随机须丛影像法纤维长度测量仪

王府梅++++金敬业

摘要：

首先简要介绍了目前国际测量棉、毛纤维长度的三大仪器，分析指出了各自的主要优缺点。其次介绍了中国首创的随机须丛影像法纤维长度测量仪，在与现有仪器测试结果对比的基础上，总结出新仪器优势及面临的挑战。

关键词：纤维长度；随机须丛；光电测量

1 引言

纤维长度测量存在两方面难度，一是棉、毛、麻、绢等短纤维几何尺寸小，在测量中难以被有效地控制和识别；二是天然纤维长度离散性大，作为长度信息组成部分的长度分布曲线和离散指标更难测量。由于长度是棉纤维首要性能，是毛、麻纤维仅次于细度的重要性能，故长度测量一直是纺织科技的研究重点。

2 现有纤维长度测量仪器

近年，国内手工测量技术人员日渐稀缺，罗拉式長度分析仪、手排长度等依赖手工技术的测量方法正在逐步退出应用，多数单位在使用下述自动化测量系统。

（1）HVI检测系统

HVI（全称High volume instrument），是20世纪80年代初研制出的一种棉纤维性能全面检测仪，包括长度、马克隆值、强度、色泽、杂质等，是国际棉花贸易和大规模棉花收储中分级定价的常用检测设备，新国标GB 1103-2012《棉花 细绒棉》就采用的此系统[1]。

HVI系统的重要功能——长度检测采用了1940年K. L. Hertel等人提出的照影机原理，如图1所示[2]。将10g左右原棉放入圆筒形取样器，在压力作用下棉纤维略微凸出到取样器圆孔外，如图2所示；直线形夹钳沿圆筒外壁转动，夹取露出圆孔的纤维，再经毛刷梳理成为可测试样——须丛，见图3。须丛被送入光电检测区域[3]，光线透过宽约2mm的狭缝照在须丛上，须丛的纤维轴向垂直于狭缝，须丛与狭缝相对运动中须丛的透射光和入射光信号分别被处理装置接收，并根据Lambert-Beer定律换算成每一透射光对应的纤维量，从而获得须丛不同横截面上的纤维量，称作须丛曲线，如图4所示 。然后，由须丛曲线求出纤维平均长度，用经验公式计算出16mm以下的短绒率等指标。

HVI系统不能直接测试棉纤维的短绒率、长度离散性指标和长度分布图。原因有：①由光信号换算纤维量时未考虑众多纤维表面的反射和纤维内部的光散射作用，普遍认为HVI测得信号仅仅是与须丛各横截面纤维量有关的量[4，5]，并不能完全代表须丛横截面厚度和质量；②HVI不能测试须丛起始线到3.81mm范围的须丛质量；③理论不完善，Hertel等人曾推导出须丛曲线与纤维长度根数频率密度曲线的两次微分关系[2]，但是，后续研究实践证明其结果误差很大，有学者指出只有在“理想棉条”截面上取样Hertel理论才能成立[6-11]。此外，还有学者指出用HVI取样法，长度大的纤维被夹到的概率大等。

（2）AFIS检测系统

AFIS（全称为Advanced fiber information system），目前，被很多单位用于快速检测棉纤维长度分布的完整信息[12]。在AFIS检测系统，首先将0.5g棉花散纤维扯松，手工揉搓成长约30cm的棉条，喂入仪器，经内置的开松和梳理机构处理，将纤维分离成单根状态；纤维在高速气流的牵伸和引导下通过狭长的红外光电检测区域，见图5，测量每根纤维通过光电窗口耗费的时长和速度，换算为单纤维长度。总计测量3000根后，按一定组距分成若干长度组，得到长度根数频率n（l）直方图。进而由n（l）计算纤维的质量频率分布和质量加权平均长度、品质长度、短绒率等指标。

（3）Almeter检测仪

Almeter FL100型长度检测仪包含自动制样器和检测器两台设备。利用自动取样器将纤维条制成一端平齐的纤维束，将纤维束放在载样塑料薄膜上，纤维束和薄膜一起匀速通过窄条状平板电容式传感器，测量纤维束不同横截面处的电容量，即可换算出长度截面质量累积曲线，据此算出长度质量分布直方图和各项长度指标[13]。

该检测仪只适用于毛条、毛型粗纱等半成品中的纤维长度测量，在羊毛领域Almeter已经很大程度上取代了梳片式长度分析仪。但由于电容式传感器的尺寸受限，不适合测量比较短的棉纤维和高卷曲、较高弹性的羊绒等纤维。

3 双须影像法毛纤维长度测量仪

现有长度测量仪器的共同缺陷是机械、电气部分非常庞大、复杂，成本高，功能和精度受限，应用纤维品种单一。经过数年努力，我团队发明的随机须丛影像法纤维长度测量方法终于结出第一颗果实——双须影像法毛纤维长度测量仪，正在研制棉型和羊绒专用长度测量仪。双须影像法毛纤维长度测量仪包括制样器、光电检测器、控制分析电脑三部分硬件，后两部分硬件联机运行。

（1）制样器。对于常见的毛条试样，用夹钳随机夹持毛条任意横截面，见图6。以专用工具梳去夹钳二侧的浮游纤维，获得双端随机须丛，见图7，夹持线二侧须丛相当于纺纱牵伸区的罗拉握持纤维。

散毛试样和散羊绒试样有另外的专用制样器。

（2）光电检测器。光电检测器的外壳尺寸63×38×18cm3，重量13kg。用专用工具将双端须丛移至光电检测器的载样台上，电脑控制光电检测器的线光源及信号检测部件沿须丛轴向运动，测得双端随机须丛平面上每一点（25×25?m2）的透光信号。光电检测器的长度分辨率25?m，纤维厚度最小检测量0.8dtex。

（3）控制分析电脑。电脑控制光电检测器获取须丛透光信号以后，进行如下两步分析：

第一步，采用我们的3项发明专利等技术，考虑纤维吸光、反光和光散射性能，计算出须丛各横截面的相对纤维量，即须丛的相对线密度曲线F（L），见图8。第二步，用我们推导出的理论关系和另外4项发明专利，由须丛的相对线密度曲线 F（L） ，分析出纤维长度的重量频率分布曲线和各项长度指标。

测试结果被存入电脑硬盘，可以按试样名、测试日期、测试人员等信息查询和调用。实际上，图8所示的须丛相对线密度曲线比现有长度指标和分布曲线具有更直接、定量的应用价值。须丛线密度曲线恒等于纺纱罗拉握持纤维线密度曲线，该曲线与罗拉隔距结合就能预测纺纱牵伸区的浮游纤维量，见图9。众所周知浮游纤维量是纺纱质量的决定性原料因素，因为无法获得至今没有运用这类曲线，并且不知该曲线与纤维长度分布曲线的理论关系。图8曲线可定量指导配毛工艺，曲线越直说明配毛越好，混合毛的须丛线密度曲线可由各成分的须丛线密度曲线和占比定量计算。图8曲线也可定量指导纺纱罗拉隔距设计，罗拉隔距越大图9黄色区域显示的浮游纤维量越大，会导致纱质量越差，但是，罗拉隔距越大又会使拉断纤维越多，二者如何取舍，基于图8做出的图9能显示直接、定量的效果。endprint

4 新仪器与Almeter仪器比较

（1）指标数值对比

先后从山东南山纺织服饰有限公司和江苏阳光股份有限公司等单位采集了数批毛条试样，采用我们新仪器测试的结果与厂家采用Almeter FL100型长度仪测试的结果对比见图10。可以看出，随机须丛影像法测试的羊毛巴布长度、巴布长度变异系数、豪特长度、豪特长度变异系数与现用Almeter仪器的测试结果有很高的一致性。

（2）长度分布曲线对比

双须影像法测试的纤维长度分布曲线与现用Almeter仪器的测试结果对比见图11，试样1#～8#的羊毛支数覆盖64支～120支范围，图中分解模型是我们仪器采用的一算法，分解模型就是新仪器的测试结果。图11中两种分布曲线也是高度一致，微小差别是Almeter仪器测试的长度分布曲变化平缓，原因是Almeter仪器的电容传感器不灵敏，也说明新仪器更加准确。

5 小结

新研制的双须影像法纤维长度测量仪具有如下明显优势：

（1）原理先进，国际首创用随机须丛和数码光电技术测量纤维长度，省去了现有仪器复杂的制样设备，使仪器体积小、重量轻；理论严密、试样包含信息完整，测试结果全面。

（2）测试精度高，不丢失纤维，试样中的长短纤维全部按存在的概率被握持；长度分辨率远远高于现用仪器，纤维厚度最小检测量也足以感知超细羊毛和山羊绒的每根纤维，也远远高出Almeter、HVI系统。

（3）新仪器具有更实用、定量的新功能，所测的须丛线密度曲线可定量指导纺纱、配毛工艺，比目前的指标和曲线有更具直接、定量的应用价值，也可用于虚拟纺纱等领域，有利于促进纺纱工艺设计由经验型设计向科学设计发展。

新仪器面临的挑战：（1）不同纺织纤维需要不同的制样方法和硬件支持，棉和羊毛可能需要從制样开始完全联机工作的全自动仪器；（2）被国内外标准和广大用户接受有一个过程。后续研发投入和工作量仍然不小。

参考文献：

[1] ASTM D5867-05， Standard test methods for measurement of physical properties of cotton fibers by high volume instruments[S]. ASTM International， West Conshohocken， PA. 2005.

[2] Hertel K L. A method of fibre-length analysis using the fibrograph[J]. Textile Research Journal， 1940， 10（12）： 510-520.

[3] Cai， Y. An investigation of the sampling bias of the beard method as used in HVI[J]. Journal of the Textile Institute， 2010，101（11）： 958-966.

[4] Wu M， Wang F. Optical algorithm for calculating the quantity distribution of fiber assembly[J]. Applied Optics， 2016， 55（25）： 7157-7162.

[5] 李汝勤， 刘若华. 照影机曲线的修正研究 [J]. 纺织学报， 2002，23（1）： 27-28.

[6] Prier， H.W. and Sasser， P.E. The Mathematical Basis of Fiber-Length Analysis from Fibrogram Data[J]. Textile Research Journal， 1972，42（7）： 410-419.

[7] Krowicki， R.S.， Thibodeaux，D.P. and Duckett， K.E. Generating fiber length distribution from the fibrogram[J]. Textile Research Journal， 1996，66（5）： 306-310.

[8] He， X. Rapid measurement of short fiber content on hertel sample[J]. Journal of Donghua University（Eng. Ed.）， 2006，23（1）： 125-132.

[9] Azzouz， B.， Hassen， M.B. and Sakli， F. Generation of Length Distribution， Length Diagram， Fibrogram， and Statistical Characteristics by Weight of Cotton Blends[J]. Modelling and Simulation in Engineering， 2007，56（4）： 1-13.

[10] Azzouz， B.， Hassen， M.B. and Sakli， F. Adjustment of cotton fiber length by the statistical normal distribution： Application to binary blends[J]. Journal of Engineered Fibres and Fabrics， 2008，3（2）： 35-46.

[11] 潘维栋. 照影机曲线的理论[J]. 华东纺织工学院学报.1959，3（3）： 109-116.

[12] ASTM Standard D 5866-95， Standard test methods for neps in cotton fibers （AFIS-N instrument）[S]， Annual Book of ASTM Standards， 2002， 7（1）.

[13] GB/T 21293-2007 纤维长度及其分布参数的测定方法阿尔米特法[S].

（作者单位：东华大学）endprint