红外烟草水份测定仪及其数字滤波方法

　　1　引　　言

　　烟草中的含水量是影响卷烟产品质量的一项关键性指标。

　　在众多的烟草水份测量方法中,红外烟草水份测量仪以其测量精度高、速度快、与被测烟草非接触、测量水份范围宽、受烟草色差及环境因素影响小、可在线连续测量等一系列其它烟草水份测量方法所无法比拟的优点而受到人们的高度重视。

　　本文针对红外烟草水份传感器输出信号具有周期性的特点,提出并在所研制的红外烟草水份测量仪中采用了Boxcar滤波器这一现代数字滤波方法。根据实测数据表明,该滤波算法可有效地抑制干扰噪声,提高测量精度。

　　2　红外烟草水份测量原理及传感器结构

　　所研制的红外烟草水份仪采用三波长反射式红外探测器,其光学系统原理图如图1所示。

　　图1中,由滤光轮上的三个滤光片所滤出的三束红外线的波长分别为1.81μm、1.96μm和2.10μm,根据水的红外光谱吸收图[1],仅有1.96μm的红外光能被水分子吸收,此光束为测量光束。另外两束波长分别为1.81μm和2.10μm的红外光不能为水分子所吸收,称为参考光束。根据红外光学理论,被测烟草水份w可由下式得出[2]:

　　式中:K1、K2是与被测物的性质、形态、消光系数有关的常数;E1、E2、E3分别为与参考光束1、测量光束、参考光束2相对应的反射光能量。

　　由式(1)可见,三波长方式除保留了两波长方式可抑制由于被测物表面形状、环境等因素造成的测量误差的优点外,还可以抑制由被测物颜色、组成成份、反射率等因素造成的测量误差,使得测量结果更加准确可靠。

　　在所研制的红外传感器中专门设计了一条辅助测量光路测量空气湿度,修正主光路水份测量值,可以基本上消除空气湿度对烟草水份测量精度的影响。在红外烟草水份测量仪中,探测器输出信号是非常微弱的。因此,在放大和传输过程中必然伴随大量的干扰噪声。因此,如何有效地抑制这些干扰噪声所造成的测量误差就成为进一步提高红外烟草水份仪测量精度的关键问题。

3　Boxcar滤波原理及对红外烟草水份传感器输出信噪比的改善

　　如前所述,红外烟草水份传感器输出信号是一个带有附加噪声的周期性方波信号,它可表示为:

　　式中:s(t)为红外水份传感器输出的无噪声、周期为T的方波信号,n(t)为附加的等效零均值噪声信号,其方差为σ2n,它与s(t)互不相关。

　　显然,对于这样的信号x(t),采用普通的滤波方法滤波效果很差。为了能够更有效地抑制噪声信号n(t),考虑如下的与信号s(t)同周期的参考信号