羊絨長度的儀器化檢測方法

戴千惠，王 喻，陳麗君，徐廣標，王府梅,b

(東華大學 a. 紡織學院；b. 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

羊絨纖維的長度及其分布特性是評價羊絨品質的重要指標，直接影響紗線的性能、織物的品質及其售價，也是纖維貿易、原料選配、制定紡紗工藝及產品質量控制的重要依據[1]。

現有的羊絨纖維測長方法主要是手排法。2014年開始實施的GB 18267—2013《山羊絨》[2]明確規定了各類山羊絨的顏色分類、標準樣品的制備方法，以及纖維平均長度、長度變異系數、短絨率等主要長度指標的計算公式。然而手排法耗時長、工作量大、效率低，易受測試人員主觀因素的影響，且目前技術工人流動性大、用工成本高，因此，使用儀器化檢測方法快速準確測得羊絨纖維的長度迫在眉睫。

2016年頒布的紡織行業標準FZ/T 20028—2015《分梳山羊絨纖維長度和長度分布的測定 光電法》[3]，其基本原理是棉纖維長度測試中運用的Hertle照相機原理[4]。目前測試羊絨長度的代表性儀器是德國Textechno公司生產的Fibrotest纖維長度分布測試儀和意大利生產的Classfiber測試儀。該類儀器主要由制樣裝置、纖維透光信號測量系統和計算機分析軟件3部分組成[5]，具有取樣量大、測試效率高、操作簡單、不易受測試人員影響的優點，但一直未得到推廣。這主要是由于該測試方法存在明顯缺陷，比如：取樣不理想，1根纖維可能同時被多個梳齒鉤掛[6]，而該測試方法所依據的Hertel照影機原理認為每根纖維僅被1個梳齒鉤掛，棉纖維長度測試數十年的應用實踐證明，由該方法獲得的長度變異指標及短絨率沒有應用價值；制樣時毛刷輥只在須叢表面刷1次，須叢內部和夾持線附近的浮游纖維還尚未清理干凈；該系統在距須叢夾持線3.8～60 mm區間測試[5]，使得傳感器不能測量完整的須叢，導致待測須叢中長度不在3.8～60 mm的纖維數據丟失，直接影響纖維短絨率、根數平均長度等指標的準確性。

Uster公司開發了Almeter羊絨長度檢測儀，其原理和應用詳見GB/T 21293—2007《纖維長度及其分布參數的測定 阿爾米特法》[7]。但實際中很少有相關公司和單位采用該類儀器檢測羊絨長度，主要是由于該檢測儀采用的電容傳感器靈敏度很低，而羊絨纖維長度試驗測量值與標準測量值的允差小于2 mm，并且羊絨梳理所用梳片的間距為5 mm，導致理論上應該一端平齊的羊絨試樣實際排齊端的最大差異為5 mm[8]。

羊絨光電法和Almeter法還存在一個共同缺陷，即針對卷曲度不同的纖維，用統一的卷曲修正系數給出長度指標。對比光電法制得的仍處于自然卷曲狀態的羊絨(見圖1)與手排法中羊絨的伸直狀態(見圖2)可以看出，現有儀器制樣與手排法制樣存在差異，因此用統一的卷曲修正系數將導致不同卷曲度或不同品質羊絨的長度測試結果出現誤差。此外，現有儀器結構復雜，價格昂貴，維護保養費用高，中小型工廠難以承受。

筆者課題組經多年研究研發了一種新型雙端隨機須叢光電法測長方法，該方法已用于棉、羊毛長度[1]的檢測，但由于不同種類纖維的表征指標(纖維的卷曲、長度、顏色、鱗片、粗細等)不同，因此該方法還不能直接用于檢測羊絨的長度，需結合羊絨纖維的特性改進算法，同時為了使測試流程科學省工還需補充完善控制分析軟件的操作方法和功能。其原始的制樣方法是：用現有的引伸器(相當于紡紗機的羅拉)初步制作隨機分布的纖維生條；用夾持器隨機夾取纖維條的任一橫截面(見圖3)，梳去夾持器兩側的浮游纖維，制得雙端隨機須叢試樣；用自制的測量須叢透光信號的高精度數碼儀器獲得雙端隨機須叢透光圖。筆者課題組還推導出該檢測方法的理論基礎和關鍵算法：(1)隨機須叢線密度曲線F(l)與纖維長度l分布曲線的理論關系pw(l)=lF''(l)[9]；(2)考慮纖維吸光和光散射特性的Wu-Wang面密度計算方法和標準須叢曲線計算方法[10]；(3)纖維長度頻率分布曲線的離散型算法[11]。

本文基于以上基礎理論、技術和硬件的支持，研究開發羊絨長度的儀器化檢測方法，需解決分梳羊絨雙端隨機須叢制樣與信號獲取、信號分析參數選擇、控制分析軟件設計3方面問題。

1 羊絨雙端隨機須叢的制樣與信號獲取

1.1 雙端隨機須叢的初步制作

纖維制樣是整個檢測方法的基礎，由于羊絨纖

維具有超高卷曲，不能采用現有的引伸器制作纖維條。參照GB 18267—2013《山羊絨》中抽取小樣的方法，利用自主設計的夾持器制作雙端隨機須叢。具體操作[6]如下：將參照《山羊絨》標準方法抽取的羊絨散纖維混合均勻，鋪放在25 cm×20 cm的試樣盒中，然后蓋上開有22孔的上蓋(見圖4(a))；用鑷子從每一孔中夾取一束纖維(約5 mg)，雙手食指和拇指將被鑷子夾持過的一段纖維手扯至平行伸直后，放入專用夾持器中，再從下一孔中夾取一束纖維并重復上述操作。纖維鋪放均勻，且匯集到夾持器的纖維總質量為20～50 mg、寬度達4～5 cm后，閉合夾持器，用專用排梳去除夾持器兩側未被夾持的浮游纖維。雙端隨機須叢的初步制作工具及方法如圖4所示。

1.2 高溫消除羊絨纖維的大卷曲

初步制得的羊絨須叢中的纖維卷曲度遠大于手排法制得的纖維，由于不同羊絨的卷曲度差異較大，若用該類試樣測量會導致纖維長度嚴重依賴于卷曲度，因此，需要消除夾持器上兩側纖維在摩檫力作用下能夠伸直的卷曲。具體方法為：用專用毛刷梳直夾持器一側纖維的同時，在毛刷后緊跟條形恒溫(150 ℃)夾板(見圖5)，使毛刷和夾板同速運動，利用二者和須叢產生的摩擦力梳直并固定纖維的伸直狀態，使雙端隨機須叢中纖維的伸直狀態接近手排法制得的纖維狀態(見圖7)。

1.3 雙端隨機須叢透光信號的獲取

采用載樣器將雙端隨機須叢試樣移入課題組研制的光電檢測器(見圖6)，用計算機控制光電檢測器測量雙端隨機須叢，得到透光數字信息(見圖7)，然后由每一點的透光率計算該點面密度以及須叢任一橫截面的纖維量與位置的關系曲線(簡稱須叢曲線)[10]，進而計算纖維的長度分布曲線和指標。

2 信號分析參數的選擇

本文信號分析的技術路線是：采用Wu-Wang面密度算法[10]根據須叢透光信號計算面密度矩陣，然后計算并繪制須叢的線密度曲線[9]，最后用離散型算法[11]計算長度頻率分布曲線和長度指標。具體實施需要解決以下兩大問題。

2.1 光學參數的選擇

由Wu-Wang面密度算法可知，纖維的面密度系數與各種纖維的光學參數R∞(纖維無窮厚時的反射率)有關，而R∞與纖維的組成物質(涉及纖維的品種、顏色、鱗片、粗細等)有關。因此當不同種羊絨纖維有明顯的顏色差異時，應選擇對應的R∞，否則無法獲得準確的纖維面密度系數，還會影響測試精度。常見的羊絨原料分為白絨、青絨、紫絨3類，且各樣品的顏色深淺明顯有別。分別采集12種不同種類、不同顏色的羊絨樣品，依次編號為1～12，用Datacolor 800型分光測色儀測得各樣品的光學參數R∞(見表1)，光學參數R∞取值范圍為0～100%。

表1 不同顏色羊絨樣品的光學參數R∞

在每次分析須叢透光信號之前，需要將待測試樣的顏色與羊絨比色卡進行對比，選擇與比色卡中顏色最接近的樣品的光學參數，或選擇與比色卡中顏色最接近的2種樣品的光學參數，用插值法計算得到該試樣的光學參數。

2.2 保證誤差率條件下的應測須叢個數

由于羊絨須叢是隨機抽樣制得的，測試結果會有所波動，為減小這種隨機誤差，需制取多個須叢試樣，測試并求取平均值。目前，很多隨機抽樣試驗的測試標準規定了試驗次數，如采用手排法測量羊絨長度時規定至少2人進行試驗并求取求平均值；當2人測試結果(根數平均長度)差異大于2 mm時，3個人進行試驗并求取平均值。同理，為使檢測結果更加準確，也需研究應測須叢個數。

相比批量樣品中的纖維數量來說，須叢試樣的數量是非常少的，因此可視纖維總體是無限的，根據式(1)[12]計算應測須叢個數。

(1)

式中：n為保證誤差率時應測的須叢個數；tα為顯著性水平α時t分布的臨界值；C為同種纖維各須叢間根數長度的變異系數(%)；d為保證誤差率(%)，紡織領域一般取5%。

為確定應測須叢個數，需通過試驗獲取不同種類羊絨纖維各須叢間根數長度的變異系數。隨機選取5個樣品進行試驗，分別編號為1#、2#、3#、4#和5#，各樣品分別制取6個雙端隨機須叢，以6個須叢所得根數長度的平均值作為該樣品的根數長度值。

各樣品6個須叢間的根數長度平均值、根數長度變異系數和保證誤差率為5%時應測須叢個數如表2所示。當顯著性水平α=0.05，n=6時，查表得tα為2.45。

表2 保證誤差率為5%時不同種類羊絨纖維樣品的長度指標

從表2可看出，當α=0.05且保證誤差率為5%時，不同種類羊絨纖維的根數長度變異系數差別較大，應測須從個數向上取整最大為8、最小為3。這說明不同批次羊絨的長度離散性存在差異。長度離散性大小與該批次羊絨生產加工中的很多因素有關，如羊種的均一性、剪絨或抓絨時間的均一性、絨毛分梳時不同原料的混并等。

若采用統一的須叢測試個數，保證誤差率為5%時，至少需要制作8個須叢，這對只需制作3個須叢就可達到標準的樣品而言無疑增大了工作量。為提高工作效率，筆者課題組研究確定羊絨長度測試方案，即采用統一的保證誤差率但不要求各類羊絨試樣采用相同的應測須叢個數。對于任一種類羊絨，先取最小須叢個數3進行制樣與檢測，若測得的結果能夠滿足保證誤差率為5%的要求，則測試結束；若測得的應測須叢個數不能滿足保證誤差率的要求，則增加須叢，直至達到保證誤差率要求為止。因此，本文為使測量工作量最小且能保證測量結果的準確性，在羊絨儀器化測試方法中增加了添加須叢個數和剔除不規范須叢的功能。

3 控制分析軟件的設計

控制分析軟件的主要任務有：控制光電檢測裝置，獲取每一個雙端隨機須叢的透光圖像；調用數據庫，將須叢透光圖導入測試系統(即控制分析軟件)，初步處理信息；根據“應測須叢個數”和測試人員的需求選擇增加或刪去須叢；計算最終結果得到主要長度指標(包括纖維根數加權平均長度及短絨率，重量加權平均長度及短絨率)、須叢曲線和長度分布圖(包括根數頻率分布圖、重量頻率分布圖、拜氏圖或手排圖)等。實現上述任務的控制分析軟件的執行流程如圖8所示。

在試驗開始之前，為使測試人員更好地理解并掌握羊絨控制分析軟件的使用流程，本文對操作中較難理解的3點進行詳細解釋說明。

(1)判斷是否繼續添加須叢。當計算得到的應測須叢個數(即推薦須叢個數)不小于3時，界面會跳出如圖9所示的對話框詢問測試人員是否繼續添加須叢，測試人員按“已測須叢個數不小于推薦須叢個數”的要求進行操作，選擇“是”則測試人員需繼續制作須叢并進行測試，選擇“否，生成結果”則結束試驗，計算最終結果如圖10所示。測試人員每添加1個須叢，測試軟件都會重新計算應測須叢個數，并跳出如圖9所示的對話框。

(2)中斷試驗。如果測試人員需中途休息，且當進行測試的須叢個數小于3或應測須叢個數時，測試人員需點擊界面的“保存并關閉”按鈕，或點擊對話框中的“否，生成結果”。已經導入測試軟件的須叢透光圖會自動保存，下次試驗時可再將圖提取出來，并和后續制作的須叢一起計算得到最終測試結果。

(3)去除不規范須叢。若發現測試結果異常，可查看已存入測試軟件中的各個須叢圖像，若確認某一須叢屬于不規范試樣(如梢部纖維彎折、覆蓋異物等)，測試人員可勾選規范須叢的圖計算得到最終結果。

至此，一個完整的羊絨長度的儀器化檢測方法已逐一實現。該方法目前還處于不斷改進和完善的過程中，但已具備成本低、易操作、效率高及測試結果準確等優點。

4 結 語

本文在筆者課題組已有的理論、技術和硬件基礎上，研究解決了分梳羊絨的雙端隨機須叢制樣、信號分析參數選擇、控制分析軟件設計3方面的問題，構建一個完整的分梳山羊絨長度儀器化檢測方法。

(1) 分梳羊絨的雙端隨機須叢制樣：提出隨機須叢的規范取樣和制樣方法，用恒溫(150 ℃)夾板消除羊絨纖維的大卷曲，使纖維伸直狀態與手排法接近。

(2) 儀器化試驗參數的選擇：根據羊絨的顏色差異選擇對應的光學參數，根據同種纖維各個須叢間的根數長度變異系數，計算保證誤差率為5%時的應測須叢個數。測試軟件從原始檢測方法中只能選擇單一光學參數和固定的應測須叢個數，發展到現在可根據纖維顏色差異選擇不同光學參數，以及與所測纖維試樣離散性差異所對應的應測須叢個數，明顯降低了工作量并提高了結果的準確性。

(3) 控制分析軟件的設計：研制的新檢測儀更新了所有的顯示界面，添加了推薦應測須叢個數的功能，最終能顯示更全面的長度指標、須叢曲線以及長度分布圖。