CN102519373A

CN102519373A - 一种实时测量生丝细度的方法及其装置

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Publication number: CN102519373A
Application number: CN2011104272919A
Authority: CN
Inventors: 周望; 刘凤娇; 李丹; 李烨; 费万春; 裔宏根
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种实时测量生丝细度的方法及其装置。该装置包括平行光场、微距成像系统、光电传感器和图像处理系统；测量时，将标准样丝与待测生丝置于同平行光场中，它们的反射光经傅立叶变换后，由光电传感器得到一帧标准样丝和待测生丝的图像信号，再经数据处理得到待测生丝细度的测量结果。由于测量中采集的是生丝的反射光，有效避免了CCD感光元的饱和现象；采用微距成像避免了显微成像带来的失真现象。同时，由于待测生丝和标准样丝同处一个光场，测量精度不会受到环境因素的影响，有效提高了测量值的准确率和稳定性。它适应于生丝、羊毛、纺织纤维等的纤度测量，是一种实现非接触式实时动态纤维细度检测的有效工具。

Description

一种实时测量生丝细度的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种生丝或纤维细度的测量方法，特别涉及一种动态、非接触测量生丝(纤维)细度，属于精密计量仪器技术领域。

背景技术

细度是描述纤维与丝线粗细程度的外形尺寸指标，生丝细度与生丝加工工艺及丝织物的品质都有密切的关系.它决定着丝织物的品种、风格、用途和物理机械性质等。同时，由于生丝细度在一定程度上决定着丝织物的质量，因此，生丝的平均细度以及细度分布成为评价生丝质量的重要参数之一。

生丝细度测量的方法可分为静态和动态。静态细度测量的方法包括：1、定长称重法；2、气流法；3、激光扫描法。静态细度测量法仅适用于在实验室和工厂的工艺室使用，以静态方法测定一批(次)生丝(纤维)的平均细度，不能检测生丝的类节，而测试后的生丝只能报废了。

目前，动态细度测量的方法主要有：1、电容式，它是利用生丝(纤维)直径改变电容的极间距离，使得电容容量产生变化量ΔC，介电常数ε_r2与生丝(纤维)质地和测量环境中空气湿度有关；2、光电式，它采用了测量光反射或折射的强度检测生丝细度的原理，该测量装置小巧灵便，检测速度较快，但由于生丝(纤维)透明度及折射率离散性大，使检测数据尚不能准确反映生丝(纤维)丝径；3、正交双向CCD光电检测式，文献“CCD生丝细度动态测量系统的设计”([J]丝绸，2002(1)：44-46)中，公开了一种采用线阵CCD作为光电转换器件实时测量生丝细度的方法，它是用线阵CCD作为测量元件，将测量光投射到CCD上，利用待测生丝对光的遮挡所形成的暗斑，由于该方法测量暗斑的尺寸为亮背景成像测量，通常生丝的测量直径在60um左右，而线阵CCD光敏元的尺寸为14um，限制了测量精度，虽然一般会采用显微镜改装，形成显微成象系统，待测生丝(纤维)被放大几十倍，但是，在动态测量时，生丝(纤维)轻微抖动，成像也会随之改变，造成测量误差。另外，亮背景成像极容易使得CCD饱和。因此，这种方法在动态条件下测量存在着诸多不足。

发明内容

本发明目的是针对生丝(纤维)细度测量现有技术存在的不足，提供一种稳定性好，结果准确可靠，能够实现工业现场自动、连续、非接触式动态测量生丝(纤维)细度的方法及其装置。

实现本发明目的的技术方案是提供一种实时测量生丝细度的方法，将标准样丝与待测生丝置于同一个光强均匀的平行光场中，它们的反射光经傅立叶变换后，由光电传感器得到一帧标准样丝和待测生丝的图像信号，再经数据处理得到待测生丝细度的测量结果。

所述的标准样丝与待测生丝材质相同，至少包括一束细丝和一束粗丝。

一种实时测量生丝细度的装置，它包括一个光强均匀的平行光场、微距成像系统、光电传感器和图像处理系统。

该装置中的平行光场，由半导体激光器发射的点光束经圆柱面透镜发散，再经光学透镜形成。述的微距成像系统包括成像透镜。所述的光电传感器为线阵CCD；线阵CCD的成像面位于成像透镜的二倍焦距之外，窄带滤光器置于线阵CCD的感光元件前，线阵CCD的信号输出端与模数转换连接，将接收到的图像信号输入到图像处理系统。

与现有技术相比，本发明的显著效果在于：

1、由于待测生丝和标准样丝同处一个光场，在测量光场内设置已知不同直径、材质相同的标准样品作为测量值实时标定的参照数据，即使照明光强度有变化，它们的反射光强为同比例的，不影响计算、标定的测量结果，提高了测量精度。

2、通过微距成像后由线阵CCD接收，获得了一帧与生丝(纤维)反射后形成的图像信息，由于CCD采集的是生丝的反射光，线阵CCD获得的成像为暗背景信息，有效避免了CCD感光元的饱和现象。

3、采用半导体激光器作为照射光源，实现曝光时间可程控测量系统光源采用半导体激光器，激光器发光的时间作为线阵CCD的电子曝光时间，该时间可以根据测量效果智能调整。

4、覆盖于线阵CCD上的滤光片只透过与激光器频率相同的经生丝样品反射过来的光能，这将抑制环境杂光的干扰，进而提高系统测量的信噪比采用窄带滤光器过滤环境杂光，提高原始测量信息的信号比。

本发明提供的测量装置，可避免生丝(纤维)颤动引起的误差，实现工业场合的动态实时测量，提高测量值的准确率和稳定性，适应于生丝、羊毛、纺织纤维等，能够准确地得出平均直径，标准差等生丝细度的统计测量值，应用范围、测量参数多、结果准确可靠，能够实现工业现场自动的连续测量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种生丝细度实时测量装置的功能模块示意图；

图2是本发明实施例提供的一种生丝细度实时测量装置光学测量部分的结构示意图；

其中，1、标准细丝；2、待测生丝；3、标准粗丝；4、平行光束；5、光学透镜；6、发散形线光束；7、圆柱面透镜；8、点光束；9、半导体激光器；10、成像透镜；11、滤光元件；12、线阵CCD感光元件；13、标准细丝成像曲线；14、待测生丝成像曲线；15、标准粗丝成像曲线；16、反射光束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细的阐述。

实施例1

参见附图1，它是本实施例提供的一种生丝细度实时测量装置的功能模块示意图；该测量装置包括激光光源模块、光束整形模块、微距成像模块和CCD接收模块组成的光学测量部分，图像处理模块和测量值输出模块组成数据处理及输出部分。采用半导体激光器LD作为本系统测量的光源，由于LD光源存在一定的发散和椭圆斑，会影响测量的效果，所以，本实施例采用一个圆柱面的光学透镜，当通过细光阑的激光束通过该光学透镜产生一定角度的发散，圆柱直径越大发散角越小。在发散的光路中放置一个凸透镜，使得该凸透镜的焦点与发散点相重合，在凸透镜的另一侧可得到一个宽度与凸透镜的直径相同的“一”形平行光。将生丝样品(3根.其中二根为标准的参照丝，一根为待测量丝)，置于平行光场中，获得反射图像.由于反射图像只有60um左右的光斑，需要一定量的放大。所以采用微距成像技术在镜头的成像面上得到一个放大的光斑像。用线阵CCD接收，输出一帧模拟量的图像信号，通过视频ADC，得到相关的数据，其中二根参照丝(粗、细各一根)的数据将作为标定的参考。数据处理的方法是：已知二个标准样品的数据，求解待测样品的直径。最终得到待测丝样品的直径。处理器除了计算数据，还将控制LD的点亮时间，通过实现多参数的曝光时间功能，来获取最佳采样信号。

参见附图2，它是本实施例提供的一种生丝细度实时测量装置光学测量部分的结构示意图；如图中所示：半导体激光器9发射的点光束8，经圆柱面透镜7形成发散形线光束6，经光学透镜5形成平行光束4，光束形成的光场为一个光强均匀的平行光场。测量时，将标准细丝1、待测生丝2和标准粗丝3置于平行光场中，它们的反射光束16经成像透镜10，透过窄带滤光器11到达线阵CCD感光元件12并接收。线阵CCD在驱动时序信号的控制下，输出一帧含有标准细丝13、待测生丝14及标准粗丝15的图象信号。

在本实施例中，用一只5mW的半导体激光器为发射光源，其发光频率为635nm，将发射的点光束8的光斑直径调至1.2mm，经直径为3.0mm柱形透镜，形成33.08°发散角的线形光束，直径与发散角成反比，将直径为10mm的光学透镜的焦距(f＝25.88mm)调至线形光束的发散点，根据光学成像原理经焦点的光在透镜的另一侧形成平行光束，且仍为线形光束，形成的光场约14mm宽度，且为一均匀的平行光场。将直径d2为45um的标准细丝、待测生丝及直径d1为75um的标准粗丝置于平行光场中，三根细丝相邻间距为2mm。受激光的照射，它们的反射光经直径为25mm的成像透镜，该成像透镜的焦距F＝16mm异侧的8.5倍处，放置HML1213线阵CCD，像元个数为2048，每个像元14*14um2，并在CCD感光窗口覆盖带通滤光器，其中心频率为635nm，带宽30nm。在驱动时序信号的控制下，线阵CCD接收感光信号，输出一帧成像曲线其中含有标准细丝、待测生丝及标准粗丝的信息波形。

从CCD输出的一帧模拟量的图像信号，由视频ADC转换成一帧2048个12bit的一组与位置相关联的数组，其中包含了二根已知直径的标准丝样，通过光场中二根标准细丝所对应的d1(75um)、d2(45um)直径的实测值，根据它们之间的相关性，计算待测丝样的dx值。即为该装置的最终测量结果。具体的计算方法为：在CCD上的成像宽度为w1、w2，待测丝样的成像宽度为w3。由于三根丝样为同一质地，又在同一光场中，因此他们具有相同的边缘特征，即相同的斜率，所以将相同斜率处的宽度作比对。在数据处理时，可按如下方法计算：

标准粗丝直径/待测丝样直径＝w1/w3；

或标准细丝直径/待测丝样直径＝w2/w3；

依据二种标准生丝实时成像，求解出待测丝样的直径，标定得到待测生丝细度。数据处理方法可采用多次采样，获选取多组值原始数据，然后求其平均值。本实施例中，取粗、细不同的二根标准丝样，是为了实现测量的更精准。

本实施方案选取标准样丝与待测生丝为同一材质，且待测生丝和标准样丝同处一个光场，所以，在任意时刻，即使照明光强度有变化，它们的反射光强为同比例的，标准样丝和待测生丝具有相同的透射率和反射率，故可忽略光强的不稳定性、生丝的透明度以及生产场所嘈杂环境等带来误差，不会影响计算、标定的测量结果。依据二根标准生丝的反射光能量数据，进而推算出待测生丝的直径dx。其中，微距成像方式既放大样品的图像，同时又克服了样品轻微抖动可能引起的失真。由于CCD采集的是生丝的反射光，图像捕获采用暗背景CCD成像模式，避免了亮背景模式易引起CCD像元饱和现象，增强了测量物感光信号的信噪比，从而提高了整个系统的测量精度，同时，由于CCD采集的是生丝的反射光，在工厂里生丝即使发生抖动，也不影响CCD的输出结果，故本发明是一种实现非接触式实时动态的生丝细度智能检测系统。

本装置适应于生丝、羊毛、纺织纤维等，能够准确地得出平均直径，标准差等生丝细度的统计测量值，应用范围、测量参数多、结果准确可靠，能够实现工业现场自动的连续测量。

Claims

1.一种实时测量生丝细度的方法，其特征在于：将标准样丝与待测生丝置于同一个光强均匀的平行光场中，它们的反射光经傅立叶变换后，由光电传感器得到一帧标准样丝和待测生丝的图像信号，再经数据处理得到待测生丝细度的测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种实时测量生丝细度的方法，其特征在于：所述的标准样丝与待测生丝材质相同，至少包括一束细丝和一束粗丝。

3.一种实现如权利要求1所述方法的实时测量生丝细度的装置，其特征在于：它包括一个光强均匀的平行光场、微距成像系统、光电传感器和图像处理系统。

4.根据权利要求3所述的实时测量生丝细度的装置，其特征在于：所述的平行光场，由半导体激光器（9）发射的点光束（8）经圆柱面透镜（7）发散，再经光学透镜（5）形成。

5.根据权利要求3所述的实时测量生丝细度的装置，其特征在于：所述的微距成像系统包括成像透镜（10）。

6.根据权利要求3所述的实时测量生丝细度的装置，其特征在于：所述的光电传感器为线阵CCD；线阵CCD的成像面位于成像透镜（10）的二倍焦距之外，窄带滤光器（11）置于线阵CCD的感光元件前, 线阵CCD的信号输出端与模数转换连接，将接收到的图像信号输入到图像处理系统。