一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法及系统与流程

本发明属于烟草和烟草制品检测技术领域，涉及一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法及系统，具体涉及一种获取卷烟孔隙分布的核磁成像检测方法。


背景技术：

卷烟内部空隙结构和烟丝填充情况，对卷烟品质有着重要影响。卷烟烟丝填充孔隙结构的主要目标是检验卷烟质量，提高卷烟吸食舒适度和感官质量。孔隙率分布越均匀的卷烟其填充均匀性越好、密度一致性越高、感官质量也就越稳定。卷烟孔隙率区别于医学和材料学等领域的孔隙率，卷烟孔隙率不包含烟丝本身的孔隙，只包含烟丝之间的空隙，医学、材料学中的孔隙率一般指材料内部的孔隙。现有技术中，cn113702258a提出了利用断层扫描技术对卷烟进行无损测试，通过对卷烟样品进行重建三维模型，求出卷烟样品沿轴向方向的孔隙率分布的方差和变化情况。但是由于断层扫描技术为物理参数的衰减成像，不能体现内部组织结构的异致性，即除组织结构之外不能反应水分和其他化学成分分布情况。目前，尚缺少有效的方法来同时对卷烟任意方向孔隙率的分布和水分分布情况进行检测。


技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法及系统，通过卷烟的化学成分分布情况，实现对卷烟孔隙率分布情况的分析评价，提高孔隙率测量的准确度。近年来，核磁共振成像技术广泛应用于食品领域中水分分布状态、油脂含量的检测等研究，其主要通过测定物质中的氢核在磁场和射频信号作用下的横向和纵向弛豫时间的长短，来研究材料内部水分的分布、迁移以及与之相关的其他性质。作为一种广泛应用的方法，核磁共振成像技术和核磁共振弛豫能够提供组织内部水分含量和微观孔隙结构等信息。可以通过相关研究工作，核磁共振弛豫测量结果也可以通过一些经验公式和孔隙网络模型与渗透率参数关联。由以上概念可以得到卷烟孔隙率的计算公式如下：公式中v0代表烟丝之间空隙体积总量，v代表卷烟烟支体积。技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：第一方面，本发明提供一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，包括：步骤(1)将卷烟样品在相对湿度w、温度t下进行水分平衡；步骤(2)按预设方式对水分平衡后的卷烟样品分段切割，进行核磁扫描，获取核磁共振图像；
步骤(3)根据核磁共振图像的灰度图像确定分割阈值，根据分割阈值对图像进行前景和背景分离的二值化处理，得到将空气孔隙与含水卷烟烟丝区分开的二进制图像；步骤(4)根据二进制图像得到卷烟的孔隙分布，并计算卷烟孔隙率。在一些实施例中，步骤(1)中，所述相对湿度w为60
±
2％，所述温度t为22
±
1℃；在一些实施例中，步骤(1)中，所述卷烟样品进行水分平衡的时间为18～48h，优选为24h。在一些实施例中，步骤(2)中，进行核磁扫描采用以下方法中至少一种：(2a)采用自旋回声成像方法进行核磁扫描，对具有高分子迁移率的第一类物质进行成像，确定卷烟样品中第一类物质的分布情况，其中所述第一类物质包括水分、多羟基醇类、糖类、碳氢化合物蜡质；(2b)采用单点成像方法进行核磁扫描，对卷烟内较坚硬的第二类物质成像，其中所述第二类物质包括烟草细胞壁多糖和醋酸纤维素纤维。进一步地，在一些实施例中，采用自旋回声成像方法进行核磁扫描的工作频率为21mhz；进一步地，在一些实施例中，采用单点成像方法进行核磁扫描的工作频率为100mhz～600mhz，分辨率为100～1000μm。在一些实施例中，步骤(3)中，根据核磁共振图像的灰度图像确定分割阈值，包括：所述灰度图像为8位，灰度范围为0～255；采用isodate算法进行分割，按照平行样品卷烟纸实际厚度和像素比值确定分割阈值。在一些实施例中，步骤(4)中，计算卷烟孔隙率，包括：其中，δ0为卷烟孔隙率，n为核磁扫描切割的总截面数且不少于10，k为测量区域像素的总数目，kn为每次测量成像区域孔隙的像素数目。在一些实施例中，步骤(2)中，按预设方式对水分平衡后的卷烟样品分段切割包括：采用多种不同分割方式将卷烟进行分段，按照与卷烟径向呈倾斜任意角度θ进行平行等距分割或中心旋转对称分割，其中θ角为0
°
～90
°
。在一些优选实施例中，θ角为90
°
，对卷烟烟支按照轴向等距进行分割，分割间距为1mm；在另一些优选实施例中，θ角为0
°
，分割截面过卷烟中心轴进行径向旋转对称分割，分割间隔角度为30
°
。第二方面，本发明提供了一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测系统，包括：水分平衡模块，被配置为：将卷烟样品在相对湿度w、温度t下进行水分平衡；分割核磁扫描模块，被配置为：按预设方式对水分平衡后的卷烟样品分段切割，进行核磁扫描，获取核磁共振图像；二值化处理模块，被配置为：根据核磁共振图像的灰度图像确定分割阈值，根据分
割阈值对图像进行前景和背景分离的二值化处理，得到将空气孔隙与含水卷烟烟丝区分开的二进制图像；孔隙率计算模块，被配置为：根据二进制图像得到卷烟的孔隙分布，并计算卷烟孔隙率。第三方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。有益效果：本发明提供的卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法及系统，通过对卷烟样品进行核磁扫描并进行模型计算，以n为所取核磁截面数，求出卷烟样品任意方向的孔隙率分布情况。本发明利用核磁共振技术对卷烟孔隙分布进行评价，操作简便、耗时较短，降低研发成本、提高工作效率。且允许对不同分子迁移率区分的相进行选择性，实现无损分析。本发明利用核磁共振成像技术测定卷烟的孔隙结构分布情况，同时可以进行分段卷烟的孔隙情况检测。可以使用核磁成像对烟草和卷烟进行批量处理，通过将自旋回声成像与弛豫测量和数据拟合相结合，可以构建一维、二维和三维映射，进一步区分具有可区分共振情况的不同化学组成结构。借助本发明求出的卷烟轴向和径向孔隙率和孔隙分布数据可以指导生产过程和质量检验，为提高卷烟的填充均匀性提供数据支持，对比传统的密度法能够做到无损定量分析，相较于断层扫描技术更能够体现化学组分的分布和移动情况。利用核磁共振技术对卷烟性能进行评价，操作简便、耗时较短，可快速有效地实现孔隙结构评价检测的目的；并且具有无损检测的优点，避免了原料的浪费，减少了开发过程中的物料损耗、降低研发成本、提高工作效率。通过相关计算和切割分段方式，进行卷烟或者烟草制品不同部位的化学成分分布和流动变化的一维、二维、三维成像分析。可以确定当分段或截面数量合理的情况下，可以准确高效的实现孔隙结构和孔隙分布的研究检测。本方法还可以对其定向截面的孔隙分布情况实现孔隙大小统计和相关定量分析，以提高对卷烟内烟丝堆积和分布情况的认识能力。
附图说明
图1为本发明实施例卷烟孔隙分布检测方法流程图；图2为本发明实施例中卷烟样品轴向分割示意图；图3为本发明实施例中卷烟样品径向分割示意图；图4为本发明核磁扫描图像二值化isodate算法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的
技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，包括：步骤(1)将卷烟样品在相对湿度w、温度t下进行水分平衡；步骤(2)按预设方式对水分平衡后的卷烟样品分段切割，进行核磁扫描，获取核磁共振图像；步骤(3)根据核磁共振图像的灰度图像确定分割阈值，根据分割阈值对图像进行前景和背景分离的二值化处理，得到将空气孔隙与含水卷烟烟丝区分开的二进制图像；步骤(4)根据二进制图像得到卷烟的孔隙分布，并计算卷烟孔隙率。实施例1本实施例的卷烟孔隙分布检测方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：1)对卷烟样品或者卷烟的一部分进行环境条件平衡；对于一定环境条件下的材料预处理，选择在相对湿度60％，环境温度为22℃的条件下进行24小时的水分平衡。m和t值的可根据实际需求和设备情况进行确定调整。(2)进行核磁扫描，获取核磁共振图像；依据核磁设备释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此绘制成物体内部的结构图像。对于核磁成像方向按照如图2所示，确定切割角度θ角为90
°
，对卷烟烟支按照轴向等距进行分割，分割间距为1mm；为了剔除烟丝本身孔隙的影响，需要确定合适的扫描成像分辨率，使分辨率处于烟丝本身孔隙和烟丝之间空隙范围内。一般烟丝厚度为0.1mm，宽度为1mm，内部孔隙结构在10μm-100μm之间；所述核磁共振成像在工作频率100mhz下进行；核磁共振成像分辨率为300μm。(3)采用自旋回声成像分析，获取水分分布和弛豫情况；
49.对具有高分子迁移率的物质进行成像，可以确定卷烟中水分、活性蜡质等物质的分布和扩散迁移情况。使用核磁频率为21mhz。(4)采用单点成像方法对卷烟内更坚硬的组分进行分析；根据所需获得图像为烟丝硬质纤维细胞壁结构分布情况，按照步骤(3)和步骤(4)要求采用单点成像方法对卷烟内更坚硬的组分进行分析，实现对烟草细胞壁多糖和醋酸纤维素纤维成像。(5)按照如图1流程处理核磁图像，确定灰度图像为8位，灰度范围0～255；使用isodate算法处理，按照平行样品卷烟纸实际厚度和像素比值确定分割阈值；isodata算法，即迭代自组织数据分析算法，流程如附图4所示，通过设定初始参数而引入人机对话环节，并使用归并与分裂的机制，当某两类聚类中心距离小于某一阈值时，
将它们合并为一类，当某类标准差大于某一阈值或其样本数目超过某一阈值时，将其分为两类。在某类样本数目少于某阈值时，需将其取消。如此，根据初始聚类中心和设定的类别数目等参数迭代，最终即可将孔隙与卷烟填充物区分开。分割阈值确定可按照同一平行样本对应的卷烟外包烟纸厚度确定。在经过图像统一灰度处理后，相同厚度卷烟纸对应的图片中像素点数相同，因此可根据经过二值化处理前后烟纸部位对应像素点确定分割阈值。从而得到统一处理条件下的二值化图像。(6)求取孔隙率，根据增加n值，计算并获得对应卷烟品种/批次的最优切割方式；根据得到的二值化图像识别并计算填充部分像素数量与整体像素数量比值关系，确定不同分割截面孔隙率，并进行孔隙大小和分布的统计。其中，n为核磁扫描切割的总次数且不少于10，k为测量区域像素的总数目，kn为每次测量成像区域孔隙的像素数目。确定增加n值使孔隙率分布误差稳定在
±
1％；取前n-1次平均值进行误差计算。进一步地，在研究过程中还包括：(7)每次采用同一方向分割方式将沿卷烟轴向均分或者按照相同角度径向均分，求取每种分割方式所得孔隙率；对于改变不同切割角度θ后的孔隙分布情况和孔隙率进行对比分析。(8)对整根卷烟或者选取某一部分进行分割计算；在前边(1)到(7)步骤中相同分割方法和处理方法的前提下，进行卷烟不同部位的相关参数计算和统计分析。可以在θ为90
°
时得到切割段数为2段、4段、8段、16段、32段、64段均匀卷烟烟段。可以对任意段进行相关的孔隙度检验和均匀度检验分析。实施例2本实施例的卷烟孔隙检测方法，说明如下，其他未介绍步骤与实施例1相同。(1)对卷烟样品或者卷烟的一部分进行环境条件平衡；对于一定环境条件下的材料预处理，选择在相对湿度60％，环境温度为22℃的条件下进行24小时的水分平衡。(2)进行核磁扫描，获取核磁共振图像；对于核磁成像方向按照如图3所示，确定切割角度θ角为0
°
，对卷烟烟支按照径向旋转对称分割，分割间距角度为30
°
；所述核磁共振成像在工作频率200mhz下进行；核磁共振成像分辨率为300μm。(3)采用自旋回声成像分析，获取水分分布和弛豫情况；对具有高分子迁移率的物质进行成像，可以确定卷烟中水分、活性蜡质等物质的分布和扩散迁移情况。使用核磁频率为21mhz。(4)采用单点成像方法对卷烟内更坚硬的组分进行分析；根据所需获得图像为烟丝硬质纤维细胞壁结构分布情况，按照步骤(3)和步骤(4)要求采用单点成像方法对卷烟内更坚硬的组分进行分析，实现对烟草细胞壁多糖和醋酸纤维素纤维成像。(5)按照如图1流程处理核磁图像，确定灰度图像为8位，灰度范围0～255；使用
isodate算法处理，按照平行样品卷烟纸实际厚度和像素比值确定分割阈值。(6)求取孔隙率，根据增加n值，计算并获得对应卷烟品种/批次的最优切割方式。在一些实施例中，还可以包括：(7)每次采用同一方向分割方式将沿卷烟轴向均分或者按照相同角度径向均分，求取每种分割方式所得孔隙率。(8)对整根卷烟或者选取某一部分进行分割计算和卷烟内部烟丝分布均匀度检验。实施例3第二方面，基于上述实施例1和实施例2，本实施例提供了一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测系统，包括：水分平衡模块，被配置为：将卷烟样品在相对湿度w、温度t下进行水分平衡；分割核磁扫描模块，被配置为：按预设方式对水分平衡后的卷烟样品分段切割，进行核磁扫描，获取核磁共振图像；二值化处理模块，被配置为：根据核磁共振图像的灰度图像确定分割阈值，根据分割阈值对图像进行前景和背景分离的二值化处理，得到将空气孔隙与含水卷烟烟丝区分开的二进制图像；孔隙率计算模块，被配置为：根据二进制图像得到卷烟的孔隙分布，并计算卷烟孔隙率。实施例4第三方面，本实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1或实施例2所述方法的步骤。本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，其特征在于，包括：步骤(1)将卷烟样品在相对湿度w、温度t下进行水分平衡；步骤(2)按预设方式对水分平衡后的卷烟样品分段切割，进行核磁扫描，获取核磁共振图像；步骤(3)根据核磁共振图像的灰度图像确定分割阈值，根据分割阈值对图像进行前景和背景分离的二值化处理，得到将空气孔隙与含水卷烟烟丝区分开的二进制图像；步骤(4)根据二进制图像得到卷烟的孔隙分布，并计算卷烟孔隙率。2.根据权利要求1所述的卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述相对湿度w为60
±
2％，所述温度t为22
±
1℃；和/或，步骤(1)中，所述卷烟样品进行水分平衡的时间为18～48h，优选为24h。3.根据权利要求1所述的卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(2)中，进行核磁扫描采用以下方法中至少一种：(2a)采用自旋回声成像方法进行核磁扫描，对具有高分子迁移率的第一类物质进行成像，确定卷烟样品中第一类物质的分布情况，其中所述第一类物质包括水分、多羟基醇类、糖类、碳氢化合物蜡质；(2b)采用单点成像方法进行核磁扫描，对卷烟内较坚硬的第二类物质成像，其中所述第二类物质包括烟草细胞壁多糖和醋酸纤维素纤维。4.根据权利要求3所述的卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，其特征在于，采用自旋回声成像方法进行核磁扫描的工作频率为21mhz；和/或，采用单点成像方法进行核磁扫描的工作频率为100mhz～600mhz，分辨率为100～1000μm。5.根据权利要求1所述的卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(3)中，根据核磁共振图像的灰度图像确定分割阈值，包括：所述灰度图像为8位，灰度范围为0～255；采用isodate算法进行分割，按照平行样品卷烟纸实际厚度和像素比值确定分割阈值。6.根据权利要求1所述的卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(4)中，计算卷烟孔隙率，包括：其中，δ0为卷烟孔隙率，n为核磁扫描切割的总截面数且不少于10，k为测量区域像素的总数目，k
n
为每次测量成像区域孔隙的像素数目。7.根据权利要求1-6任一项所述的卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(2)中，按预设方式对水分平衡后的卷烟样品分段切割包括：采用多种不同分割方式将卷烟进行分段，按照与卷烟径向呈倾斜任意角度θ进行平行等距分割或中心旋转对称分割，其中θ角为0
°
～90
°
。8.根据权利要求7所述的卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法，其特征在于，θ角为90
°
，对卷烟烟支按照轴向等距进行分割，分割间距为1mm；和/或，θ角为0
°
，分割截面过卷烟中心轴进行径向旋转对称分割，分割间隔角度为30
°
。
9.一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测系统，其特征在于，包括：水分平衡模块，被配置为：将卷烟样品在相对湿度w、温度t下进行水分平衡；分割核磁扫描模块，被配置为：按预设方式对水分平衡后的卷烟样品分段切割，进行核磁扫描，获取核磁共振图像；二值化处理模块，被配置为：根据核磁共振图像的灰度图像确定分割阈值，根据分割阈值对图像进行前景和背景分离的二值化处理，得到将空气孔隙与含水卷烟烟丝区分开的二进制图像；孔隙率计算模块，被配置为：根据二进制图像得到卷烟的孔隙分布，并计算卷烟孔隙率。10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种卷烟孔隙率及孔隙分布的检测方法及系统，方法包括：将卷烟样品在相对湿度W、温度T下进行水分平衡；按预设方式对水分平衡后的卷烟样品分段切割，进行核磁扫描，获取核磁共振图像；根据核磁共振图像的灰度图像确定分割阈值，根据分割阈值对图像进行前景和背景分离的二值化处理，得到将空气孔隙与含水卷烟烟丝区分开的二进制图像；根据二进制图像得到卷烟的孔隙分布，并计算卷烟孔隙率。实现对卷烟孔隙率分布情况的分析评价，提高孔隙率测量的准确度。高孔隙率测量的准确度。高孔隙率测量的准确度。


技术研发人员：帖金鑫 马浩玮 何逸波 杨道剑 宋金华 李冠华 张青松 乔跃辉 张庆华 谢道良 刘强 张琦 郑亚楠 杨洋
受保护的技术使用者：浙江中烟工业有限责任公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/16