棉纤维长度测量技术的创新性探讨

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摘要:将棉纤维试样用包埋技术进行介质固定，然后进行横向连续10μm渐进切割，每切割一次用CCD图像采集系统摄取横切面放大图像，并输入计算机。通过图像软件技术对数据进行处理，实现单根棉纤维空间立体再造。然后依据空间立体图像，通过计算而得到每根纤维的真实拉直长度。依据新的长度测量技术，可统计计算所有试样中棉纤维的详细长度分布，是纤维长度测量理论与测量技术的一次创新，基于此理论与技术开发的短纤维率测量仪将填补国内空白，纺织应用前景广阔。

关键词：棉纤维；短纤维率；长度测量；包埋；横向切割；图像处理

Abstract: In order to explore the new technology of measuring Cotton Fiber Length, we took the enlarged cross-section images of the cotton fiber samples which fixed by embedding technology and the samples were cut through by 10μm-horizontal progressively. When cutting through was repeated, the CCD image acquisition system would shoot the cross-section and input the computer. Three-dimensional image space of a single cotton fiber was reconstituted by data processing through image software. And the real straightened length of each cotton fiber was obtained by calculating. The new technology of measuring Cotton Fiber Length can be proved to be an innovation which can calculate the length distribution of all cotton fiber samples in detail in China.It can be widely used in Textile Industry.

Keywords : Cotton Fiber ; Short Fiber Content; Length Measurement; Embedding ; Across Cutting; Image Processing

棉花流通体制改革以及检验体制改革实施以来，棉花生产、加工、检验、流通等环节存在的一个个技术难题相继被攻克，纺织行业也得到了空前发展。在纺纱过程中，异纤和短绒含量是两个重要的指标，影响着纱线的质量和制造成本，一直受到高度重视。那么，如何准确掌握棉短绒的含量和分布状况，并合理地控制，是当前研究的重要课题。棉纤维长短一定程度上决定了企业的经济效益，长期以来，人们一直高度关注却又缺乏理想的检测手段，传统的检测方法中，存在着测试结果误差大、不稳定、检测速度慢等缺点，已不能适应现代精细化管理的要求。因此，探讨创新性测量理论，开发创新性测量技术，攻克新的技术难题，很有必要也很重要。本文就从新的棉纤维长度测量理论与测量技术进行探讨。

1国内现有棉纤维长度测量方法及技术优劣分析

1.1棉纤维长度定义

由于棉纤维在自然状态下具有弯曲或者卷曲的特性，因此棉纤维长度的定义有几种，在自然状态下，棉纤维的投影长度为自然长度。纤维在充分伸直状态下的长度，称为伸直长度，也即一般所指的纤维长度。但由于每根纤维测量的难度，又引入纤维束的测量，并依据分布原理定义了纤维的主体长度代替整个纤维束的长度，类似的平均长度、上半部平均长度、长度整齐度等指标就产生了。本文研究的测量长度是指单根棉纤维伸直长度的测量。

1.2长度指标的重要性

长度是棉花纤维品质的一项重要指标，是考核棉花品种优劣的主要内容，也是确定棉花价格的主要依据。在纺织工业中，影响成纱质量的指标主要有纤维长度、强度、细度等。纤维长度指标在纺织工业中具有举足轻重的地位，一般来讲，长度越长、短纤维率越低、长度整齐度越好，棉花的可纺性就越高，落棉率就越低，也越有利于纺纱，长度一致性好的棉花的经济价值就越高。正是由于棉花长度指标的重要性，一直以来人们就想探寻出棉花长度的真实值，从棉花交易有记录开始，人们就一直将长度作为一个重要指标来界定棉花的价值，在现行棉花标准中，长度依然是棉花重要的品质指标之一。

1.3长度指标的检测困境

检验棉纤维长度的方法有逐根测试法、分组测试法和不分组测试法。按照检测手段分为感官检验方法（手扯尺量法）和仪器检验法两大类。逐根测量法是最基本也是最繁琐的方法，一般依靠人工逐根测量，正是因为繁琐，因此仅作为教学研究用。国际标准（ISO）把逐根测试法（样本量500根）这一基础方法作为参照方法，但测试为手工操作，繁琐费时，且在纤维拉直时会带来一些误差。

把随机取样的一束棉纤维从长到短排列起来，可以得到长度分布“拜氏图”，“拜氏图”对于研究棉纤维长度具有很高的指导意义，但由于纺织用纤维很细，1g棉纤维约有22万根，用常规的方法完成排列几乎是不可能的，所以“拜氏图”一般只作为理论分析用。

多年来，人们积极寻求探索测量棉纤维长度指标的方法。但局限于技术的限制，棉纤维长度测试方法的研究多囿于“统计学”思路，现有的检测方法与测量技术，只是局限于对一束棉纤维长度的测量，单根棉纤维的长度只是理论的实验室数据，无法应用到贸易与商业环节。

1.4现有检测仪器的发展及其局限性

机械式棉纤维长度检验仪器的典型代表，也是目前公认的测量比较准确的长度仪器，即Y111型罗拉长度分析仪法（GB/T 6098.1）和Y121梳片式长度仪法（GB/T 13779）。前者测量费工费时，而且测量出的长度数据是一组以2mm为级距分布的修正数据，最终计算得出的长度是主体长度；后者测量较快，但准确度不高，易受操作人员手法、熟练程度的影响。

随着光电技术的发展，又出现了照影仪，代表仪器为上世纪70年代美国思彬莱公司生产的530照影仪，其原理是利用光电技术扫描纤维束获得照影仪曲线，对曲线分析获得长度数据。另外，我国自主研制了Y146光电长度仪法（/T6089.2）。该测试方法优点是操作简便，仪器价格低廉，缺点是测试指标少，重复性、再现性较差，测试得到的光电长度值再与Y111主体长度比较并力求靠近。由于近年来我国标准长度采用照影仪曲线的上半部平均长度，与Y111主体长度有差异，因此基本被淘汰。

2国外长度测量技术的发展现状

国外棉短绒测试常用到AFIS和HVI两种仪器，这两种仪器的短绒界定长度都是12.7mm(即0.5英寸)，AFIS测试仪主要是测试半制品（前期需要对棉样初加工）棉结、短绒和杂质，用来控制半制品质量。而HVI则是测试棉纤维长度、细度、强力、短绒指数、反射率与黄色深度、长度整齐度等棉纤维的性能。AFIS测试是单纤维短绒值，是依据纤维长度照影仪曲线理论测得的长度， AFIS通过称重法和数纤维根数两种方法计算原料中短绒含量，它的值分别被定义为sfc(w)和sfc(n)，两种办法测量的结果相差几倍。HVI则测试束纤维的短绒值，它的值被定义为sfi，HVI的sfi值同AFIS的重量级sfc(w)值相接近。由于它的相对准确度要低，特别是纤维握持长度的误差，实际测量结果均为参考值[1]。

美国USTER公司生产的棉纤维大容量测试系统HVI900、HVI1000系列，其长度测试原理的核心是照影仪曲线。印度近年开发的棉纤维长度测试仪器aQural，测试原理是将试样铺放在梳针排上，采用末端对齐方式，通过各段电压值的对比，确定各长度纤维的百分比含量[2]。

上述的纤维长度检验方法，各有优缺点，但都是考察纤维束，间接获得长度数据，并没有真正把握纤维试样的具体情况。

3棉纤维长度测量技术的突破

能否仪器化实现单根棉纤维的长度测量呢？因为缺乏检测手段，国家棉花标准GB 1103―2007中，缺乏有关短纤维率指标的检测依据。因此开发短纤维率快速检测仪器，满足纺织企业对短纤维指标的需要，已成当务之急。

3.1国外研发动向

目前世界上可用于单纤维测试的只有USTER公司生产的AFIS(Advanced Fiber Information System)，AFIS测试的试样量大，速度快。但由于其刺辊分梳棉条时的高速旋转对棉纤维的损伤作用很大，棉纤维受力而断裂的概率增加，而且在试样准备过程中也会丢失大量短纤维，按照其测试原理，棉样中的棉结和杂质也会被测为短纤维，虽然这些都会被近似修正，但还是不能真实反映棉纤维长度状况。并且AFIS价格昂贵，每台约需人民币140万元，无法做到大面积推广应用。

3.2国内应用现状

现在普遍推行的检验情况又如何呢？从2003年开始，我国全面推行棉花检验体制改革，对棉花加工企业进行升级改造，使用400型打包机，棉包采用227kg的大型包，由纤检部门在加工环节逐包进行HVI检验，分别提供检验数据，以实现对棉花资源的有效利用。当前，借助承检实验室使用的大容量快速测定仪HVI，公证检验可以提供的检验数据有：品级、上半部平均长度、平均长度、长度整齐度指数、断裂比强度、断裂伸长率、反射率Rd、黄色深度+b、马克隆值、含杂率等。在纺纱过程中，棉结和短纤维含量是两个重要指标，它影响着纱线的质量和生产成本，一直受到高度重视，但HVI尚不能提供这两个参数准确的检验数据。

3.3前沿新技术应用于棉花行业的新曙光

随着科技的进步与应用，尖端科学在医学和军事领域应用最广泛。我们借助目前医学解剖与图像应用的尖端科学技术，利用计算机图像采集、处理技术的高速发展，为我们解决棉纤维单根长度测量提供了可能性。北京中棉机械成套设备有限公司科研人员提出了一种站在科技前沿的科学构想，并开始研究开发棉纤维长度自动测试系统，现在已经到了研发的关键时期。

这一构想的基本原理是：将棉纤维试样用包埋技术进行介质固定，然后进行横向连续10μm渐进切割，每切割一次用CCD图像采集系统摄取横切面放大图像，并输入计算机。通过图像软件技术对数据进行处理，实现单根棉纤维空间立体再造。然后依据空间立体图像，通过计算而得到每根纤维的长度，再统计计算可得到棉纤维的详细长度分布状况。

该系统的创新点是应用了现代的图像采集技术和图像数据处理技术。测试的纤维是逐根纤维的长度信息，明显区别于过去的统计学测试方法。测试的结果更加准确、真实。由于棉纤维结直径一般在600μm左右，籽屑结在1000μm左右，最大时可达1400μm。横切面的图像可以识别棉结并准确计数，以确定其含量和大小。

该系统能够完成包括棉纤维在内的多种纤维的长度自动逐根测试，并做相应的数理统计，从而准确把握试样的长度分布状况，以实现从来没有人实现过的棉纤维逐根排列“拜氏图”。有了这些基础数据，棉纤维的长度指标包括主体长度、平均长度、上半部平均长度、短纤维率、整齐度自然可以通过分析获得。这一技术还可以准确获得试样的棉结数量，并且在该系统增加相应模块测试棉纤维细度和成熟度。

这一创新技术的突破与应用，可以精确测量逐根棉花纤维的长度信息。在棉花加工行业、棉花纺织行业、棉花育种行业、棉花研究科研院所、专业纤检机构、絮用纤维检验等行业有着广阔的应用前景。同时由于测试原理的相关性，该技术与仪器也可以测量其他生态纤维类的长度。

4新研发系统的创新性特点

4.1准确性高

针对纤维处理，每次处理的纤维量大，并保证每一根都通过单一的完整检测处理，所以在取样的时候，宏观上可以随机取样，微观上不影响纤维的单一检测，克服了现有的仪器必须精选样本，基础数据统计分析不精确性的缺陷。世界范围内，美国正在组织着手研发新一代棉纤维检测技术，其核心内容也是利用现在电脑图像技术，我们的研究项目与其有相似之处。该方案提供的数据比传统的统计学意义的检测数据更准确、更直接。

4.2检测速度快

现代高速度的计算机技术支持大大缩短了不同样本来源的检验等待时间，在取得大样本纤维数据的同时还可处理单根纤维的数据，这个功能特别适应工厂、实验室、海关等需要多批次、高精度、高速度大样本量处理的单位。

4.3可拓展空间大

该系统在功能模块中添加直径等测量项目可检测纤维成熟度、细度等重要指标，还可以拓展到检测羊毛、羊绒、蚕丝、麻等多种纤维的指标，应用空间与范围很大。

参考文献：

[1]刘从九，徐守东.棉花检验学[M].合肥：安徽大学出版社，2008.

[2]李汝勤，宋钧才.纤维和纺织品测量技术[M].上海：东华大学出版社，2009.

（作者单位：北京中棉机械成套设备有限公司）