麻棉混紡織物纖維含量自動(dòng)分析儀的研發(fā)

麻纖維具有透氣、吸濕、防靜電、抗霉殺菌等優(yōu)良特性，俗稱“天然纖維”之王[1]。在紡織品中，紡織用的麻纖維最常見的有亞麻、苧麻和大麻，且通常與棉混紡。但麻和棉都是植物纖維素纖維，混紡后既不能用化學(xué)分析方法測(cè)定其成分含量，也不能用機(jī)械的方法將它們分開[2]。只能用物理法對(duì)其進(jìn)行定量，通過人工操作纖維細(xì)度分析儀進(jìn)行試驗(yàn)。但是這個(gè)方式存在耗費(fèi)時(shí)間長、檢測(cè)人員容易疲勞、穩(wěn)定性無法保證等問題。

當(dāng)前，越來越多的高端技術(shù)不斷運(yùn)用到紡織業(yè)，其中AI技術(shù)在紡織領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。本文針對(duì)棉麻定量方法進(jìn)行了智能創(chuàng)新改進(jìn)，利用AI纖維成分定量分析儀（型號(hào)：FC-1）對(duì)試樣玻片進(jìn)行拍照以及對(duì)圖片切割處理分類，最后通過軟件計(jì)算來定量。通過大量的圖片對(duì)儀器進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，并試驗(yàn)對(duì)比AI纖維成分定量分析儀和傳統(tǒng)人工顯微鏡檢法的測(cè)試數(shù)據(jù)差異。

1 測(cè)試原理

1.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

我國現(xiàn)行的麻棉定量標(biāo)準(zhǔn)主要有FZ/T 30003—2009《麻棉混紡產(chǎn)品定量分析方法纖維投影法》[3]和SN/T 0756—1999《進(jìn)出口麻/棉混紡產(chǎn)品定量分析方法纖維投影儀法》[4]，本試驗(yàn)均以FZ/T 30003—2009《麻棉混紡產(chǎn)品定量分析方法纖維投影法》作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)原理

將麻棉混紡紗制成載玻片，放在纖維投影儀下面觀察和分別計(jì)數(shù)混紡的兩種纖維的數(shù)量，即兩種纖維的根數(shù)，再分別測(cè)量出兩種纖維各自的直徑，從而計(jì)算出各種纖維的重量百分比。其計(jì)算公式如（1）～（5）所示。

式中：

X1——麻纖維的計(jì)算重量百分含量，%；n1——麻纖維的折算根數(shù)，根；n2——棉纖維的折算根數(shù)，根；d1——麻纖維的平均直徑，μm；d2——棉纖維的平均直徑，μm；ρ1——麻纖維的密度，g/cm3；ρ2——棉纖維的密度，g/cm3；R——苧麻纖維的重量百分含量（凈干含量），%；H——大麻纖維的重量百分含量（凈干含量），%；F——亞麻纖維的重量百分含量（凈干含量），%；X2——棉纖維的重量百分含量（凈干含量），%；A——麻纖維的重量百分含量（凈干含量）（苧麻A=R，大麻A=H，亞麻A=F），%。棉麻纖維密度采用FZ/T 30003—2009附錄D纖維密度。

1.3 AI纖維成分定量分析儀學(xué)習(xí)訓(xùn)練

在測(cè)試之前，需對(duì)AI纖維成分定量分析儀進(jìn)行訓(xùn)練，根據(jù)各纖維在顯微鏡下縱向面形態(tài)特征，建立大數(shù)據(jù)庫，并不斷地訓(xùn)練糾錯(cuò)。在顯微鏡下，棉纖維的縱截面扁平帶狀、天然轉(zhuǎn)曲，麻纖維有橫節(jié)、輪廓硬朗，如圖1和圖2所示。

圖1 棉纖維縱面圖

圖2 麻纖維縱面圖

由圖1和圖2可知，在顯微鏡下，棉、麻都有足夠的典型特征加以區(qū)別。在制成的玻片背景較為干凈單一的前提下，如圖3所示，AI可通過大量樣品進(jìn)行有效的訓(xùn)練，建立大數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過訓(xùn)練，AI 的圖像識(shí)別精度不斷增加，識(shí)別度達(dá)98%以上，趨于穩(wěn)定。通過AI對(duì)纖維自動(dòng)分類后，再通過圖像處理算法對(duì)其測(cè)量直徑，最后根據(jù)公式（1）～（5）算出麻、棉的重量百分比，結(jié)果情況如圖4所示。

圖3 AI識(shí)別精度變化

圖中棉的可能性是82%，麻的可能性是95%。

圖4 麻棉模型最終的識(shí)別結(jié)果舉例

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)儀器

傳統(tǒng)顯微鏡法：哈氏切片器、玻璃載玻片、玻璃蓋玻片、液體石蠟、CU-6型纖維細(xì)度分析儀。

AI自動(dòng)分析法：哈氏切片器、玻璃載玻片、玻璃蓋玻片、液體石蠟、AI 纖維成分定量分析儀（FC-1）。

2.2 試驗(yàn)樣品

棉、亞麻混紡樣品10個(gè)，試樣編號(hào)為1#～10#；棉、苧麻混紡樣品10個(gè)，試樣編號(hào)為11#～20#；棉、大麻混紡樣品6個(gè)，試樣編號(hào)為21#～26#。

2.3 試驗(yàn)操作

為了確保試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，排除樣品不均勻引起的誤差，對(duì)于同一份試樣，傳統(tǒng)顯微鏡法和AI智能法都是用同一個(gè)載玻片對(duì)該試樣進(jìn)行先后測(cè)試。

2.3.1 傳統(tǒng)顯微鏡法操作

對(duì)于纖維根數(shù)的計(jì)數(shù)：將制好的載玻片放在纖維細(xì)度分析儀的載物臺(tái)上，打開CU-6纖維細(xì)度分析儀軟件，選取標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 30003—2009，從靠近視野的最上角或者最下角開始計(jì)數(shù)。當(dāng)載玻片沿水平方向緩緩移動(dòng)越過視野時(shí)，識(shí)別和計(jì)數(shù)纖維，在越過視野的每一個(gè)行程后，按載玻片與蓋玻片接縫處液體石蠟形成的痕跡為標(biāo)志，將載玻片向上或向下垂直移動(dòng)一個(gè)視野，然后再反方向沿水平方向緩緩移動(dòng)越過視野，識(shí)別和計(jì)數(shù)纖維，重復(fù)操作直至載玻片上的全部纖維數(shù)完，其計(jì)數(shù)根數(shù)應(yīng)在1000根以上。

對(duì)于纖維直徑的測(cè)定：將制好的載玻片放在纖維細(xì)度分析儀的載物臺(tái)上，打開CU-6纖維細(xì)度儀軟件，調(diào)焦至每根纖維邊緣清晰，測(cè)量纖維長度中部寬度作為直徑，每種類型的纖維要測(cè)量200根以上。

2.3.2 AI自動(dòng)分析法的操作

將制好的載玻片放在AI 纖維成分定量分析儀的顯微鏡載物臺(tái)上，打開AI麻棉智能定量軟件，選擇要測(cè)試的纖維種類，微調(diào)顯微鏡直至成像清晰，點(diǎn)擊“開始”即可。整體設(shè)備及棉麻定量界面如圖5、圖6所示。

圖5 AI纖維成分定量分析儀

圖6 棉麻定量界面

表1 棉、亞麻混紡樣品測(cè)試結(jié)果比較

表2 棉、苧麻混紡樣品測(cè)試結(jié)果比較

表3 棉、大麻混紡樣品測(cè)試結(jié)果比較

3 結(jié)果與分析

對(duì)26份樣品進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，其中棉、亞麻混紡樣品測(cè)試結(jié)果如表1所示，棉、苧麻混紡樣品測(cè)試結(jié)果如表2所示，棉、大麻混紡樣品測(cè)試結(jié)果如表3所示。其中的測(cè)試時(shí)間為平均測(cè)試時(shí)間，不含制備樣品時(shí)間。

由表1～表3可知，26個(gè)棉、麻混紡試樣中，傳統(tǒng)顯微鏡法與AI自動(dòng)分析法檢測(cè)結(jié)果的最大絕對(duì)誤差是棉、苧麻混紡，其中試樣19#達(dá)到3.79%。在總的試樣中，絕對(duì)誤差不超過2%的有20個(gè)試樣，占總試樣量的77%，滿足標(biāo)準(zhǔn)允差（2%以內(nèi)）。

在檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定、誤差小的同時(shí)，AI自動(dòng)分析法將測(cè)試時(shí)間由50min縮短為5min，使檢測(cè)速度提升了10倍。

另外，對(duì)于第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)而言，F(xiàn)Z/T 30003—2009要求一個(gè)試樣至少做兩次，而且兩次試驗(yàn)結(jié)果之差在±2%以內(nèi)方可出具報(bào)告，若采用AI自動(dòng)分析儀來測(cè)定麻棉混紡織物纖維含量，則檢測(cè)效率將會(huì)大大提高。

4 結(jié)論

本文利用AI自動(dòng)化技術(shù)，通過不斷訓(xùn)練學(xué)習(xí)，完善數(shù)據(jù)庫，研究了麻棉混紡織物的纖維含量測(cè)試的新方法。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示其測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定、高效、消除人為誤差，將AI自動(dòng)測(cè)試儀運(yùn)用到纖維含量檢測(cè)中，既可提高行業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)水平，也大大降低了檢驗(yàn)員的工作強(qiáng)度，可為企業(yè)和第三方實(shí)驗(yàn)室提供強(qiáng)有力的幫助。