CN100406849C - 一种聚合物挤出法非织造布纤维直径测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种聚合物挤出法非织造布纤维直径测量方法及系统。本发明的方法包括：首先进行纤维取样，然后采集纤维图像，处理纤维图像，测量纤维直径，进行统计计算。本发明的系统包括显微镜、光源、CCD摄像机、接口附件、图像采集卡、计算机。本发明的方法及系统能够准确、有效地测量聚合物挤出法非织造布纤维直径的平均值、标准差和变异系数及纤维直径分布。

Description

一种聚合物挤出法非织造布纤维直径测量方法及系统

技术领域

本发明属于纺织领域，涉及一种聚合物挤出法非织造布纤维直径测量方法及系统。

背景技术

非织造布按加工方法可分为干法、湿法和聚合物挤出法。其中，聚合物挤出法是发展速度最快、最有发展潜力的一种非织造布加工方法。聚合物挤出法主要包括纺粘法和熔喷法两种。纤维直径则是衡量聚合物挤出法非织造布质量的最重要参数之一，在纺织行业中备受关注。

目前常用的纤维细度测量方法有称重法、气流仪法、显微投影仪法和振动法等。当待测纤维呈单根纤维状态或呈散纤维状态或呈纤维束状态时，这些方法是适用的。因为无论是呈散纤维状态还是呈纤维束状态，总是可以想方设法将它们分离成单根纤维状态。而只要纤维成为单根状态，那么就可以采用称重法、显微投影仪法或者振动法测量其细度。当待测纤维呈散纤维状态或呈纤维束状态时，也可以采用气流仪法测量其细度。

但是，对于聚合物挤出法非织造布来说，聚合物从切片变成熔体，再变成纤维，最后成为非织造布，这是一个连续的加工过程，从纤维到非织造布中间是没有停顿的，而非织造布正是通过纤维杂乱铺叠在一起并在高温或自身粘合力的作用下才形成的。因此，在加工过程当中将纤维取出来测量其直径是不现实的。而将纤维从成型的非织造布上分离出来成为单根状态，再测量其直径，这也是非常困难的，因为纤维已经牢固而杂乱地粘合在一起了。尤其是熔喷非织造布的纤维是超细纤维，又细又短，分离出来已相当困难，保留也十分不易，稍不注意就会不翼而飞。因此，称重法、显微投影仪法或者振动法对聚合物挤出法非织造布纤维直径的测量是不适用的。聚合物挤出法非织造布已成为“布”状，显然无法形成气流仪法所需的散纤维状态或纤维束状态，所以，气流仪法也是不适用的。到目前为止，还没有一种针对聚合物挤出法非织造布的纤维直径测量方法及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚合物挤出法非织造布纤维直径测量方法及系统，用以解决准确有效地测量聚合物挤出法非织造布纤维直径的技术问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种聚合物挤出法非织造布纤维直径测量方法，包括如下步骤：

(1)进行纤维取样：在聚合物挤出法非织造布上随机抽取400根纤维，在聚合物挤出法非织造布长度方向和宽度方向均进行10等分，这样就在聚合物挤出法非织造布上划分了100个小格，然后，按“之”字形顺序给每个小格编号。这样往复编号，主要是考虑到聚合物挤出法非织造生产过程中集网装置是往复运动的，即聚合物细流在集网装置上的“登陆”位置也是呈“之”字形分布的。编制了一个随机数发生器程序，该程序运行后，计算机会随机产生20个1至100之间的整数，让这20个随机数代表20个小格的号码，再把相应小格的聚合物挤出法非织造布试样抽取出来，从而在聚合物挤出法非织造布上实现了随机取样，样本量为20；

(2)采集纤维图像：将聚合物挤出法非织造布纤维样品制成切片，放在显微镜下，通过光学显微系统放大图像。采用CCD摄像机采集经显微镜放大的纤维图像；

(3)处理纤维图像：将采集的纤维图像经过图像采集卡转换成为数字图像并输入计算机中，利用本系统的软件对图像进行处理，包括灰度增强、平滑处理、二值化处理和形态滤波，从而获得清晰的纤维轮廓。灰度增强是按一定关系逐点改变图像中每个像素的灰度值，使灰度变化范围变宽，纤维与背景灰度之间的差异增大，原先难以检测出来的目标就容易检测出来了。平滑处理是为了消除图像采集和图像传送过程中产生的各种噪音，本发明采用的是中值滤波技术，即把以某点为中心的小窗口内的所有像素的灰度值按大到小的顺序排列，将中间值作为该点的灰度值。二值化处理是为了将纤维与孔隙区分开来，其关键是阈值的确定。本发明采用的是基于多尺度分析的自适应阈值确定方法，即先在较大尺度下对图像直方图分解，预设分割区域，并利用由负到正的零交叉点确定初始阈值，然后逐步减小尺度直到最小尺度，通过比较相邻尺度下阈值的差异解决两相邻尺度之间阈值的对应关系，最后从最小尺度下的零交叉点确定最佳阈值。形态滤波是通过腐蚀(使区域同时从四周向内缩小)、膨胀(使区域同时从四周向内扩大)、细化(把图像转换成形状相仿、由简单的弧线和曲线组成的图形)和剪枝(消除细化后图中的毛刺)等处理消除图像中的孤点、断点和残枝；

(4)测量纤维直径：去除灰度变化异常点，对边缘截面两边缘点附近的灰度变化进行最小二乘曲线拟合，拟合曲线灰度最大的一点即为边缘点，沿垂直于纤维轴线方向测量纤维两侧轮廓线之间的距离，从而实现了纤维直径测量；

(5)进行统计计算：测量通过步骤(1)得到的400根纤维的直径，进行统计计算，可以得到聚合物挤出法非织造布纤维直径的平均值、标准差和变异系数及纤维直径分布。

一种聚合物挤出法非织造布纤维直径测量系统，包括显微镜、光源、CCD摄像机、图像采集卡、计算机；其特征在于所述的光源置于显微镜载物台下方，所述的CCD摄像机通过接口附件置于显微镜上方；其特征在于所述的CCD摄像机通过显微镜采集放大的纤维图像；所述的图像采集卡将纤维图像转换成为数字图像并输入计算机中；其特征在于利用本系统的软件对图像进行处理和测量纤维直径。

采用Pulnix TM-6703高速摄像头的面阵CCD摄像机，分辨率为640×480。

采用Lumenera Scientific Infinity Camera图像采集卡

采用戴尔Optiplex 170L型计算机，技术性能：英特尔Pentium 4中央处理器(3.00GHz)，512MB双通道DDR内存，160GB SATA硬盘，Radeon显卡(128MB显存)，17英寸液晶显示器。

本发明的有益效果是：本发明解决了准确、有效地测量聚合物挤出法非织造布纤维直径的问题；本发明可以给出包括纤维直径的平均值、标准差和变异系数及纤维直径分布等众多信息；本发明利用随机数发生器程序实现了非织造布纤维的科学、合理取样；本发明设计了图像处理和直径测量软件，操作简便，测量结果准确可靠，克服了单根测量工作效率低、手工操作人为误差大的缺点。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

图2是本发明中的非织造布随机取样示意图。

具体实施方式

请参阅图1，它是本发明系统的结构示意图。本发明系统利用本发明编制的随机数发生器程序实现纤维随机取样，利用CCD摄像机3和显微镜1采集纤维图像，利用图像采集卡5将纤维图像转换成为数字图像并输入计算机6中，利用本系统设计的软件(形成依次成数据流联结的纤维取样模块61、图像处理模块62、直径测量模块63和统计计算机模块64)进行图像处理和纤维直径测量及统计计算。直径测量模块(63)：去除灰度变化异常点，对边缘截面两边缘点附近的灰度变化进行最小二乘曲线拟合，拟合曲线灰度最大的一点即为边缘点，沿垂直于纤维轴线方向测量纤维两侧边缘点之间的距离，从而实现纤维直径测量。统计计算模块(64)：在每幅图像中选取20根纤维分别测量其直径，测20幅图像就是测了400根纤维的直径，进行统计计算，得到非织造布纤维直径的平均值、标准差和变异系数及纤维直径分布。

图像处理模块(62)：通过灰度增强图像灰度变化范围变宽，纤维与背景灰度之间的差异增大；通过中值滤波平滑处理消除图像采集和图像传送过程中产生的各种噪声；通过基于多尺度分析的自适应阈值确定方法进行二值化处理将纤维与空隙区分开来；通过腐蚀、膨胀、细化和剪枝等等形态滤波来消除图像中的孤点、断点和残枝。

纤维取样模块(61)：在非织造布上划分100个小格，按“之”字形顺序给每个小格编号。运行随机数发生器程序，随机产生20个1至100之间的整数，让这20个随机数代表20个小格的号码，再把相应小格的非织造布式样取样出来，从而在非织造布上实现了随机取样，样本量为20。

一.硬件组成

由图1可知，本系统硬件组成主要包括显微镜1、光源2、CCD摄像机3、接口附件4、图像采集卡5、计算机6等。显微镜1光源采用透射光，光源2采用发光二极管。显微镜光源的光谱特性将影响待测纤维的显微图像质量。对纤维形状进行光学分析得出，为了获得有利于计算机处理的纤维图像，所选光源为单色光。CCD摄像机3通过接口附件4置于显微镜1上方，通过显微镜1对纤维试样7采集放大的纤维图像。图像采集卡5将纤维图像转换成为数字图像并输入计算机6中。

本系统采用的硬件装置有：Pulnix TM-6703高速摄像头的面阵CCD摄像机，分辨率为640×480；，Lumenera Scientific Infinity Camera图像采集卡，采用戴尔Optiplex 170L型计算机，技术性能：英特尔Pentium 4中央处理器(3.00GHz)，512MB双通道DDR内存，160GB SATA硬盘，Radeon显卡(128MB显存)，17英寸液晶显示器。

二.软件部分

本系统的软件部分主要包括用于纤维取样的随机数发生器程序、纤维图像处理程序、纤维直径测量程序、统计计算程序等。

1.纤维取样：运行本发明的随机数发生器程序，计算机会随机产生20个1至100之间的整数，让这20个随机数代表20个非织造布小格的号码，再把相应小格的非织造布试样抽取出来，就实现了在非织造布上的纤维随机取样，样本量为20。

2.纤维图像处理：利用本系统的软件对图像进行处理，包括灰度增强、平滑处理、二值化处理和形态滤波，获得清晰的纤维轮廓。

3.纤维直径测量：利用本系统的软件沿垂直于纤维轴线方向测量纤维两侧轮廓线之间的距离。

4.统计计算：测20幅图像计400根纤维的直径，将所有数据记录下来，利用本系统的软件进行统计计算，可以得到非织造布纤维直径的平均值、标准差和变异系数及纤维直径分布。

使用本发明系统进行非织造布纤维取样，具体步骤为：

(1)在非织造布长度方向和宽度方向均进行10等分，这样就在非织造布上划分了100个小格。然后，按“之”字形顺序给每个小格编号。例如，给1号至10号小格编号后，需要换到下一行，给11号至20号小格编号，此时，11号小格应该在10号的正下方，而不应该在1号的正下方，即编号方向恰好与上一行相反，如图2所示。

(2)运行本系统的随机数发生器程序，计算机会随机产生20个1至100之间的整数，例如28、9、100、2、68、97、22、6、38、20、61、92、83、49、77、55、74、44、35、16，让这20个随机数代表20个小格的号码，再把相应小格的非织造布试样抽取出来，从而在非织造布上实现了随机取样，样本量为20，参见图2。

使用本发明系统采集非织造布纤维图像，具体步骤为：

(1)将随机抽取的非织造布试样放置于显微镜载物台上，将CCD摄像机通过接口附件置于显微镜上方，将CCD摄像机与计算机的图像采集卡连接起来，打开摄像机。

(2)开启光源，开始采集纤维图像。

使用本发明系统处理非织造布纤维图像，具体步骤为：

(1)灰度增强：对图像进行灰度变换，扩大灰度变化范围，使纤维与背景之间的差异增大。

(2)平滑处理：采用中值滤波方法，消除各种干扰噪声，使图像更加平滑。

(3)二值化处理：采用局部阈值法，把纤维与孔隙区别开来。

(4)形态滤波：消除图像中的孤点、断点和短枝。

使用本发明系统测量非织造布纤维直径和进行统计计算，具体步骤为：

(1)利用本系统的软件沿垂直于纤维轴线方向测量纤维两侧轮廓线之间的距离，此距离就是纤维直径。

(2)测400根纤维的直径，记录下所有数据，利用本系统的软件进行统计计算，得到纤维直径的平均值、标准差和变异系数及纤维直径分布。

利用本发明聚合物挤出法非织造布纤维直径测量方法及系统对六种聚合物挤出法非织造布进行纤维直径测量，测量结果与显微投影仪法测量结果及理论预测结果的比较见表1。

表1本发明测量结果与显微投影仪法测量结果及理论预测结果的比较

纤维直径	样品1	样品2	样品3	样品4	样品5	样品6	平均值
								理论预测值(μm)	6.351	2.947	2.243	7.625	11.683	18.511
本发明测量值平均值(μm)	6.773	3.163	2.417	8.244	12.516	20.079
								本发明测量值标准差(μm)	1.0562	0.4524	0.3255	1.1482	1.6829	2.1461
本发明测量值变异系数(％)	15.59	14.30	13.47	13.93	13.45	10.69	13.57
								本发明测量值与理论预测值的误差(％)	6.64	7.33	7.76	8.12	7.13	8.47	7.56
显微投影仪法测量值平均值(μm)	7.427	3.459	2.647	8.925	13.596	21.536
								显微投影仪法测量值标准差(μm)	2.1891	1.1064	0.8568	2.6733	3.8933	6.2837
显微投影仪法测量值变异系数(％)	29.47	31.99	32.37	29.95	28.64	29.18	30.27
								显微投影仪法测量值与理论预测值的误差(％)	16.94	17.37	18.01	17.05	16.37	16.34	17.02

表1中有关结果的比较说明如下：

为了对本发明方法与显微投影仪法进行比较，采用非织造布纤维直径的理论预测值作为基准，计算本发明方法和显微投影仪法的测量值与理论预测值的误差，误差计算公式为

变异系数计算公式为

由表1可见，对于这六种非织造布，本发明方法的纤维直径测量值平均值与理论预测值的误差均小于显微投影仪法的纤维直径测量值平均值与理论预测值的误差，且前者不到后者的50％。本发明方法的误差平均值为7.56％，明显小于显微投影仪法的17.02％的误差平均值。显微投影仪法的纤维直径测量值变异系数都在30％左右，而本发明方法的纤维直径测量值变异系数最高仅为15.59％。本发明方法的纤维直径测量值变异系数平均值仅为13.57％，明显小于显微投影仪法的30.27％。以上结果说明，与显微投影仪法相比，本发明方法测量的非织造布纤维直径更接近于理论预测直径，而且测量结果的离散性也大大小于显微投影仪法，所以本发明方法能够更加准确、有效地测量非织造布的纤维直径。

Claims (1)

1.一种聚合物挤出法非织造布纤维直径测量方法，包括如下步骤：

(1)进行纤维取样：在聚合物挤出法非织造布上随机抽取400根纤维，在聚合物挤出法非织造布长度方向和宽度方向均进行10等分，分成100个小格，然后，按“之”字形顺序给每个小格编号，编制一个随机数发生器程序，该程序运行后，由计算机随机产生20个1至100之间的整数，让这20个随机数代表20个小格的号码，再把相应小格的聚合物挤出法非织造布试样抽取出来，实现随机取样，样本量为20；

(2)采集纤维图像：将聚合物挤出法非织造布纤维样品放在显微镜下，用CCD摄像机采集经显微镜放大的纤维图像；

(3)处理纤维图像：将采集的纤维图像经过图像采集卡转换成为数字图像并输入计算机中，对图像进行处理，包括灰度增强、平滑处理、二值化处理和形态滤波，获得清晰的纤维轮廓；

(4)测量纤维直径：沿垂直于纤维轴线方向测量纤维两侧轮廓线之间的距离，实现纤维直径测量；

(5)进行统计计算：测量通过步骤(1)得到的400根纤维的直径，进行统计计算，可以得到聚合物挤出法非织造布纤维直径的平均值、标准差和变异系数及纤维直径分布。

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