基于线阵CCD的纱线常发性疵点检测研究

王延蒙，付晓艳，张朝彪

(1.济宁职业技术学院，山东 济宁 272073；2.陕西纺织器材杂志社有限责任公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

纱线常发性疵点实质上反映了纱线截面内纤维根数分布的均匀度以及纱线短片段内纤维分布及其结构的均匀度，其数量是纱线品质的重要参考指标[1-2]。近年来,随着棉纱质量和织布、染色质量要求越来越高，纱线常发性疵点的危害越来越显著，棉纺企业对其控制也越来越精细，测试统计指标范围也从-50%细节、+50%粗节、+200%棉结的千米指标发展到-40%细节、-50%细节、+35%粗节、+50%粗节、+140%棉结、+200%棉结、+280%棉结的千米指标。

1 纱线常发性疵点统计法存在的不足

常用的纱线常发性疵点统计方法包括黑板法和仪器测试法[3]。其中，黑板法又称为“目光检测法”，是将选出的纱线段按一定密度均匀地绕在一定规格的黑板上，在一定光照条件下投影放大，根据黑板上纱线形成阴影面积的深浅、大小，与标准样板对比，判断纱线中粗节、细节、棉结等疵点的大小和数量，比较直观、方便，在实际生产中得到了广泛的应用。但其对纱线疵点的判断由人工确定，结果受人为因素影响大，效率低且无法进行实时监测。

仪器测试法通常基于电容式传感器检测原理，根据电容极板间电荷量的变化计算纱线直径。徐国香[4]等采用乌斯特电容式条干仪测试纱线质量，通过波谱图统计纱线疵点数量；华海涛[5]等基于电容式传感器设计开发纱线质量检测系统，实现纱线实时检测；赵桂安[6]等设计电容式条干仪测试程序，能够同时测量纱线质量不匀和外观不匀。电容式传感器要求环境恒温、恒湿，从而导致其应用受限；光电传感器具有较好的抗环境干扰性，能够精确检测纱线的细节特征。盛国俊[7]等设计了可以检测纱线粗节和细节的光电检测系统；周国庆[8]等利用CCD传感器、采用斜率滤波算法，实现纱线直径的精确测量。上述检测方法的算法较复杂，且无法在生产实践中直接统计纱线常发性疵点的数量。

针对以上问题，笔者基于线阵CCD测量的基本原理，设计纱线常发性疵点在线测量系统，以实现纱线疵点数量的快速统计。

2 线阵CCD测径原理

为实现纱线直径在线动态测量，需使纱线保持一定的速度通过线阵CCD传感器。但纱线细而柔软的物理特性，使其在匀速运动测量时，与镜头的距离是动态变化的。因此，CCD线阵检测系统应选用物方远心镜头，有利于降低物距变化引起的测量偏差。物方远心镜头的工作原理如图1所示，纱线初始位置位于A1点时，其在图像传感器的成像位置

1—镜头；2—孔径光阑；3—图像传感器。图1 物方远心镜头光路图

为M1M2，假设纱线因运动偏移至A2点，其实际成像位置将偏移至A2′点，由于其孔径光阑的位置未变化，使其在图像传感器的位置也未发生变化。

此外，纱线是以棉纤维连续形成的聚合体，具有半透明性，可采用MRC滤镜测量纱线直径。线阵CCD检测原理如图2所示。

1—光源；2—平行光；3—纱线；4—成像物镜；5—线阵CCD；6—输出信号。图2 线阵CCD检测原理示意

在纱线直径实际检测过程中，当纱线出现粗节时，会使发射光源在线阵CCD像元的投影覆盖度变大；当纱线出现细节时，造成光源遮挡的CCD像元数量降低。遮挡像元的数量会引发传感器电流变化，从而得到纱线常发性疵点。线阵CCD将接收到的光照强度转化为电压信号，进而将电压信号进行数模转换，由计算机处理系统输出测量数值。

纱线直径d的计算公式为：

(1)

式(1)中：

d——纱线直径输出值/mm；

h——像元宽度/mm；

△P——被遮挡像元数目；

β——系统放大倍数。

3 测量系统

纱线直径在线测量系统可分为3个部分。第1部分是线阵CCD传感器，主要作用是将纱线直径转换为光电信号，其主要参数如表1所示；第2部分是数据分析系统，主要作用是对数据进行分析处理；第3部分是纱线进给系统，实现纱线的张力控制和匀速运动。

表1 CCD传感器的主要参数

纱线传动系统如图3所示，通过伺服电机控制辊1和辊2的运动状态，以实现纱线的不同张力和不同运动速度。

图3 纱线传动示意

纱线进给速度与伺服电机转速的关系如式(2)所示。

v=π·φ·n/1000

(2)

式(2)中：

v——纱线进给速度/(m·s-1)；

φ——控制辊直径/mm；

n——电机转速/(r·s-1)。

当伺服电机转速较低时，辊1和辊2转速过慢，易造成纱线张力过大或过小。纱线张力过大，则纱线被拉伸，直径测量值偏小；纱线张力过小，纱线弯曲程度变大，同样会对测量结果产生不良影响。结合生产实际，本实验选取的纱线速度为0.05 m/s～0.50 m/s。根据式(2)，可计算出伺服电机转速。

4 实验分析

4.1 系统标定

实验前，选用直径分别为0.1mm，0.2mm，0.4 mm，0.5 mm的4种标准棒对线阵元件的输出电压比例关系进行校准，结果如图4所示。

图4 系统校准结果

由图4可知，该系统具有良好的线性关系，准确性满足实验要求。

4.2 纱线常发性疵点统计

设定纱线进给速度为0.05 m/s，对纱线进行在线检测，获取纱线的2000个样本直径值。纱线直径信号如图5所示。

图5 纱线直径信号

粗节、细节和棉结作为纱线常发性疵点，根据乌斯特条干仪ME100标准报表显示，通常统计的指标为纱线-40%细节、-50%细节、+35%粗节、+50%粗节、+140%棉结、+200%棉结和+280%棉结的数量。

疵点的统计公式为：

(3)

式(3)中：

P——直径偏差百分比/%；

di——第i个样本的直径/mm；

将每次测量纱线的直径根据式(3)计算相应的百分比，再根据百分比划分等级，当同等级连续出现一定次数时，则相应的疵点数量加“1”。选取品质等级为4级、线密度为83 tex的纱线作为样品，长度为100 m，分4组进行检测。检测结果如表2所示。

表2 疵点统计结果比对 单位：个/(100 m)

采用Pearson线性相关系数反映乌斯特条干仪和CCD统计结果的相关性。Pearson线性相关系数的取值区间为(-1，1)，相关系数越接近1，则表明二者的相关性越强。相关系数的计算公式为：

(4)

式(4)中：

r——相关系数；

Xi,Yi——分别表示乌斯特条干仪和CCD统计的第i个样本点；

n——样本数量。

经计算，乌斯特条干仪与CCD统计疵点结果的相关系数为0.992，则表明二者具有很强的相关性。此外，CCD系统检测的同类疵点数量几乎都大于乌斯特条干仪所测结果，疵点越粗或越细，数量差别越小。其原因为：乌斯特条干仪检测的灵敏度低，无法精准测量小的疵点；乌斯特条干仪更适用于检测纱线质量不匀，其中包含纱线毛羽。

因此，线阵CCD在线检测系统统计的细节、粗节和棉结数量完全能够准确反映纱线的品质等级。

5 结语

通过分析线阵CCD测量纱线直径的原理、系统组成以及实验统计纱线常发性疵点数量对比结果表明，线阵CCD的疵点统计结果与乌斯特条干仪的检测效果具有较强的相关性，说明线阵CCD检测系统具有可靠性好、检测效率高、精度高的优点，为纱线常发性疵点的在线检测提供了新方法。