隨機(jī)須叢影像法纖維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x

王府梅++++金敬業(yè)

摘要：

首先簡(jiǎn)要介紹了目前國(guó)際測(cè)量棉、毛纖維長(zhǎng)度的三大儀器，分析指出了各自的主要優(yōu)缺點(diǎn)。其次介紹了中國(guó)首創(chuàng)的隨機(jī)須叢影像法纖維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x，在與現(xiàn)有儀器測(cè)試結(jié)果對(duì)比的基礎(chǔ)上，總結(jié)出新儀器優(yōu)勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：纖維長(zhǎng)度；隨機(jī)須叢；光電測(cè)量

1 引言

纖維長(zhǎng)度測(cè)量存在兩方面難度，一是棉、毛、麻、絹等短纖維幾何尺寸小，在測(cè)量中難以被有效地控制和識(shí)別；二是天然纖維長(zhǎng)度離散性大，作為長(zhǎng)度信息組成部分的長(zhǎng)度分布曲線和離散指標(biāo)更難測(cè)量。由于長(zhǎng)度是棉纖維首要性能，是毛、麻纖維僅次于細(xì)度的重要性能，故長(zhǎng)度測(cè)量一直是紡織科技的研究重點(diǎn)。

2 現(xiàn)有纖維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器

近年，國(guó)內(nèi)手工測(cè)量技術(shù)人員日漸稀缺，羅拉式長(zhǎng)度分析儀、手排長(zhǎng)度等依賴手工技術(shù)的測(cè)量方法正在逐步退出應(yīng)用，多數(shù)單位在使用下述自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)。

（1）HVI檢測(cè)系統(tǒng)

HVI（全稱High volume instrument），是20世紀(jì)80年代初研制出的一種棉纖維性能全面檢測(cè)儀，包括長(zhǎng)度、馬克隆值、強(qiáng)度、色澤、雜質(zhì)等，是國(guó)際棉花貿(mào)易和大規(guī)模棉花收儲(chǔ)中分級(jí)定價(jià)的常用檢測(cè)設(shè)備，新國(guó)標(biāo)GB 1103-2012《棉花 細(xì)絨棉》就采用的此系統(tǒng)[1]。

HVI系統(tǒng)的重要功能——長(zhǎng)度檢測(cè)采用了1940年K. L. Hertel等人提出的照影機(jī)原理，如圖1所示[2]。將10g左右原棉放入圓筒形取樣器，在壓力作用下棉纖維略微凸出到取樣器圓孔外，如圖2所示；直線形夾鉗沿圓筒外壁轉(zhuǎn)動(dòng)，夾取露出圓孔的纖維，再經(jīng)毛刷梳理成為可測(cè)試樣——須叢，見(jiàn)圖3。須叢被送入光電檢測(cè)區(qū)域[3]，光線透過(guò)寬約2mm的狹縫照在須叢上，須叢的纖維軸向垂直于狹縫，須叢與狹縫相對(duì)運(yùn)動(dòng)中須叢的透射光和入射光信號(hào)分別被處理裝置接收，并根據(jù)Lambert-Beer定律換算成每一透射光對(duì)應(yīng)的纖維量，從而獲得須叢不同橫截面上的纖維量，稱作須叢曲線，如圖4所示 。然后，由須叢曲線求出纖維平均長(zhǎng)度，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出16mm以下的短絨率等指標(biāo)。

HVI系統(tǒng)不能直接測(cè)試棉纖維的短絨率、長(zhǎng)度離散性指標(biāo)和長(zhǎng)度分布圖。原因有：①由光信號(hào)換算纖維量時(shí)未考慮眾多纖維表面的反射和纖維內(nèi)部的光散射作用，普遍認(rèn)為HVI測(cè)得信號(hào)僅僅是與須叢各橫截面纖維量有關(guān)的量[4，5]，并不能完全代表須叢橫截面厚度和質(zhì)量；②HVI不能測(cè)試須叢起始線到3.81mm范圍的須叢質(zhì)量；③理論不完善，Hertel等人曾推導(dǎo)出須叢曲線與纖維長(zhǎng)度根數(shù)頻率密度曲線的兩次微分關(guān)系[2]，但是，后續(xù)研究實(shí)踐證明其結(jié)果誤差很大，有學(xué)者指出只有在“理想棉條”截面上取樣Hertel理論才能成立[6-11]。此外，還有學(xué)者指出用HVI取樣法，長(zhǎng)度大的纖維被夾到的概率大等。

（2）AFIS檢測(cè)系統(tǒng)

AFIS（全稱為Advanced fiber information system），目前，被很多單位用于快速檢測(cè)棉纖維長(zhǎng)度分布的完整信息[12]。在AFIS檢測(cè)系統(tǒng)，首先將0.5g棉花散纖維扯松，手工揉搓成長(zhǎng)約30cm的棉條，喂入儀器，經(jīng)內(nèi)置的開(kāi)松和梳理機(jī)構(gòu)處理，將纖維分離成單根狀態(tài)；纖維在高速氣流的牽伸和引導(dǎo)下通過(guò)狹長(zhǎng)的紅外光電檢測(cè)區(qū)域，見(jiàn)圖5，測(cè)量每根纖維通過(guò)光電窗口耗費(fèi)的時(shí)長(zhǎng)和速度，換算為單纖維長(zhǎng)度?？傆?jì)測(cè)量3000根后，按一定組距分成若干長(zhǎng)度組，得到長(zhǎng)度根數(shù)頻率n（l）直方圖。進(jìn)而由n（l）計(jì)算纖維的質(zhì)量頻率分布和質(zhì)量加權(quán)平均長(zhǎng)度、品質(zhì)長(zhǎng)度、短絨率等指標(biāo)。

（3）Almeter檢測(cè)儀

Almeter FL100型長(zhǎng)度檢測(cè)儀包含自動(dòng)制樣器和檢測(cè)器兩臺(tái)設(shè)備。利用自動(dòng)取樣器將纖維條制成一端平齊的纖維束，將纖維束放在載樣塑料薄膜上，纖維束和薄膜一起勻速通過(guò)窄條狀平板電容式傳感器，測(cè)量纖維束不同橫截面處的電容量，即可換算出長(zhǎng)度截面質(zhì)量累積曲線，據(jù)此算出長(zhǎng)度質(zhì)量分布直方圖和各項(xiàng)長(zhǎng)度指標(biāo)[13]。

該檢測(cè)儀只適用于毛條、毛型粗紗等半成品中的纖維長(zhǎng)度測(cè)量，在羊毛領(lǐng)域Almeter已經(jīng)很大程度上取代了梳片式長(zhǎng)度分析儀。但由于電容式傳感器的尺寸受限，不適合測(cè)量比較短的棉纖維和高卷曲、較高彈性的羊絨等纖維。

3 雙須影像法毛纖維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x

現(xiàn)有長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器的共同缺陷是機(jī)械、電氣部分非常龐大、復(fù)雜，成本高，功能和精度受限，應(yīng)用纖維品種單一。經(jīng)過(guò)數(shù)年努力，我團(tuán)隊(duì)發(fā)明的隨機(jī)須叢影像法纖維長(zhǎng)度測(cè)量方法終于結(jié)出第一顆果實(shí)——雙須影像法毛纖維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x，正在研制棉型和羊絨專用長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x。雙須影像法毛纖維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x包括制樣器、光電檢測(cè)器、控制分析電腦三部分硬件，后兩部分硬件聯(lián)機(jī)運(yùn)行。

（1）制樣器。對(duì)于常見(jiàn)的毛條試樣，用夾鉗隨機(jī)夾持毛條任意橫截面，見(jiàn)圖6。以專用工具梳去夾鉗二側(cè)的浮游纖維，獲得雙端隨機(jī)須叢，見(jiàn)圖7，夾持線二側(cè)須叢相當(dāng)于紡紗牽伸區(qū)的羅拉握持纖維。

散毛試樣和散羊絨試樣有另外的專用制樣器。

（2）光電檢測(cè)器。光電檢測(cè)器的外殼尺寸63×38×18cm3，重量13kg。用專用工具將雙端須叢移至光電檢測(cè)器的載樣臺(tái)上，電腦控制光電檢測(cè)器的線光源及信號(hào)檢測(cè)部件沿須叢軸向運(yùn)動(dòng)，測(cè)得雙端隨機(jī)須叢平面上每一點(diǎn)（25×25?m2）的透光信號(hào)。光電檢測(cè)器的長(zhǎng)度分辨率25?m，纖維厚度最小檢測(cè)量0.8dtex。

（3）控制分析電腦。電腦控制光電檢測(cè)器獲取須叢透光信號(hào)以后，進(jìn)行如下兩步分析：

第一步，采用我們的3項(xiàng)發(fā)明專利等技術(shù)，考慮纖維吸光、反光和光散射性能，計(jì)算出須叢各橫截面的相對(duì)纖維量，即須叢的相對(duì)線密度曲線F（L），見(jiàn)圖8。第二步，用我們推導(dǎo)出的理論關(guān)系和另外4項(xiàng)發(fā)明專利，由須叢的相對(duì)線密度曲線 F（L） ，分析出纖維長(zhǎng)度的重量頻率分布曲線和各項(xiàng)長(zhǎng)度指標(biāo)。

測(cè)試結(jié)果被存入電腦硬盤，可以按試樣名、測(cè)試日期、測(cè)試人員等信息查詢和調(diào)用。實(shí)際上，圖8所示的須叢相對(duì)線密度曲線比現(xiàn)有長(zhǎng)度指標(biāo)和分布曲線具有更直接、定量的應(yīng)用價(jià)值。須叢線密度曲線恒等于紡紗羅拉握持纖維線密度曲線，該曲線與羅拉隔距結(jié)合就能預(yù)測(cè)紡紗牽伸區(qū)的浮游纖維量，見(jiàn)圖9。眾所周知浮游纖維量是紡紗質(zhì)量的決定性原料因素，因?yàn)闊o(wú)法獲得至今沒(méi)有運(yùn)用這類曲線，并且不知該曲線與纖維長(zhǎng)度分布曲線的理論關(guān)系。圖8曲線可定量指導(dǎo)配毛工藝，曲線越直說(shuō)明配毛越好，混合毛的須叢線密度曲線可由各成分的須叢線密度曲線和占比定量計(jì)算。圖8曲線也可定量指導(dǎo)紡紗羅拉隔距設(shè)計(jì)，羅拉隔距越大圖9黃色區(qū)域顯示的浮游纖維量越大，會(huì)導(dǎo)致紗質(zhì)量越差，但是，羅拉隔距越大又會(huì)使拉斷纖維越多，二者如何取舍，基于圖8做出的圖9能顯示直接、定量的效果。endprint

4 新儀器與Almeter儀器比較

（1）指標(biāo)數(shù)值對(duì)比

先后從山東南山紡織服飾有限公司和江蘇陽(yáng)光股份有限公司等單位采集了數(shù)批毛條試樣，采用我們新儀器測(cè)試的結(jié)果與廠家采用Almeter FL100型長(zhǎng)度儀測(cè)試的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖10?？梢钥闯?，隨機(jī)須叢影像法測(cè)試的羊毛巴布長(zhǎng)度、巴布長(zhǎng)度變異系數(shù)、豪特長(zhǎng)度、豪特長(zhǎng)度變異系數(shù)與現(xiàn)用Almeter儀器的測(cè)試結(jié)果有很高的一致性。

（2）長(zhǎng)度分布曲線對(duì)比

雙須影像法測(cè)試的纖維長(zhǎng)度分布曲線與現(xiàn)用Almeter儀器的測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖11，試樣1#～8#的羊毛支數(shù)覆蓋64支～120支范圍，圖中分解模型是我們儀器采用的一算法，分解模型就是新儀器的測(cè)試結(jié)果。圖11中兩種分布曲線也是高度一致，微小差別是Almeter儀器測(cè)試的長(zhǎng)度分布曲變化平緩，原因是Almeter儀器的電容傳感器不靈敏，也說(shuō)明新儀器更加準(zhǔn)確。

5 小結(jié)

新研制的雙須影像法纖維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x具有如下明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）原理先進(jìn)，國(guó)際首創(chuàng)用隨機(jī)須叢和數(shù)碼光電技術(shù)測(cè)量纖維長(zhǎng)度，省去了現(xiàn)有儀器復(fù)雜的制樣設(shè)備，使儀器體積小、重量輕；理論嚴(yán)密、試樣包含信息完整，測(cè)試結(jié)果全面。

（2）測(cè)試精度高，不丟失纖維，試樣中的長(zhǎng)短纖維全部按存在的概率被握持；長(zhǎng)度分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)用儀器，纖維厚度最小檢測(cè)量也足以感知超細(xì)羊毛和山羊絨的每根纖維，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出Almeter、HVI系統(tǒng)。

（3）新儀器具有更實(shí)用、定量的新功能，所測(cè)的須叢線密度曲線可定量指導(dǎo)紡紗、配毛工藝，比目前的指標(biāo)和曲線有更具直接、定量的應(yīng)用價(jià)值，也可用于虛擬紡紗等領(lǐng)域，有利于促進(jìn)紡紗工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)向科學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)展。

新儀器面臨的挑戰(zhàn)：（1）不同紡織纖維需要不同的制樣方法和硬件支持，棉和羊毛可能需要從制樣開(kāi)始完全聯(lián)機(jī)工作的全自動(dòng)儀器；（2）被國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和廣大用戶接受有一個(gè)過(guò)程。后續(xù)研發(fā)投入和工作量仍然不小。

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（作者單位：東華大學(xué)）endprint