羊绒长度的仪器化检测方法

戴千惠，王 喻，陈丽君，徐广标，王府梅,b

(东华大学 a. 纺织学院；b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

羊绒纤维的长度及其分布特性是评价羊绒品质的重要指标，直接影响纱线的性能、织物的品质及其售价，也是纤维贸易、原料选配、制定纺纱工艺及产品质量控制的重要依据[1]。

现有的羊绒纤维测长方法主要是手排法。2014年开始实施的GB 18267—2013《山羊绒》[2]明确规定了各类山羊绒的颜色分类、标准样品的制备方法，以及纤维平均长度、长度变异系数、短绒率等主要长度指标的计算公式。然而手排法耗时长、工作量大、效率低，易受测试人员主观因素的影响，且目前技术工人流动性大、用工成本高，因此，使用仪器化检测方法快速准确测得羊绒纤维的长度迫在眉睫。

2016年颁布的纺织行业标准FZ/T 20028—2015《分梳山羊绒纤维长度和长度分布的测定 光电法》[3]，其基本原理是棉纤维长度测试中运用的Hertle照相机原理[4]。目前测试羊绒长度的代表性仪器是德国Textechno公司生产的Fibrotest纤维长度分布测试仪和意大利生产的Classfiber测试仪。该类仪器主要由制样装置、纤维透光信号测量系统和计算机分析软件3部分组成[5]，具有取样量大、测试效率高、操作简单、不易受测试人员影响的优点，但一直未得到推广。这主要是由于该测试方法存在明显缺陷，比如：取样不理想，1根纤维可能同时被多个梳齿钩挂[6]，而该测试方法所依据的Hertel照影机原理认为每根纤维仅被1个梳齿钩挂，棉纤维长度测试数十年的应用实践证明，由该方法获得的长度变异指标及短绒率没有应用价值；制样时毛刷辊只在须丛表面刷1次，须丛内部和夹持线附近的浮游纤维还尚未清理干净；该系统在距须丛夹持线3.8～60 mm区间测试[5]，使得传感器不能测量完整的须丛，导致待测须丛中长度不在3.8～60 mm的纤维数据丢失，直接影响纤维短绒率、根数平均长度等指标的准确性。

Uster公司开发了Almeter羊绒长度检测仪，其原理和应用详见GB/T 21293—2007《纤维长度及其分布参数的测定 阿尔米特法》[7]。但实际中很少有相关公司和单位采用该类仪器检测羊绒长度，主要是由于该检测仪采用的电容传感器灵敏度很低，而羊绒纤维长度试验测量值与标准测量值的允差小于2 mm，并且羊绒梳理所用梳片的间距为5 mm，导致理论上应该一端平齐的羊绒试样实际排齐端的最大差异为5 mm[8]。

羊绒光电法和Almeter法还存在一个共同缺陷，即针对卷曲度不同的纤维，用统一的卷曲修正系数给出长度指标。对比光电法制得的仍处于自然卷曲状态的羊绒(见图1)与手排法中羊绒的伸直状态(见图2)可以看出，现有仪器制样与手排法制样存在差异，因此用统一的卷曲修正系数将导致不同卷曲度或不同品质羊绒的长度测试结果出现误差。此外，现有仪器结构复杂，价格昂贵，维护保养费用高，中小型工厂难以承受。

笔者课题组经多年研究研发了一种新型双端随机须丛光电法测长方法，该方法已用于棉、羊毛长度[1]的检测，但由于不同种类纤维的表征指标(纤维的卷曲、长度、颜色、鳞片、粗细等)不同，因此该方法还不能直接用于检测羊绒的长度，需结合羊绒纤维的特性改进算法，同时为了使测试流程科学省工还需补充完善控制分析软件的操作方法和功能。其原始的制样方法是：用现有的引伸器(相当于纺纱机的罗拉)初步制作随机分布的纤维生条；用夹持器随机夹取纤维条的任一横截面(见图3)，梳去夹持器两侧的浮游纤维，制得双端随机须丛试样；用自制的测量须丛透光信号的高精度数码仪器获得双端随机须丛透光图。笔者课题组还推导出该检测方法的理论基础和关键算法：(1)随机须丛线密度曲线F(l)与纤维长度l分布曲线的理论关系pw(l)=lF''(l)[9]；(2)考虑纤维吸光和光散射特性的Wu-Wang面密度计算方法和标准须丛曲线计算方法[10]；(3)纤维长度频率分布曲线的离散型算法[11]。

本文基于以上基础理论、技术和硬件的支持，研究开发羊绒长度的仪器化检测方法，需解决分梳羊绒双端随机须丛制样与信号获取、信号分析参数选择、控制分析软件设计3方面问题。

1 羊绒双端随机须丛的制样与信号获取

1.1 双端随机须丛的初步制作

纤维制样是整个检测方法的基础，由于羊绒纤

维具有超高卷曲，不能采用现有的引伸器制作纤维条。参照GB 18267—2013《山羊绒》中抽取小样的方法，利用自主设计的夹持器制作双端随机须丛。具体操作[6]如下：将参照《山羊绒》标准方法抽取的羊绒散纤维混合均匀，铺放在25 cm×20 cm的试样盒中，然后盖上开有22孔的上盖(见图4(a))；用镊子从每一孔中夹取一束纤维(约5 mg)，双手食指和拇指将被镊子夹持过的一段纤维手扯至平行伸直后，放入专用夹持器中，再从下一孔中夹取一束纤维并重复上述操作。纤维铺放均匀，且汇集到夹持器的纤维总质量为20～50 mg、宽度达4～5 cm后，闭合夹持器，用专用排梳去除夹持器两侧未被夹持的浮游纤维。双端随机须丛的初步制作工具及方法如图4所示。

1.2 高温消除羊绒纤维的大卷曲

初步制得的羊绒须丛中的纤维卷曲度远大于手排法制得的纤维，由于不同羊绒的卷曲度差异较大，若用该类试样测量会导致纤维长度严重依赖于卷曲度，因此，需要消除夹持器上两侧纤维在摩檫力作用下能够伸直的卷曲。具体方法为：用专用毛刷梳直夹持器一侧纤维的同时，在毛刷后紧跟条形恒温(150 ℃)夹板(见图5)，使毛刷和夹板同速运动，利用二者和须丛产生的摩擦力梳直并固定纤维的伸直状态，使双端随机须丛中纤维的伸直状态接近手排法制得的纤维状态(见图7)。

1.3 双端随机须丛透光信号的获取

采用载样器将双端随机须丛试样移入课题组研制的光电检测器(见图6)，用计算机控制光电检测器测量双端随机须丛，得到透光数字信息(见图7)，然后由每一点的透光率计算该点面密度以及须丛任一横截面的纤维量与位置的关系曲线(简称须丛曲线)[10]，进而计算纤维的长度分布曲线和指标。

2 信号分析参数的选择

本文信号分析的技术路线是：采用Wu-Wang面密度算法[10]根据须丛透光信号计算面密度矩阵，然后计算并绘制须丛的线密度曲线[9]，最后用离散型算法[11]计算长度频率分布曲线和长度指标。具体实施需要解决以下两大问题。

2.1 光学参数的选择

由Wu-Wang面密度算法可知，纤维的面密度系数与各种纤维的光学参数R∞(纤维无穷厚时的反射率)有关，而R∞与纤维的组成物质(涉及纤维的品种、颜色、鳞片、粗细等)有关。因此当不同种羊绒纤维有明显的颜色差异时，应选择对应的R∞，否则无法获得准确的纤维面密度系数，还会影响测试精度。常见的羊绒原料分为白绒、青绒、紫绒3类，且各样品的颜色深浅明显有别。分别采集12种不同种类、不同颜色的羊绒样品，依次编号为1～12，用Datacolor 800型分光测色仪测得各样品的光学参数R∞(见表1)，光学参数R∞取值范围为0～100%。

表1 不同颜色羊绒样品的光学参数R∞

在每次分析须丛透光信号之前，需要将待测试样的颜色与羊绒比色卡进行对比，选择与比色卡中颜色最接近的样品的光学参数，或选择与比色卡中颜色最接近的2种样品的光学参数，用插值法计算得到该试样的光学参数。

2.2 保证误差率条件下的应测须丛个数

由于羊绒须丛是随机抽样制得的，测试结果会有所波动，为减小这种随机误差，需制取多个须丛试样，测试并求取平均值。目前，很多随机抽样试验的测试标准规定了试验次数，如采用手排法测量羊绒长度时规定至少2人进行试验并求取求平均值；当2人测试结果(根数平均长度)差异大于2 mm时，3个人进行试验并求取平均值。同理，为使检测结果更加准确，也需研究应测须丛个数。

相比批量样品中的纤维数量来说，须丛试样的数量是非常少的，因此可视纤维总体是无限的，根据式(1)[12]计算应测须丛个数。

(1)

式中：n为保证误差率时应测的须丛个数；tα为显著性水平α时t分布的临界值；C为同种纤维各须丛间根数长度的变异系数(%)；d为保证误差率(%)，纺织领域一般取5%。

为确定应测须丛个数，需通过试验获取不同种类羊绒纤维各须丛间根数长度的变异系数。随机选取5个样品进行试验，分别编号为1#、2#、3#、4#和5#，各样品分别制取6个双端随机须丛，以6个须丛所得根数长度的平均值作为该样品的根数长度值。

各样品6个须丛间的根数长度平均值、根数长度变异系数和保证误差率为5%时应测须丛个数如表2所示。当显著性水平α=0.05，n=6时，查表得tα为2.45。

表2 保证误差率为5%时不同种类羊绒纤维样品的长度指标

从表2可看出，当α=0.05且保证误差率为5%时，不同种类羊绒纤维的根数长度变异系数差别较大，应测须从个数向上取整最大为8、最小为3。这说明不同批次羊绒的长度离散性存在差异。长度离散性大小与该批次羊绒生产加工中的很多因素有关，如羊种的均一性、剪绒或抓绒时间的均一性、绒毛分梳时不同原料的混并等。

若采用统一的须丛测试个数，保证误差率为5%时，至少需要制作8个须丛，这对只需制作3个须丛就可达到标准的样品而言无疑增大了工作量。为提高工作效率，笔者课题组研究确定羊绒长度测试方案，即采用统一的保证误差率但不要求各类羊绒试样采用相同的应测须丛个数。对于任一种类羊绒，先取最小须丛个数3进行制样与检测，若测得的结果能够满足保证误差率为5%的要求，则测试结束；若测得的应测须丛个数不能满足保证误差率的要求，则增加须丛，直至达到保证误差率要求为止。因此，本文为使测量工作量最小且能保证测量结果的准确性，在羊绒仪器化测试方法中增加了添加须丛个数和剔除不规范须丛的功能。

3 控制分析软件的设计

控制分析软件的主要任务有：控制光电检测装置，获取每一个双端随机须丛的透光图像；调用数据库，将须丛透光图导入测试系统(即控制分析软件)，初步处理信息；根据“应测须丛个数”和测试人员的需求选择增加或删去须丛；计算最终结果得到主要长度指标(包括纤维根数加权平均长度及短绒率，重量加权平均长度及短绒率)、须丛曲线和长度分布图(包括根数频率分布图、重量频率分布图、拜氏图或手排图)等。实现上述任务的控制分析软件的执行流程如图8所示。

在试验开始之前，为使测试人员更好地理解并掌握羊绒控制分析软件的使用流程，本文对操作中较难理解的3点进行详细解释说明。

(1)判断是否继续添加须丛。当计算得到的应测须丛个数(即推荐须丛个数)不小于3时，界面会跳出如图9所示的对话框询问测试人员是否继续添加须丛，测试人员按“已测须丛个数不小于推荐须丛个数”的要求进行操作，选择“是”则测试人员需继续制作须丛并进行测试，选择“否，生成结果”则结束试验，计算最终结果如图10所示。测试人员每添加1个须丛，测试软件都会重新计算应测须丛个数，并跳出如图9所示的对话框。

(2)中断试验。如果测试人员需中途休息，且当进行测试的须丛个数小于3或应测须丛个数时，测试人员需点击界面的“保存并关闭”按钮，或点击对话框中的“否，生成结果”。已经导入测试软件的须丛透光图会自动保存，下次试验时可再将图提取出来，并和后续制作的须丛一起计算得到最终测试结果。

(3)去除不规范须丛。若发现测试结果异常，可查看已存入测试软件中的各个须丛图像，若确认某一须丛属于不规范试样(如梢部纤维弯折、覆盖异物等)，测试人员可勾选规范须丛的图计算得到最终结果。

至此，一个完整的羊绒长度的仪器化检测方法已逐一实现。该方法目前还处于不断改进和完善的过程中，但已具备成本低、易操作、效率高及测试结果准确等优点。

4 结 语

本文在笔者课题组已有的理论、技术和硬件基础上，研究解决了分梳羊绒的双端随机须丛制样、信号分析参数选择、控制分析软件设计3方面的问题，构建一个完整的分梳山羊绒长度仪器化检测方法。

(1) 分梳羊绒的双端随机须丛制样：提出随机须丛的规范取样和制样方法，用恒温(150 ℃)夹板消除羊绒纤维的大卷曲，使纤维伸直状态与手排法接近。

(2) 仪器化试验参数的选择：根据羊绒的颜色差异选择对应的光学参数，根据同种纤维各个须丛间的根数长度变异系数，计算保证误差率为5%时的应测须丛个数。测试软件从原始检测方法中只能选择单一光学参数和固定的应测须丛个数，发展到现在可根据纤维颜色差异选择不同光学参数，以及与所测纤维试样离散性差异所对应的应测须丛个数，明显降低了工作量并提高了结果的准确性。

(3) 控制分析软件的设计：研制的新检测仪更新了所有的显示界面，添加了推荐应测须丛个数的功能，最终能显示更全面的长度指标、须丛曲线以及长度分布图。