专利名称：纤维尺寸测量方法及专用显微装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纤维尺寸测量方法及装置，属微测量技术领域。
纤维直径等参数是衡量其产品质量的重要标志，且这些参数已被国际羊毛纤维组织(IWTO)接受为国际标准。为了测量纤维直径及相关的参数，国际上已发展了一系列方法。其中比较成熟和广泛应用的方法有投影显微法和基于计算机图像分析的方法。
投影显微法发展相对较为成熟，在我国被广泛采用，但它存在许多本身不可克服的缺点。这些缺点主要为(一)测量速度慢、工作效率低。投影显微法的纤维直径测量完全是由人工在暗室中一根一根进行的，因此其测量速度非常慢，工作效率低。
(二)费用高。投影显微法测量速度慢且劳动强度大，在实际测量中，需要雇佣较多的人和购置较多台仪器，这无形中增加了成本。
(三)测量精度低。人工手动测量结果会受到较大的人为因素干扰，从而降低了测量精度和可信度，使得测量结果很难被承认。目前越来越激烈的国际竞争环境下，国内采用这种测量方法测量的结果已无法被国际相关厂商所承认。
随着技术的发展，尤其是计算机和图像处理技术的发展，利用计算机进行纤维直径及相关参数的测量越来越可行。由澳大利亚厂商提供的光学纤维直径分析仪(OFDA)目前正被一些单位使用，从其使用状况来说，它比投影法要方便和快速得多。它的基本原理是对纤维图像进行显微放大和并对显微放大图像进行处理和纤维尺寸测量。该仪器虽效率较高，但同样存在一些不足(一)显微镜工作台的驱动电机是一边悬挂的，因此受力不均匀；(二)该仪器选用的图像采集卡是一种高速图像卡，因此使得它制作成本非常昂贵，同时其通用性也大大下降；(三)OFDA所使用的光源为可切换光源，其目的是产生明暗场以便满足不同的图像处理需要。这种光源的可切换造成了光源制造和控制的复杂性；(四)软件工作平台为DOS下，且数据文件不能同其它软件共享，没有管理功能；(五)该产品价格非常昂贵，因此极大地限制了它的广泛应用。
本发明的目的是提出一种纤维尺寸测量方法及专用显微装置。将计算机、控制、显微和图像处理技术相结合，开发了基于纤维形状特征的纤维尺寸测量方法和装置。由于采用了独特技术，使得其具有明显的技术先进性。
本发明提出的纤维尺寸测量方法，包括以下各步骤(1)纤维样品制作清洗并晾干后的纤维经刀刃间距为2毫米的双刃刀切割后形成长短在2毫米的纤维，将切断后的纤维经撒布器均匀撒布在制样玻璃上，撒布时间一般为30秒。在纤维撒布的玻璃片上再盖上一片玻璃，将纤维夹紧。如此就完成了纤维样品的制作。
(2)纤维图像采集纤维图像采集是指将纤维样品由显微镜放大后的图像经摄像头、图像采集卡采集到计算机内存中。
(3)纤维图像背景分离纤维图像背景分离是指将纤维图像中纤维成像部分同其它部分分离开。其分离的原理是根据纤维图像部分同其它部分在灰度上存在明显的差别，这种差别主要为纤维图像部分的灰度值较大，而其它部分较小，因此可通过选择一个中界值来将纤维和其它部分分离开来。
(4)纤维跟踪识别纤维尺寸主要是由其轮廓信息所决定的，因此提取其轮廓信息是非常关键的。这里采用的方法为边界链码跟踪方法来实现的，在跟踪过程中，将识别到的边界用特定颜色标识，并将其坐标值记录在计算机内存中，以便后续处理。
(5)纤维尺寸测量纤维尺寸测量是该方法的目的，测量参数都是从纤维边界中计算出来的，这些参数是纤维直径纤维中点沿纤维垂直方向测量纤维两边轮廓线间的距离；纤维弯曲率纤维中点出的纤维弯曲曲率。单位长度上突起数
突起面积
(6)纤维尺寸统计计算纤维样品中的单个纤维尺寸存在很大的随机性，因此只有其统计参数和分布才能更好地反映其质量。该方法所给的统计参数和分布为(a)统计参数平均值(所有测量参数)
标准方差(所有测量参数)
E为数学期望刺痛因素；
5％最粗纤维与纤维平均直径差5％最粗毛纤维平均直径-纤维平均直径5％最细纤维与纤维平均直径差纤维平均直径-5％最细毛纤维平均直径(b)分布纤维直径分布纤维数量随纤维直径变化的概率分布纤维弯曲率分布纤维数量随纤维曲率变化的概率分布突起大小分布纤维数量随纤维突起大小的概率分布单位长度上突起数量分布纤维数量随单位长度上突起数量的概率分布本发明针对上述纤维尺寸测量方法，设计了专用的显微装置，该显微装置包括目镜、物镜、样品台、光源，样品台置于物镜下方，光源置于样品台下方；还包括摄像头和接口附件，所述的摄像头通过接口附件置于显微装置上方；所述的光源为激光或单色光源；所述样品台为步进电机驱动工作台，该工作台包括底座、x方向工作台面、y方向工作台面、x方向步进电机和y方向步进电机；所述的底座固定在显微装置样品台台架上，底座两侧开有V型滑道，滑道中有滚珠，其中一侧固定有齿条，该齿条与y方向步进电机的齿轮啮合；y方向工作台面由台面和滑道两部分组成，所述台面部分的中央开有光孔，两侧为凸起，两边凸起的内侧各开有V型滑道，该V型滑道分别与底座两侧滑道通过滚珠成滑动配合。所述的滑道部分垂直于台面部分，滑道的两侧为凸起，两边凸起的内侧各开有V型滑道。所述的x方向工作台面包括连接块、台面和齿条；连接块的上顶面与滑道块的上顶面相对固定，连接块的下顶面为U型结构台面；U型台面伸出处于y方向工作台面下部；所述滑道块的顶面上装有齿条，该齿条与x方向步进电机的齿轮相啮合，滑道块的两侧开有V型滑道，该V型滑道与y方向工作台面上滑道部分的V型滑道通过滚珠成滑动配合。
上述显微装置中的步进电机，由专用控制电路进行控制，该控制电路包括两个矩形脉冲发生器，用于产生矩形脉冲；两个八选一选择器，用于对矩形脉冲的选择；以及一个运算放大器，用于将电压放大，输出后控制步进电机。
由于本发明所提出的先进的纤维测量方法和合理、紧凑的专用显微测量装置，使得(1)纤维尺寸测量快速、准确；(2)所测的纤维尺寸几乎包括了所有关于纤维的轮廓特征；(3)由于采用先进的测量方法和合理的装置，使得其成本相对同类产品要低得多；(4)由于专用显微装置中关键部件样品台采用了合理、紧凑的结构，使得其寿命得到了大大的延长，所引起的测量误差被极大地减少。
图1为用于本发明方法的专用显微测量装置结构示意图。
图2为从图1的A向观察显微测量装置中的样品台的立体视图。
图3为样品台中y方向工作台面。
图4为样品台中x方向工作台面。
图5为显微装置中步进电机控制电路图。
图1-图4中1是摄像头，2是摄像头接口附件，3是目镜，4是物镜，5是纤维样品，6是样品台，7是光源，8是x方向工作台面，9是y方向工作台面，10是y方向步进电机，11是y方向齿条，12是底座，13是y方向滑道滚珠，14是x方向步进电机，15是x方向滑道滚珠，16是滑道部分，17是V型滑道，18是光孔，19是V型滑道，20是台面部分，21是连接块，22是连接块上顶面，23是滑道块，24是U型台面，25是齿条，26是V型滑道，图5中，U1和U2是矩形脉冲发生器，S1和S2是八选一选择器，M1是运算放大器。
以下结合附图，详细介绍本发明的内容。
如图1所示，本发明针对纤维尺寸测量方法，设计的专用显微装置包括目镜3、物镜4、样品台6、光源7，样品台置于物镜下方，光源7置于样品台6下方；还包括摄像头1和接口附件2。摄像头1通过接口附件2置于显微装置上方。光源7为激光或单色光源。样品台6为步进电机驱动工作台，该工作台包括底座12、x方向工作台面8、y方向工作台面9、x方向步进电机14和y方向步进电机10。底座12固定在显微装置样品台台架上，底座12两侧开有V型滑道，滑道中有滚珠13，其中一侧固定有齿条11，该齿条与y方向步进电机10的齿轮啮合。y方向工作台面9由台面20和滑道16两部分组成。台面部分的中央开有光孔18，两侧为凸起，两边凸起的内侧各开有V型滑道19，该V型滑道19分别与底座两侧滑道通过滚珠13成滑动配合。滑道部分16垂直于台面部分20，滑道的两侧为凸起，两边凸起的内侧各开有V型滑道17。x方向工作台面包括连接块21、台面24和齿条25；连接块的上顶面22与滑道块的上顶面相对固定，连接块的下顶面为U型结构台面；U型台面伸出处于y方向工作台面9的下部。滑道块的顶面上装有齿条25，该齿条与x方向步进电机14的齿轮相啮合，滑道块的两侧开有V型滑道26，该V型滑道26与y方向工作台面上滑道部分的V型滑道通过滚珠15成滑动配合。
纤维放大显微镜主要有组成为(1)光源显微镜光源采用透射光，光源采用发光二极管。
显微镜光源的光谱特性将影响被测纤维的显微图像质量。根据纤维形状等特性，对其进行光学分析得出，为了获得有利于进一步处理的纤维图像，所选光源为单色光或激光。
(2)工作台如图三所示，工作台是实现放置其上的纤维样品能够在计算机控制下完成x和y两个水平方向的间歇运动，因此该工作台实质是一个二维工作台。工作台由x方向工作台面、x方向步进电机、y方向工作台面、y方向步进电机、工作台底座及步进电机的控制电路组成。x方向的运动是通过x方向工作台面与y方向工作台面的相对运动来实现的；y方向的运动是通过y方向工作台面与工作台底座相对运动来实现的。所有相对运动部件间驱动都是通过电机轴上的齿轮和齿条来实现的，而运动部件间的支撑是通过V型滚珠滑道来完成的。
步进电机驱动电路如图四所示。控制电路产生电压为5V、周期为十几毫秒的矩形脉冲或电压为25V、周期为4秒左右的矩形脉冲。
图五中的两个555矩形脉冲发生器产生矩形脉冲，其中振荡周期T1＝(R1+R2)·C·ln2＝(10K+5K+10K)×1μF×ln2＝17.3msT2＝(R1+R2)·C·ln2＝(170K+20K+50K)×22μF×ln2＝3.7s占空比
，并可以通过其中的可调电阻调节。
矩形脉冲信号输出到两个74151八选一选择器上，通过Enable和Control信号线，控制在某时刻要么在第一个74151八选一选择器的第5管脚上输出周期为3.7秒的矩形脉冲；要么在第二个74151八选一选择器的第5管脚上输出周期为17.3毫秒的矩形脉冲。如果输出为周期为3.7秒的矩形脉冲，将输出信号输入MAX578运算放大器中，MAX578运算放大器是一个电压放大器，将5V的矩形脉冲放大为25V的矩形脉冲，通过管脚1并经过单向导通二极管输出信号。
(3)物镜放大倍数应为4×或5×。
摄像头为单色摄像头，其成像把面为1/2到1/4之间。
图像采集的目的是将摄像头输出的图像采集到计算机内，使其变为计算机可处理的数值化的点阵图像。图像采集卡为通用多媒体卡。
权利要求
1.一种纤维尺寸测量方法，其特征在于，该方法包括以下各步骤(1)纤维样品制作清洗并晾干后的纤维经刀刃间距为2毫米的双刃刀切割后形成长短在2毫米的纤维，将切断后的纤维经撒布器均匀撒布在制样玻璃上，撒布时间为30秒，在纤维撒布的玻璃片上再盖上一片玻璃，将纤维夹紧；(2)纤维图像采集将纤维样品由显微镜放大后的图像经摄像头、图像采集卡采集到计算机内存中；(3)纤维图像背景分离根据纤维图像部分同其它部分在灰度上存在明显的差别，将纤维图像中纤维成像部分同其它部分分离开；(4)纤维跟踪识别采用边界链码跟踪方法，提取纤维轮廓信息，在跟踪过程中，将识别到的边界用特定颜色标识，并将其坐标值记录在计算机内存中，以便后续处理；(5)纤维尺寸测量从纤维边界中计算出以下参数纤维直径纤维中点沿纤维垂直方向测量纤维两边轮廓线间的距离；纤维弯曲率纤维中点出的纤维弯曲曲率。单位长度上突起数
突起面积
(6)纤维尺寸统计计算(a)统计参数平均值(所有测量参数)
标准方差(所有测量参数)
E为数学期望刺痛因素
5％最粗纤维与纤维平均直径差5％最粗毛纤维平均直径-纤维平均直径5％最细纤维与纤维平均直径差纤维平均直径-5％最细毛纤维平均直径(b)分布纤维直径分布纤维数量随纤维直径变化的概率分布纤维弯曲率分布纤维数量随纤维曲率变化的概率分布突起大小分布纤维数量随纤维突起大小的概率分布单位长度上突起数量分布纤维数量随单位长度上突起数量的概率分布纤维弯曲率分布纤维数量随纤维曲率变化的概率分布突起大小分布纤维数量随纤维突起大小的概率分布单位长度上突起数量分布纤维数量随单位长度上突起数量的概率分布
2.一种纤维尺寸测量专用显微装置，包括目镜、物镜、样品台、光源，样品台置于物镜下方，光源置于样品台下方；其特征在于还包括摄像头和接口附件，所述的摄像头通过接口附件置于显微装置上方；所述的光源为激光或单色光源；所述样品台为步进电机驱动工作台，该工作台包括底座、x方向工作台面、y方向工作台面、x方向步进电机和y方向步进电机；所述的底座固定在显微装置样品台台架上，底座两侧开有V型滑道，滑道中有滚珠，其中一侧固定有齿条，该齿条与y方向步进电机的齿轮啮合；y方向工作台面由台面和滑道两部分组成，所述台面部分的中央开有光孔，两侧为凸起，两边凸起的内侧各开有V型滑道，该V型滑道分别与底座两侧滑道通过滚珠成滑动配合。所述的滑道部分垂直于台面部分，滑道的两侧为凸起，两边凸起的内侧各开有V型滑道。所述的x方向工作台面包括连接块、台面和齿条；连接块的上顶面与滑道块的上顶面相对固定，连接块的下顶面为U型结构台面，U型台面伸出处于y方向工作台面下部；所述滑道块的顶面上装有齿条，该齿条与x方向步进电机的齿轮相啮合，滑道块的两侧开有V型滑道，该V型滑道与y方向工作台面上滑道部分的V型滑道通过滚珠成滑动配合。
3.如前所述的专用显微装置，其中所述的步进电机控制电路包括两个矩形脉冲发生器，用于产生矩形脉冲，两个八选一选择器，用于对矩形脉冲的选择，以及一个运算放大器，用于将电压放大，输出后控制步进电机。
全文摘要
本发明涉及一种纤维尺寸测量方法及其装置,首先制作纤维样品,然后采集纤维图像,分离纤维图像背景,识别纤维跟踪,测量纤维尺寸,统计计算纤维尺寸。本发明的装置包括目镜、物镜、样品台、光源、摄像头和接口附件。由于本发明的纤维测量方法和合理、紧凑的专用显微测量装置,使得纤维尺寸测量快速、准确,测量误差被极大地减少。
文档编号G02B21/36GK1264823SQ0010554
公开日2000年8月30日 申请日期2000年3月31日 优先权日2000年3月31日
发明者汪家道, 陈大融, 孔宪梅 申请人:清华大学