原棉地膜异纤检测技术浅析

张得旺

(陕西长岭纺织机电科技有限公司，陕西宝鸡，721013)

随着机械化种植、采摘技术的不断发展，棉花的种植采摘也随之发生了改变。近年来，我国逐步加大了棉花机械采摘改革的力度，机采棉逐渐增多，尤其是新疆主要产棉区[1]。机采棉的推广，虽然减少了人工采摘时头发、丙纶丝等异纤对原棉的污染，但是不可避免地增加了地膜对机采棉的污染。我国也采取了许多措施控制地膜对原棉的污染，但仍然没有彻底解决该问题。本文根据原棉中地膜的物理特性，对当前地膜检测技术进行了分析，为棉纺行业的地膜清除提供解决方案。

1 地膜特性

检测原棉中含有的地膜，需要分析两者的特性差异。从材质来说，地膜属于PE材料，表面平整光滑，而棉花属于植物纤维，没有平整表面；从颜色上来说，地膜是透明或半透明的，隔年地膜可能偏黄，而棉花是不透明的白色；从密度来说，地膜密度比棉花大；从光学上来说，地膜经过撕扯，呈现透光率、反射率各向异性，而棉花为无规律纤维团，不论透射还是反射均没有方向性，呈现漫射、漫反射。

2 地膜检测技术分析

目前，不同品牌的异纤机大多具有地膜检测功能，但各种异纤机根据不同的地膜特性采用了不同的检测技术来识别[2]。这些检测技术主要有红外线检测、超声波检测、偏振光检测。偏振光检测又分为透射偏振光检测和反射偏振光检测。

2.1 红外线检测技术

在异纤机中，红外线检测技术是通过卤素灯发出波长1 000 nm左右的红外线照射被测物，利用红外光敏器件采集不同材质物体对红外线的反射强度来识别异纤。采用该技术检测地膜的代表机型是USTER的异纤机。

地膜是化学材料，而棉花是植物纤维，由于是由不同的基团组成，有不同的振动方式和频率，如果入射光频率与其振动频率一致，则入射光会比较明显地被吸收。通过分光光度计可以观察到这两种材料在波长1 000 nm附近的近红外区有着不同的吸收特性[3]，地膜与棉花红外光谱吸收曲线如图1所示。棉花对该波段的红外线吸收非常强，而地膜基本没有吸收，红外光敏器件采集的红外线反射图像中，棉花呈现深色或近似黑色，而地膜则呈现出一定的亮度，根据采集图像中亮度的不同，通过设定图像分割阈值来区分棉花和地膜，最终达到检测的目的。采用该技术检测地膜，其识别率是目前市场上最好的。

(a)地膜

(b)棉花

在实际应用中，由于环境温湿度的变化，引起原棉的温度和回潮率不同，对红外线的吸收也产生差异；卤素灯发热大、寿命短，需要经常更换光源，并根据光源调节参数。因此，该检测技术受环境温湿度等因素的干扰，需要不断调节检测参数，运行维护成本高。另外，由于红外光谱仪在军事上应用较多，被列为国外对中国重点封锁技术之一，无法采购；而国内红外线高速线阵相机分辨率低、成本高，光学组件加工精度要求也很高，目前国内无法加工生产。因此，对于棉纺织行业而言，该技术在国产异纤机上无法运用。

2.2 超声波检测技术

国外的LOPTEX型异纤机采用超声波检测原棉中的地膜[4]。其工作原理是将40 kHz的超声波发声器件布置成一行，连续向被测物发射超声波；然后使用一行超声接收器件采集被测物反射的超声波，根据反射波的强度区分棉花和地膜。

由于棉花是多纤维杂乱组成的蓬松纤维团状，没有平整的表面，对超声波具有非常好的吸收特性，而地膜密度高，表面光洁，对超声波有较强的反射；在使用吸收材料作为背景的超声检测区域内，因背景无法完全吸收超声波，会产生一定强度的背景噪声，地膜与棉花超声反射强度曲线如图2所示。如果棉花经过超声发射器件与背景之间的检测区域时，棉花会首先吸收超声波，超声接收器件接收的反射超声波强度比背景噪声还要低；而如果地膜经过检测区域时，地膜对发射的超声波首先产生漫反射，超声接收器件接收的超声波强度曲线呈剧烈振荡状态，根据接收到的波形，通过设定的波形强度阈值或波形特征来区分棉花和地膜。

(b)棉花

但超声波检测也存在不可避免的缺点。超声波在空气中的传输速度为342 m/s，只有光速的十万分之一；声波的定向性不好，无法准确定位较小地膜的精确位置，也无法检测到较小的地膜；超声波检测装置的周边环境噪声对检测准确性干扰很大，容易误判；环境温湿度变化直接导致声波传输速度、声强衰减的变化，需要不断调整补偿因子，运行稳定性差。因此，该类异纤机在长期使用中地膜的平均清除效率不尽如人意。

2.3 透射偏振光检测技术

透射偏振光检测技术是2014年前后开始应用于地膜异纤检测的[5]。透射偏振光检测是利用对白光光源进行线偏振调制，调制后的光线透过被测物时，会产生不同程度的偏振角度旋转，然后利用正交的线偏振相机检测旋转角的变化来完成地膜识别，类似于液晶屏的工作原理。

首先对白光光源进行单角度偏振调制，让360°自然光变成0°或90°的单向偏振光，然后用调制完成的偏振光照射被测物。由于棉花纤维无序排列，透射光线为漫散射，光线的偏振特征消失，而地膜由于老化、开松撕扯，导致厚度出现不同，对偏振光线的透过产生异向性，发生偏振角旋转，不再是0°或90°。其次通过具有正交检偏功能的相机采集这些透射光线，将不同偏振角的光线转换成图像的RGB分量，然后各分量进行预处理运算。此后可以发现，背景由于偏振正交，无法透过光线，各分量均为0°，呈现黑色，棉花由于没有偏振性，RGB各分量基本相当，相减后消除，呈现黑色，而地膜仍然保留有偏振特性，呈现出彩色，根据图像的色彩信息最终实现地膜的检测，透射偏振光检测的地膜图像如图3所示。该类异纤机的实际应用表明，其地膜检测效率只能达到40%左右。

透射偏振光检测技术的最大优点就是设计便于实现且成本低，但由于要采集透过被测物的偏振光线，所以存在检测缺陷。即地膜的前后均不能有棉花遮挡，否则会导致偏振特性消失，无法识别地膜，而在生产中，不可能保证每个地膜均没有遮挡，因此检测效率不理想。

图3 透射偏振光检测中的地膜图像

2.4 反射偏振光检测技术

反射偏振光检测技术的原理与透射偏振光检测技术的原理类似。首先对白光光源进行线偏振调制，调制后的光线照射被测物，不同的被测物对偏振光进行反射，然后利用多偏振角的偏振相机来检测反射光线旋转角的变化，从而完成地膜识别。

该检测技术首先对白光光源进行单角度偏振调制，让360°自然光变成0°或90°的单向偏振光，然后用调制完成的偏振光照射被测物。由于棉花纤维无序排列，反射光线为漫反射，光线的偏振特征消失，在不同偏振角度上的投影值基本相当，棉花呈现出白色；而地膜透明且表面平整，上下表面的反射光线产生干涉，发生偏振角旋转，不再是0°或90°；最后通过多角度检偏功能的相机采集这些反射光线，将不同偏振角的光线投影到不同的偏振分量上，并转换成图像RGB分量形成彩色图像，然后根据图像颜色完成地膜的识别，反射偏振光检测中地膜和棉花图像如图4所示。该类异纤机的实际应用表明，其地膜检测效率能够达到70%以上。

由于反射偏振光检测技术采用了多偏振相机，所以成本较透射检测高，但比红外线检测技术仍然具有价格优势，是国内目前最容易实现的检测技术，具有稳定性高、地膜清除效率稳定、定位准确、反应灵敏等特点。但也有一些缺点，如不容易识别很脏的地膜或老化严重的地膜；也无法识别被棉花遮挡前表面的地膜。

综合上述4种检测技术分析，红外线检测和偏振光检测均属于光学表面检测，具有稳定性高、精度好的优点，但都无法识别被棉花包裹的地膜；而超声波检测由于超声波具有一定的穿透效应，可以检测到部分被棉花轻微包裹的地膜，但由于其识别精度差，最终效果反而不如光学检测。基于上述分析，为了解决当前机采棉广泛使用而导致的地膜异纤清除难题，要求异纤机必须具有良好的地膜检测清除技术；另外考虑到棉纺织行业的成本控制要求，采用反射偏振光检测技术来识别地膜是目前国产异纤机地膜检测技术中最具有性价比的设计方案。

3 结束语

机采棉的广泛使用使得地膜异纤清除成为当前异纤机设计的重点。通过对棉花与地膜异纤从表面光洁度、材质、颜色、透明度等不同物理特性方面进行对比，根据不同的物理特性分析了当前地膜异纤的主要检测技术，并针对各种检测技术分析其各自的优点与缺点，结合国内光学器件技术水平和纺织行业现状进行综合分析，认为反射偏振光检测技术是当前国内解决地膜异纤行之有效的技术方案。