和长度为500mm的下部收集空间。

16、采用本装置的方法包括以下步骤：

17、s1）上料与分流：将烟叶投入料斗，由输送传送带输送，经引导挡板汇集并由分流扫杆整理成至少一列；

18、s2）滚压平整：烟叶依次经过预滚压滚子和二级滚压滚子，在支撑板配合下展平；

19、s3）内在品质检测：烟叶进入暗箱的近红外光谱检测工位，采集烟叶的近红外光谱信息；

20、s4）翻面与双面检测：负压吸附机构将烟叶由普通传送带吸附至打孔传送带，使烟叶另一面暴露，并在检测完成后释放烟叶；

21、s5）外观品质检测：机器视觉检测组件采集烟叶正反面图像，识别烟叶的颜色、成熟度、叶片形态、破损和残伤特征；

22、s6）融合判级与回收：控制系统融合近红外光谱检测结果和机器视觉检测结果生成等级信号，并控制分级拨杆将烟叶导入相应收集道。

23、近红外光谱信息用于确定烟叶的水分、烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾和氯中的至少一种内在品质参数；机器视觉检测结果由轻量化人工智能模型得到，依据预设等级规则对内在品质参数和外观品质参数进行融合判定。

24、本装置和方法应用在烤烟收购、初加工、原料质量控制或等级复核中。

25、本发明的原理说明如下：

26、烟叶品质检测分级装置，包括输送分流模块、滚压平整模块、检测模块和分级回收模块。

27、1、所述输送分流模块设置在装置的进料端，用于接收无序烟叶并将烟叶整理成至少一列，优选整理成两列。输送分流模块包括料斗、输送传送带、引导挡板、分流扫杆和输送机架。料斗设置在输送传送带的进料端上方，烟叶从料斗落至输送传送带后由引导挡板向中部汇集；分流扫杆设置在输送传送带出口处，通过独立驱动机构作周期摆动，将烟叶轻柔拨送到不同输送列。

28、所述分流扫杆的驱动机构包括扫杆驱动电机、传动齿轮组和曲柄摇杆机构。扫杆驱动电机经二级直齿圆柱齿轮减速后驱动曲柄旋转，曲柄通过连杆带动摇杆往复摆动，摇杆与分流扫杆连接。优选地，分流扫杆长200mm，摆动总角度为20°，摆动周期为1s；二级齿轮减速机构总减速比为25。

29、2、所述滚压平整模块与输送分流模块的出料端连接，包括支撑板、预滚压滚子、二级滚压滚子、限位器、滚压传送带和一体式机架。预滚压滚子对烟叶进行初步展平，二级滚压滚子进一步减小叶面褶皱；限位器对二级滚压区域内的烟叶进行侧向限位。支撑板设置在滚压传送带下方，与滚压滚子共同形成烟叶滚压间隙。

30、所述支撑板包括基座、接触板、弹簧柱、伸缩模块和压力传感器。接触板通过多个弹簧柱弹性支撑在基座上，压力传感器用于检测滚压载荷。当烟叶堆积量较大或硬质异物进入滚压区域导致载荷超过预设阈值时，伸缩模块驱动弹簧柱下降，扩大滚压间隙，以降低烟叶损伤和机构卡滞风险。

31、3、所述检测模块与滚压平整模块的出料端连接，检测模块包括检测机架、控制箱、暗箱、普通传送带、打孔传送带、负压机、负压导管、负压吸附腔、近红外光谱检测组件和机器视觉检测组件。烟叶由普通传送带进入暗箱，在正面检测区域完成第一面检测；随后负压吸附腔通过打孔传送带对烟叶施加向上的吸附力，将烟叶吸附至上方打孔传送带，使烟叶背面暴露于检测视场；烟叶完成反面检测后在负压释放位置落回普通传送带并继续输出。

32、4、所述近红外光谱检测组件用于获取烟叶水分、烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾和氯等内在品质参数中的至少一种；机器视觉检测组件用于获取烟叶颜色、成熟度、叶片身份、油分表征、叶片形态、破损和残伤等外观品质参数。将内在品质检测结果和外观品质检测结果进行融合，并输出综合等级信号。

33、5、所述分级回收模块与检测模块的出料端连接，包括滚轮传送带、分级拨杆和收集道。滚轮传送带设有主道和分级道，主道与分级道采用平滑圆角连接。分级拨杆位于主道与分级道的连接处，在对应等级烟叶到达时，由分级驱动电机带动拨杆横向接取烟叶并将烟叶拨入分级道。拨杆的烟叶接触侧设有柔性铲入部，以减小对烟叶的冲击并防止烟叶卡在拨杆与滚轮之间。

34、采取所述检测分级装置对烟叶进行检测分级，作业阶段的步骤举例说明如下：

35、s1）装置准备与上料：检查各传送带、负压机、检测组件及分级拨杆的工作状态，根据烟叶尺寸和柔软程度设定输送速度、滚压间隙和负压参数；将待检测烟叶投入料斗。

36、s2）输送与分流：输送传送带以0.2m/s左右的速度运行，烟叶经引导挡板向中部汇集；分流扫杆按约1s的周期摆动，将烟叶整理成两列并输送至滚压平整模块。

37、s3）滚压平整：烟叶先经过预滚压滚子，再经过限位器和二级滚压滚子。支撑板提供弹性支撑；当压力传感器检测到异常载荷时，伸缩模块降低接触板，待异常解除后恢复工作位置。

38、s4）近红外光谱检测：烟叶进入暗箱后，完成光谱和图像采集。根据标定模型获得水分、烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾或氯中的至少一种内在品质参数；

39、烟叶在普通传送带上完成第一面检测后，被负压吸附至打孔传送带并露出第二面；

40、在上部以及下部对应检测组件作用下完成第二面光谱以及双面图像采集，随后烟叶在负压释放口处落回普通传送带303。

41、s5）机器视觉检测与融合判级：根据工业相机采集烟叶正反面图像，轻量化人工智能模型识别颜色、成熟度、纹理、叶片形态、破损和残伤等特征；将视觉结果与近红外结果融合，输出烟叶等级或合格性判定。

42、s6）分级与回收：当烟叶到达对应分级拨杆位置时，控制系统根据等级信号控制分级拨杆动作，将烟叶送入主道或分级道，并由对应收集道完成回收。

43、本发明的原理和有益效果说明:

44、1）采用近红外光谱和机器视觉融合检测，同时获取烟叶内在化学品质与外观物理品质，减少单一检测手段造成的信息缺失。

45、2）普通传送带、打孔传送带和负压吸附腔配合，使烟叶在不需要人工翻面的情况下依次暴露正反两面，降低输送带遮挡和检测盲区。

46、3）预滚压与二级滚压对烟叶进行逐级展平，自适应支撑板在过载时主动避让，可兼顾平整效果、烟叶完整性和设备安全性。

47、4）引导挡板与周期摆动分流扫杆将烟叶整理为有序输送列，分级拨杆采用柔性铲入和圆角导向结构，降低输送、分流和回收过程的堵料风险。

48、5）装置各模块依次连接，可实现上料、平整、检测、判级和回收的连续在线作业，结构适合烟叶收购站及初加工现场布置，并便于后续扩展分级通道和检测传感器。