雙須光電法毛型長(zhǎng)度儀的精確度與重現(xiàn)性考核

文/解惠然 衡沖 楊光豪 王府梅 羅勝利

羊毛長(zhǎng)度及其分布是評(píng)價(jià)品質(zhì)性能的重要物理指標(biāo)，會(huì)直接影響紗線質(zhì)量、紡紗工藝設(shè)計(jì)和織物性能等[1]，在商業(yè)貿(mào)易中長(zhǎng)度對(duì)羊毛的價(jià)格影響重大，是原毛和毛條定價(jià)的重要依據(jù)之一，所以，準(zhǔn)確測(cè)量羊毛纖維長(zhǎng)度十分重要。

目前，羊毛長(zhǎng)度測(cè)試的方法主要分為傳統(tǒng)測(cè)試法和大容量自動(dòng)測(cè)量方法。傳統(tǒng)測(cè)試法有手排法、梳片法等，測(cè)試速度較慢，對(duì)技術(shù)人員的手工熟練程度要求高，操作過(guò)程繁雜；大容量自動(dòng)測(cè)量方法Almeter100長(zhǎng)度儀和OFDA 4000測(cè)量?jī)x，這兩種方法都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但都是進(jìn)口儀器，硬件復(fù)雜，價(jià)格昂貴且維護(hù)費(fèi)用高，中小型工廠難以承受。

為能更快速、準(zhǔn)確、低成本地測(cè)得羊毛纖維長(zhǎng)度信息，本課題組經(jīng)數(shù)年研究，探索開(kāi)發(fā)了一種全新的纖維測(cè)長(zhǎng)方法——雙端隨機(jī)須叢光電法[2-4]（簡(jiǎn)稱(chēng)雙須光電法），可用于測(cè)量羊毛、棉、木棉纖維的長(zhǎng)度，并研制出采用該方法的毛型纖維長(zhǎng)度測(cè)試儀1.0版[5]，由于該技術(shù)的突破，2019年國(guó)標(biāo)委下達(dá)制定中、英文新國(guó)標(biāo)《毛型纖維長(zhǎng)度測(cè)量法 隨機(jī)須叢影像法》計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)20193338-T-424），作為定制國(guó)標(biāo)的部分工作，本文對(duì)新儀器進(jìn)行試用，并測(cè)試研究其精確度與重現(xiàn)性考核。

1 雙須光電法毛型纖維長(zhǎng)度儀概述

雙須光電法毛型纖維長(zhǎng)度儀由制樣裝置、光電檢測(cè)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(jī)夾持纖維隨機(jī)須條的任意橫截面，梳理夾鉗兩側(cè)的浮游纖維后可得到圖2的雙端隨機(jī)須叢，每一須叢包含大約1萬(wàn)根纖維。須叢被送入圖3的光電檢測(cè)器，測(cè)量得到雙端隨機(jī)須叢每一點(diǎn)的透光信息，由透光信息計(jì)算可得須叢線密度曲線，根據(jù)雙端隨機(jī)須叢的線密度曲線F（L）與樣品中纖維長(zhǎng)度分布函數(shù)Pw（L）的理論關(guān)系：Pw（L）=L·F"（L）計(jì)算纖維長(zhǎng)度的頻率分布圖和根數(shù)平均長(zhǎng)度、短毛率、長(zhǎng)度變異系數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)。

圖1 制樣夾持器

圖2 雙端隨機(jī)須叢

圖3 光電檢測(cè)器

雙須光電法纖維測(cè)長(zhǎng)儀的優(yōu)勢(shì)[6-7]在于：（1）制樣為雙端隨機(jī)須叢，相較于Almeter100長(zhǎng)度儀、OFDA4000測(cè)長(zhǎng)儀的一端平齊試樣硬件簡(jiǎn)單得多，所耗時(shí)間較短，不會(huì)丟失纖維，即雙端須叢所包含的信息完整、準(zhǔn)確；（2）光電檢測(cè)器的實(shí)施方案巧妙，精度高、成本低、方便操作；（3）雙端隨機(jī)須叢相當(dāng)于紡紗羅拉握持纖維，與纖維長(zhǎng)度分布曲線有定量關(guān)系，可計(jì)算出纖維長(zhǎng)度指標(biāo)和須叢曲線。

本論文首先考核雙須光電法毛型長(zhǎng)度儀的硬件精確度，然后將現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)手排法、Almeter測(cè)量法與雙須法對(duì)比分析，考核雙須光電法的精確度，對(duì)不同人不同單位使用毛長(zhǎng)度儀測(cè)試所得的平均長(zhǎng)度、短絨率對(duì)比，分析其可靠性與重現(xiàn)性。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 硬件精確度的考核試驗(yàn)

雙須光電法長(zhǎng)度儀依靠光電檢測(cè)器得到試樣的透光圖像分析試樣長(zhǎng)度信息，需要考核其光電檢測(cè)器的測(cè)長(zhǎng)精確度，并考核同臺(tái)檢測(cè)器不同位置區(qū)域之間以及不同檢測(cè)器之間差異及準(zhǔn)確度。

以手排長(zhǎng)度法用的測(cè)長(zhǎng)工具——透明標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙為試驗(yàn)材料，如圖4所示，檢測(cè)硬件精確度。坐標(biāo)紙每個(gè)大方格相鄰粗實(shí)線的距離10mm為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，對(duì)同一臺(tái)檢測(cè)器的5個(gè)不同區(qū)域位置以及3臺(tái)檢測(cè)器之間的長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果是否存在差異進(jìn)行測(cè)試分析[8]。

圖4 透明坐標(biāo)紙

2.2 新方法整體準(zhǔn)確度及與現(xiàn)行方法一致性

新測(cè)試法的精確度不但與硬件有關(guān)，還與取樣方法、試樣量等因素有關(guān)。選用6種試樣驗(yàn)證新測(cè)試法與現(xiàn)有方法的一致性，它們是澳毛60s、澳毛70s、澳毛80s、澳毛100s、內(nèi)蒙古毛64s、新疆毛66s，分別記為1#、2#、3#、4#、5#、6#，6個(gè)品種毛纖維的長(zhǎng)度和細(xì)度覆蓋了常見(jiàn)規(guī)格范圍。

雙須光電法長(zhǎng)度測(cè)試由東華大學(xué)完成，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為新國(guó)標(biāo)《毛型纖維長(zhǎng)度測(cè)量法 隨機(jī)須叢光電法》草案（研制國(guó)標(biāo)時(shí)已將計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)名改為隨機(jī)須叢光電法），每種纖維至少測(cè)試5個(gè)須叢（見(jiàn)圖2，一般總計(jì)不少于4萬(wàn)根纖維），對(duì)長(zhǎng)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(cè)試須叢個(gè)數(shù)。Almeter測(cè)量法由江蘇丹毛股份有限公司完成，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)標(biāo)GB/T 21293—2007《纖維長(zhǎng)度及其分布參數(shù)的測(cè)定方法阿爾米特法》。手排法長(zhǎng)度測(cè)試由上海纖檢所完成，參考國(guó)標(biāo)GB 18267—2013《山羊絨》中的長(zhǎng)度測(cè)量法。Almeter測(cè)量法和雙須光電法毛長(zhǎng)度儀測(cè)得的都是重量加權(quán)類(lèi)長(zhǎng)度指標(biāo)，手排法得到的是根數(shù)加權(quán)類(lèi)長(zhǎng)度指標(biāo)，為方便比較，由手排法的拜氏圖數(shù)據(jù)在所有纖維線密度相同的假設(shè)下?lián)Q算為重量頻率分布和重量加權(quán)類(lèi)長(zhǎng)度指標(biāo)[9-10]。

2.3 新方法重現(xiàn)性考核試驗(yàn)

分別由東華大學(xué)、浙江理工大學(xué)等單位不同人員對(duì)上述6種毛條進(jìn)行取樣、制作雙端隨機(jī)須叢，再選擇3臺(tái)光電檢測(cè)器中任一臺(tái)與電腦連接完成測(cè)試。通過(guò)對(duì)比不同操作人員和不同機(jī)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果，分析雙須光電法毛長(zhǎng)度儀自身穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

3 結(jié)果與討論

3.1 雙須光電法長(zhǎng)度儀的傳感器精確度分析

現(xiàn)有Almeter毛纖維測(cè)長(zhǎng)法的硬件缺陷是電容式傳感器的靈敏度低、精度低，例如測(cè)量矩形板時(shí)的輸出電壓本該為矩形波，而實(shí)際獲得梯形信號(hào)，研究表明其梯形電壓從5%升到95%經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(cè)量時(shí)纖維放置方向平行于拍攝圖像的像素點(diǎn)的行，參見(jiàn)圖5，硬件感知的纖維長(zhǎng)度=纖維所占據(jù)像素列的合計(jì)長(zhǎng)度=單個(gè)像素點(diǎn)邊長(zhǎng)×像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。長(zhǎng)度測(cè)量誤差在兩個(gè)邊緣像素點(diǎn)，總誤差小于兩個(gè)像素點(diǎn)的邊長(zhǎng)之和。毛型長(zhǎng)度儀CCD的分辨率為1000dpi，對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)邊長(zhǎng)為25.4微米，則纖維長(zhǎng)度測(cè)量誤差不大于0.05mm，精度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有測(cè)試儀器。

圖5 雙須光電法測(cè)長(zhǎng)和誤差示意圖

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

3.2 光電檢測(cè)器的精確度考核

光電檢測(cè)器測(cè)量可得坐標(biāo)紙的透光灰度圖像，用儀器計(jì)算須叢曲線的軟件計(jì)算坐標(biāo)紙的線密度曲線[12]，如圖6所示，大方格邊界粗實(shí)線的透射光強(qiáng)最小，則其相應(yīng)的相對(duì)光學(xué)面密度系數(shù)最大，對(duì)應(yīng)圖6中的波峰值，因此可以根據(jù)每個(gè)波峰值，找到其對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值，相鄰倆峰值間的橫坐標(biāo)差值就是坐標(biāo)紙相鄰粗實(shí)線間的距離。

圖6 坐標(biāo)紙的線密度系數(shù)

根據(jù)公式（1），分別計(jì)算在3臺(tái)檢測(cè)器編號(hào)為1#、2#、3#的左上區(qū)域、左下區(qū)域、右上區(qū)域、右下區(qū)域和中間區(qū)域共計(jì)5個(gè)不同位置的透光灰度圖像中相鄰粗實(shí)線間的平均長(zhǎng)度及其與標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度的差異率，結(jié)果如表1所示。

表1 灰度圖像中相鄰粗實(shí)線的平均間距及差異率

由表1可知，檢測(cè)器1#的不同區(qū)域的測(cè)量長(zhǎng)度與標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度的差異率在0.152%～0.305%范圍，檢測(cè)器2#的不同掃描區(qū)域的測(cè)量長(zhǎng)度與標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度的差異率在0.178%～0.279%范圍，3#檢測(cè)器的不同掃描區(qū)域的測(cè)量長(zhǎng)度與標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度的差異率在0.152%～0.254%范圍，3臺(tái)檢測(cè)器總體的長(zhǎng)度平均差異率為0.213%。這說(shuō)明，對(duì)于長(zhǎng)度約為80mm的羊毛纖維，光電檢測(cè)器的長(zhǎng)度誤差<0.24mm，與隨機(jī)抽樣誤差率控制在5%或2.5%（4mm或2mm）相比，光電檢測(cè)器硬件的長(zhǎng)度測(cè)量誤差幾乎可以忽略不計(jì)。說(shuō)明檢測(cè)器誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很小，雙須光電法毛長(zhǎng)度儀（光電檢測(cè)器）具有較高的精確度。

上述試驗(yàn)的坐標(biāo)紙是緊貼在光電檢測(cè)器的試樣臺(tái)上進(jìn)行的，而須叢厚度在0～6mm范圍，為更全面地考核檢測(cè)器的精確度，需在距試樣臺(tái)一定高度位置測(cè)試長(zhǎng)度的準(zhǔn)確度，采用上述坐標(biāo)紙?jiān)嚇訉?duì)3臺(tái)檢測(cè)器試樣臺(tái)的中間平面進(jìn)行試驗(yàn)，由于表1中不同位置的差異率均很小，選取了中間區(qū)域做進(jìn)一步考核。

將同規(guī)格的透明坐標(biāo)紙放置在厚度3mm的透明光學(xué)玻璃上，將其放置在檢測(cè)器的試樣平臺(tái)上，測(cè)量得到坐標(biāo)紙的透光圖像。以上述同樣的方法計(jì)算試樣臺(tái)3mm高度上的測(cè)量長(zhǎng)度與標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度的差異率如表2所示。

表2 試樣臺(tái)3mm高度的測(cè)量長(zhǎng)度與差異率

表2中，3臺(tái)檢測(cè)器在試樣臺(tái)3mm高度測(cè)量得到的長(zhǎng)度與標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的最大差異率為0.228%，說(shuō)明檢測(cè)器試樣臺(tái)不同高度位置上的長(zhǎng)度測(cè)試也具有很高的準(zhǔn)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(xiàn)行方法的長(zhǎng)度指標(biāo)對(duì)比

分別用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的Almeter法、手排法和新定制國(guó)標(biāo)的雙須光電法測(cè)得6種毛條的纖維平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)度變異系數(shù)和短毛率，不同測(cè)試法對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度之變間關(guān)系見(jiàn)圖7～圖9。圖中的斜線為縱、橫坐標(biāo)的理想關(guān)系即斜率為l的直線；R為兩種方法的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)；平均差值d為兩方法測(cè)得6種毛條對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度指標(biāo)差值的平均值，即圖中各點(diǎn)距離斜線的垂直距離的均值，d計(jì)算式為：

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

圖7表明，雙須法與Almeter法的平均長(zhǎng)度一致性很高，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.90。但是，Almeter法的平均長(zhǎng)度普遍高于雙須法約10mm，這并不能判定雙須光電法測(cè)的長(zhǎng)度偏低，因?yàn)樗肁lmeter儀器沒(méi)有經(jīng)過(guò)計(jì)量，而雙須光電法硬件經(jīng)過(guò)第2.2節(jié)的精確度考核。另外，兩方法的長(zhǎng)度變異系數(shù)和短毛率也基本一致，但是，Almeter法的長(zhǎng)度變異系數(shù)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(duì)長(zhǎng)度不勻信號(hào)有過(guò)濾作用，導(dǎo)致短毛率和長(zhǎng)度變異系數(shù)偏低。

圖7 雙須法與Almeter法對(duì)應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系

圖8表明，雙須法與手排法的平均長(zhǎng)度一致性很高，兩者相關(guān)系數(shù)為0.89。但是，二方法的長(zhǎng)度變異系數(shù)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(zhǎng)度變異系數(shù)和短毛率一致性也很低，平均差值也較高，分析認(rèn)為這是手排法試樣量太少、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因。

圖8 雙須法與手排法對(duì)應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系

圖9 Almeter法與手排法對(duì)應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系

3.3.2 雙須光電法與現(xiàn)行方法的長(zhǎng)度分布對(duì)比

選擇與手排法測(cè)試換算的頻率分布圖對(duì)比，原因是Almeter測(cè)量法使用的電容傳感器靈敏度不夠，已經(jīng)導(dǎo)致短毛率和長(zhǎng)度不勻率偏低，說(shuō)明頻率分布也不夠準(zhǔn)確。

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

圖10 兩種方法測(cè)試6種試樣的頻率分布對(duì)比

3.4 雙須光電法毛型長(zhǎng)度儀的重現(xiàn)性考核

不同人制樣、采用不同機(jī)臺(tái)測(cè)試獲得6種毛條的長(zhǎng)度指標(biāo)如表3所示，表中最后一行的CV值表示不同人使用不同機(jī)臺(tái)測(cè)得同一長(zhǎng)度指標(biāo)的離散程度（變異系數(shù)）。

表3 不同人、不同機(jī)臺(tái)的雙須法測(cè)試結(jié)果

續(xù)表3 不同人、不同機(jī)臺(tái)的雙須法測(cè)試結(jié)果

由表3可知，平均長(zhǎng)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(zhǎng)度變異系數(shù)的CV值在1.82%～5.47%范圍，也小于6%。這說(shuō)明雙須光電法毛型長(zhǎng)度儀具有很高的重現(xiàn)性，這優(yōu)勢(shì)出自該方法使用的高精度傳感器和大試樣量測(cè)試。

4 結(jié)論

（1）雙須光電法毛型長(zhǎng)度儀的CCD傳感器測(cè)量誤差不大于0.05mm，精度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有纖維長(zhǎng)度測(cè)試儀；同一檢測(cè)器的不同測(cè)量位置以及檢測(cè)器不同機(jī)臺(tái)測(cè)量的長(zhǎng)度差異率都小于0.3%，毛長(zhǎng)度測(cè)量的絕對(duì)誤差小于0.2mm，表明毛長(zhǎng)度儀硬件設(shè)備的精確度很高。

（2）雙須法與手排法、Almeter測(cè)量法的平均長(zhǎng)度一致性很高，且雙須法與手排法的頻率分布規(guī)律一致；不同人制樣、采用機(jī)臺(tái)測(cè)得同一長(zhǎng)度指標(biāo)的CV值很小，即該儀器的重現(xiàn)性很高，測(cè)試結(jié)果正確可靠。