基于線(xiàn)陣CCD的紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)檢測(cè)研究

王延蒙，付曉艷，張朝彪

(1.濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272073；2.陜西紡織器材雜志社有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)實(shí)質(zhì)上反映了紗線(xiàn)截面內(nèi)纖維根數(shù)分布的均勻度以及紗線(xiàn)短片段內(nèi)纖維分布及其結(jié)構(gòu)的均勻度，其數(shù)量是紗線(xiàn)品質(zhì)的重要參考指標(biāo)[1-2]。近年來(lái),隨著棉紗質(zhì)量和織布、染色質(zhì)量要求越來(lái)越高，紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)的危害越來(lái)越顯著，棉紡企業(yè)對(duì)其控制也越來(lái)越精細(xì)，測(cè)試統(tǒng)計(jì)指標(biāo)范圍也從-50%細(xì)節(jié)、+50%粗節(jié)、+200%棉結(jié)的千米指標(biāo)發(fā)展到-40%細(xì)節(jié)、-50%細(xì)節(jié)、+35%粗節(jié)、+50%粗節(jié)、+140%棉結(jié)、+200%棉結(jié)、+280%棉結(jié)的千米指標(biāo)。

1 紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)統(tǒng)計(jì)法存在的不足

常用的紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)統(tǒng)計(jì)方法包括黑板法和儀器測(cè)試法[3]。其中，黑板法又稱(chēng)為“目光檢測(cè)法”，是將選出的紗線(xiàn)段按一定密度均勻地繞在一定規(guī)格的黑板上，在一定光照條件下投影放大，根據(jù)黑板上紗線(xiàn)形成陰影面積的深淺、大小，與標(biāo)準(zhǔn)樣板對(duì)比，判斷紗線(xiàn)中粗節(jié)、細(xì)節(jié)、棉結(jié)等疵點(diǎn)的大小和數(shù)量，比較直觀(guān)、方便，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但其對(duì)紗線(xiàn)疵點(diǎn)的判斷由人工確定，結(jié)果受人為因素影響大，效率低且無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

儀器測(cè)試法通?；陔娙菔絺鞲衅鳈z測(cè)原理，根據(jù)電容極板間電荷量的變化計(jì)算紗線(xiàn)直徑。徐國(guó)香[4]等采用烏斯特電容式條干儀測(cè)試紗線(xiàn)質(zhì)量，通過(guò)波譜圖統(tǒng)計(jì)紗線(xiàn)疵點(diǎn)數(shù)量；華海濤[5]等基于電容式傳感器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)紗線(xiàn)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)；趙桂安[6]等設(shè)計(jì)電容式條干儀測(cè)試程序，能夠同時(shí)測(cè)量紗線(xiàn)質(zhì)量不勻和外觀(guān)不勻。電容式傳感器要求環(huán)境恒溫、恒濕，從而導(dǎo)致其應(yīng)用受限；光電傳感器具有較好的抗環(huán)境干擾性，能夠精確檢測(cè)紗線(xiàn)的細(xì)節(jié)特征。盛國(guó)俊[7]等設(shè)計(jì)了可以檢測(cè)紗線(xiàn)粗節(jié)和細(xì)節(jié)的光電檢測(cè)系統(tǒng)；周?chē)?guó)慶[8]等利用CCD傳感器、采用斜率濾波算法，實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)直徑的精確測(cè)量。上述檢測(cè)方法的算法較復(fù)雜，且無(wú)法在生產(chǎn)實(shí)踐中直接統(tǒng)計(jì)紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)的數(shù)量。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者基于線(xiàn)陣CCD測(cè)量的基本原理，設(shè)計(jì)紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)疵點(diǎn)數(shù)量的快速統(tǒng)計(jì)。

2 線(xiàn)陣CCD測(cè)徑原理

為實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)直徑在線(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，需使紗線(xiàn)保持一定的速度通過(guò)線(xiàn)陣CCD傳感器。但紗線(xiàn)細(xì)而柔軟的物理特性，使其在勻速運(yùn)動(dòng)測(cè)量時(shí)，與鏡頭的距離是動(dòng)態(tài)變化的。因此，CCD線(xiàn)陣檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)選用物方遠(yuǎn)心鏡頭，有利于降低物距變化引起的測(cè)量偏差。物方遠(yuǎn)心鏡頭的工作原理如圖1所示，紗線(xiàn)初始位置位于A(yíng)1點(diǎn)時(shí)，其在圖像傳感器的成像位置

1—鏡頭；2—孔徑光闌；3—圖像傳感器。圖1 物方遠(yuǎn)心鏡頭光路圖

為M1M2，假設(shè)紗線(xiàn)因運(yùn)動(dòng)偏移至A2點(diǎn)，其實(shí)際成像位置將偏移至A2′點(diǎn)，由于其孔徑光闌的位置未變化，使其在圖像傳感器的位置也未發(fā)生變化。

此外，紗線(xiàn)是以棉纖維連續(xù)形成的聚合體，具有半透明性，可采用MRC濾鏡測(cè)量紗線(xiàn)直徑。線(xiàn)陣CCD檢測(cè)原理如圖2所示。

1—光源；2—平行光；3—紗線(xiàn)；4—成像物鏡；5—線(xiàn)陣CCD；6—輸出信號(hào)。圖2 線(xiàn)陣CCD檢測(cè)原理示意

在紗線(xiàn)直徑實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)紗線(xiàn)出現(xiàn)粗節(jié)時(shí)，會(huì)使發(fā)射光源在線(xiàn)陣CCD像元的投影覆蓋度變大；當(dāng)紗線(xiàn)出現(xiàn)細(xì)節(jié)時(shí)，造成光源遮擋的CCD像元數(shù)量降低。遮擋像元的數(shù)量會(huì)引發(fā)傳感器電流變化，從而得到紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)。線(xiàn)陣CCD將接收到的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，進(jìn)而將電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)輸出測(cè)量數(shù)值。

紗線(xiàn)直徑d的計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：

d——紗線(xiàn)直徑輸出值/mm；

h——像元寬度/mm；

△P——被遮擋像元數(shù)目；

β——系統(tǒng)放大倍數(shù)。

3 測(cè)量系統(tǒng)

紗線(xiàn)直徑在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)可分為3個(gè)部分。第1部分是線(xiàn)陣CCD傳感器，主要作用是將紗線(xiàn)直徑轉(zhuǎn)換為光電信號(hào)，其主要參數(shù)如表1所示；第2部分是數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，主要作用是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；第3部分是紗線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)的張力控制和勻速運(yùn)動(dòng)。

表1 CCD傳感器的主要參數(shù)

紗線(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示，通過(guò)伺服電機(jī)控制輥1和輥2的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)的不同張力和不同運(yùn)動(dòng)速度。

圖3 紗線(xiàn)傳動(dòng)示意

紗線(xiàn)進(jìn)給速度與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式(2)所示。

v=π·φ·n/1000

(2)

式(2)中：

v——紗線(xiàn)進(jìn)給速度/(m·s-1)；

φ——控制輥直徑/mm；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·s-1)。

當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，輥1和輥2轉(zhuǎn)速過(guò)慢，易造成紗線(xiàn)張力過(guò)大或過(guò)小。紗線(xiàn)張力過(guò)大，則紗線(xiàn)被拉伸，直徑測(cè)量值偏??；紗線(xiàn)張力過(guò)小，紗線(xiàn)彎曲程度變大，同樣會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不良影響。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，本實(shí)驗(yàn)選取的紗線(xiàn)速度為0.05 m/s～0.50 m/s。根據(jù)式(2)，可計(jì)算出伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 系統(tǒng)標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)前，選用直徑分別為0.1mm，0.2mm，0.4 mm，0.5 mm的4種標(biāo)準(zhǔn)棒對(duì)線(xiàn)陣元件的輸出電壓比例關(guān)系進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果

由圖4可知，該系統(tǒng)具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，準(zhǔn)確性滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。

4.2 紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

設(shè)定紗線(xiàn)進(jìn)給速度為0.05 m/s，對(duì)紗線(xiàn)進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，獲取紗線(xiàn)的2000個(gè)樣本直徑值。紗線(xiàn)直徑信號(hào)如圖5所示。

圖5 紗線(xiàn)直徑信號(hào)

粗節(jié)、細(xì)節(jié)和棉結(jié)作為紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)，根據(jù)烏斯特條干儀ME100標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表顯示，通常統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)為紗線(xiàn)-40%細(xì)節(jié)、-50%細(xì)節(jié)、+35%粗節(jié)、+50%粗節(jié)、+140%棉結(jié)、+200%棉結(jié)和+280%棉結(jié)的數(shù)量。

疵點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)公式為：

(3)

式(3)中：

P——直徑偏差百分比/%；

di——第i個(gè)樣本的直徑/mm；

將每次測(cè)量紗線(xiàn)的直徑根據(jù)式(3)計(jì)算相應(yīng)的百分比，再根據(jù)百分比劃分等級(jí)，當(dāng)同等級(jí)連續(xù)出現(xiàn)一定次數(shù)時(shí)，則相應(yīng)的疵點(diǎn)數(shù)量加“1”。選取品質(zhì)等級(jí)為4級(jí)、線(xiàn)密度為83 tex的紗線(xiàn)作為樣品，長(zhǎng)度為100 m，分4組進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 疵點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果比對(duì) 單位：個(gè)/(100 m)

采用Pearson線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)反映烏斯特條干儀和CCD統(tǒng)計(jì)結(jié)果的相關(guān)性。Pearson線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)的取值區(qū)間為(-1，1)，相關(guān)系數(shù)越接近1，則表明二者的相關(guān)性越強(qiáng)。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(4)

式(4)中：

r——相關(guān)系數(shù)；

Xi,Yi——分別表示烏斯特條干儀和CCD統(tǒng)計(jì)的第i個(gè)樣本點(diǎn)；

n——樣本數(shù)量。

經(jīng)計(jì)算，烏斯特條干儀與CCD統(tǒng)計(jì)疵點(diǎn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.992，則表明二者具有很強(qiáng)的相關(guān)性。此外，CCD系統(tǒng)檢測(cè)的同類(lèi)疵點(diǎn)數(shù)量幾乎都大于烏斯特條干儀所測(cè)結(jié)果，疵點(diǎn)越粗或越細(xì)，數(shù)量差別越小。其原因?yàn)椋簽跛固貤l干儀檢測(cè)的靈敏度低，無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)量小的疵點(diǎn)；烏斯特條干儀更適用于檢測(cè)紗線(xiàn)質(zhì)量不勻，其中包含紗線(xiàn)毛羽。

因此，線(xiàn)陣CCD在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的細(xì)節(jié)、粗節(jié)和棉結(jié)數(shù)量完全能夠準(zhǔn)確反映紗線(xiàn)的品質(zhì)等級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析線(xiàn)陣CCD測(cè)量紗線(xiàn)直徑的原理、系統(tǒng)組成以及實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)數(shù)量對(duì)比結(jié)果表明，線(xiàn)陣CCD的疵點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與烏斯特條干儀的檢測(cè)效果具有較強(qiáng)的相關(guān)性，說(shuō)明線(xiàn)陣CCD檢測(cè)系統(tǒng)具有可靠性好、檢測(cè)效率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)，為紗線(xiàn)常發(fā)性疵點(diǎn)的在線(xiàn)檢測(cè)提供了新方法。