双色双杂质棉纤维检测系统的设计及应用

董伟辉，袁光辉，冯晓锋，王　瑜，宋　英，魏萌萌

(陕西长岭纺织机电科技有限公司，陕西 宝鸡　721013)

0　引言

棉纤维是纺织工业的主要原料，随着我国质量监督检验体制机制的不断深化，棉纤维质量检验仪器化正在全面实施。目前，棉纤维颜色级差和杂质等级检验仪器主要是乌斯特公司(USTER)的HVI1000型大容量棉纤维测试仪，以及陕西长岭纺织机电科技有限公司研制的XJ128型棉纤维性能快速测试仪和MCG-1型棉纤维颜色级差测试仪[1]。随着科学技术的不断进步，纤检系统要求提高对棉纤维颜色、杂质等级的检测效率。乌斯特公司研发的双色、双杂质HVI1000新型大容量棉纤维测试仪，比原HVI1000型单面测试仪的测试效率提高1倍；而XJ128型棉纤维性能快速测试仪为单面测试，每次测试时操作员需手动翻转才能进行棉样的双面测试，测试效率较低。为促进国产测试仪技术提升，笔者将探讨基于LED光学系统的双色双杂质棉纤维检测技术及其应用研究。

1　结构设计

为了提高棉纤维颜色级差、杂质等级的检测效率，笔者设计了一个对称型测试结构，如图1所示。棉纤维处于上下对称的两个检测系统间，实现同时从棉纤维的两面检测其颜色、杂质等级指标。该结构采用LED光源，保证了检测光源的稳定性，有利于整体结构的小型化。目前，该检测系统单面体积为216 mm×206 mm×110 mm。

1—LED光源；2—CCD相机；3—颜色传感器；4—棉纤维；5—测试窗口。图1　双色双杂质检测系统结构

2　检测原理

2.1　棉纤维颜色级差检测原理

棉纤维颜色级差测量采用光电反射法[2]，棉纤维试样在84 mm×84 mm的测试窗口透镜上被紧密压平后，由两路光源发出的光与被测棉纤维表面法线成45 °角方向进行照射，在0°角的法线上测量被测棉纤维表面的反射光，经色度检测电路把y、z两通道的色度信号转换成电信号，并进行放大处理、采集和模数转换，然后通过RS232串行通信传输到主处理机，由上位机处理软件对y、z两通道的信号进行光谱分析，计算得出被测棉纤维表面的光反射率(Rd)和黄度(+b)，按照色征图算出棉纤维的颜色级。棉纤维颜色测量是在Nickerson-Hunter色度空间进行的，通过对棉纤维样品的XYZ(CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值)计算可以得到棉纤维的反射比(Rd)和黄度(+b)。其亨特坐标的反射比(Rd)和黄度(+b)的计算方程如下[3]：

式中，Y和Z分别是色度传感器输出的棉纤维色度信号。该公式是根据亨特提出的颜色测量坐标系统，使用标准的C光源照射棉花表面，分析棉花的光谱特性而得出。

2.2　棉纤维杂质等级检测原理

棉纤维杂质等级检测采用图像法，图1中的两个CCD相机，在棉纤维上下两面拍照并采集其表面图像，并将此图像传至上位机软件，经过高斯模糊滤波、图像分割阈值寻找，得到二值化图像，清除图像噪声后，对二值化图像统计面积和杂质粒数，得到被测样品的杂质粒数和杂质面积，计算出杂质等级。

2.3　电路设计

电路设计主要针对光源部分，选用稳定性好、寿命长的LED光源[4]。在该系统中，对称安装铝基板、贴片封装的LED光源板，可保证光线均匀和及时散热。

3　实验验证

将研究的检测系统应用在XJ128A型棉纤维快速测试仪上，进行颜色级差和杂质等级的正确性与稳定性实验。

3.1　颜色稳定性验证

对标准色板(编号：3323)的中心板进行8 h测量，具体数据见表1。从测得数据可知，上、下两个颜色系统的Rd和+b指标的稳定性差异值，在稳定1 h后均能达到±0.4的要求[5]。

表1测量色板的稳定性数据统计

测试时间/h中心板上检测系统下检测系统Rd+bRd+b172.58.772.68.6272.68.872.58.5372.48.772.58.5472.58.772.48.4572.48.772.48.4672.58.772.58.5772.48.772.68.6872.48.772.68.6

3.2　颜色正确性验证

使用验收色板(12块)，对上、下两个颜色系统分别进行色泽验收测试，见表2和表3。该系统测试验收色板的Rd和+b的正确性都能够达到验收要求。其中，Rd平均值允差为1.0，+b平均值允差为0.7[6]。

表2上检测系统颜色验收数据

标准值实测值差值Rd+bRd+bRd+b83.14.782.74.4-0.4-0.361.29.661.59.40.3-0.281.714.281.614.6-0.10.456.22.756.02.2-0.2-0.583.64.783.44.4-0.2-0.380.414.080.414.400.455.72.355.41.9-0.3-0.483.74.283.63.9-0.1-0.362.29.262.39.20.1081.414.481.214.9-0.20.554.92.655.32.10.4-0.572.68.572.68.600.1

表3下检测系统颜色验收数据

标准值实测值差值Rd+bRd+bRd+b83.14.782.84.4-0.3-0.361.29.661.59.40.3-0.281.714.281.814.60.10.456.22.756.12.3-0.1-0.483.64.783.64.40-0.380.414.080.614.50.20.555.72.355.51.9-0.2-0.483.74.283.73.90-0.362.29.262.39.30.10.181.414.481.314.9-0.10.554.92.655.32.10.4-0.572.68.572.78.50.10

3.3　纤维杂质正确性验证

使用中纤局杂质验收图像板(编号178p，12块标准板，每块板的允差值各不相同)进行验证，结果见表4和表5。从测试数据可以看出，实测杂质面积Ta和杂质粒数Tc都在允差范围内，按中纤局验收要求，测试数据正确。

4　结论

双色、双杂质棉纤维检测系统安装在XJ128A型棉纤维快速测试仪上，其稳定性和正确性均可满足颜色级差、杂质等级的测试要求，可提高棉纤维的颜色级和杂质等级的测试效率，无需手动翻转棉样即可完成双面检测。本系统的应用研究，将有助于XJ128系列产品的进一步推广。

表4上检测系统杂质验收数据

标准值实测值差值允差TaTcTaTcTaTcTaTc0.1180.1170-10.0220.41150.4016-0.0110.0520.55250.58260.0310.0740.79330.7633-0.0300.0751.00441.07450.0710.0961.81551.7556-0.0610.1470.1980.1970-10.0320.27130.28140.0110.0320.51280.5029-0.0110.0540.86350.8233-0.04-20.0951.22441.1444-0.0800.1160.59290.5827-0.01-20.074

表5下检测系统颜色验收数据

标准值实测值差值允差TaTcTaTcTaTcTaTc0.1180.1170-10.0220.41150.4016-0.0110.0520.55250.56260.0110.0740.79330.7832-0.01-10.0751.00441.07450.0710.0961.81551.7956-0.0210.1470.1980.1970-10.0320.27130.2714010.0320.51280.5128000.0540.86350.8534-0.01-10.0951.22441.1444-0.0800.1160.59290.5727-0.02-20.074

参考文献：