應用於罐頭產品的X射線異物檢測係統

摘 要：本文通過介紹X射線成像技術的原理、特點等信息，對目前罐裝行業異物檢測設備進行概述，通過實驗對比不同視角檢測下的測試精度。
關鍵詞：X射線；罐頭；異物檢測係統；應用
隨著人們生活水平的提高，罐裝類食品營養、無菌、便捷的特性也越來越受到消費者的青睞。在發達國家，罐裝類食品消費量占總消費量的1/3，近年來國內需求量也逐年上漲。尤其可即食的水果、蛋糕、乳製品及肉類罐裝食品更是人們能量的及時補充站。罐頭一直是我國的傳統食品，在食品工業領域內起步最早，也是占據國際市場份額最多的食品。從20世紀中期開始出口到全球市場，我國已成為世界最大的罐頭生產與出口國。
世界杯賽程預測問題一直是目前人們最關注的問題之一，也是國家迫切希望化解的難點。隨著罐頭類包裝食品行業的繁榮發展，罐頭類食品消費者的著重點也逐漸由便捷易攜帶性轉變為世界杯賽程預測性。隨著各類罐頭食品的出現，也帶動了相關包裝工藝與檢測設備的發展[1-2]，具有高精度、高質量性能的罐頭類高端檢測設備更是市場的迫切需求。本文根據罐裝產品特點，提出多視角的檢測方法，對容器內區域進行無死角、全方位的成像檢測。
1 X射線異物檢測技術
食品X光機與行包安檢設備都基於X射線成像的原理。設備通過電子對撞從X射線源釋放X射線光束，光束通過準直器照射傳送帶上的檢測產品，下端探測盒接收器接收透過被檢測產品的X射線束，通過數字圖像處理等技術，形成X射線檢測灰度圖像。如圖1所示，當被測物檢測有異物時，圖中標注為異物，其所在位置的X射線透過率發生變化，在灰度圖像顯示產品圖像中可以看出，異物所在區域在灰度圖像中顯示的灰度與產品區域不同，X射線異物檢測設備通過灰度值的不同，從而確定產品中存在異物的情況，並可通過軟件標框提示[3]。 2 罐裝產品檢測方案
由於罐裝產品外觀及材質的多樣性，單一視角照射玻璃罐裝產品以及單視角X射線照射時，由於玻璃材質瓶底的凸起使得產品區域存在較多盲區；當不規則異物與照射角度平行時，異物灰度圖像在罐裝產品的罐壁處，也不利於異物的檢出，金屬罐裝產品在拉環及瓶蓋處金屬壁較厚，也存在較大盲區。
針對上述檢測難點，提出三視角檢測模式如圖2所示，結合斜向上雙視角、斜向下單視角照射特點[4]。首先根據三視角所成的灰度圖，對罐裝產品內各角度進行成像顯示，尤其罐底凸起及較厚的螺紋內壁。 3 測試與分析
分別使用現有的3種罐裝異物檢測設備對同一樣品進行測試塊精度測試。根據瓶裝產品的結構，劃分多種分區方案，按照頂部瓶蓋、中部瓶頸、邊緣瓶壁、底部瓶底等區域，使用獨立的算法進行檢測。 3.1 實驗材料
玻璃材質罐裝瓶；不鏽鋼球（SUS304 ball）測試卡，精度分別為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、3.0 mm；玻璃（Glass ball）/陶瓷（Ceramic ball）球測試卡，精度分別為2.5 mm、4.0 mm、5.0 mm和6.0 mm；單視角罐裝檢測設備、雙視角罐裝檢測設備、三視角罐裝檢測設備、記錄筆。
3.2 實驗方法
將測試卡依次貼在罐裝產品上述多個區域位置，分別通過單視角罐裝檢測設備、雙視角罐裝檢測設備、三視角罐裝檢測設備的傳輸裝置，反複通過30次，記錄檢測出的測試卡穩定數據精度。
3.2.1 單視角測試精度統計與分析
單視角設備照射方式為斜向下照射，光源與瓶蓋齊平。單視角測試精度見表1。由表1可知，①蓋子與瓶子頸部對檢測有一定影響，但射線的水平照射成像有利於減少這類的影響。②單視角設備在瓶子底部的金屬異物檢測效果較好。③單視角照射的缺陷，瓶身兩側需要屏蔽從而無法檢測小的異物。④瓶子底麵厚度和形狀對檢測有一定影響，射線的斜向下照射成像有利於異物的檢測，但玻璃瓶底麵的厚度和形狀會對低密度異物的檢測造成影響。 3.2.2 雙視角測試精度統計與分析
雙視角設備照射方式為斜向上，光源與瓶底齊平。雙視角檢測精度見表2。 由表2可知，①蓋子與瓶子頸部對檢測有影響，射線斜向上照射導致蓋子和頸部的圖像占比大，影響檢測效果。②雙視角照射的優勢，一個視角中需要屏蔽的區域在另一個視角中則完全不需要。③射線在此區域為接近水平照射，不受瓶底影響。④射線在此區域為水平照射，體積小的異物將與瓶子底麵融為一體無法檢測，體積足夠大的異物可以檢測，從而不利於高密度異物的檢測。
3.2.3 三視角測試精度統計與分析
三視角設備照射方式為上述兩種照射方式組合。三視角檢測精度見表3。三視角檢測係統同時兼有兩種照射視角的優勢，保證了罐裝產品內部每個區域都可得到最佳的檢測靈敏度。
通過以上不同視角設備的檢測實驗對比可得[5]，三視角較好地避免了漏檢問題，當薄片異物麵積較大麵與其中某個視角垂直時，另一視角正好與麵積最大麵平行，對於該視角，X射線的穿透厚度增加，異物的X射線灰度圖更加明顯。 4 結語
本文根據現有罐裝產品異物檢測存在的難點，提出一種多視角檢測的技術方案，針對金屬、玻璃、塑料等材質的罐裝瓶裝形式的產品，如醬料、肉類罐頭、水果與蔬菜罐頭、方便食品、乳製品以及飲料與藥品的異物檢測，尤其薄片狀異物、較厚瓶底異物等。使用現有的罐裝檢測設備進行測試，對比不同區域的測試精度，得出三視角的檢測方案，極大提高了異物檢出概率。
參考文獻
[1]塗寶峰.罐頭食品的加工工藝研究[J].中國新技術新產品,2020(18):76-77.
[2]朱曜.HACCP係統在罐頭食品加工中的建立[J].食品科學,1994(4):7-9.
[3]易國.X射線食品異物檢測係統設計與圖像處理方法研究[D].長沙:湖南大學,2011.
[4]李軻,劉賓,王立鵬,等.基於多線掃描的X射線聚焦成像算法研究[J].光學學報,2020,40(13):62-71.
[5]董浩.基於多視角的X射線圖像分析方法研究[J].南京:東南大學,2016.