雙須光電法毛型長度儀的精確度與重現性考核

文/解惠然 衡沖 楊光豪 王府梅 羅勝利

羊毛長度及其分布是評價品質性能的重要物理指標，會直接影響紗線質量、紡紗工藝設計和織物性能等[1]，在商業貿易中長度對羊毛的價格影響重大，是原毛和毛條定價的重要依據之一，所以，準確測量羊毛纖維長度十分重要。

目前，羊毛長度測試的方法主要分為傳統測試法和大容量自動測量方法。傳統測試法有手排法、梳片法等，測試速度較慢，對技術人員的手工熟練程度要求高，操作過程繁雜；大容量自動測量方法Almeter100長度儀和OFDA 4000測量儀，這兩種方法都實現了自動化，但都是進口儀器，硬件復雜，價格昂貴且維護費用高，中小型工廠難以承受。

為能更快速、準確、低成本地測得羊毛纖維長度信息，本課題組經數年研究，探索開發了一種全新的纖維測長方法——雙端隨機須叢光電法[2-4]（簡稱雙須光電法），可用于測量羊毛、棉、木棉纖維的長度，并研制出采用該方法的毛型纖維長度測試儀1.0版[5]，由于該技術的突破，2019年國標委下達制定中、英文新國標《毛型纖維長度測量法 隨機須叢影像法》計劃（項目編號20193338-T-424），作為定制國標的部分工作，本文對新儀器進行試用，并測試研究其精確度與重現性考核。

1 雙須光電法毛型纖維長度儀概述

雙須光電法毛型纖維長度儀由制樣裝置、光電檢測器和控制分析電腦三部分組成。如圖1所示，制樣夾持器隨機夾持纖維隨機須條的任意橫截面，梳理夾鉗兩側的浮游纖維后可得到圖2的雙端隨機須叢，每一須叢包含大約1萬根纖維。須叢被送入圖3的光電檢測器，測量得到雙端隨機須叢每一點的透光信息，由透光信息計算可得須叢線密度曲線，根據雙端隨機須叢的線密度曲線F（L）與樣品中纖維長度分布函數Pw（L）的理論關系：Pw（L）=L·F"（L）計算纖維長度的頻率分布圖和根數平均長度、短毛率、長度變異系數等各項指標。

圖1 制樣夾持器

圖2 雙端隨機須叢

圖3 光電檢測器

雙須光電法纖維測長儀的優勢[6-7]在于：（1）制樣為雙端隨機須叢，相較于Almeter100長度儀、OFDA4000測長儀的一端平齊試樣硬件簡單得多，所耗時間較短，不會丟失纖維，即雙端須叢所包含的信息完整、準確；（2）光電檢測器的實施方案巧妙，精度高、成本低、方便操作；（3）雙端隨機須叢相當于紡紗羅拉握持纖維，與纖維長度分布曲線有定量關系，可計算出纖維長度指標和須叢曲線。

本論文首先考核雙須光電法毛型長度儀的硬件精確度，然后將現有的標準手排法、Almeter測量法與雙須法對比分析，考核雙須光電法的精確度，對不同人不同單位使用毛長度儀測試所得的平均長度、短絨率對比，分析其可靠性與重現性。

2 試驗設計

2.1 硬件精確度的考核試驗

雙須光電法長度儀依靠光電檢測器得到試樣的透光圖像分析試樣長度信息，需要考核其光電檢測器的測長精確度，并考核同臺檢測器不同位置區域之間以及不同檢測器之間差異及準確度。

以手排長度法用的測長工具——透明標準坐標紙為試驗材料，如圖4所示，檢測硬件精確度。坐標紙每個大方格相鄰粗實線的距離10mm為標準長度，對同一臺檢測器的5個不同區域位置以及3臺檢測器之間的長度測量結果是否存在差異進行測試分析[8]。

圖4 透明坐標紙

2.2 新方法整體準確度及與現行方法一致性

新測試法的精確度不但與硬件有關，還與取樣方法、試樣量等因素有關。選用6種試樣驗證新測試法與現有方法的一致性，它們是澳毛60s、澳毛70s、澳毛80s、澳毛100s、內蒙古毛64s、新疆毛66s，分別記為1#、2#、3#、4#、5#、6#，6個品種毛纖維的長度和細度覆蓋了常見規格范圍。

雙須光電法長度測試由東華大學完成，執行標準為新國標《毛型纖維長度測量法 隨機須叢光電法》草案（研制國標時已將計劃標準名改為隨機須叢光電法），每種纖維至少測試5個須叢（見圖2，一般總計不少于4萬根纖維），對長度離散性大的試樣采用儀器推薦的保證誤差率小于5%條件下的測試須叢個數。Almeter測量法由江蘇丹毛股份有限公司完成，執行標準為國標GB/T 21293—2007《纖維長度及其分布參數的測定方法阿爾米特法》。手排法長度測試由上海纖檢所完成，參考國標GB 18267—2013《山羊絨》中的長度測量法。Almeter測量法和雙須光電法毛長度儀測得的都是重量加權類長度指標，手排法得到的是根數加權類長度指標，為方便比較，由手排法的拜氏圖數據在所有纖維線密度相同的假設下換算為重量頻率分布和重量加權類長度指標[9-10]。

2.3 新方法重現性考核試驗

分別由東華大學、浙江理工大學等單位不同人員對上述6種毛條進行取樣、制作雙端隨機須叢，再選擇3臺光電檢測器中任一臺與電腦連接完成測試。通過對比不同操作人員和不同機臺的測試結果，分析雙須光電法毛長度儀自身穩定性和重現性。

3 結果與討論

3.1 雙須光電法長度儀的傳感器精確度分析

現有Almeter毛纖維測長法的硬件缺陷是電容式傳感器的靈敏度低、精度低，例如測量矩形板時的輸出電壓本該為矩形波，而實際獲得梯形信號，研究表明其梯形電壓從5%升到95%經過長度為7.3mm[11]，所以，此法一直不能用于精度要求較高的棉型纖維。

雙須光電法的傳感器是CCD。測量時纖維放置方向平行于拍攝圖像的像素點的行，參見圖5，硬件感知的纖維長度=纖維所占據像素列的合計長度=單個像素點邊長×像素點個數。長度測量誤差在兩個邊緣像素點，總誤差小于兩個像素點的邊長之和。毛型長度儀CCD的分辨率為1000dpi，對應像素點邊長為25.4微米，則纖維長度測量誤差不大于0.05mm，精度遠高于現有測試儀器。

圖5 雙須光電法測長和誤差示意圖

傳感器對須叢厚度（每一像素點上重疊的纖維量）的檢測靈敏度是影響測量誤差的另一大因素，毛型長度儀用0～255的灰度值變化范圍表達每一像素點上重疊纖維根數0～10的變化范圍，平均以25個灰度值表達一根纖維的存在，靈敏度和精度很高。

3.2 光電檢測器的精確度考核

光電檢測器測量可得坐標紙的透光灰度圖像，用儀器計算須叢曲線的軟件計算坐標紙的線密度曲線[12]，如圖6所示，大方格邊界粗實線的透射光強最小，則其相應的相對光學面密度系數最大，對應圖6中的波峰值，因此可以根據每個波峰值，找到其對應的橫坐標值，相鄰倆峰值間的橫坐標差值就是坐標紙相鄰粗實線間的距離。

圖6 坐標紙的線密度系數

根據公式（1），分別計算在3臺檢測器編號為1#、2#、3#的左上區域、左下區域、右上區域、右下區域和中間區域共計5個不同位置的透光灰度圖像中相鄰粗實線間的平均長度及其與標稱長度的差異率，結果如表1所示。

表1 灰度圖像中相鄰粗實線的平均間距及差異率

由表1可知，檢測器1#的不同區域的測量長度與標稱長度的差異率在0.152%～0.305%范圍，檢測器2#的不同掃描區域的測量長度與標稱長度的差異率在0.178%～0.279%范圍，3#檢測器的不同掃描區域的測量長度與標稱長度的差異率在0.152%～0.254%范圍，3臺檢測器總體的長度平均差異率為0.213%。這說明，對于長度約為80mm的羊毛纖維，光電檢測器的長度誤差<0.24mm，與隨機抽樣誤差率控制在5%或2.5%（4mm或2mm）相比，光電檢測器硬件的長度測量誤差幾乎可以忽略不計。說明檢測器誤差對測試結果影響很小，雙須光電法毛長度儀（光電檢測器）具有較高的精確度。

上述試驗的坐標紙是緊貼在光電檢測器的試樣臺上進行的，而須叢厚度在0～6mm范圍，為更全面地考核檢測器的精確度，需在距試樣臺一定高度位置測試長度的準確度，采用上述坐標紙試樣對3臺檢測器試樣臺的中間平面進行試驗，由于表1中不同位置的差異率均很小，選取了中間區域做進一步考核。

將同規格的透明坐標紙放置在厚度3mm的透明光學玻璃上，將其放置在檢測器的試樣平臺上，測量得到坐標紙的透光圖像。以上述同樣的方法計算試樣臺3mm高度上的測量長度與標稱長度的差異率如表2所示。

表2 試樣臺3mm高度的測量長度與差異率

表2中，3臺檢測器在試樣臺3mm高度測量得到的長度與標準長度的最大差異率為0.228%，說明檢測器試樣臺不同高度位置上的長度測試也具有很高的準確度。

3.3 雙須光電法的精確度考核

3.3.1 雙須光電法與現行方法的長度指標對比

分別用現行標準的Almeter法、手排法和新定制國標的雙須光電法測得6種毛條的纖維平均長度、長度變異系數和短毛率，不同測試法對應長度之變間關系見圖7～圖9。圖中的斜線為縱、橫坐標的理想關系即斜率為l的直線；R為兩種方法的對應長度指標間的相關系數；平均差值d為兩方法測得6種毛條對應長度指標差值的平均值，即圖中各點距離斜線的垂直距離的均值，d計算式為：

式中：xi為縱坐標所示的6種毛條的長度指標；yi為橫坐標所示6種毛條的長度指標；i=1,2,3……

圖7表明，雙須法與Almeter法的平均長度一致性很高，兩者的相關系數為0.90。但是，Almeter法的平均長度普遍高于雙須法約10mm，這并不能判定雙須光電法測的長度偏低，因為所用Almeter儀器沒有經過計量，而雙須光電法硬件經過第2.2節的精確度考核。另外，兩方法的長度變異系數和短毛率也基本一致，但是，Almeter法的長度變異系數和短毛率普遍低于雙須光電法，分析原因是Almeter儀器的電容式傳感器靈敏度低，電容極板寬度（約8mm寬）對長度不勻信號有過濾作用，導致短毛率和長度變異系數偏低。

圖7 雙須法與Almeter法對應指標的關系

圖8表明，雙須法與手排法的平均長度一致性很高，兩者相關系數為0.89。但是，二方法的長度變異系數和短毛率一致性明顯比較低，其原因在圖9看得更清楚，手排法與Almeter法的長度變異系數和短毛率一致性也很低，平均差值也較高，分析認為這是手排法試樣量太少、數據不穩定的原因。

圖8 雙須法與手排法對應指標的關系

圖9 Almeter法與手排法對應指標的關系

3.3.2 雙須光電法與現行方法的長度分布對比

選擇與手排法測試換算的頻率分布圖對比，原因是Almeter測量法使用的電容傳感器靈敏度不夠，已經導致短毛率和長度不勻率偏低，說明頻率分布也不夠準確。

圖10是雙須法與手排法測試的頻率分布圖對比，可以看到兩方法測試的纖維長度分布的主峰位置、分布范圍和分布規律都是一致的，由于存在隨機取樣的差異使得兩測試方法的頻率分布不會完全重合。這表明雙須法的纖維長度分布可信。

圖10 兩種方法測試6種試樣的頻率分布對比

3.4 雙須光電法毛型長度儀的重現性考核

不同人制樣、采用不同機臺測試獲得6種毛條的長度指標如表3所示，表中最后一行的CV值表示不同人使用不同機臺測得同一長度指標的離散程度（變異系數）。

表3 不同人、不同機臺的雙須法測試結果

續表3 不同人、不同機臺的雙須法測試結果

由表3可知，平均長度的CV值在2.35%～3.22%范圍，短毛率的CV值在2.22%～3.97%之間，都小于4%。而長度變異系數的CV值在1.82%～5.47%范圍，也小于6%。這說明雙須光電法毛型長度儀具有很高的重現性，這優勢出自該方法使用的高精度傳感器和大試樣量測試。

4 結論

（1）雙須光電法毛型長度儀的CCD傳感器測量誤差不大于0.05mm，精度遠高于現有纖維長度測試儀；同一檢測器的不同測量位置以及檢測器不同機臺測量的長度差異率都小于0.3%，毛長度測量的絕對誤差小于0.2mm，表明毛長度儀硬件設備的精確度很高。

（2）雙須法與手排法、Almeter測量法的平均長度一致性很高，且雙須法與手排法的頻率分布規律一致；不同人制樣、采用機臺測得同一長度指標的CV值很小，即該儀器的重現性很高，測試結果正確可靠。