利用光衍射測量長絲紗的變形結構

E. S. Südhoff， L. Debicki， M. Decius， L. Merten， V. Niebel， G. Seide， T. Gries

亞琛工業大學 紡織技術研究所(德國)

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利用光衍射測量長絲紗的變形結構

E. S. Südhoff， L. Debicki， M. Decius， L. Merten， V. Niebel， G. Seide， T. Gries

亞琛工業大學 紡織技術研究所(德國)

無變形的長絲紗傾向于以一種平行且均勻的方式排列在一起。相比于表面不太均勻且包含毛羽的短纖維紗線，無變形的長絲紗表面很光滑。在很多應用中，人們期望可在保留長絲紗連續性的同時獲得短纖紗的某些特性。通過變形絲工藝，可以使長絲紗獲得特定的性能，如高膨松性、高彈性和孔隙度。在實驗室中，可以離線測量變形紗的性能，但還沒有實現對運行過程中的紗線進行性能的實時在線光學檢測。離線測量方法成本高，且只能獲得隨機紗線樣本質量的統計信息。除介紹了最先進的變形紗參數的測量外，還提出了一種直接光學測量變形紗的潛在方法。

長絲紗； 變形； 光學測量； 在線測量

1 變形原理、測量能力和特性

目前主要的變形工藝有假捻法、邊緣卷曲法、假編法、填塞箱法及噴氣變形法。所有的變形方法都具有使長絲產生波浪形變形的卷曲共性。類似于變形的交叉混合，可使紗線獲得一個確定的結構。然而，在旋轉加工中長絲的結構固定僅依靠與另一根長絲的表面摩擦力。交叉混合的目的是提高紗線卷曲性能，因此，需要提高平行長絲(纏結)的抱合力或兩種不同紗線(混紡)的混合均勻度。

紗線質量的穩定性對于后續的生產工序非常重要，這也是要在生產后必須檢查紗線質量的原因。通常根據特定需求測試變形紗的不同特性。變形紗最重要的性能參數有卷曲度、拉伸前后紗線長度的變化及紗線在承受張力情況下的結構耐久性。測試工作一般在熱處理后紗線發生卷曲后進行。比較有名的變形紗性能測試裝置為德國Textechno Herbert Stein公司生產的Texturmat ME+，該系統可以測試上述所有的參數，但其測試卷曲的方法是離線的。目前還沒有任何光學方法可以直接測量長絲紗的變形結構。德國亞琛工業大學紡織技術研究所(ITA)與Textechno公司合作，開發了一種可以用于長絲紗變形結構測量的潛在的測試方法。

2 長絲紗變形結構光學測量的新方法

光衍射原理早已應用于短纖維紗線毛羽情況的測試中。此外，光衍射還被用于測量紗線中纖維的長度和分布位置。測試過程中的傳感器原理如圖1所示。激光發射出一束平行光，光束經過擴束系統后直徑被放大。借助一種縫隙孔，可以精確測量光束的直徑。在孔通道方向安裝一個過濾器，以降低光的強度，保護用于測量的光學組件。在目標工作面上短纖紗或長絲紗的夾持端，設置校準安裝程序用以測量衍射圖譜。距目標工作面f處安裝一傅里葉鏡頭，并確保傅里葉鏡頭與焦距工作面間距也為f。在焦距工作面處安裝一照相機，通過讀取相機的CCD芯片可以導出測試所得的圖片。圖2給出了一個實際測試過程中傳感器原理的實施方式。圖3示出了不同校準設置下檢測到的試樣的衍射圖譜及其示意圖。由圖3可以看出，纖維的位置、直徑和數量會對衍射圖譜的形狀產生影響。在校準設置步驟中，衍射圖產生于與纖維長度方向呈90°夾角間，不考慮光衍射的理論細節，這是光圓柱體或邊緣衍射的特性。目標工作面上垂直黏貼的纖維數量與衍射圖譜光強度的關系，可以用焦距平面上的光敏接收器的電壓量化表示(圖4)。纖維數量與光強度呈線性關系，因此光束中的纖維越多，就會有越多的光參與衍射。隨著光束中邊緣數量的增加，光的散射也會相應增加，因此光的強度可以通過衍射圖譜進行預測。該理論已通過實際測試得以證實。

圖1 測量衍射圖譜的傳感器原理

圖2 傳感器原理的試驗臺設置

圖3 不同校準設置下的衍射圖譜及示意圖

基于衍射圖譜測量的原理，可以實現一種針對長絲變形結構的光學測量方法。圖5給出了針對兩種不同的變形紗進行的衍射圖譜測試結果。圖上分別示出了一種低變形紗的和一種高變形紗的實際測得的衍射圖譜及其示意圖。其中，低變形紗是由沿中心軸排列的纖維組成的，因此稍稍偏離中心軸，這在焦距工作面的衍射圖譜中得以體現：衍射圖譜垂直方向上的光強度顯著增強(白色標記區域)，由該區域可以分辨出纖維的位置。被照射纖維的光強度值反映纖維的數量。高變形紗的纖維層分布均勻，因而衍射圖譜中的光強度也分布均勻。

圖4 衍射圖譜中光強度和纖維數量的關系

測試工藝的經濟性對未來可能的工業應用有著重要的影響。根據一項有關傳感器工業實施的報告，初步估計單個傳感器約需1 300歐元。相對于每個變形設備單元的投資成本(約3 200歐元)而言，傳感器的價格非常高。考慮到在線變形結構測試的攤銷，其成本回收期預計為1.5 a左右。

3 結論

基于現有的測試方法，開發出一種可以直接通過

光學測量測試變形紗結構的方法。通過衍射圖譜的表征可知，目標工作面中纖維的數量和位置直接影響焦距工作面上衍射圖譜的形狀和強度。未來的工作是進一步擴大研究范圍，并將實驗室技術轉換為工業上可實際應用的傳感器技術。尤其值得一提的是該方法為一種在線測量方法。光學組件類似于植入手機中的相機，工業化批量生產可分攤成本，基于這一點，足以抵消光學傳感器技術的成本，并可推廣應用于長絲紗的工業化生產中。

周書法 譯 李 剛 校

Light diffraction used as optical instrument to measure texturing of filament yarns

EricSchulteSüdhoff，LukaszDebicki，MichaelDecius，LukasMerten，VolkerNiebel，GunnarSeide，ThomasGries

Institut für Textilechnik(ITA)， RWTH Achen University， Achen/Germany

Non-textured filament yarns tend to exist side by side in a parallel and even way. The surface is smooth compared to the less uniform and hairy surface of staple fiber yarns. For many applications staple fiber specific properties are desirable with retention of the continuity of a filament at the same time. Through texturing the filament yarns obtain customizable properties such as high bulk, high elasticity and porosity. The properties of textured filament yarns are currently measured offline in the laboratory. Online optical methods for the characterization of filament yarns on the running yarn do not exist. Offline measurement methods are costly and generate only statistical information on the quality of the yarn by random sampling. Besides the state-of-the-art of the measurement of textured yarn parameters, a potential method for the direct optical measurement of textured filament yarn is presented here.

filament yarn； texturing； optical measurement； online measurement