麻棉混纺织物纤维含量自动分析仪的研发

麻纤维具有透气、吸湿、防静电、抗霉杀菌等优良特性，俗称“天然纤维”之王[1]。在纺织品中，纺织用的麻纤维最常见的有亚麻、苎麻和大麻，且通常与棉混纺。但麻和棉都是植物纤维素纤维，混纺后既不能用化学分析方法测定其成分含量，也不能用机械的方法将它们分开[2]。只能用物理法对其进行定量，通过人工操作纤维细度分析仪进行试验。但是这个方式存在耗费时间长、检测人员容易疲劳、稳定性无法保证等问题。

当前，越来越多的高端技术不断运用到纺织业，其中AI技术在纺织领域具有广泛的应用场景。本文针对棉麻定量方法进行了智能创新改进，利用AI纤维成分定量分析仪（型号：FC-1）对试样玻片进行拍照以及对图片切割处理分类，最后通过软件计算来定量。通过大量的图片对仪器进行训练学习，并试验对比AI纤维成分定量分析仪和传统人工显微镜检法的测试数据差异。

1 测试原理

1.1 测试标准依据

我国现行的麻棉定量标准主要有FZ/T 30003—2009《麻棉混纺产品定量分析方法纤维投影法》[3]和SN/T 0756—1999《进出口麻/棉混纺产品定量分析方法纤维投影仪法》[4]，本试验均以FZ/T 30003—2009《麻棉混纺产品定量分析方法纤维投影法》作为标准测试依据。

1.2 试验原理

将麻棉混纺纱制成载玻片，放在纤维投影仪下面观察和分别计数混纺的两种纤维的数量，即两种纤维的根数，再分别测量出两种纤维各自的直径，从而计算出各种纤维的重量百分比。其计算公式如（1）～（5）所示。

式中：

X1——麻纤维的计算重量百分含量，%；n1——麻纤维的折算根数，根；n2——棉纤维的折算根数，根；d1——麻纤维的平均直径，μm；d2——棉纤维的平均直径，μm；ρ1——麻纤维的密度，g/cm3；ρ2——棉纤维的密度，g/cm3；R——苎麻纤维的重量百分含量（净干含量），%；H——大麻纤维的重量百分含量（净干含量），%；F——亚麻纤维的重量百分含量（净干含量），%；X2——棉纤维的重量百分含量（净干含量），%；A——麻纤维的重量百分含量（净干含量）（苎麻A=R，大麻A=H，亚麻A=F），%。棉麻纤维密度采用FZ/T 30003—2009附录D纤维密度。

1.3 AI纤维成分定量分析仪学习训练

在测试之前，需对AI纤维成分定量分析仪进行训练，根据各纤维在显微镜下纵向面形态特征，建立大数据库，并不断地训练纠错。在显微镜下，棉纤维的纵截面扁平带状、天然转曲，麻纤维有横节、轮廓硬朗，如图1和图2所示。

图1 棉纤维纵面图

图2 麻纤维纵面图

由图1和图2可知，在显微镜下，棉、麻都有足够的典型特征加以区别。在制成的玻片背景较为干净单一的前提下，如图3所示，AI可通过大量样品进行有效的训练，建立大数据库。经过训练，AI 的图像识别精度不断增加，识别度达98%以上，趋于稳定。通过AI对纤维自动分类后，再通过图像处理算法对其测量直径，最后根据公式（1）～（5）算出麻、棉的重量百分比，结果情况如图4所示。

图3 AI识别精度变化

图中棉的可能性是82%，麻的可能性是95%。

图4 麻棉模型最终的识别结果举例

2 试验部分

2.1 试验仪器

传统显微镜法：哈氏切片器、玻璃载玻片、玻璃盖玻片、液体石蜡、CU-6型纤维细度分析仪。

AI自动分析法：哈氏切片器、玻璃载玻片、玻璃盖玻片、液体石蜡、AI 纤维成分定量分析仪（FC-1）。

2.2 试验样品

棉、亚麻混纺样品10个，试样编号为1#～10#；棉、苎麻混纺样品10个，试样编号为11#～20#；棉、大麻混纺样品6个，试样编号为21#～26#。

2.3 试验操作

为了确保试验结果的稳定性，排除样品不均匀引起的误差，对于同一份试样，传统显微镜法和AI智能法都是用同一个载玻片对该试样进行先后测试。

2.3.1 传统显微镜法操作

对于纤维根数的计数：将制好的载玻片放在纤维细度分析仪的载物台上，打开CU-6纤维细度分析仪软件，选取标准FZ/T 30003—2009，从靠近视野的最上角或者最下角开始计数。当载玻片沿水平方向缓缓移动越过视野时，识别和计数纤维，在越过视野的每一个行程后，按载玻片与盖玻片接缝处液体石蜡形成的痕迹为标志，将载玻片向上或向下垂直移动一个视野，然后再反方向沿水平方向缓缓移动越过视野，识别和计数纤维，重复操作直至载玻片上的全部纤维数完，其计数根数应在1000根以上。

对于纤维直径的测定：将制好的载玻片放在纤维细度分析仪的载物台上，打开CU-6纤维细度仪软件，调焦至每根纤维边缘清晰，测量纤维长度中部宽度作为直径，每种类型的纤维要测量200根以上。

2.3.2 AI自动分析法的操作

将制好的载玻片放在AI 纤维成分定量分析仪的显微镜载物台上，打开AI麻棉智能定量软件，选择要测试的纤维种类，微调显微镜直至成像清晰，点击“开始”即可。整体设备及棉麻定量界面如图5、图6所示。

图5 AI纤维成分定量分析仪

图6 棉麻定量界面

表1 棉、亚麻混纺样品测试结果比较

表2 棉、苎麻混纺样品测试结果比较

表3 棉、大麻混纺样品测试结果比较

3 结果与分析

对26份样品进行对比测试，其中棉、亚麻混纺样品测试结果如表1所示，棉、苎麻混纺样品测试结果如表2所示，棉、大麻混纺样品测试结果如表3所示。其中的测试时间为平均测试时间，不含制备样品时间。

由表1～表3可知，26个棉、麻混纺试样中，传统显微镜法与AI自动分析法检测结果的最大绝对误差是棉、苎麻混纺，其中试样19#达到3.79%。在总的试样中，绝对误差不超过2%的有20个试样，占总试样量的77%，满足标准允差（2%以内）。

在检测结果稳定、误差小的同时，AI自动分析法将测试时间由50min缩短为5min，使检测速度提升了10倍。

另外，对于第三方检测机构而言，FZ/T 30003—2009要求一个试样至少做两次，而且两次试验结果之差在±2%以内方可出具报告，若采用AI自动分析仪来测定麻棉混纺织物纤维含量，则检测效率将会大大提高。

4 结论

本文利用AI自动化技术，通过不断训练学习，完善数据库，研究了麻棉混纺织物的纤维含量测试的新方法。试验数据显示其测试结果稳定、高效、消除人为误差，将AI自动测试仪运用到纤维含量检测中，既可提高行业内竞争水平，也大大降低了检验员的工作强度，可为企业和第三方实验室提供强有力的帮助。