利用光衍射测量长丝纱的变形结构

E. S. Südhoff， L. Debicki， M. Decius， L. Merten， V. Niebel， G. Seide， T. Gries

亚琛工业大学 纺织技术研究所(德国)



利用光衍射测量长丝纱的变形结构

E. S. Südhoff， L. Debicki， M. Decius， L. Merten， V. Niebel， G. Seide， T. Gries

亚琛工业大学 纺织技术研究所(德国)

无变形的长丝纱倾向于以一种平行且均匀的方式排列在一起。相比于表面不太均匀且包含毛羽的短纤维纱线，无变形的长丝纱表面很光滑。在很多应用中，人们期望可在保留长丝纱连续性的同时获得短纤纱的某些特性。通过变形丝工艺，可以使长丝纱获得特定的性能，如高膨松性、高弹性和孔隙度。在实验室中，可以离线测量变形纱的性能，但还没有实现对运行过程中的纱线进行性能的实时在线光学检测。离线测量方法成本高，且只能获得随机纱线样本质量的统计信息。除介绍了最先进的变形纱参数的测量外，还提出了一种直接光学测量变形纱的潜在方法。

长丝纱； 变形； 光学测量； 在线测量

1 变形原理、测量能力和特性

目前主要的变形工艺有假捻法、边缘卷曲法、假编法、填塞箱法及喷气变形法。所有的变形方法都具有使长丝产生波浪形变形的卷曲共性。类似于变形的交叉混合，可使纱线获得一个确定的结构。然而，在旋转加工中长丝的结构固定仅依靠与另一根长丝的表面摩擦力。交叉混合的目的是提高纱线卷曲性能，因此，需要提高平行长丝(缠结)的抱合力或两种不同纱线(混纺)的混合均匀度。

纱线质量的稳定性对于后续的生产工序非常重要，这也是要在生产后必须检查纱线质量的原因。通常根据特定需求测试变形纱的不同特性。变形纱最重要的性能参数有卷曲度、拉伸前后纱线长度的变化及纱线在承受张力情况下的结构耐久性。测试工作一般在热处理后纱线发生卷曲后进行。比较有名的变形纱性能测试装置为德国Textechno Herbert Stein公司生产的Texturmat ME+，该系统可以测试上述所有的参数，但其测试卷曲的方法是离线的。目前还没有任何光学方法可以直接测量长丝纱的变形结构。德国亚琛工业大学纺织技术研究所(ITA)与Textechno公司合作，开发了一种可以用于长丝纱变形结构测量的潜在的测试方法。

2 长丝纱变形结构光学测量的新方法

光衍射原理早已应用于短纤维纱线毛羽情况的测试中。此外，光衍射还被用于测量纱线中纤维的长度和分布位置。测试过程中的传感器原理如图1所示。激光发射出一束平行光，光束经过扩束系统后直径被放大。借助一种缝隙孔，可以精确测量光束的直径。在孔通道方向安装一个过滤器，以降低光的强度，保护用于测量的光学组件。在目标工作面上短纤纱或长丝纱的夹持端，设置校准安装程序用以测量衍射图谱。距目标工作面f处安装一傅里叶镜头，并确保傅里叶镜头与焦距工作面间距也为f。在焦距工作面处安装一照相机，通过读取相机的CCD芯片可以导出测试所得的图片。图2给出了一个实际测试过程中传感器原理的实施方式。图3示出了不同校准设置下检测到的试样的衍射图谱及其示意图。由图3可以看出，纤维的位置、直径和数量会对衍射图谱的形状产生影响。在校准设置步骤中，衍射图产生于与纤维长度方向呈90°夹角间，不考虑光衍射的理论细节，这是光圆柱体或边缘衍射的特性。目标工作面上垂直黏贴的纤维数量与衍射图谱光强度的关系，可以用焦距平面上的光敏接收器的电压量化表示(图4)。纤维数量与光强度呈线性关系，因此光束中的纤维越多，就会有越多的光参与衍射。随着光束中边缘数量的增加，光的散射也会相应增加，因此光的强度可以通过衍射图谱进行预测。该理论已通过实际测试得以证实。

图1 测量衍射图谱的传感器原理

图2 传感器原理的试验台设置

图3 不同校准设置下的衍射图谱及示意图

基于衍射图谱测量的原理，可以实现一种针对长丝变形结构的光学测量方法。图5给出了针对两种不同的变形纱进行的衍射图谱测试结果。图上分别示出了一种低变形纱的和一种高变形纱的实际测得的衍射图谱及其示意图。其中，低变形纱是由沿中心轴排列的纤维组成的，因此稍稍偏离中心轴，这在焦距工作面的衍射图谱中得以体现：衍射图谱垂直方向上的光强度显著增强(白色标记区域)，由该区域可以分辨出纤维的位置。被照射纤维的光强度值反映纤维的数量。高变形纱的纤维层分布均匀，因而衍射图谱中的光强度也分布均匀。

图4 衍射图谱中光强度和纤维数量的关系

测试工艺的经济性对未来可能的工业应用有着重要的影响。根据一项有关传感器工业实施的报告，初步估计单个传感器约需1 300欧元。相对于每个变形设备单元的投资成本(约3 200欧元)而言，传感器的价格非常高。考虑到在线变形结构测试的摊销，其成本回收期预计为1.5 a左右。

3 结论

基于现有的测试方法，开发出一种可以直接通过

光学测量测试变形纱结构的方法。通过衍射图谱的表征可知，目标工作面中纤维的数量和位置直接影响焦距工作面上衍射图谱的形状和强度。未来的工作是进一步扩大研究范围，并将实验室技术转换为工业上可实际应用的传感器技术。尤其值得一提的是该方法为一种在线测量方法。光学组件类似于植入手机中的相机，工业化批量生产可分摊成本，基于这一点，足以抵消光学传感器技术的成本，并可推广应用于长丝纱的工业化生产中。

周书法 译 李 刚 校

Light diffraction used as optical instrument to measure texturing of filament yarns

EricSchulteSüdhoff，LukaszDebicki，MichaelDecius，LukasMerten，VolkerNiebel，GunnarSeide，ThomasGries

Institut für Textilechnik(ITA)， RWTH Achen University， Achen/Germany

Non-textured filament yarns tend to exist side by side in a parallel and even way. The surface is smooth compared to the less uniform and hairy surface of staple fiber yarns. For many applications staple fiber specific properties are desirable with retention of the continuity of a filament at the same time. Through texturing the filament yarns obtain customizable properties such as high bulk, high elasticity and porosity. The properties of textured filament yarns are currently measured offline in the laboratory. Online optical methods for the characterization of filament yarns on the running yarn do not exist. Offline measurement methods are costly and generate only statistical information on the quality of the yarn by random sampling. Besides the state-of-the-art of the measurement of textured yarn parameters, a potential method for the direct optical measurement of textured filament yarn is presented here.

filament yarn； texturing； optical measurement； online measurement