应用于罐头产品的X射线异物检测系统

2021-08-26 16:45:00 来源：食品安全导刊

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幸波（上海太易检测技术有限公司，上海 200000）

摘要：本文通过介绍X射线成像技术的原理、特点等信息，对目前罐装行业异物检测设备进行概述，通过实验对比不同视角检测下的测试精度。
关键词：X射线；罐头；异物检测系统；应用
随着人们生活水平的提高，罐装类食品营养、无菌、便捷的特性也越来越受到消费者的青睐。在发达国家，罐装类食品消费量占总消费量的1/3，近年来国内需求量也逐年上涨。尤其可即食的水果、蛋糕、乳制品及肉类罐装食品更是人们能量的及时补充站。罐头一直是我国的传统食品，在食品工业领域内起步最早，也是占据国际市场份额最多的食品。从20世纪中期开始出口到全球市场，我国已成为世界最大的罐头生产与出口国。
食品安全问题一直是目前人们最关注的问题之一，也是国家迫切希望化解的难点。随着罐头类包装食品行业的繁荣发展，罐头类食品消费者的着重点也逐渐由便捷易携带性转变为食品安全性。随着各类罐头食品的出现，也带动了相关包装工艺与检测设备的发展[1-2]，具有高精度、高质量性能的罐头类高端检测设备更是市场的迫切需求。本文根据罐装产品特点，提出多视角的检测方法，对容器内区域进行无死角、全方位的成像检测。
1 X射线异物检测技术
食品X光机与行包安检设备都基于X射线成像的原理。设备通过电子对撞从X射线源释放X射线光束，光束通过准直器照射传送带上的检测产品，下端探测盒接收器接收透过被检测产品的X射线束，通过数字图像处理等技术，形成X射线检测灰度图像。如图1所示，当被测物检测有异物时，图中标注为异物，其所在位置的X射线透过率发生变化，在灰度图像显示产品图像中可以看出，异物所在区域在灰度图像中显示的灰度与产品区域不同，X射线异物检测设备通过灰度值的不同，从而确定产品中存在异物的情况，并可通过软件标框提示[3]。

2 罐装产品检测方案
由于罐装产品外观及材质的多样性，单一视角照射玻璃罐装产品以及单视角X射线照射时，由于玻璃材质瓶底的凸起使得产品区域存在较多盲区；当不规则异物与照射角度平行时，异物灰度图像在罐装产品的罐壁处，也不利于异物的检出，金属罐装产品在拉环及瓶盖处金属壁较厚，也存在较大盲区。
针对上述检测难点，提出三视角检测模式如图2所示，结合斜向上双视角、斜向下单视角照射特点[4]。首先根据三视角所成的灰度图，对罐装产品内各角度进行成像显示，尤其罐底凸起及较厚的螺纹内壁。

3 测试与分析
分别使用现有的3种罐装异物检测设备对同一样品进行测试块精度测试。根据瓶装产品的结构，划分多种分区方案，按照顶部瓶盖、中部瓶颈、边缘瓶壁、底部瓶底等区域，使用独立的算法进行检测。

3.1 实验材料
玻璃材质罐装瓶；不锈钢球（SUS304 ball）测试卡，精度分别为1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、3.0 mm；玻璃（Glass ball）/陶瓷（Ceramic ball）球测试卡，精度分别为2.5 mm、4.0 mm、5.0 mm和6.0 mm；单视角罐装检测设备、双视角罐装检测设备、三视角罐装检测设备、记录笔。
3.2 实验方法
将测试卡依次贴在罐装产品上述多个区域位置，分别通过单视角罐装检测设备、双视角罐装检测设备、三视角罐装检测设备的传输装置，反复通过30次，记录检测出的测试卡稳定数据精度。
3.2.1 单视角测试精度统计与分析
单视角设备照射方式为斜向下照射，光源与瓶盖齐平。单视角测试精度见表1。由表1可知，①盖子与瓶子颈部对检测有一定影响，但射线的水平照射成像有利于减少这类的影响。②单视角设备在瓶子底部的金属异物检测效果较好。③单视角照射的缺陷，瓶身两侧需要屏蔽从而无法检测小的异物。④瓶子底面厚度和形状对检测有一定影响，射线的斜向下照射成像有利于异物的检测，但玻璃瓶底面的厚度和形状会对低密度异物的检测造成影响。

3.2.2 双视角测试精度统计与分析
双视角设备照射方式为斜向上，光源与瓶底齐平。双视角检测精度见表2。

由表2可知，①盖子与瓶子颈部对检测有影响，射线斜向上照射导致盖子和颈部的图像占比大，影响检测效果。②双视角照射的优势，一个视角中需要屏蔽的区域在另一个视角中则完全不需要。③射线在此区域为接近水平照射，不受瓶底影响。④射线在此区域为水平照射，体积小的异物将与瓶子底面融为一体无法检测，体积足够大的异物可以检测，从而不利于高密度异物的检测。
3.2.3 三视角测试精度统计与分析
三视角设备照射方式为上述两种照射方式组合。三视角检测精度见表3。三视角检测系统同时兼有两种照射视角的优势，保证了罐装产品内部每个区域都可得到最佳的检测灵敏度。
通过以上不同视角设备的检测实验对比可得[5]，三视角较好地避免了漏检问题，当薄片异物面积较大面与其中某个视角垂直时，另一视角正好与面积最大面平行，对于该视角，X射线的穿透厚度增加，异物的X射线灰度图更加明显。

4 结语
本文根据现有罐装产品异物检测存在的难点，提出一种多视角检测的技术方案，针对金属、玻璃、塑料等材质的罐装瓶装形式的产品，如酱料、肉类罐头、水果与蔬菜罐头、方便食品、乳制品以及饮料与药品的异物检测，尤其薄片状异物、较厚瓶底异物等。使用现有的罐装检测设备进行测试，对比不同区域的测试精度，得出三视角的检测方案，极大提高了异物检出概率。
参考文献
[1]涂宝峰.罐头食品的加工工艺研究[J].中国新技术新产品,2020(18):76-77.
[2]朱曜.HACCP系统在罐头食品加工中的建立[J].食品科学,1994(4):7-9.
[3]易国.X射线食品异物检测系统设计与图像处理方法研究[D].长沙:湖南大学,2011.
[4]李轲,刘宾,王立鹏,等.基于多线扫描的X射线聚焦成像算法研究[J].光学学报,2020,40(13):62-71.
[5]董浩.基于多视角的X射线图像分析方法研究[J].南京:东南大学,2016.