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嘉峪檢測網(wǎng) 2018-10-25 17:46
棉纖維細度是衡量棉花品質(zhì)的一個重要指標，在紡織工業(yè)上，它對成紗質(zhì)量有較大影響。線密度是棉纖維細度的一種表述方法，即單位長度的質(zhì)量。這種定義方法與常見的細度定義并不一致，一般細度是用幾何尺度來定義的，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，棉纖維的橫截面形態(tài)不固定，主要有三種形態(tài)：扁平、橢圓（含其變種：腰圓、半橢圓）、近圓，且含有中腔，中腔大小不確定。因此，使用線密度定義棉纖維細度，就是為了測量方便。由于棉纖維細度與其成熟度密切相關(guān)，因此在討論細度測量時，有時將不可避免要涉及到成熟度的測量。
棉纖維細度基準性的測量方法
棉纖維細度基準性測量方法來源于國際標準ISO 4912—1981，同時也是成熟度的基準測量方法，這是一種直接測量方法，測量原理扎實。
測量過程如下：制作纖維橫截面切片，經(jīng)顯微鏡放大，在投影儀上輸出到屏幕或者經(jīng)CCD相機輸出到計算機。該方法涉及的參數(shù)定義在下面給出，有些參數(shù)是ISO 4912—1981的定義，有些是本文的引申。
圖1 棉纖維的原始截面（A）和復圓截面（B）
其中P —纖維原始截面的周長；S —纖維原始截 面胞壁面積；W—纖維原始截面最大寬度，簡稱纖維寬 度；D—復圓直徑，定義為D=P /π；d —復圓內(nèi)徑， 定義為d 2=(πD 2－4S )/π；T—纖維胞壁增厚度，定義為t =D－d ；ρ0—棉纖維（胞壁）標準體密度，為常數(shù) 1.524g/cm3；H—棉纖維線密度，H =ρ0 S ；Θ—圓度4πS /P 2；M—棉纖維成熟度，定義為θ/0.577；K—成熟系數(shù)，定義為[(20t/D－1)]/3。
上述定義了棉纖維細度、成熟度的直接測量方法，只要做到對每一個纖維截面的周長、截面積的準確測量， 就可以得到棉纖維細度、成熟度的準確結(jié)果。值得強調(diào)的是，棉纖維的細度是一個絕對量，只與其胞壁截面積大小有關(guān)；而棉纖維的成熟度是一個相對量，不僅與其胞壁截面積大小有關(guān)，還與其整體截面的大小有關(guān)。
不過在早期使用投影儀技術(shù)的時代，若要直接測量棉纖維截面的周長、截面積還是很困難的，直到CCD器件出現(xiàn)，這一困難才得以克服。
在上世紀70年代隨著數(shù)字圖像處理理論與基本算法的建立，后來CCD、CMOS成像技術(shù)的發(fā)展，將圖像處理技術(shù)應用于棉纖維細度、成熟度的測量。
上世紀80年代開始出現(xiàn)使用圖像測量的相關(guān)文獻，并且持續(xù)到90年代末， 更多的文獻不一一列舉。總體而言，文獻[3]給出的信息更全面，不僅涉及棉纖維，還涉及其他纖維，包括動物纖維、化學纖維、植物纖維等10多種纖維，并且對纖維截面形狀分析的圖像處理技術(shù)多有敘述。
這一階段的研究特征是：CCD抓取棉纖維切片圖像，將圖像送入計算機處理，圖像經(jīng)過去噪、增強、閾值分割、二值化后，按照ISO 4912—1981的定義，計算棉纖維的成熟度。
總的來說就是介紹了圖像測量方法，而當時的數(shù)字圖像處理技術(shù)、算法都是成熟的。在棉纖維品質(zhì)檢測方面，該方法的測量準確性取決于纖維切片質(zhì)量。
棉纖維切片傳統(tǒng)制作方法，即用火棉膠封固纖維，用哈氏切片器制作切片，總有不少纖維截面是歪倒的，看不到纖維截面，不能識別；而且即便是可識別的纖維，也是根根相連、擠壓、變形、遮擋。這兩個弱點，造成一個切片中多根纖維不能被檢測其細度或者成熟度。也就是說一個待測試樣，只能正確識別部分纖維。
根據(jù)筆者的實踐，切片好的時候，一個切片有60%的纖維截面可識別；切片不好的時候，低于5%。一方面歪倒的截面與正常截面同時存在，另一方面纖維之間缺乏足夠距離，使得計算機自動準確測量難以實現(xiàn)。
不過傳統(tǒng)切片制作方法產(chǎn)生圖像技術(shù)應用的瓶頸，很快被一種新的切片制作方法所突破。文獻[8]介紹了一種能夠制作棉纖維優(yōu)質(zhì)切片的方法，它完全可以滿足對棉纖維細度、成熟度的精準圖像測量。與傳統(tǒng)切片法相比，其特點是，每一根纖維的截面都是可見的，纖維截面之間都有距離，不是擠壓在一起。
該方法大致過程如下：將一小束纖維放入特制化學溶液里浸泡，纖維束在溶 作用下稍微發(fā)散，而纖維本身并不膨脹。然后讓纖維束凝固、切片即可。該方法唯一的不足是切片制作時間過長，通常需要數(shù)個小時。盡管如此，該方法與計算機圖像處理技術(shù)一道，實現(xiàn)了棉纖維細度、成熟度的基準測量方法，可以為標準棉樣定標。
為能實現(xiàn)更快的測量速度，人們希望不需要制作切片，通過直接觀察一根纖維的縱向特征，并測量某些參數(shù)后，計算棉纖維的細度、成熟度。由于將纖維稍做整理，直接固定在玻片上，容易操作、耗時少，在這種條件下就能測量出棉纖維的細度、成熟度，那就比制作切片觀察截面方法便捷得多。
文獻[9]率先開始了這方面的研究，提出了纖維縱向測量細度、成熟度方法。該方法首先在顯微鏡下測量縱向棉纖維的平均寬度WM ，并與AFIS測得棉纖維細度做相關(guān)分析，然后得到圖像測量的細度。試驗中采用了7個棉樣，得到相關(guān)值R 2=0.95。
該研究的最大問題是沒有意識到棉纖維不是圓柱體，因此它的寬度不會是它的直徑；此外，棉纖維還有中空的中腔，因此寬度不能代表棉纖維的細度。這種間接測量方法，本質(zhì)就是一種經(jīng)驗公式，可靠性只能限定在這7個棉樣中。對于極限情況下，比如三種復圓直徑相差較大的長絨棉、細絨棉、亞洲棉， 能否保證經(jīng)驗公式仍然成立，還是需要有更多的支撐數(shù)據(jù)后，才能下結(jié)論。
此外，雖然測量結(jié)果與AFIS結(jié)果高度相關(guān)，如果AFIS的結(jié)果本身就是錯誤的呢？后文將指出 AFIS測量的一些問題。由于基于縱向纖維測量細度的巨大優(yōu)勢，所以這個方面的努力不會輕易停止。
在棉纖維品質(zhì)檢測領(lǐng)域，棉纖維細度氣流測量的研究，持續(xù)時間最長、投入工作量大、相關(guān)文獻也最多。不萊梅循環(huán)測試有表現(xiàn)好的時候，也有完全失效的情況，這說明氣流檢測原理還需要更深入的研究。
從氣流檢測細度發(fā)展來看，可以分為E.Lord研究前、E.Lord研究后、二次測量法（或者二次壓差法）。E.Lord之前的研究主要是用氣流儀測纖維細度，既有試驗研究，又有實用儀器。
1.氣流儀檢測原理
首先需要從E.Lord的研究展開，因為有關(guān)棉纖維的氣流理論是他最先建立起來的，并且完成了奠基性的論文[11]。E.Lord的研究通過對當時的一種檢測棉纖維細度儀器（儀器名字是Micronaire）的原理分析展開的，儀器的讀數(shù)是線密度。E.Lord先對多孔隙介質(zhì)滲流的基本理論進行了一個梳理，主要涉及泊肅葉、達西、苛仁納-卡曼等人建立的公式。在一定試驗基礎(chǔ)上，他選擇了苛仁納公式作為測試原理。
E.Lord并不能確認苛仁納公式是否對棉纖維成立，因為該公式是基于球狀細小沙礫為阻流介質(zhì)建立的，它要求流體是不可壓縮的，顯然空氣不滿足這一條件；流體運動是層流，即流線是穩(wěn)定的流動。為了保證試驗盡可能接近或滿足上述條件，他使用小壓差（3mm水柱）做試驗，研究了棉纖維比表面積S、苛仁納常數(shù)k、纖維阻流塞的孔隙率ε。E.Lord結(jié)合他人的結(jié)論，在假設(shè)棉纖維（包括中腔）整體體積度（密度的倒數(shù)）為0.75的情況下，得到如下關(guān)系：
HM=25.5/S 2=aQ+b （2）
公式中的a 、b 是常數(shù)，Q 是氣流流量。
該公式說明了兩點：1）比表面積S 可以通過氣流Q 的測量得到；2）對棉纖維試樣而言，它是細度與成熟度比的乘積。
值得注意的是，該公式是基于棉纖維的體積度為某個值得到的，而且阻流塞中的纖維團比較松散。因此該公式是一個經(jīng)驗公式，使用條件比較苛刻，一旦測試條件發(fā)生變化，它就不一定成立了。
接下來，E.Lord研究了苛仁納常數(shù)與纖維阻流塞的孔隙率的關(guān)系，他使用了5種纖維：棉花、羊毛、真絲、銅氨纖維、粘膠纖維做不同孔隙率的試驗。從試驗數(shù)據(jù)看，對于給定質(zhì)量的纖維，除棉花外，其他纖維的體積可以用質(zhì)量除以密度求得，再結(jié)合筒狀纖維塞的面積A 與纖維團的長度L ，即可求出孔隙率。但這種方法不適用于棉纖維，因為棉纖維有中腔。E.Lord發(fā)現(xiàn)了苛仁納常數(shù)k 與纖維試樣的孔隙率，有冪指數(shù)關(guān)系，即隨著孔隙率的增加，苛仁納常數(shù)會呈現(xiàn)指數(shù)增長。通過這種關(guān)系，修正后的苛仁納方程如下：
式中α是與纖維類型有關(guān)的量，它是E.Lord通過試驗得到的，對于棉纖維，其α=1.391；對于羊毛纖維，其α=1.253。該公式是通過對多種纖維試驗后得到的結(jié)果，具有一般性。同時又有局限性，因為對不同的新種類纖維，需要自己試驗測試其α值。
公式（3）在對纖維進行測量時，可以看到只有兩個量是未知的，一個是比表面積S，另一個是試樣孔隙率ε。只要在對儀器進行標定時，先確定一個標準的孔隙率即可。以后儀器的使用，通過對試樣量的限制，便能保證孔隙率與標準孔隙率一致，進而得到待測纖維的細度。
這種方法能很好測量實心纖維，甚至可以不改動儀器標定參數(shù)，就能實現(xiàn)不同種類實心纖維的細度測量。當然這需要事先知道待測纖維的體密度，才能計算相應的孔隙率。
就公式（2）（3）而言，E.Lord當時認為不可能用它直接測量棉纖維細度或成熟度，必須先借助其他測量方法測量細度或成熟度中的一個指標，然后才能用氣流儀測量另一個指標。
2. 二次測量法測棉纖維細度、成熟度
從公式（2）（3）看，氣流儀不能測量棉纖維的單項指標，如果一臺儀器需要借助其他方法，才能實現(xiàn)測量，那是非常不方便的。
許多研究者希望能夠通過氣流儀實現(xiàn)棉纖維細度、成熟度的直接測量，這一工作從上世紀50年代后期開始到現(xiàn)在就沒有斷過，觀點很多。（省略若干字）
筆者經(jīng)過大量的文獻梳理（很多未在本文列出）， 發(fā)現(xiàn)氣流儀測量棉纖維細度的文獻多、觀點多、方法多、預測方程多，而且都認為自己的結(jié)論是正確的，這本身就說明了氣流檢測的復雜性。
如果一個問題很簡單，能夠一次性徹底解決，又何來這么多的解決方案呢？國內(nèi)某企業(yè)在不長的時間內(nèi)，申請了兩個專利[21,22]，一個是二次壓差測量法，一個是三次壓差法。其實這么多的方法 中，真有一個能經(jīng)得起時間考驗的方法就足夠了。
遺憾的是，大量美棉樣品的氣流儀測試結(jié)果與標準方法測試結(jié)果的線性相關(guān)度，由1957—1988年的0.985~0.997陡降到0.4以下，迫使ASTM標準和ISO標準不得不在1997年停止執(zhí)行。
中國2006年開始發(fā)現(xiàn)規(guī)律混亂，氣流儀數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)的線性相關(guān)系數(shù)，由1994年以前的0.887~0.927陡降到 0.3以下。
美國農(nóng)業(yè)部曾經(jīng)做過兩種氣流儀（Statex公司和Shirley公司產(chǎn)品）7種棉樣的細度測量比對試驗，試驗結(jié)果偏差大。更嚴重的是，Shirley氣流儀在3個樣品上的結(jié)果大于Statex氣流儀，在另4個樣品上小于Statex氣流儀，也就是說這兩種氣流儀不可能校準到一個水平上。
總而言之，棉纖維細度氣流檢測原理是建立在多孔隙介質(zhì)滲流的基本理論上的，雖然人們做了大量研究，對其規(guī)律也有了很深入的理解，但一個真正的關(guān)鍵性問題——棉纖維試樣孔隙率與比表面積的內(nèi)稟耦合問題，并沒有解決。
筆者認為，這個問題不解決，所有預測方程最多就是適應范圍有限的經(jīng)驗公式，并隨時存在失效的風險。
1 AFIS測量方法
AFIS是烏斯特公司生產(chǎn)的能夠測量棉纖維成熟度和細度的快速檢測儀器?，F(xiàn)在能夠查到的相關(guān)文獻，大多是使用心得或者簡單的測量原理說明。由于技術(shù)保密，烏斯特沒有公開AFIS的檢測原理，也看不到對其檢測原理深入討論的論文，如果一定要搞清楚它，則需要拆卸儀器、了解儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路、傳感器、檢測重要的關(guān)鍵信號等，這顯然難以實現(xiàn)。不過本文仍然想從有限的資料對其 原理做一個探討性分析。
根據(jù)AFIS附帶的應用手冊（2001版），AFIS首先將棉條用刺輥打散，然后用氣流吸入一個通道，在通道里，棉纖維是單根狀態(tài)。在氣流的作用下，進入圖2所示的一個專用的檢測環(huán)境中。檢測環(huán)境主要有兩個部分，一個用于檢測對象的識別，包括單纖維、棉結(jié)、碎片、灰粒，暫稱為模塊A；另外一個是散射模塊，檢測棉纖維的成熟度、細度，暫稱為模塊B。手冊中表述“AFIS的光學傳感器能夠生成單纖維的陰影圖像和散射圖像（原話是hadow image and scatter image），這種技術(shù)能夠測量纖維截面的周長和截面積……通過一種算法，根據(jù)纖維的形狀和結(jié)構(gòu)（原話是shape and form），即可測算出纖維的細度”。
圖2 檢測環(huán)境原理圖
基于這么少的信息來推測AFIS的檢測原理的確很困難。既然它能測量到截面積，根據(jù)前面公式H =ρ0S 可得到細度；結(jié)合得到的截面的周長，輕松算出成熟度。問題是截面積和截面周長如何測出？
顯然陰影圖像最多只能測出纖維的寬度，而絕不能測出纖維的截面積和截面周長，看來只能從散射圖像來解讀分析。
光散射一般可以用來測量散射對象的尺度，比如紅外散射測量雨滴大?。灰部蓽y量生物組織中某類物體的含量。一維散射圖像通常是特征譜，二維散射圖像是特征散斑。
文獻[25]使用了前向散射方法測棉纖維的細度，該試驗的光源是氦氖激光，波長為 λ=632 nm。通過對多種試樣、多散射角的測量，得到多個特征圖譜。其試驗結(jié)論是，在10?~50?的散射角范圍，散射特征圖譜與棉纖維的細度、成熟度有很好的對應關(guān)系。小散射角度對應的是纖維截面積，大散射角度對應的是棉纖維的成熟度。不過對于細度很小、成熟度很高的測試樣 品，散射圖譜特征不顯著，意即散射方法失效。
假定AFIS的散射圖像測量原理與上述一致，根據(jù)圖 2，透鏡二產(chǎn)生的前向散射光輸入到“散射模塊”，透鏡二前端的傳感器，應該生成陰影原圖像，可以識別被測對象究竟是不是單根的棉纖維。這是對AFIS檢測原理的一個大致探討性說明，這種猜測是說得通的。
文獻[26]采用圖像測量方法，將其結(jié)果與AFIS的結(jié)果對比，得到兩者測量棉纖維截面積的回歸方程，回歸系數(shù)為r=0.831。通過觀察回歸圖形可以看到一個現(xiàn)象，在兩端的值出現(xiàn)了發(fā)散。也就是說，當纖維截面積偏小或者偏大時，圖像測量結(jié)果與 AFIS的結(jié)果差異過大。
由于通常認為圖像測量是基準測量，這說明AFIS對細度過大、過小的纖維，測量不準確。也部分驗證了文獻[24]結(jié)論。另有試驗采用中段稱重法、氫氧化鈉浸泡法來比對AFIS的細度、成熟度。結(jié)論是AFIS 在150mtex~160mtex的細度范圍，結(jié)果準確、可靠，而對于細度較大或者較小的纖維測量結(jié)果是，存在小的偏大、大的偏小問題。AFIS的成熟度與氫氧化鈉浸泡法得到的成熟度偏差較大。
2. CottonScope測量方法
CottonScope是澳大利亞BSC Electronics公司的產(chǎn)品， 它能夠快速準確地測量棉纖維的細度、成熟度。細度采用直接測量法，即將棉纖維切段、稱重，然后抓取每根纖維切段的圖像，采用圖像測量技術(shù)，計算每根小段纖維長度，最后得到線密度。從測量原理看，CottonScope的細度測量，沒有任何短板，下面就其技術(shù)特征進行全面論述。
我們采用CottonScope技術(shù)團隊領(lǐng)導者Gordon對儀器描述的工作原理圖見圖3。棉纖維先經(jīng)過一個專用的切段器，將試樣切成0.7mm左右的小段（這個過程很快），這些小段纖維會落到一個精度為毫克級天平上，記下纖維質(zhì)量，然后倒入圖3上端的一個純凈水罐中。一個試樣量有20000根左右的這樣纖維切段。水罐中有一個攪拌器，將水中纖維打散。整個水路是連通的，在水泵的作用下，纖維進入一個細管，然后達到圖像測量部分（由高速CCD系統(tǒng)構(gòu)成），進行圖像測量。測量過的棉纖維切段被攔截在一個過濾器內(nèi)。所有纖維測量完畢后，從過濾器撈清即可。
圖3 Gordon對儀器描述的工作原理圖
該測量儀器設(shè)計思路的確非常巧妙，操作簡便。根據(jù)相關(guān)測試試驗，其測量結(jié)果準確、快速。
從技術(shù)上看，筆者認為有幾個關(guān)鍵點：
筆者從一個試驗視頻看到的情況是多數(shù)圖像中，纖維是打散的，而且從圖像處理技術(shù)角度來看，這些纖維已經(jīng)足夠散，完全可以逐根識別、測量。不過也確實看到一幅圖像中有纖維團，沒有打散開，當然對測量精度會有一定影響。
從看到的纖維試樣切段動態(tài)抓取的圖像（見CottonScope網(wǎng)站https://www. CottonScope. com），以個人經(jīng)驗，其光學成像系統(tǒng)的光學放大率，應該在0.5~1倍左右。這種放大率已經(jīng)是近顯微成像水平，因此圖像的景深非常小，保證所有纖維切段清晰成像，就不那么容易了，不過CottonScope做到了。
纖維在測量單元是運動的，如何保證每幅圖像既不漏檢纖維、也不重復計入同一根纖維，這不好處理。一般有兩種方案，一個是讓圖像測量單元處的水流速度與 CCD抓圖間隔保持同步，該方案的難點在于如何保證系統(tǒng)長時間可靠運行。因此基于閉環(huán)的流速傳感器、水泵轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)必不可少。另一個方案采用連續(xù)圖像流處理技術(shù)，即通過連續(xù)圖像來判斷水流速度，然而由于纖維是運動的，如果纖維的姿態(tài)在不同的圖像幀中變化太大，會大大增加軟件的處理難度，唯一的好處是保證了圖像獲取與水循環(huán)系統(tǒng)的無關(guān)性，增加了系統(tǒng)的可靠性。
由于 CottonScope采用的是稱重法測棉纖維細度，因此盡管其測量速度很快，可棉樣需要在標準溫濕度環(huán)境下平衡很長的 時間，以確保稱重的準確性。
CottonScope的長處就在于極大簡化了操作強度，這也是它具有極大吸引力的地方。
本文介紹了目前主流的棉纖維細度測量方法或技術(shù)，以及各自的特點。圖像法是操作繁瑣的、測量原理扎實的直接測量方法；氣流儀方法是操作簡便的、測量原理不清晰的間接測量方法；AFIS是操作簡便的、測量原理未被揭示的間接測量方法；CottonScope是操作簡便的、原理扎實 的直接測量方法，也是目前最值得首選的儀器。未來儀器發(fā)展趨勢應該是將各種優(yōu)勢技術(shù)結(jié)合，要同時保證測量準確性和操作快速便捷性，而且測量原理一定要清晰，這樣的儀器才有市場，才有生命力。
來源：中國纖檢
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