纺织纤维中短纤维含量的图像检测方法与流程

[0001]
本发明属于纺织领域，尤其涉及一种纺织纤维中短纤维含量的图像检测方法或者说纺织纤维原料或纺纱加工半成品中短纤维含量的快速低成本检测方法，适用于棉、化纤短纤、毛绒类纤维和其他纺织天然纤维的短纤维含量检测。。


背景技术：

[0002]
纺织纤维往往是长度不一的，同一批次纤维原料的长度常用长度分布和若干长度指标来表征。其中，长度小于某一限度的纤维的含量被称为短纤维含量，是纺织纤维的一项重要品质指标，会直接影响纱线拉伸性能、表面毛羽量和织物风格等，因此是工艺设计、设备选择、产品定级和贸易定价的重要依据。
[0003]
短纤维含量的手工检测方法包括手排图测试法(拜氏图法)、罗拉式纤维长度测试法、梳片式纤维长度测试法等。手工检测法普遍存在制样复杂、检测速度慢、稳定性低的问题，而且对检测人员的技能熟练度要求很高，不同检测人员之间的数据差异较大，已经很难满足现代纺织工业标准化、快速化的需要。
[0004]
目前常见的自动化检测仪器有照影机法(以hvi仪器为代表)、单纤维快速测试法(以afis仪器为代表)、电容式纤维长度测试法(以almeter100仪器为代表)以及逐行扫描图像法(以ofda4000仪器为代表)。用hvi进行长度测量时，先把一定量散纤维放入周边有孔的圆筒状取样器，再用直线型夹钳沿取样器外壁转动，钩挂、夹取露出孔的纤维，经毛刷梳理成为可测须丛，送入光电检测区域；须丛夹持线附近的纤维片段因缠绕不清而被排除在检测区域之外，但短纤维恰恰主要存在于这一位置，所以hvi不能直接测出短纤维含量，只能根据已测得的纤维强度、成熟度等其它指标结合经验方程算出一个短纤维表征参数——短纤维指数(sfi)。afis系统通过测量数千根单纤维的长度来计算纤维样品的长度分布指标，其内置的开松部件在分离纤维时可能造成纤维断裂，使测量结果存在偏差。almeter100先以专用机械手制出一端平齐的须丛，随后让须丛以恒定速度通过电容传感器，根据须丛各横截面纤维量变化引起的电容偏差，算出须丛根部到梢部各横截面纤维根数的变化信息，最后作出长度分布图，计算各长度指标。ofda4000也需要先制得一端平齐须丛，再基于ccd显微成像技术，测量须丛每隔5毫米横截面上的纤维根数，并以1毫米的间距进行模拟插值处理，每个样品测试5个须丛，根据从须丛根部到梢部各横截面纤维根数的变化计算须丛中的纤维长度分布及其对应的短纤维含量等长度指标。
[0005]
上述各种自动化测量系统都具有快速高效、节省人力等优点。但是，各测量系统的体积都很庞大，运转机械和电器部分很复杂，制造成本高昂，且需配备恒温恒湿室，保养维护成本高。
[0006]
2012年，王府梅、吴红艳提出了一种新的纤维长度快速低成本测量方法(专利号:zl201210106711.8)，其做法为:首先将待测散纤维试样制成纤维伸直、平行、随机排列的纤维条，然后制成特殊的双端须丛试样，进而利用光学成像设备获得须丛的透射灰度图像，并由图像计算须丛任一横截面上的纤维量与位置的关系曲线(简称须丛曲线)，最后利用须丛
曲线计算重量加权平均长度、主体长度、品质长度和长度变异系数等四个指标。该方法能够利用成本低廉、携带方便的成像设备在短时间内准确测得纺纱原料或纤维须条中的几个长度分布指标，很大程度上源自其创新性的双端须丛试样。制样时，用钳夹随机夹住纤维条任意横截面，保证夹持线与纤维条轴向垂直，梳去未被夹持的浮游纤维，即得到具有两个锥形端部的双端须丛。与上述其他试样形式相比，双端须丛试样不仅制样快捷，而且须丛中纤维平行伸直，没有无法检测的盲区，因此全部长度信息(包括其他方法最易丢失的短纤维信息)都能反映到图像中去，这就为短纤维含量的精确测量创造了可能。
[0007]
2013年，王府梅、金敬业、陈菲提出了一种基于双端须丛试样的短纤维含量计算方法(专利号：zl201310325921.0)，先从须丛曲线上选取一些可能与短纤维含量有关的几何特征值，再用其他方法测得短纤维含量，从而在批量试验基础上建立统计回归方程或经验预测方程。该方法预测准确度取决于前期批量试验的样品种类和数量，且未涉及除棉和木棉之外的其他纤维，理论依据薄弱，以至于出现16毫米以下纤维含量的预测方程中不含16毫米相关变量而只有12.7毫米相关变量的不合逻辑现象。2016年，王府梅、徐步高、金敬业提出了基于双端须丛逐步分离模型的短纤维含量测量计算方法(专利号：zl201610033913.2)，通过对须丛的逐步分解，将特定长度以下的短纤维逐渐分离出来，进而计算其含量。该方法计算量较大，且根据逐步分离模型理论，分离出的短纤维量只是逐步接近真值，理论上永远无法等同真值；此外，所使用的须丛光学算法有缺陷，导致算出来的须丛曲线呈“秃顶”形状，而非理论上的“尖顶”形状，这些都会导致检测结果存在系统性偏差风险。此后，王府梅、陈丽君、吴美琴、赵林提出了线密度系数曲线及标准须丛曲线的新的获取方法(专利号：zl201611230426.1)，有助于获得更接近理论形状的双侧须丛曲线，为各种长度指标的精确提取奠定了基础。


技术实现要素：

[0008]
针对现有技术存在的不足和空白，本发明提供了一种纺织纤维中短纤维含量的图像检测方法或者说纺织纤维原料或纺纱加工半成品中短纤维含量的快速低成本检测方法，适用于棉、化纤短纤、毛绒类纤维和其他纺织天然纤维的短纤维含量检测。
[0009]
本发明具体采用以下技术方案：
[0010]
一种纺织纤维中短纤维含量的图像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011]
步骤s1：从样品中制得双端须丛试样，并扫描获得其透光图像；
[0012]
步骤s2：利用须丛透光与线密度转换方法从透光图像中提取双侧须丛曲线f(l)，并沿纵坐标轴对折，对曲线上横坐标值对称的两点的纵坐标值求均值，得到单侧须丛曲线f(l)，以降低纤维自身不匀带来的随机误差；其中，采用的须丛透光与线密度转换方法即为“中国专利zl201611230426.1线密度系数曲线及标准须丛曲线的获取方法”当中提供的方法。
[0013]
步骤s3：对单侧须丛曲线f(l)应用公式(1)，计算获得样品短纤维含量sfc
w
(α)的一个检测值；
[0014]
sfc
w
(α)＝m
×
[αf
′
(α)-f(α)+1]-n
ꢀꢀ
(1)
[0015]
其中，α为短纤维的长度界限，不同国家和地区对不同纤维的α取值有所不同；f(α)为单端须丛曲线在横坐标值为α处的纵坐标值，f
’
(α)为单端须丛曲线在横坐标值为α处的
斜率，m、n是由纤维类型和纤维伸直度确定的常数，且m＝0～4、n＝0～9；
[0016]
步骤s4：重复步骤s1-步骤s3，对同一样品制作多个双端须丛试样，分别计算获得每一个sfcw(α)检测值，求取均值作为样品的短纤维含量最终检测值。
[0017]
优选地，所述样品为棉或化纤短纤或毛绒类纤维。
[0018]
优选地，在步骤s3中，α的取值为8毫米～30毫米。
[0019]
本发明及其优选方案具有以下有益效果：(1)在须丛透光与线密度转换算法的基础上构建整体方案，使得从图像中提取的须丛曲线更加理想、更加接近理论须丛曲线形态，确保本发明短纤维含量算法的计算结果准确、有效；(2)本发明计算获得的短纤维含量计算值与真值之间无理论性系统误差；(3)本发明算法原理清晰，计算量小，方便快捷；(4)本发明方案可以直接采用成熟商业化的通用设备检测短纤维含量，与其他专用自动化仪器相比，极大降低了设备采购成本，且使用、维护费用极低。
附图说明
[0020]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
[0021]
图1为本发明实施例提供的一个双端须丛试样(棉纤维)示意图；
[0022]
图2为本发明实施例双端须丛的透光扫描图像示意图；
[0023]
图3为本发明实施例双侧须丛曲线转换为单侧须丛曲线的示意图；
[0024]
图4为本发明实施例公式(1)的计算原理示意图。
具体实施方式
[0025]
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
[0026]
本实施例提供了一种纺织纤维原料和纺纱加工半成品中短纤维含量的图像检测方法，其步骤为：
[0027]
第一步，制取双端须丛试样：从实验室样品(纤维原料或纺纱加工半成品条子)中取一定量的纤维，制成纤维伸直、均匀分布的须条，以专用夹具垂直夹持其任一横截面，梳去夹持线两侧未被握持的纤维，制得双端须丛，如图1所述；
[0028]
第二步，将双端须丛放入透射式扫描仪，扫描获得其图像，如图2所示；再利用须丛光学与线密度转换算法提取双侧须丛曲线f(l)，该曲线是须丛任一横截面上的相对纤维量(根数)与位置的关系曲线，l为须丛任一横截面相对于夹持线(l＝0)的位置；然后，把双侧须丛曲线沿纵坐标轴对折，对曲线上横坐标值对称的两点的纵坐标值求均值，得到单侧须丛曲线f(l)，以降低纤维自身不匀带来的随机误差，如图3所示；在本实施例中，采用的须丛透光与线密度转换方法即为“中国专利zl201611230426.1线密度系数曲线及标准须丛曲线的获取方法”当中提供的方法。
[0029]
第三步、应用公式(1)计算出实验室样品短纤维含量sfcw(α)的一个检测值，其中α为短纤维的长度界限，一般为8毫米～30毫米；f(α)为单端须丛曲线在横坐标值为α处的纵坐标值，f
’
(α)为单端须丛曲线在横坐标值为α处的斜率，m、n是由纤维类型和纤维伸直度确定的常数，且m＝0～4、n＝0～9。
[0030]
sfc
w
(α)＝m
×
[αf
′
(α)-f(α)+1]-n
ꢀꢀ
(1)
[0031]
第四步、重复以上三步，对同一实验室样品制作数个双端须丛，分别算出一个sfcw
(α)检测值，计算这些检测值的均值，即为实验室样品的短纤维含量最终检测值。
[0032]
如图4所示，本实施例的技术原理如下：
[0033]
根据公开的研究文献，须丛曲线f(l)与实验室样品的纤维长度重量频率密度函数p
w
(l)的关系为：
[0034]
p
w
(l)＝lf
″
(l)
ꢀꢀ
(2)
[0035]
其中l为纤维长度。根据短纤维含量的定义，实验室样品中短纤维的重量比例sfcw(α)的计算公式为：
[0036][0037]
其中α为短纤维长度界限。结合公式(2)和(3)，应用分部积分法，可得：
[0038][0039]
理论上，对须丛曲线应用公式(4)可算出实验室样品短纤维含量(重量比例)，但其前提是须丛中纤维完全伸直，事实上，天然纺织纤维难免会存在一定的转曲或卷曲，且不同种类纤维的伸直度不同，导致公式(4)算出的短纤维含量往往与现行其他方法测得的基准值存在差异。为修正偏差，本实施例建立数学模型，对每种纤维类型开展大批量试验，将公式(4)的计算结果与其它方法测得的基准值作对比，用统计学方法确定各种纤维的屈曲修正系数m、n，得到短纤维含量(重量比例)的最终计算公式(1)。
[0040]
以下结合具体实例来进一步说明。
[0041]
实施例1
[0042]
根据我国标准，细绒棉的短纤维长度界限为α＝16毫米。取细绒棉的纤维屈曲系数m＝0.93、n＝1.66，则公式(1)转换为
[0043]
sfc
w
(16)＝0.93
×
[16f
′
(16)-f(16)+1]-1.66
ꢀꢀ
(5)
[0044]
任意选三种具有不同短纤维含量的细绒棉样品，分别来自美国、墨西哥和印度，每种样品制作4个双端须丛试样，每个试样应用公式(5)获得一个检测值，把4个试样的检测值均值作为最终检测值与afis仪器测得的短纤维含量作对比，如表1所示，显然，本发明与基准方法有很高的一致性。
[0045]
表1本发明检测的细绒棉短纤维含量与afis基准方法检测值对比
[0046]
[0047]
实施例2
[0048]
近年来，木棉纤维作为一种抑菌驱螨、质轻保暖新兴天然纤维原料，越来越多被应用在纺织品中。木棉纤维平均长度较短，因此参照国际上常用的棉短纤维界限，令α＝12.7毫米；此外，木棉伸直度较好，基本无转曲或卷曲，取纤维屈曲系数m＝1.46、n＝6.37，则公式(1)转换为
[0049]
sfc
w
(12.7)＝1.46
×
[12.7f
′
(12.7)-f(12.7)+1]-6.37
ꢀꢀ
(6)
[0050]
任意选三种具有不同短纤维含量的木棉纤维样品，分别来自印度尼西亚和我国的海南、攀枝花，每种制作4个双端须丛试样，每个试样应用公式(6)获得一个检测值，把4个试样的检测值均值作为最终检测值，与根据gb/t16257-2008《纺织纤维短纤维长度和长度分布的测试：单纤维测量法》测得的短纤维含量作对比，如表2所示，显示出本发明在木棉纤维这类新型纤维的短纤维含量测量方面也与基准方法有很高的一致性。
[0051]
表2本发明检测的木棉短纤维含量与基准方法测量值对比
[0052][0053][0054]
实施例3
[0055]
羊毛纤维的长度较长，卷曲较多，我国一般使用短纤维长度界限为α＝30毫米，本发明取其纤维屈曲系数m＝0.62、n＝2.29，则公式(1)转换为
[0056]
sfc
w
(30)＝0.62
×
[30f
′
(30)-f(30)+1]-2.29
ꢀꢀ
(7)
[0057]
任意选三种具有不同短纤维含量的羊毛纤维实验室样品，分别来自我国内蒙古、澳大利亚和新西兰，每种制作4个须丛试样，提取须丛曲线后应用公式(7)获得检测值，把4个试样的检测值均值作为最终检测值与almeter仪器测得的短纤维含量(重量比例)作对比，如表3所示，显示了本发明在羊毛短纤维含量测量方面的准确性。
[0058]
表3本发明检测的羊毛短纤维含量与基准方法测量值对比
[0059]
样品本发明所测短绒率/％almeter所测短绒率/％差异率/％内蒙古羊毛4.54.18.89％澳大利亚羊毛2.83.0-7.14％新西兰羊毛4.03.77.50％
[0060]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的短纤维含量图像检测方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。