双须光电法毛型长度仪的精确度与重现性考核

文/解惠然 衡冲 杨光豪 王府梅 罗胜利

羊毛长度及其分布是评价品质性能的重要物理指标，会直接影响纱线质量、纺纱工艺设计和织物性能等[1]，在商业贸易中长度对羊毛的价格影响重大，是原毛和毛条定价的重要依据之一，所以，准确测量羊毛纤维长度十分重要。

目前，羊毛长度测试的方法主要分为传统测试法和大容量自动测量方法。传统测试法有手排法、梳片法等，测试速度较慢，对技术人员的手工熟练程度要求高，操作过程繁杂；大容量自动测量方法Almeter100长度仪和OFDA 4000测量仪，这两种方法都实现了自动化，但都是进口仪器，硬件复杂，价格昂贵且维护费用高，中小型工厂难以承受。

为能更快速、准确、低成本地测得羊毛纤维长度信息，本课题组经数年研究，探索开发了一种全新的纤维测长方法——双端随机须丛光电法[2-4]（简称双须光电法），可用于测量羊毛、棉、木棉纤维的长度，并研制出采用该方法的毛型纤维长度测试仪1.0版[5]，由于该技术的突破，2019年国标委下达制定中、英文新国标《毛型纤维长度测量法 随机须丛影像法》计划（项目编号20193338-T-424），作为定制国标的部分工作，本文对新仪器进行试用，并测试研究其精确度与重现性考核。

1 双须光电法毛型纤维长度仪概述

双须光电法毛型纤维长度仪由制样装置、光电检测器和控制分析电脑三部分组成。如图1所示，制样夹持器随机夹持纤维随机须条的任意横截面，梳理夹钳两侧的浮游纤维后可得到图2的双端随机须丛，每一须丛包含大约1万根纤维。须丛被送入图3的光电检测器，测量得到双端随机须丛每一点的透光信息，由透光信息计算可得须丛线密度曲线，根据双端随机须丛的线密度曲线F（L）与样品中纤维长度分布函数Pw（L）的理论关系：Pw（L）=L·F"（L）计算纤维长度的频率分布图和根数平均长度、短毛率、长度变异系数等各项指标。

图1 制样夹持器

图2 双端随机须丛

图3 光电检测器

双须光电法纤维测长仪的优势[6-7]在于：（1）制样为双端随机须丛，相较于Almeter100长度仪、OFDA4000测长仪的一端平齐试样硬件简单得多，所耗时间较短，不会丢失纤维，即双端须丛所包含的信息完整、准确；（2）光电检测器的实施方案巧妙，精度高、成本低、方便操作；（3）双端随机须丛相当于纺纱罗拉握持纤维，与纤维长度分布曲线有定量关系，可计算出纤维长度指标和须丛曲线。

本论文首先考核双须光电法毛型长度仪的硬件精确度，然后将现有的标准手排法、Almeter测量法与双须法对比分析，考核双须光电法的精确度，对不同人不同单位使用毛长度仪测试所得的平均长度、短绒率对比，分析其可靠性与重现性。

2 试验设计

2.1 硬件精确度的考核试验

双须光电法长度仪依靠光电检测器得到试样的透光图像分析试样长度信息，需要考核其光电检测器的测长精确度，并考核同台检测器不同位置区域之间以及不同检测器之间差异及准确度。

以手排长度法用的测长工具——透明标准坐标纸为试验材料，如图4所示，检测硬件精确度。坐标纸每个大方格相邻粗实线的距离10mm为标准长度，对同一台检测器的5个不同区域位置以及3台检测器之间的长度测量结果是否存在差异进行测试分析[8]。

图4 透明坐标纸

2.2 新方法整体准确度及与现行方法一致性

新测试法的精确度不但与硬件有关，还与取样方法、试样量等因素有关。选用6种试样验证新测试法与现有方法的一致性，它们是澳毛60s、澳毛70s、澳毛80s、澳毛100s、内蒙古毛64s、新疆毛66s，分别记为1#、2#、3#、4#、5#、6#，6个品种毛纤维的长度和细度覆盖了常见规格范围。

双须光电法长度测试由东华大学完成，执行标准为新国标《毛型纤维长度测量法 随机须丛光电法》草案（研制国标时已将计划标准名改为随机须丛光电法），每种纤维至少测试5个须丛（见图2，一般总计不少于4万根纤维），对长度离散性大的试样采用仪器推荐的保证误差率小于5%条件下的测试须丛个数。Almeter测量法由江苏丹毛股份有限公司完成，执行标准为国标GB/T 21293—2007《纤维长度及其分布参数的测定方法阿尔米特法》。手排法长度测试由上海纤检所完成，参考国标GB 18267—2013《山羊绒》中的长度测量法。Almeter测量法和双须光电法毛长度仪测得的都是重量加权类长度指标，手排法得到的是根数加权类长度指标，为方便比较，由手排法的拜氏图数据在所有纤维线密度相同的假设下换算为重量频率分布和重量加权类长度指标[9-10]。

2.3 新方法重现性考核试验

分别由东华大学、浙江理工大学等单位不同人员对上述6种毛条进行取样、制作双端随机须丛，再选择3台光电检测器中任一台与电脑连接完成测试。通过对比不同操作人员和不同机台的测试结果，分析双须光电法毛长度仪自身稳定性和重现性。

3 结果与讨论

3.1 双须光电法长度仪的传感器精确度分析

现有Almeter毛纤维测长法的硬件缺陷是电容式传感器的灵敏度低、精度低，例如测量矩形板时的输出电压本该为矩形波，而实际获得梯形信号，研究表明其梯形电压从5%升到95%经过长度为7.3mm[11]，所以，此法一直不能用于精度要求较高的棉型纤维。

双须光电法的传感器是CCD。测量时纤维放置方向平行于拍摄图像的像素点的行，参见图5，硬件感知的纤维长度=纤维所占据像素列的合计长度=单个像素点边长×像素点个数。长度测量误差在两个边缘像素点，总误差小于两个像素点的边长之和。毛型长度仪CCD的分辨率为1000dpi，对应像素点边长为25.4微米，则纤维长度测量误差不大于0.05mm，精度远高于现有测试仪器。

图5 双须光电法测长和误差示意图

传感器对须丛厚度（每一像素点上重叠的纤维量）的检测灵敏度是影响测量误差的另一大因素，毛型长度仪用0～255的灰度值变化范围表达每一像素点上重叠纤维根数0～10的变化范围，平均以25个灰度值表达一根纤维的存在，灵敏度和精度很高。

3.2 光电检测器的精确度考核

光电检测器测量可得坐标纸的透光灰度图像，用仪器计算须丛曲线的软件计算坐标纸的线密度曲线[12]，如图6所示，大方格边界粗实线的透射光强最小，则其相应的相对光学面密度系数最大，对应图6中的波峰值，因此可以根据每个波峰值，找到其对应的横坐标值，相邻俩峰值间的横坐标差值就是坐标纸相邻粗实线间的距离。

图6 坐标纸的线密度系数

根据公式（1），分别计算在3台检测器编号为1#、2#、3#的左上区域、左下区域、右上区域、右下区域和中间区域共计5个不同位置的透光灰度图像中相邻粗实线间的平均长度及其与标称长度的差异率，结果如表1所示。

表1 灰度图像中相邻粗实线的平均间距及差异率

由表1可知，检测器1#的不同区域的测量长度与标称长度的差异率在0.152%～0.305%范围，检测器2#的不同扫描区域的测量长度与标称长度的差异率在0.178%～0.279%范围，3#检测器的不同扫描区域的测量长度与标称长度的差异率在0.152%～0.254%范围，3台检测器总体的长度平均差异率为0.213%。这说明，对于长度约为80mm的羊毛纤维，光电检测器的长度误差<0.24mm，与随机抽样误差率控制在5%或2.5%（4mm或2mm）相比，光电检测器硬件的长度测量误差几乎可以忽略不计。说明检测器误差对测试结果影响很小，双须光电法毛长度仪（光电检测器）具有较高的精确度。

上述试验的坐标纸是紧贴在光电检测器的试样台上进行的，而须丛厚度在0～6mm范围，为更全面地考核检测器的精确度，需在距试样台一定高度位置测试长度的准确度，采用上述坐标纸试样对3台检测器试样台的中间平面进行试验，由于表1中不同位置的差异率均很小，选取了中间区域做进一步考核。

将同规格的透明坐标纸放置在厚度3mm的透明光学玻璃上，将其放置在检测器的试样平台上，测量得到坐标纸的透光图像。以上述同样的方法计算试样台3mm高度上的测量长度与标称长度的差异率如表2所示。

表2 试样台3mm高度的测量长度与差异率

表2中，3台检测器在试样台3mm高度测量得到的长度与标准长度的最大差异率为0.228%，说明检测器试样台不同高度位置上的长度测试也具有很高的准确度。

3.3 双须光电法的精确度考核

3.3.1 双须光电法与现行方法的长度指标对比

分别用现行标准的Almeter法、手排法和新定制国标的双须光电法测得6种毛条的纤维平均长度、长度变异系数和短毛率，不同测试法对应长度之变间关系见图7～图9。图中的斜线为纵、横坐标的理想关系即斜率为l的直线；R为两种方法的对应长度指标间的相关系数；平均差值d为两方法测得6种毛条对应长度指标差值的平均值，即图中各点距离斜线的垂直距离的均值，d计算式为：

式中：xi为纵坐标所示的6种毛条的长度指标；yi为横坐标所示6种毛条的长度指标；i=1,2,3……

图7表明，双须法与Almeter法的平均长度一致性很高，两者的相关系数为0.90。但是，Almeter法的平均长度普遍高于双须法约10mm，这并不能判定双须光电法测的长度偏低，因为所用Almeter仪器没有经过计量，而双须光电法硬件经过第2.2节的精确度考核。另外，两方法的长度变异系数和短毛率也基本一致，但是，Almeter法的长度变异系数和短毛率普遍低于双须光电法，分析原因是Almeter仪器的电容式传感器灵敏度低，电容极板宽度（约8mm宽）对长度不匀信号有过滤作用，导致短毛率和长度变异系数偏低。

图7 双须法与Almeter法对应指标的关系

图8表明，双须法与手排法的平均长度一致性很高，两者相关系数为0.89。但是，二方法的长度变异系数和短毛率一致性明显比较低，其原因在图9看得更清楚，手排法与Almeter法的长度变异系数和短毛率一致性也很低，平均差值也较高，分析认为这是手排法试样量太少、数据不稳定的原因。

图8 双须法与手排法对应指标的关系

图9 Almeter法与手排法对应指标的关系

3.3.2 双须光电法与现行方法的长度分布对比

选择与手排法测试换算的频率分布图对比，原因是Almeter测量法使用的电容传感器灵敏度不够，已经导致短毛率和长度不匀率偏低，说明频率分布也不够准确。

图10是双须法与手排法测试的频率分布图对比，可以看到两方法测试的纤维长度分布的主峰位置、分布范围和分布规律都是一致的，由于存在随机取样的差异使得两测试方法的频率分布不会完全重合。这表明双须法的纤维长度分布可信。

图10 两种方法测试6种试样的频率分布对比

3.4 双须光电法毛型长度仪的重现性考核

不同人制样、采用不同机台测试获得6种毛条的长度指标如表3所示，表中最后一行的CV值表示不同人使用不同机台测得同一长度指标的离散程度（变异系数）。

表3 不同人、不同机台的双须法测试结果

续表3 不同人、不同机台的双须法测试结果

由表3可知，平均长度的CV值在2.35%～3.22%范围，短毛率的CV值在2.22%～3.97%之间，都小于4%。而长度变异系数的CV值在1.82%～5.47%范围，也小于6%。这说明双须光电法毛型长度仪具有很高的重现性，这优势出自该方法使用的高精度传感器和大试样量测试。

4 结论

（1）双须光电法毛型长度仪的CCD传感器测量误差不大于0.05mm，精度远高于现有纤维长度测试仪；同一检测器的不同测量位置以及检测器不同机台测量的长度差异率都小于0.3%，毛长度测量的绝对误差小于0.2mm，表明毛长度仪硬件设备的精确度很高。

（2）双须法与手排法、Almeter测量法的平均长度一致性很高，且双须法与手排法的频率分布规律一致；不同人制样、采用机台测得同一长度指标的CV值很小，即该仪器的重现性很高，测试结果正确可靠。