CN101629336A - 棉花异纤在线检测的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种棉花异纤在线检测的方法与装置，包括开棉器、通道、窗口、CCD相机、照明光源、背景板、喷嘴阵列、异纤通道、异纤收集单元、计算机、电器箱、操作按钮、变频风机和输棉管道。皮棉经过开松后经过通道进入CCD相机的检测区域，分三步进行照明和CCD相机采样，再将这三步的检测结果汇总到异纤识别，并结合各喷嘴动作延时时间，计算出与异纤对应位置上的喷嘴的开启与关闭的时间，控制相应的喷嘴动作将异纤清除。同时，经过除杂后的清洁棉从清洁棉输出通道输出。从红外LED照明和采样得到的数据结合CCD相机的性能参数算出各喷嘴对应区域的棉流速度，再算出棉流的平均速度，然后控制变频风机使得通道内的棉流速度稳定在设定的范围内。

Description

棉花异纤在线检测的方法与装置

技术领域：

本发明涉及可见光颜色检测技术、紫外光激发荧光检测技术、红外光吸收检测技术，又涉及信号处理技术，又涉及速度测量技术，特别是一种棉花异纤在线检测的方法与装置。

背景技术：

在纺织业中，如果棉花中混入与棉纤维外观极其相似的异性纤维，如塑料膜、化纤、毛发等杂质，将会导致后续的纺织过程中出现布料的疵点增多，染色不均匀等残次品而造成损失。近年来，这已经成为国内外纺织业的一大公害。如采用人工分拣来剔除异纤，由于异纤与棉纤维的形态、色泽、外观极其相近，人工剔除的效果难以得到保证。为此，有人提出采用机器视觉的方法来检测棉花中的异纤。如1999年12月29日公告的中国发明专利申请97106293.5“光电子棉花杂质自动在线检测方法与装置”，提供了一种光电棉花杂质自动在线检测方法与装置。待清蓬松的棉花由输送装置形成扁平状，传送到可见光及紫外光照明及检测的由CCD等组成的检测视场中，获取的二维信息送入计算机进行数字图象处理，提取杂物信号，计算机根据杂物空间位置控制相应的压力喷嘴将杂物喷除。该发明中采用紫外增强硅光电二极管来检测与棉纤维同色的异纤所反射的紫外光，由于受紫外光源光照强度、从运动中的异纤表面反射回来的紫外光的角度不断变化等因素的影响，该发明对同色异纤的检测效果将难以得到保证。又如，2007年4月18日公告的中国实用新型专利申请200620008105.2“棉花异纤清除机的二次摄像和双组合光源装置”，公开了一种棉花异纤清除机的二次摄像和双组合光源装置，在检测通道上部两旁设置紫外光照明光源组，在紫外光照明光源组的外侧各设置有摄像机。在与所述的紫外光照明光源组的上方或下方处的检测通道相对两旁各设置并排的白色光源组，在它们的外侧各设置摄像机。为了提高异纤识别效果，采用两次用摄像机CCD采集图像识别异纤，一次用紫外光，一次用白光。再如，2007年8月1日公告的中国实用新型专利申请200620122980.3“棉花异纤清除机的摄像和单组合光源装置”公开了一种棉花异纤清除机的摄像和光源组合装置，包括照明光源和摄像机，两者均安装在棉花异纤清除机的检测通道旁。所述的照明光源由紫外光灯管和白色光灯管平行并排组合而成，在并排的照明灯管之间留有摄像间隙，所述的摄像机安装在灯管的摄像间隙的外侧。但是，上述专利技术中的不足之处在于：

1、对有色异纤和同色异纤分别采用独立的相机和照明系统来进行检测，将使异纤的检出率得到提高，但是，相机和照明系统的增多将使得整套设备的成本成倍增加，并使安装、维护的难度增大，不利于该设备的推广应用

2、异纤的剔除过程包括检测和清除两个阶段。由于受附壁效应、输送气流波动等影响，受检物体(棉纤维和异纤)在管道横截面上各点的速度分布是不相同的，因此，异纤从光电检测区运动到异纤清除区的各个喷嘴作用区所需要的时间也不相同。故而必须实时监测各个喷嘴作用区内受检物体的速度，即时调整棉流速度或喷嘴的动作时间，以期获得较高的异纤清除率和较低的落棉率。而上述专利中均未述及受检物体的速度监测，故其异纤清除率和落棉率指标均难以得到保障。

3、采用紫外增强硅光电二极管来检测与棉纤维同色的异纤所反射的紫外光，由于受紫外光源光照强度、从运动中的异纤表面反射回来的紫外光的角度不断变化等因素的影响，因此，对同色异纤的检测效果将难以得到保证。

4、电子系统中始终存在本底噪声，亦称背景噪声，当有用信号的强度小于系统中的本底噪声时将会被湮没而检测不到。CCD相机亦不例外。对于棉纤维或异纤，由于由紫外光激发的荧光的强度很弱，为了不使其被CCD相机的本底噪声所湮没，通常采用一定数量的白色日光灯作为补充光源来克服CCD相机的本底噪声(如，上述专利中就采用5～8根紫外灯管与1～4根白色日光灯管组合而成的光源来照明)。但是，补充光源的强度太强了将使有用的荧光信号所占的比例下降，太弱了又不足以抑制CCD相机的本底噪声。况且，CCD相机的本底噪声会随着时间的推移而发生变化，两种灯管的固定搭配将很难适应这种变化。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种棉花异纤在线检测的方法与装置。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种棉花异纤在线检测的装置，包括开棉器、通道、窗口、CCD相机、照明光源、背景板、喷嘴阵列、异纤通道、异纤收集单元、计算机、电器箱、操作按钮、变频风机和输棉管道。

所说的开棉器可以是市场上购买的设备，也可以自制开棉设备或梳理设备，也可以是工序上的开清棉设备。

所说的2台CCD相机对称地分布在通道的两边，其中心位于同一水平面上；2台CCD相机的光轴均向内下侧倾斜一个角度，穿过窗口后相交于通道的中心线上的某一点，并透过另一面的窗口投射到背景板上。

所说的窗口，当采用350nm的紫外LED作为荧光激发源时，可采用普通的窗玻璃来制作，以降低生产、维护成本；而当采用350nm以下的紫外LED作为荧光激发源时，则采用石英玻璃来制作。

所说的照明光源由若干条白光LED灯板、紫外LED灯板、红外LED灯板相间安装在反光板和辅光板上组成；各种LED灯板由计算机控制其开通的顺序、点亮的时间长短和光强的大小，相同类型的LED灯板在开闭时序上是同步的；反光板上还开有供CCD相机使用的观察孔；在反光板的适当位置上安装有背景板。辅光板上的LED直接照射到背景板上，各LED灯板的亮度被调节到使得CCD相机观察到的背景板与通道中棉花具有相同的照度。

所说的背景板上的涂层在可见光、紫外光、红外光照射下与被检测的棉纤维具有相同的光学参数，涂层的材料可以是油漆、颜料、涂料，也可以将棉纤维直接固定在背景板的表面，或者用光学塑料制成中空的塑料管，内部填充棉纤维来制成背景板；一方面，当通道中没有棉花时可以防止喷嘴阵列误动作；另一方面，当棉流中出现异纤时，可以根据光学参数的变化，及时、准确地将异纤检测出来。

一种棉花异纤在线检测的方法，包括如下步骤：

①棉花输入：棉花经过开松后进入通道；

②异纤检测和识别：在检测区域分3步进行照明和CCD相机采样：第一步经白光LED照明和采样后进行可见光异纤检测；第二步，经紫外和白光LED照明和采样后，进行荧光色泽异纤检测；第三步，经红外LED照明和采样后，进行红外吸收率差异纤检测，这三步的检测结果汇总到异纤识别单元进行异纤识别；

③异纤清除：根据异纤识别的结果，以及经计算得到的各喷嘴动作延时时间计算出与异纤对应位置上的喷嘴的开启与关闭的时间，控制相应喷嘴除杂将异纤送往异纤收集单元，经过除杂后的清洁棉在变频风机的驱动下经输棉管道输出；

④棉流速度测量和调节：从红外LED照明和采样得到的数据经计算得出喷嘴阵列中各喷嘴所对应区域的棉流速度，然后计算出棉流的平均速度，经与设定的棉流速度比较后得出调整量，再控制变频风机的转速，使得通道内的棉流速度稳定在设定的范围内。

所说的异纤检测，可以仅采用白光照明检测与红外照明检测相结合，或仅采用白光照明检测与紫外+白光照明检测相结合，以降低设备成本，以及运行和维护费用；也可以同时采用白光、紫外、红外三种照明检测来提高异纤检出率。

所说的紫外和白光LED照明和采样，其中调节白光LED的光强度使得在白光单独照射下，CCD相机所探测到的光信号大小足以克服CCD相机的本底噪声，从而使得CCD相机对紫外激发的荧光信号具有最高的灵敏度。

所说的棉流速度检测和各喷嘴动作延时时间计算是，先将从红外LED照明和采样获得的数据按各喷嘴所对应的区域划分为若干分段，再对各分段内的蓝、红、绿数据进行图像处理，辨别出同一物体(棉花或异纤)依次通过蓝、红、绿三列线阵像元时的时间差，再根据CCD线阵的几何尺寸，计算出各分段内运动物体的实时速度；由于从窗口到喷嘴阵列的距离是固定的，由此可计算得到各喷嘴的动作延时时间；而棉流的实时平均速度则可将各分段内的棉流实时速度平均后求得。

本发明的有益效果在于：

1、仅使用2台CCD相机和2套照明光源就可实现对异纤的可见光、荧光色泽和红外吸收率差等检测，对异纤的鉴别能力强，设备成本低，安装、调试、维护容易，便于推广应用。

2、仅用2台CCD相机和2套照明光源实现对异纤的检测，可有效地降低设备的高度和缩小设备的体积，从而降低了对场地的要求，有利于本发明的推广应用。

3、在以往的设备中，通道两侧的CCD相机在水平位上是上下设置的。而在本发明中2台CCD相机对称地分布在通道的两边，其中心位于同一水平面上；2台CCD相机的光轴均向内下侧倾斜一个角度，穿过窗口后相交于通道的中心线上的某一点，这就使得整套设备的高度得以进一步降低，因而对使用场地的要求更低。

4、对棉流速度进行实时测量和调节，保持棉流速度稳定，能提高异纤清除率、降低落棉率，从而获得较高的经济效益。

5、可以仅采用白光照明检测与红外照明检测相结合，以降低设备成本，以及运行和维护费用；也可以同时采用白光、紫外、红外三种照明检测来提高异纤检出率。

6、本发明的速度测量方法可应用于运动物体，如汽车、跑步、球类等的实时速度测量。

附图说明：

图1是本发明一种棉花异纤在线检测装置的结构示意图。

图2是本发明中光路部分的结构示意图。

图3是本发明中LED照明光源结构示意图。

图4是本发明中所采用的某型号的彩色线阵CCD相机的像元排列示意图。

图5是本发明中所采用的某型号的彩色线阵CCD相机的光谱响应曲线图。

图6是部分纤维的荧光色泽。

图7是几种典型异纤与棉纤维的红外吸收率差的绝对值曲线。

图8是本发明的工作流程示意图。

图9是本发明的异纤检测和棉流速度检测时序图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

请参阅图1、图2和图3，所说的一种棉花异纤在线检测的装置由开棉器1、通道2、窗口3、CCD相机4、照明光源5、背景板6、喷嘴阵列7、异纤通道8、异纤收集单元9、计算机10、电器箱11、操作按钮12、变频风机13、输棉管道14组成。

所说的2台CCD相机4对称地分布在通道2的两边，其中心位于同一水平面上；2台CCD相机4的光轴均向内下侧倾斜一个角度，穿过窗口3后相交于通道2的中心线上的某一点O，并透过另一面的窗口投射到背景板6上。

所说的窗口3，当采用350nm的紫外LED作为荧光激发源时，可采用普通的窗玻璃来制作，以降低生产、维护成本；而当采用350nm以下的紫外LED作为荧光激发源时，则采用石英玻璃来制作。

所说的照明光源5由若干条白光LED灯板502、紫外LED灯板503、红外LED灯板504相间安装在反光板501和辅光板506上组成；各种LED灯板由计算机10控制其开通的顺序、点亮的时间长短和光强的大小，相同类型的LED灯板在开闭时序上是同步的；反光板501上还开有供CCD相机4使用的观察孔505；在反光板501的适当位置上安装有背景板6。辅光板506上的LED直接照射到背景板6上，各LED灯板的亮度被调节到使得CCD相机4观察到的背景板6与通道2中棉花具有相同的照度。

所说的背景板6上的涂层在可见光、紫外光、红外光照射下与被检测的棉纤维具有相同的光学参数，涂层的材料可以是油漆、颜料、涂料，也可以将棉纤维直接固定在背景板的表面，或者用光学塑料制成中空的塑料管，内部填充棉纤维来制成背景板6；一方面，当通道2中没有棉花时可以防止喷嘴阵列7误动作；另一方面，当棉流中出现异纤时，可以根据光学参数的变化，及时、准确地将异纤检测出来。

请参阅图4和图5，是某型号的彩色线阵CCD相机的像元排列示意图和光谱响应曲线图；其线阵像元的排列从上至下依次为蓝、红、绿；每个像元的尺寸为10μm×10μm，相邻两列线阵像元的间距为9个像元大小，即90μm；由图上可见，蓝、红、绿三种像元在红外波段的940nm处的光谱响应率几乎是相同的，因此，对同一物体在940nm红外光照射下，蓝、红、绿三种像元将输出几乎相同的电信号，其中一路电信号(比如红色像元输出的信号)可用来进行异纤检测，而另外两路电信号(蓝色和绿色像元输出的电信号)则可用于棉流速度测量。

请参阅图6，纺织纤维受到紫外光照射时，纤维的分子受到激发，会辐射出一定光谱的荧光，图6为部分纤维的荧光色泽，可以用来鉴别纤维的类别。

请参阅图7，当不同能量的光照射到物质上时，会与物质相互作用而发生能量交换。红外线能使分子中的共价键发生振动。由于纤维成份不同，其分子共价键结构有差异，因此决定了此种纤维对特定波长光线的吸收特征。由这种红外光能量吸收特征的差异可将棉花中的异纤区分出来。图7列出了在近红外波段上，棉纤维与纺织业中通常遇到的主要种类的异纤，如化纤(编织袋)、黄麻、塑料膜、猪鬃、羊毛、白头发等异纤的吸收率差的绝对值曲线。图中还标出了对波长为940nm的红外光，棉花与各种异纤的吸收率差的绝对值均在15％以上，因此可用此方法来区分棉花中的异纤。

请参阅图8和图9，棉花从棉花输入15经过开松16后进入通道2，在窗口3分3步进行照明和CCD相机采样：第一步，经白光LED照明和采样17后进行可见光异纤检测20；第二步，经紫外和白光LED照明和采样18后，进行荧光色泽异纤检测21；第三步，经波长为940nm的红外LED照明和采样19后，进行红外吸收率差异纤检测22；这三步的检测结果汇总到异纤识别23；喷嘴控制26根据异纤识别23的识别结果，以及各喷嘴动作延时时间计算25给出的各喷嘴动作延时，计算出与异纤对应位置上的喷嘴的开启与关闭的时间，控制喷嘴除杂27将异纤送往异纤输出30，经过除杂后的清洁棉从清洁棉输出31输出；同时，从红外LED照明和采样19得到的数据经各喷嘴对应的分区域棉流速度计算24和各喷嘴动作延时时间计算25算出异纤从窗口3到喷嘴阵列7所需的时间，送往喷嘴控制26；从各喷嘴对应的分区域棉流速度计算24得到的各喷嘴所对应区域的棉流速度送往棉流平均速度计算28算出棉流的平均速度，然后通过变频风机速度控制29调节变频风机13的速度，使得通道内的棉流速度稳定在设定的范围内。

所说的紫外和白光LED照明和采样18，其中调节白光LED的光强度使得在白光单独照射下，CCD相机所探测到的光信号大小足以克服CCD相机的本底噪声，从而使得CCD相机对紫外激发的荧光信号具有较高的灵敏度。

由于紫外LED的价格昂贵(约为白光LED、红外LED价格的十多倍至数十倍，且紫外光的波长越短价格越贵)，而红外吸收率差检测几乎覆盖了所有纺织业中通常遇到的主要种类的异纤，如化纤(编织袋)、黄麻、塑料膜、猪鬃、羊毛、白头发等异纤，因此在异纤检测步骤中，可以仅采用白光照明检测与红外照明检测相结合，以降低设备成本，以及运行和维护费用；也可以同时采用白光、紫外、红外三种照明检测来提高异纤检出率。此外，当采用白光照明检测与红外照明检测相结合时，仅需将CCD相机4的采样速率取为白光照明检测与红外照明检分别用单独的CCD相机进行采样时的采样速率的2倍或2倍以上，则本发明中的1套CCD相机和照明组合的功效就相当于原来的2套CCD相机和照明组合的功效；同样，当本发明中采用白光、紫外、红外三种照明检测组合时，将CCD相机4的采样速率取为单独检测时的3倍或3倍以上时，则本发明中的1套CCD相机和照明组合的功效将相当于原来的3套CCD相机和照明组合的功效。因而，本发明可在功效相同的情况下大大降低设备的成本和运行维护费用。

所说的棉流速度检测和各喷嘴动作延时时间计算是，先将从红外LED照明和采样19获得的数据按各喷嘴所对应的区域划分为若干分段，再对各分段内的蓝、红、绿数据进行图像处理，由图5可知，由于在940nm处，蓝、红、绿三种像元的光谱响应率几乎相同，因此同一物体(棉花或异纤)在由蓝、红、绿三种像元的数据形成的图像中具有相同的外貌特征(形状、轮廓、大小、灰度等)，因此只要辨别出同一物体依次通过蓝、红、绿三列线阵像元，或其中2列线阵像元时的时间差，再根据CCD线阵的几何尺寸，就可以计算出各分段内运动物体的实时速度；由于从窗口3到喷嘴阵列7的距离是固定的，由此可计算得到各喷嘴的动作延时时间；而棉流的实时平均速度则可将各分段内的棉流实时速度平均后求得。

Claims (9)

1、一种棉花异纤在线检测的装置，包括开棉器(1)、通道(2)、窗口(3)、CCD相机(4)、照明光源(5)、背景板(6)、喷嘴阵列(7)、异纤通道(8)、异纤收集单元(9)、计算机(10)、电器箱(11)、操作按钮(12)、变频风机(13)和输棉管道(14)。

2、根据权利要求1所述的一种棉花异纤在线检测的装置，其特征在于：所说的2台CCD相机(4)对称地分布在通道(2)的两边，其中心位于同一水平面上；2台CCD相机(4)的光轴均向内下侧倾斜一个角度，穿过窗口(3)后相交于通道(2)的中心线上的某一点O，并透过另一面的窗口投射到背景板(6)上。

3、根据权利要求1所述的一种棉花异纤在线检测的装置，其特征在于：所说的窗口(3)，当采用350nm的紫外LED作为荧光激发源时，可采用普通的窗玻璃来制作，以降低生产、维护成本；而当采用350nm以下的紫外LED作为荧光激发源时，则采用石英玻璃来制作。

4、根据权利要求1或权利要求2所述的一种棉花异纤在线检测的方法与装置，其特征在于：所说的照明光源(5)由若干条白光LED灯板(502)、紫外LED灯板(503)、红外LED灯板(504)相间安装在反光板(501)和辅光板(506)上组成；各种LED灯板由计算机(10)控制其开通的顺序、点亮的时间长短和光强的大小，相同类型的LED灯板在开闭时序上是同步的；反光板(501)上还开有供CCD相机(4)使用的观察孔(505)；在反光板(501)的适当位置上安装有背景板(6)。辅光板(506)上的LED直接照射到背景板(6)上，各LED灯板的亮度被调节到使得CCD相机(4)观察到的背景板(6)与通道(2)中棉花具有相同的照度。

5、根据权利要求1所述的一种棉花异纤在线检测的装置，其特征在于：所说的背景板(6)上的涂层在可见光、紫外光、红外光照射下与被检测的棉纤维具有相同的光学参数，涂层的材料可以是油漆、颜料、涂料，也可以将棉纤维直接固定在背景板的表面，或者用光学塑料制成中空的塑料管，内部填充棉纤维来制成背景板(6)；一方面，当通道(2)中没有棉花时可以防止喷嘴阵列(7)误动作；另一方面，当棉流中出现异纤时，可以根据光学参数的变化，及时、准确地将异纤检测出来。

6、一种棉花异纤在线检测的方法，包括皮棉经过开松后经过通道进入CCD相机的检测区域，分三步进行照明和CCD相机采样，再将这三步的检测结果汇总到异纤识别，并结合各喷嘴动作延时时间，计算出与异纤对应位置上的喷嘴的开启与关闭的时间，控制相应的喷嘴动作将异纤清除，经过除杂后的清洁棉从清洁棉输出通道输出；同时，从红外LED照明和采样得到的数据结合CCD相机的性能参数算出各喷嘴对应区域的棉流速度，再计算出棉流的平均速度，然后控制变频风机使得通道内的棉流速度稳定在设定的范围内，其特征在于：

①棉花输入：皮棉经过开松后进入通道；

②异纤检测和识别：在检测区域分3步进行照明和CCD相机采样：第一步，经白光LED照明和采样后进行可见光异纤检测；第二步，经紫外和白光LED照明和采样后，进行荧光色泽异纤检测；第三步，经红外LED照明和采样后，进行红外吸收率差异纤检测，这三步的检测结果汇总到异纤识别单元进行异纤识别；

③异纤清除：根据异纤识别的结果，以及经计算得到的各喷嘴动作延时时间，计算出与异纤对应位置上的喷嘴的开启与关闭的时间，控制相应喷嘴除杂，将异纤送往异纤收集单元，经过除杂后的清洁棉在变频风机的驱动下经输棉管道输出；

④棉流速度测量和调节：从红外LED照明和采样得到的数据经计算得出喷嘴阵列中各喷嘴所对应区域的棉流速度，然后计算出棉流的平均速度，经与设定的棉流速度比较后得出调整量，再控制变频风机的转速，使得通道内的棉流速度稳定在设定的范围内。

7、根据权利要求1或权利要求6所述的一种棉花异纤在线检测的方法与装置，其特征在于：所说的异纤检测，可以仅采用白光照明检测与红外照明检测相结合，或仅采用白光照明检测与紫外+白光照明检测相结合，以降低设备成本，以及运行和维护费用；也可以同时采用白光、紫外、红外三种照明检测来提高异纤检出率。

8、根据权利要求1或权利要求6所述的一种棉花异纤在线检测的方法与装置，其特征在于：所说的紫外和白光LED照明和采样(18)，其中调节白光LED的光强度使得在白光单独照射下，CCD相机所探测到的光信号大小足以克服CCD相机的本底噪声，从而使得CCD相机对紫外激发的荧光信号具有较高的灵敏度。

9、根据权利要求1或权利要求6所述的一种棉花异纤在线检测的方法与装置，其特征在于：所说的棉流速度检测和各喷嘴动作延时时间计算是，先将从红外LED照明和采样(19)获得的数据按各喷嘴所对应的区域划分为若干分段，再对各分段内的蓝、红、绿数据进行图像处理，辨别出同一物体(棉花或异纤)依次通过蓝、红、绿三列线阵像元，或其中2列线阵像元时的时间差，再根据CCD线阵的几何尺寸，计算出各分段内运动物体的实时速度；由于从窗口到喷嘴阵列的距离是固定的，由此可计算得到各喷嘴的动作延时时间；而棉流的实时平均速度则可将各分段内的棉流实时速度平均后求得。

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