专利名称：一种用于纺织品中纤维组成含量分析的装置及方法
技术领域：
本发明涉及纤维外观形态观测及特征分析领域，特别是涉及一种纺织品表面微观特征无损观测、纺织品中纤维原位识别及含量自动分析的检测装置，适应于纤维、纱线、织 物及其他纤维集合体等纺织品组成的定性和定量测定，并能适时、在线、无损、快速观测纺 织品表面微观特征。
背景技术：
纤维外观形态观测及特征分析是纤维表征的重要内容，也是纤维识别和鉴定的主 要途径。纤维的外观形态特征包括，长度、细度、细度变化、横截面形状、转曲、弯曲、纤维表 面特征等等。目前很多通过显微镜观测和图像处理的方法实现对纤维外观形态的表征，能 够自动快速的得出纤维的一些形态指标及分布，如瑞士 Peyer公司和澳大利亚新南威尔士 大学共同开发的OFDA系列测量仪，该测量仪能实现自动制样和快速采样，但是仅针对纤维 段的采样。清华大学研制的羊毛纤维细度测量系统(ZL专利(申请号)02100056.5)、纤 维尺寸测量方法及专用显微装置(ZL专利(申请号)00105546. 1)是用来测量羊毛细度 的，仅针对单纤维。也有一些通过外观形态来鉴别纤维的装置，如东华大学研制的异形纤 维计算机自动识别装置与方法(ZL专利(申请号)200810204404. 7)，北京中棉研制的棉 花中异性纤维的检测计量装置(ZL专利(申请号)200810118687. 3)等。东华大学和江西 省纤维检验局联合研制的羊绒纤维与羊毛纤维混纺定量检测仪器和方法(ZL专利(申请 号)200710171327. 5)是通过提取羊绒、羊毛纤维表面微观特征来鉴别羊绒、羊毛纤维，该 仪器也仅针对单纤维的鉴别，需要人工制样，而且对纤维制品是有破坏性的。但是随着纺织品生产及贸易的批量越来越大，高档面料如羊绒织物等需求逐渐增 高，成品纺织材料内纤维识别及含量自动快速无损测定的技术迫切需要解决。但目前还没 有解决这方面问题的技术出现，主要原因在于纤维集合体表面特征复杂，不易于调焦和采 光，很难通过高倍镜头观测其中纤维的微观特征，很难实现大量试样图像的快速采集。同时 图像中目标排列复杂，较难通过算法实现多目标的同时提取、鉴别及数据统计。而且在羊 绒、羊毛纤维鉴别时所要求的观测尺度非常小，如果既要实现仪器的自动化又要保证非常 高的观测精度，实施起来会相对比较困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于纺织品中纤维组成含量分析的装置 及方法，能够对纺织品中纤维快速、直接、无损识别和含量分析。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种用于纺织品中纤维组成含 量分析的装置，包括多功能试样台、二维自由移动系统、组合斜射照明系统、数码摄像系统、 支撑系统和计算机，所述的支撑系统最上方放有所述的二维自由移动系统；所述的二维自 由移动系统上搭载有所述的多功能试样台；所述的数码摄像系统位于所述的多功能试样 台下方；所述的组合斜射照明系统设置在所述的数码摄像系统的四周；所述的数码摄像系统、二维自由移动系统和组合斜射照明系统分别与所述的计算机相连。所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置的多功能试样台包括石英玻璃盖 板、试样嵌槽、加压板、弹簧加压装置和加压旋钮；所述的试样嵌槽位于试样平台板上；所 述的石英玻璃盖板嵌在所述的试样嵌槽内；所述的加压板将试样压在所述的石英玻璃盖板 上；所述的加压板的下压力由所述的弹簧加压装置和加压旋钮控制。所述的石英玻璃盖板为圆形，具有高纯度、高耐压强度、高表面平整度、两表面高平行度、高表面光洁度的光学石英玻璃。所述的试样嵌槽内为干态、或注入油剂、或注入水。所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置的二维自由移动系统包括X向导 轨、Y向导轨、X向步进电机和Y向步进电机；所述的X向步进电机控制所述的多功能试样 台沿X向导轨移动，所述的Y向步进电机控制所述的多功能试样台沿着Y向导轨移动；所述 的X向步进电机和Y向步进电机通过所述的计算机控制。所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置的数码摄像系统包括CCD、物镜、镜 筒、USB传输线和镜筒基座；所述的CXD直接罩在所述的物镜下方，并通过所述的USB传输 线与所述的计算机连接；所述的镜筒基座用于固定整个数码摄像系统；所述的物镜为长焦 距、大焦深、高分辨率、可变倍调节。所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置的组合斜射照明系统包括LED灯、 照明装置支撑架、第一水平转动轴承、第二水平转动轴承、移动滑块和高度调节导轨；所述 的LED灯设置在照明装置支撑架上；所述的照明装置支撑架分为上下两层，分别焊接在所 述的第一水平转动轴承和第二水平转动轴承上；所述的第一水平转动轴承和第二水平转 动轴承的内层焊接有移动滑块；所述的移动滑块能够沿着高度调节导轨做升降运动；所述 的高度调节导轨设置在所述的第一水平转动轴承和第二水平转动轴承上，并由固定支架固 定。所述的LED灯设有角度调节旋钮和亮度调节旋钮。所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置的计算机设有图像采集及处理系 统和纤维鉴别及数据统计系统；所述的图像采集及处理系统用于对图像进行分析和处理， 实现从复杂纤维集合体表面图像环境中提取纤维表面的微观特征；所述的纤维鉴别及数据 统计系统根据得到的微观特征图像对纤维进行鉴别，并计算出鉴别统计结果。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是还提供一种用于纺织品中纤维组成 含量分析的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将试样按照一定方向用加压块直接压在石英玻璃盖板上表面，并设置采集区 域范围；(2)打开数码摄像系统，先将物镜调到低倍状态，采集界面上出现试样图像，选择 纤维聚集区域，然后手动调节组合斜射照明系统，使界面上的光照，亮度均勻，强度适宜；(3)通过X向步进电机和Y向步进电机控制多功能试样台在上平面内按照一定路 径开始移动，同时数码摄像系统不断采集试样表面图像，一定时间内完成整块试样的图像 采集；(4)计算机将采集的图像进行分析和处理，提取出符合要求的目标图像，并借助鉴 别算法和数据统计模型得出计算结果；
(5)更换试样，并重复步骤(1)-(4)，直至完成所有的试样分析。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果(1)仪器实现了自动化，采集和计算的速度非常快，能在短时间内采集到大量目标 图像，并得出计算结果。检测过程不需要制样，方便快捷，节省了很多时间。(2)仪器实现原位测量。原位是指无需事先制样，试样不需要特殊处理，直接实施 检测，并且不会对试样造成损伤；试样图像和数据采集适时，没有改变试样的结构、组成、位 置，完整适时地反映了试样的原本形貌。(3)特殊设计的多功能试样台，同时适应于纤维、纱线、织物等多类纺织品试样的 无损压持。(4)与目前已有的单纤维自动化测量装置相比，该仪器能够同时对多根纤维同时 检测，制样简捷，可以直接将大量纤维平铺在玻璃盖板上。操作过程更加简单方便，单位时 间内采集试样量更大。(5)专门设计的斜射组合光照装置，可以针对不同的试样设置不同的光照条件。这 是目前专门针对纺织品类不透明体表面复杂特征设计的照明装置。(6)仪器能够自由调节倍数和采光，可以观测到不同微观尺度的纤维集合体表面 图像，仪器用途得到拓展，可以观测纺织品结构、组成、杂质等多方面内容。(7)通过大焦深物镜、组合光照调节、试样均勻加压，高平整度玻璃、试样与玻璃 浸油或浸水的硬件设计实现了试样区域统一在物镜焦平面上，并使该区域试样图像更加清 晰。仪器调焦只在采集过程开始一次完成，免去了采集过程中不断的调焦过程，仪器的采集 速度得到很大提高。综上所述，本发明通过数字化控制和自编软件实现了图像的自动快速采集，并且 不需特殊制样，操作简单、快捷。适用试样范围广，满足纺织品结构、组成、杂质等方面观测、 纺织品中纤维原位识别、纤维含量计算等多种用途，而且还可以作为涉及纺织品微观特征 研究的辅助工具。
图1是利用仪器观测试样示意图；图2是本发明仪器装置主视图；图3是本发明的二维自由移动系统示意图；图4是本发明的组合斜射照明系统主视图；图5是本发明的组合斜射照明系统俯视图；图6是本发明的组合斜射照明系统中一组灯的结构示意图；图7是图像采集、数据采集与仪器控制流程示意图；图8是羊绒及细羊毛絮片表面微观图；图9是羊毛织物表面微观图；图10是羊绒和细羊毛微观图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。本发明的实施方式涉及一种用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，通过多功能 试样台实现对纤维、纱线、织物及其他纤维集合体等纺织品试样的无损快速直接夹持，可灵 活调节的组合斜射照明系统实现对不同试样的最优化光照，在数码摄像系统的配合下二维 自由移动系统带动多功能试样台载物台在水平面内做二维自由移动对试样表面图像进行 快速采集，利用图像处理和采集系统从图像中提取目标特征，最后利用纤维鉴别和数据统 计系统识别和鉴别纤维，并统计相关数据，得出结果。仪器适应于纤维、纱线、织物及其他纤 维集合体等纺织品中纤维组成的定性定量测定，及对纺织品表面微观特征的适时、在线、无 损、快速观测。如图1所示，本发明的装置包括多功能试样台1、二维自由移动系统2、组合斜射照 明系统3、数码摄像系统4、支撑系统5和计算机。其中，采用多功能试样台1在上，数码摄 像系统4在下的倒置结构。所述的支撑系统5最上方放有所述的二维自由移动系统2 ；所 述的二维自由移动系统2上搭载有所述的多功能试样台1 ；所述的数码摄像系统4位于所 述的多功能试样台1下方；所述的组合斜射照明系统3设置在所述的数码摄像系统4的四 周；所述的数码摄像系统4、二维自由移动系统2和组合斜射照明系统3分别与所述的计算 机相连。如图2所示，在结构组成上，整个仪器机体由支撑系统的机架51支撑，并安装在基 座52上，成对称结构。多功能试样台1由石英玻璃盖板12、试样嵌槽13、加压板11、弹簧加压装置15、力口 压旋钮14构成。所述的多功能试样台1是在试样平台板上挖有试样嵌槽13，石英玻璃盖板 12嵌在试样嵌槽13内，通过调节弹簧加压装置15和加压旋钮14，能够对加压板11施加一 定压力，直接将纱线、织物及其他纤维集合体压在石英玻璃盖板12上面，而将所要观测的 试样区域贴在玻璃板12上表面，并且保证不会对试样损伤。试样嵌槽13内一般为干态，也 可注入油剂和水，以提高图像分辨率和清晰度，从而提高观测的质量。其中，石英玻璃盖板 12为具有高纯度、高耐压强度、高表面平整度、两表面高平行度、高表面光洁度的圆形光学 石英玻璃。如图3所示，多功能试样台1搭载在二维自由移动系统2上。二维自由移动系统 2由X向导轨21、Y向导轨22、Χ向步进电机24、Υ向步进电机23构成。通过X向步进电机 23和Y向步进电机24驱动，能够使多功能试样台1在平面二维方向上实现自由移动。其 中，移动系统的震动小，步进电机的精度高。所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置的数码摄像系统4包括(XD43、物 镜41、镜筒42、USB传输线44和镜筒基座45 ；所述的(XD43直接罩在所述的物镜41下方， 并通过所述的USB传输线44与所述的计算机连接；所述的物镜41为长焦距、大焦深、高分 辨率、可变倍调节的物镜，从而可以获取织物表面高分辨、高放大倍数的图像。整个数码摄 像系统4固定在镜筒基座45上。如图4-图6所示，所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置的组合斜射照明系统3由四个LED灯(其中，两个高位置灯31，两个低位置灯34)、照明装置支撑架37、第一 水平转动轴承32、第二水平转动轴承36、移动滑块38、高度调节导轨35和固定支架39组 成；所述的照明装置支撑架37分为上下两层，分别焊接在所述的第一水平转动轴承32和 第二水平转动轴承36上，其中，两个高位置灯31设置在照明装置支撑架37的上层，两个低 位置灯34设置在照明装置支撑架37的下层；所述的第一水平转动轴承32和第二水平转 动轴承36的内层焊接有移动滑块38 ；所述的移动滑块38能够沿着高度调节导轨35做升 降运动；所述的高度调节导轨35设置在所述的第一水平转动轴承32和第二水平转动轴承 36上，并通过固定支架39固定。其中，LED灯装有角度调节旋钮，可以自由调节光照角度， LED灯的亮度由亮度调节旋钮控制，斜射照明系统3可以通过手动调节，如此可针对不同的 试样选择最适宜的光照环境。
如图7所示，所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置的计算机设有图像采 集及处理系统和纤维鉴别及数据统计系统；所述的图像采集及处理系统用于对图像进行分 析和处理，实现从复杂纤维集合体表面图像环境中提取纤维表面的微观特征。该图像采集 及处理系统通过专门针对纺织品表面复杂特征设计的处理算法来对图像进行分析和处理， 经过噪音去除和目标图像的提取，同时获得图像中多个目标纤维的图像，为纤维鉴别系统 提供数据。所述的纤维鉴别及数据统计系统根据得到的微观特征图像，借助鉴别算法和数 据统计模型来完成特征数据的计算，对纤维进行鉴别，并计算出鉴别统计结果，最终根据经 验数据修正得出纤维集合体的混合比。不难发现，通过大焦深物镜、组合光照调节、试样均勻加压，高平整度玻璃、试样与 玻璃浸油或浸水的硬件设计实现了试样区域统一在物镜焦平面上，并使该区域试样图像更 加清晰。仪器调焦只在采集过程开始一次完成，免去了采集过程中不断的调焦过程，仪器的 采集速度得到很大提高。本发明的实施方式还涉及一种用于纺织品中纤维组成含量分析的方法，其原理是 通过图像处理的方法，利用适用于纺织品表面复杂图像环境下的图像处理程序提取纺织品 表面微观图像中的多个纤维目标特征图像，然后利用鉴别算法判断纤维类别，利用数据统 计算法统计不同类别纤维的数量，并借助经验数据库的修正来得出最终鉴别结果。所需要 的纺织品表面微观图像通过大焦深、高分辨率的可变倍物镜来获取，并设计专门的组合斜 射照明系统的调节来达到纺织品试样不同要求的理想的光照条件，凭借高速CCD曝光和二 维自由移动系统带动多功能试样台的移动来完成对试样图像的快速采集，通过高精度要求 的石英玻璃盖板、加压板、弹簧加压装置直接压持试样，使试样表面平铺在物镜的焦平面 内，压持装置适用于多种试样。其具体步骤如下(1)将试样按照一定方向用加压块直接压在石英玻璃盖板上表面，如果试样面积 小于默认采集区域范围，则需要根据试样面积重新设置采集区域范围。(2)打开数码摄像系统，先将物镜调到低倍状态，采集界面上出现试样图像，选择 纤维聚集区域，然后手动调节组合斜射照明系统，使界面上的光照，亮度均勻，强度适宜。(3)通过X向步进电机和Y向步进电机控制多功能试样台在上平面内按照一定路 径开始移动，同时数码摄像系统不断采集试样表面图像，一定时间内完成整块试样的图像 采集。(4)计算机将采集的图像进行分析和处理，然后提取出符合要求的目标图像，例如本实施例中的图8-图10，并借助鉴别算法和数据统计模型得出计算结果。从图8中可以看 出，羊绒纤维条干和光泽都较好，纤维表面鳞片形状规整接近方形，并且相邻鳞片之间衔接 良好。从图9中可以看出，羊毛纤维其条干和光泽都较差，表面鳞片形状不规整，存在瓦状 鳞片，相互之间存在交搭和覆盖。图10中为形态非常相似的细羊毛和羊绒纤维的图像，但 羊绒纤维鳞片较规整且呈环状分布，细羊毛纤维成瓦状分布且不是很规整，羊绒鳞片长度 较长，密度较小，而细羊毛纤维则相反。
(5)更换试样，并重复步骤(1)-(4)，直至完成所有的试样分析。需要说明的是，本实施方式中图8-图10将本发明用于羊绒制品中羊绒含量测量， 这知识本发明中的一个实施例，本发明还可以应用在其他纺织品，如絮片、纱线、织物中纤 维含量的测量。由此可见，本发明通过数字化控制和自编软件实现了图像的自动快速采集，并且 不需特殊制样，操作简单、快捷。适用试样范围广，满足纺织品结构、组成、杂质等方面观测、 纺织品中纤维原位识别、纤维含量计算等多种用途，而且还可以作为涉及纺织品微观特征 研究的辅助工具。
权利要求
一种用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，包括多功能试样台(1)、二维自由移动系统(2)、组合斜射照明系统(3)、数码摄像系统(4)、支撑系统(5)和计算机，其特征在于，所述的支撑系统(5)最上方放有所述的二维自由移动系统(2)；所述的二维自由移动系统(2)上搭载有所述的多功能试样台(1)；所述的数码摄像系统(4)位于所述的多功能试样台(1)下方；所述的组合斜射照明系统(3)设置在所述的数码摄像系统(4)的四周；所述的数码摄像系统(4)、二维自由移动系统(2)和组合斜射照明系统(3)分别与所述的计算机相连。
2.根据权利要求1所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，其特征在于，所 述的多功能试样台(1)包括石英玻璃盖板(12)、试样嵌槽(13)、加压板(11)、弹簧加压装 置(15)和加压旋钮(14)；所述的试样嵌槽(13)位于试样平台板上；所述的石英玻璃盖板 (12)嵌在所述的试样嵌槽(13)内；所述的加压板(11)将试样压在所述的石英玻璃盖板 (12)上；所述的加压板(11)的下压力由所述的弹簧加压装置(15)和加压旋钮控制(14)。
3.根据权利要求2所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，其特征在于，所述 的石英玻璃盖板(12)为圆形的光学石英玻璃。
4.根据权利要求2所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，其特征在于，所述 的试样嵌槽(13)内为干态、或注入油剂、或注入水。
5.根据权利要求1所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，其特征在于，所述 的二维自由移动系统(2)包括X向导轨(21)、Y向导轨(22)、X向步进电机(24)和Y向步 进电机(23)；所述的X向步进电机(24)控制所述的多功能试样台(1)沿着X向导轨(21) 移动，所述的Y向步进电机(23)控制所述的多功能试样台(1)沿着Y向导轨(22)移动；所 述的X向步进电机(24)和Y向步进电机(23)通过所述的计算机控制。
6.根据权利要求1所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，其特征在于，所述 的数码摄像系统(4)包括CCD(43)、物镜(41)、镜筒(42)、USB传输线(44)和镜筒基座(45)； 所述的CCD (43)直接罩在所述的物镜(41)下方，并通过所述的USB传输线(44)与所述的 计算机连接；所述的镜筒基座(45)用于固定整个数码摄像系统；所述的物镜(41)为可变 倍调节的物镜。
7.根据权利要求1所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，其特征在于，所述 的组合斜射照明系统(3)包括LED灯、照明装置支撑架(37)、第一水平转动轴承(32)、第二 水平转动轴承(36)、移动滑块(38)和高度调节导轨(35)；所述的LED灯设置在照明装置支 撑架(37)上；所述的照明装置支撑架(37)分为上下两层，分别焊接在所述的第一水平转动 轴承(32)和第二水平转动轴承(36)上；所述的第一水平转动轴承(32)和第二水平转动轴 承(36)的内层焊接有移动滑块(38)；所述的移动滑块(38)能够沿着高度调节导轨(35)做 升降运动；所述的高度调节导轨(35)设置在所述的第一水平转动轴承(32)和第二水平转 动轴承(36)上，并由固定支架(39)固定。
8.根据权利要求7所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，其特征在于，所述 的LED灯设有角度调节旋钮和亮度调节旋钮。
9.根据权利要求1所述的用于纺织品中纤维组成含量分析的装置，其特征在于，所述 的计算机设有图像采集及处理系统和纤维鉴别及数据统计系统；所述的图像采集及处理系 统用于对图像进行分析和处理，实现从复杂纤维集合体表面图像环境中提取纤维表面的微观特征；所述的纤维鉴别及数据统计系统根据得到的微观特征图像对纤维进行鉴别，最后 计算出鉴别统计结果。
10. 一种用于纺织品中纤维组成含量分析的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将试样按照一定方向用加压块直接压在石英玻璃盖板上表面，并设置采集区域范围；(2)打开数码摄像系统，先将物镜调到低倍状态，采集界面上出现试样图像，选择纤维 聚集区域，然后手动调节组合斜射照明系统，使界面上的光照，亮度均勻，强度适宜；(3)通过X向步进电机和Y向步进电机控制多功能试样台在上平面内按照一定路径 开始移动，同时数码摄像系统不断采集试样表面图像，一定时间内完成整块试样的图像采 集；(4)计算机将采集的图像进行分析和处理，提取出符合要求的目标图像，并借助鉴别算 法和数据统计模型得出计算结果；(5)更换试样，并重复步骤(1)_(4)，直至完成所有的试样分析。
全文摘要
本发明涉及一种用于纺织品中纤维组成含量分析的装置及方法，其主要利用纤维在表观微形态上的差别，观测鉴别纤维。同时通过正确点数纤维的根数，计算表层混合纤维的含量。该装置包括可以无损夹持试样的多功能试样台，带动多功能试样台运动的二维自由移动系统，可变倍调节的高分辨率、高放大倍数、长焦距的数码摄像系统，组合斜射照明系统，支撑系统，带有图像采集及处理系统和纤维鉴别及数据统计系统的计算机。该装置特点包括，无需制作试样，检测过程不损伤试样，能够实现对试样的无损自动检测；适用于纤维、纱线、织物及其他纤维集合体中纤维的识别及含量计算；检测速度快，自动化程度高，操作方便。
文档编号G01N21/84GK101806749SQ201010143828
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者于伟东, 夏林, 杜赵群, 石先军 申请人:东华大学