CN1111736C - 纤维质量监视议 - Google Patents

Abstract

一种纤维质量监视装置是由用来观察纤维样本的一个采样窗口构成的。在纤维样本通过采样窗口时选通一个灯泡，产生一个指向纤维样本并且受到其反射的光脉冲。在光脉冲达到预定的强度时，第一光电二极管产生一个同步信号。第二光电二极管检测波长在500纳米到600纳米之间的反射光，并且产生一个反射信号。第三光电二极管检测波长在430纳米到530纳米之间的反射光，并且产生一个颜色信号。用一台电荷耦合器件摄像机接收反射的光脉冲。低于一个预定值的象素被确定为暗象素，而接收到的反射光脉冲强度大于预定值的象素被确定为亮象素。

Description

纤维质量监视仪

技术领域

本发明涉及到一种纤维质量监视装置。本发明具体涉及到以一种在线或是脱机方式来检测棉花质量的棉花质量监视仪。

背景技术

轧棉机被用来分离棉花纤维与棉籽和废物。为了获得高质量的产品，对通过轧棉机的棉花纤维的质量进行监视以确定轧棉机工作是否正常是非常重要的。以往都是按照棉花的颜色，枝叶含量，预先加工，废物含量，纤维长度，马克隆尼值和纤维强度来分类的。最初是依靠人的感觉对棉花分类，可以用视觉来观察棉花并且相应地分出等级。然而，用人工来分类不够可靠并且主要取决于人的熟练程度。现时对棉花质量的确定主要是用大量的仪器来完成的。为了监视棉花纤维的所需要的性质，许多惯用的机器采用了白炽灯泡在棉花通过一个用来观察的采样窗口时对棉花进行照射。然后用一个光敏检测器接收被棉花采样所反射的光。通过检查被采样反射的不同波长的光的强度就可以读出棉花的质量并且对其进行分类。GB-A-2300480公开了一种纤维材料的输送系统，可用来分离有色和金属的异物。在输送管对面装有摄像机，通过透明部位观察被照亮的管。在管的下游有一个由活塞操作的(flap)副翼或是空气喷嘴构成的分离装置。用半导体闪光灯照亮纤维材料。

US-A-5130559公开了一种用来识别纺织品材料中的颗粒杂质的方法和装置。在其中制成一种薄的纤维网并且用一个光电传感器来检测颗粒。用一个照明装置照亮纤维网。

使用诸如白炽灯泡或是其他的照明装置会带来一些缺点。由于装置在机器运行时是一直开着的，灯泡产生的光的强度会随着时间而衰减。另外，为了发射所需颜色温度的白光，白炽灯泡的工作电流很大。在大电流下连续使用白炽灯泡会明显地缩短灯泡的使用寿命。其它的问题是由于棉花加工机器的振动所造成的。就象灯泡会随着时间而劣化一样，这些振动会影响白炽灯泡所产生的光的强度，造成灯泡的闪烁。这样，即使是被观察的棉花的质量没有变化，被棉花采样反射的光的强度也有可能发生变化。这些振动还可能造成白炽灯泡的灯丝断裂。使用发光强度有变化的白炽灯泡的直接后果就是必须经常地重新校准监视装置的传感器，并且需要频繁地更换白炽灯泡。

传统检测方法的另一个问题是，由于光敏检测器的成象速度比较慢，棉花纤维从连续受到照射的采样窗口前通过的速度容易造成光敏传感器接收到的图像模糊。这样就容易产生平均的而不是瞬时的读数。为了能接收到用于瞬时读数的清楚的反射，如果要进行测量，或者是需要从流动的纤维中去掉纤维的采样并且放在采样窗口上，就必须使通过加工机器的纤维停止移动。

这样就需要有一种用于测量纤维特性的方法和装置，它能够克服现有的纤维监视装置所面临的不可靠性和不稳定的问题。

发明概述

为了克服上述问题，本发明提供了一种具有用于观察纤维样本的采样窗口的纤维质量监视装置。一个选通光源提供指向纤维样本并且受到其反射的光脉冲。光敏检测器接收反射的光脉冲并且测量纤维样本的特性。本发明由于使用了选通的光源而明显地减少了经常校准和频繁更换灯泡的必要。另外，由适当选通的光源所产生的短脉冲光可以将纤维的反射图像有效地稳定在采样窗口前面，这样就减少了对纤维样本的稳定要求。

在本发明的一个实施例中，纤维质量监视装置是由用来观察纤维样本的一个窗口构成的。在纤维样本通过采样窗口时通一个氙灯泡，产生一个指向纤维并且受到其反射光脉冲。在光脉冲达到所需的强度时，光电二极管产生一个同步信号。同步信号是在光脉冲的负边沿上产生的。在与这一同步信号同步的一个光电二极管接收反射的光脉冲，检测波长在500纳米到600纳米之间的光，并且产生一个反射信号。光电二极管接收与同步信号同步的反射光脉冲，检测波长在430纳米到530纳米之间的光，并且产生一个颜色信号。

在一个电荷耦合器件摄像机的位置上接收反射的光脉冲。电荷耦合器件摄像机具有一个用于接收反射的光脉冲的象素阵列。接收到的反射光脉冲强度低于一个所需值的象素被指定为暗象素，而接收到的反射光脉冲强度大于这一所需值的象素被指定为亮象素。用一个棱镜聚焦由光电二极管接收到的反射的光脉冲，并且用一个透明块来封闭选通氙灯泡和光电二极管，让光脉冲从氙灯泡传到二极管。

用处理装置分析颜色信号和反射信号，并且产生一个合成值和一个百分数值，表示暗象素在暗和亮象素组成的阵列中的百分数。另外，处理装置还要对暗和亮象素组成的阵列中的暗象素的图形进行识别和分类，并且根据合成和百分数值来控制纤维加工设备。

在这一最佳实施例中，用一个叶片将纤维样本放到采样窗口上，用叶片从空气输送的纤维流中捕捉纤维样本。纤维样本可以是从采样窗口上滑过的纤维毛层(batt)，或者也可以是在流动中从采样窗口上吹过的由空气输送的纤维。本实施例允许纤维快速地通过采样窗口，不需要为了观察而提取采样。

一种监视纤维质量的方法包括对通过一个采样窗口的纤维进行观察。用一个选通的光源产生一个指向纤维样本并且受到其反射的光脉冲。检测反射的光脉冲在一定波长上的强度，并且指示出纤维样本的特性。

在一种优选的方法中，通过一个采样窗口来观察纤维样本。选通一个氙灯泡，产生一个指向纤维样本并且受到其反射的光脉冲。当产生的光脉冲强度在光脉冲的负边沿上达到所需的等级时，就产生一个同步信号。将反射的光脉冲聚焦。检测反射的光脉冲在500纳米和600纳米之间的波长上的第一强度，并且根据这个第一强度与同步信号同步地产生一个反射信号。同样要检测反射的光脉冲在430纳米和530纳米之间的波长上的第二强度，并且根据这个第二强度与同步信号同步地产生一个颜色信号。同样用象素来接收反射的光脉冲。通过将接收到的反射光脉冲强度低于一个所需值的每一个象素指定为暗象素，而将接收到的反射光脉冲强度大于这一所需值的每一个象素指定为亮象素来产生亮和暗象素的阵列。

通过对颜色信号和反射信号的分析产生一个合成信号，并且还产生一个百分数值，代表暗象素在暗和亮象素的阵列中所占的百分数。另外还要对暗象素在亮和暗象素的阵列中组成的图形进行识别和分类。按照这种合成和百分数值来控制纤维加工设备。在这种优选的方法中，可以从空气输送的纤维流中捕捉纤维样本并且将其放在采样窗口上。纤维样本有可能以纤维毛层的形式从采样窗口上滑过，或者是在空气输送的纤维流中吹过采样窗口。

选通的光源可以在不需要纤维流在采样窗口前停留的情况下进行测量，并且可以用恒定强度的光进行测量。如果光源是持续的，在提取采样时就不知道光的强度，并且可能会由于振动和衰变而发生变化。这样，上述的选通光源的方法大大减少了按照照明光强度的变化来校准检测装置的必要。另外，由于光在提取采样时的强度比一个新灯泡所产生的强度要小，灯泡在出现明显劣化之后仍然可以产生最大的光强度。

附图说明

通过参照附图对最佳实施例的详细描述就可以认识到本发明的进一步的优点，附图中没有比例，并且所有附图中相同的标号都代表相同的元件，在附图中：

图1是监视仪的一个实施例的功能示意图，而

图2是一种轧棉机的功能示意图，表示监视仪在轧棉机中所处的某些位置。

图3是USDA，Agricul tural Marketing Service，Cotton Division为American山地棉花制订的一个官方棉花比色图表。

具体实施方式

在图1中表示了包括本发明的一个监视仪20。监视仪20被专门用来监视通过一个轧棉机的棉花的质量和特性。或者是可以在工厂中用这种监视仪20来监视棉花的质量。这些监视操作都可以用在线的方式来执行，将监视仪20连接到加工设备上，或者是采取脱机的方式，此时的监视仪20可以是装在实验室中的一台单件设备。如果以在线的方式使用，监视仪20可以是控制系统中的一部分，用来控制它所连接的设备的操作。例如，监视仪20可以用来测量棉花纤维的枝叶含量，棉花纤维颜色的变化，或者是混在棉花纤维中的外来异物。这些信息可以被用来控制轧棉机中的清扫操作。如下文所述，监视仪20具有这样的结构，它还可以用来监视其他各种纤维的特性，只要是需要测量的这些特性是能够从纤维上反射的光的特征来确定的。

用监视仪20监视纤维样本12，并且确定纤维样本12拥有的某些特性。这些特性被用来为纤维样本12分级。其基本原理是通过检查受到纤维样本12反射的光34来确定纤维样本12的某些特性。将纤维样本12放在一个采样窗口14前面。从图中可见，纤维样本12可以通过各种途径通过监视仪20的采样窗口14。监视仪20可以放在一个管道的底上，纤维样本12可能以纤维的毛层，长条或是团的形式从采样窗口14上滑过。或者是使由一个气流10输送的纤维样本12从监视仪20的采样窗口14上流过。还可以从气流10中捕捉纤维样本12，并且用一个例如叶片22的装置将其放在采样窗口14上面，利用一条线21将叶片连接到一个处理装置30上。可供使用的最佳的采样窗口14的尺寸是88.9毫米乘88.9毫米，也可以使用更大的窗口14。如下文中所述，采样窗口14最好是用对某种波长的光相对透明的材料制成的。例如可以用玻璃，石英，兰宝石或是适当的热塑性树脂制成，并且最好是使用可以用水清洗的PYREX(派热克斯耐热硬度玻璃)。

无论是用哪一种方法将纤维样本12送到监视仪20上，在纤维样本12通过采样窗口14时，选通一个灯泡18，产生一个光脉冲16。为了简化在图1中仅仅表示了一个灯泡18。然而，在最佳实施例中使用了两个灯泡18，将灯泡18布置在采样窗口14相对的两端，并且与采样窗口14成45度角。这种布置方式可以为纤维样本12提供更加均匀的照明。

如下文所述，由于所需灯泡的特性和性质以及灯泡所产生的光，在最佳实施例中使用了一个氙灯泡18。优选的氙灯泡型号是PeeskillyNew York的Shokai Far East Ltd.制造的SFT-4044T型。这种优选的灯泡18在300伏时具有的最大输出是45焦耳。这种气体灯泡在点亮时的电阻大约是0.1欧姆。最好是用脉冲间隔大约是1微秒的4千伏到10千伏的电压脉冲来选通这种灯泡。灯泡电压可以在150到300伏之间调节，最佳电压是175伏左右。

氙灯泡主要产生一种白光，它覆盖了可见光频谱中的至少一部分，并且其色度温度大于6000度开尔文。在某些应用中，这种光量比所需的光量要亮。如果是这样，就可以通过在灯泡18上串联一个电阻来减少灯泡18所产生的光，或者是改变灯泡18的电压。用电阻还可以延长灯泡18所产生的光脉冲16的持续时间。

在最佳实施例中，氙灯泡18在信号线48上从处理装置30接收电压，使其每隔五到六秒被选通一次。然而，最佳实施例还能够按照更快的速率来选通灯泡18。监视仪20的最高闪光和采样速率主要是由用来使灯泡18闪光的驱动器所确定的。需要指出的是，本发明并不仅限于使用氙灯泡18。只要是这种光源能够可靠地选通并且产生满意的光谱，让监视仪20能够测量纤维样本12的特性。如上所述，需要一种能够产生白光的光源，因为白光包含了处在可见光谱范围内的波长。这样，纤维样本12的可见的特征就可以反映出可以检测的一定波长的白光。

由一个光管26将氙灯泡18产生的光脉冲16导向第一光敏检测器28。第一光敏检测器28最好是采用Camarillo California的AdvancedPhotonix，Inc.生产的型号为SD290-12-22-241的蓝色增强硅二极管。光脉冲16还通过采样窗口14并且受到纤维样本12的反射。这样就产生一个反射的光脉冲34。光管26的功能是让第一光敏检测器28接收到的光的强度与纤维样本12反射光脉冲16的角度基本上无关。光管26将来自灯泡18的光直接导向第一光敏检测器28。这样，光敏检测器28接收到的直接来自光管26的光脉冲的强度就可能会大于朝着它反射回来的光脉冲34的强度。因此，第一光敏检测器28的输出就会很少受到反射光脉冲34的强度的影响。如果第一光敏检测器28不是和氙灯泡18一起被放在光管26中，它就会受到光脉冲34的强度的较大影响。例如，假设纤维样本12是棉花的很白的反射部分并且第一光敏检测器28不是被放在光管26中。白色的纤维样本12会比暗淡的纤维样本12反射更多的光。由于有额外的反射光34，对于白色的纤维样本12来说，第一光敏检测器28接收到的光的强度可能会比暗淡并且没有多少反射的纤维样本12要大。这样，光管26就能防止反射的光脉冲34对第一光敏检测器28的输出造成影响。

在最佳实施例中，光管26是包含第一光敏检测器28和氙灯泡18的一个LEXAN(热塑聚碳酸酯)块。然而，也可以用诸如玻璃，石英，蓝宝石或是其它热塑性树脂等等光传导材料制成光管26。光管26的功能是确保第一光敏检测器28接收到的光的强度与纤维样本12反射的光34的光量基本上无关。然而，如果不使用LEXAN块26，执行这种功能的途径也还有许多。例如，可以利用监视仪20的结构将第一光敏检测器28所处的位置与大多数反射的光脉冲34完全屏蔽。

第一光敏检测器28在信号线50上产生一个代表其接收到的光的强度的电压。由处理装置30接收这一电压，在电压处在所需等级时产生一个同步信号。在最佳实施例中，光脉冲16的强度快速上升到一个可变的最大值，然后比较慢的衰减。在这一光强度下，连接到第一光敏检测器28上的第一光电放大器产生的电压处在0伏到8伏之间。

在第一光敏检测器28接收到的光脉冲16的强度通过它的峰值强度并且下降到一个值时，它应该大约是最初由一个新的灯泡18所产生的典型的最大强度的80％，处理装置30就产生一个同步信号。在最佳实施例中，电压比较器和电压参考值被用来确定在何时达到这一80％强度值。最好是在连接到第一光敏检测器28上的第一光电放大器所产生的电压处在大约7伏时产生上述的同步信号。

每当灯泡18被选通时，由灯泡18产生的最大强度的光16会衰减。利用灯泡所产生的最大强度衰减到一个特定的等级所需的时间来测量灯泡的寿命，这一特定等级最好是一个新灯泡的典型的最大强度的80％。80％的强度值之所以是最佳的是因为它是用来测量灯泡寿命的一个典型值。这样，监视仪20就能参照灯泡18的制造商提供的灯泡寿命来准确地估算出灯泡18的使用寿命。

然而，如果期望的灯泡使用寿命比较长，就可以按照比较低的值来产生同步信号，例如是一个新灯泡的原始强度的50％。如果期望比较亮的光脉冲16，就可以按照比较高的值来产生同步信号，例如是原始强度的90％。然而，在比较亮的强度上工作会缩短灯泡18的使用寿命。然而，正如下文中所要说明的那样，最好是在光16的强度足够高时产生同步信号，让监视仪20能够接收到足够的反射光34以便正常工作。如果处理装置30在产生的光脉冲16达到其最大强度时产生同步信号，就可能造成一定的问题。在选通的灯泡18随着时间而劣化时，它所产生的最大强度也会衰减。这样就有可能需要校准监视仪20。

同步信号是在光脉冲16的负边沿上产生的，这样就能在比较稳定的强度上读出。光脉冲的负边沿也就是光脉冲16的后沿。它处在光16的强度已经通过其最大值并且开始衰减的位置上。如果在光脉冲16的强度增大的位置上产生同步信号，光脉冲16的强度就可能在产生同步信号之后很快开始衰减，或者是可能持续上升。这样会造成不应有的变化，在产生同步信号的精确时刻有可能影响到反射光脉冲34的强度。

另外，在最佳实施例中，光脉冲16在大约1微秒到3微秒的时间内比较快地上升到它的最大值，然后在大约15微秒到50微秒的时间内比较慢地衰减。这就是说，光脉冲16的强度在光脉冲16的负边沿上的变化速率很慢。因此，如果在负边沿上提取读数，光脉冲16的强度在第一光敏检测器28提取读数所需的时间内的变化很小。如果反射光脉冲34的强度主要取决于纤维样本12的特性，监视仪20就可以更好地发挥作用。

用第二光敏检测器32接收反射的光脉冲34，并且经过滤波来检测波长在500纳米到600纳米特别是505纳米到605纳米之间的一部分反射光34的强度。第二光敏检测器32最好是采用Camarillo California的Advanced Photonix，Inc.生产的型号为SD290-12-22-241的蓝色增强硅二极管。第二光敏检测器32在线40上向处理装置30发送一个电压信号。线40上的电压信号与反射的光脉冲34中上述波长的强度成正比。处理装置30在产生同步信号的时刻从线40上捕捉电压信号值。这样，处理装置30就可以在已知光脉冲16强度的准确时刻确定给定波长的反射光脉冲34的强度。这样，第二光敏检测器32接收到的反射光脉冲34的强度就可能会与纤维样本12在这些波长上(而不是在光脉冲16的原始波长上)的反射特性有关。这个值通常被称为反射信号，它代表着纤维样本12的反射率。棉花的反射率取决于棉花纤维是明亮还是暗淡。这种指标在棉花工业中通常被称为棉花的灰度。

第三光敏检测器36接收反射并且经过滤波的光脉冲34，用来检测波长在530纳米到430纳米之间的光的强度。第三光敏检测器36最好是采用Camarillo California的Advanced Photonix，Inc.生产的型号为SD290-12-22-241的蓝色增强硅二极管。第三光敏检测器36在线46上向处理装置30发送一个电压信号。线46上的电压信号与反射的光脉冲34中上述波长的强度成正比。处理装置30在产生同步信号的时刻从线46上捕捉电压信号值。这样，处理装置30就可以在已知光脉冲16强度的准确时刻确定给定波长的反射光脉冲34的强度。这样，第三光敏检测器36接收到的反射光脉冲34的强度就可能会与纤维样本12在这些波长上(而不是在光脉冲16的原始波长上)的反射特性有关。这个值通常被称为颜色信号，它代表着纤维样本12的黄色成分。

如下所述，通过对美国农业部提供的官方棉花比色图表中的数值进行测绘就能将灰度和黄色的各种组合转换成颜色值。在美国，棉花颜色等级被分成五组颜色：White，Light Spotted，Spotted，Tinged和Yellow Stained。刚刚开花的棉花通常具有明亮的白色。因此，异常的颜色通常表明质量的劣化。可以想象，根据被监视的纤维种类和准备测量的纤维的具体特征，可以使用对不同波长的光具有敏感性的光电二极管。如果无法获得具有所需带宽的预制的光敏二极管，也可以用滤光片来限制到达光敏二极管的反射光34的波长。另外还可以想象出，如果给定的带宽合适，如上所述，监视仪20对测量这些波长的装置并没有严格的限制。

除了被第二光敏检测器32和第三光敏检测器36接收之外，反射的光脉冲34还被一个摄像机38如电荷耦合器件接收。优选的摄像机型号是Marshall制造的V-1208型。电荷耦合器件摄像机38利用一个光敏象素的阵列来产生纤维样本12的图象。这种图象是由亮和暗的象素构成的，它是通过将接收到的反射光脉冲34的强度低于一个预定值的象素指定为暗象素，而将接收到的反射光脉冲34的强度大于上述预定值的象素指定为亮象素来产生的。被电荷耦合器件摄像机38接收到的光的强度限定为亮象素的一个象素应该是能够上下调节的。这样，纤维样本12中诸如废物或者枝叶等反射率比较低的部位就在图象中产生暗象素，而纤维样本12中例如是白色棉花纤维等反射率比较高的部位就会产生亮象素。

尽管本实施例中使用的摄像机38是黑白摄像机，摄像机38也可以是彩色摄像机，或者是装有滤光片的一系列黑白摄像机，这样就能收集纤维样本12的彩色图象。例如可以为三个单片电荷耦合器件阵列各自装上不同的滤光片，让每个检测的反射光处在不同的波长范围内。实现的方式是用一个红色滤光片盖住一个电荷耦合器件阵列，用一个蓝色滤光片盖住第二个电荷耦合器件阵列，并且用一个绿色滤光片盖住第三个电荷耦合器件阵列。红色滤光片应该调谐到600纳米到700纳米的波长上，绿色滤光片应该调谐在500纳米到600纳米的波长上，而蓝色滤光片应该调谐到400纳米到500纳米的波长上。最好是配合着红色滤光片使用一个0.3中灰滤光片，而配合着绿色滤光片使用一个0.5中灰滤光片。

在进一步的变更实施例中，不是使用各自具有自身的滤光片的三个电荷耦合器件阵列，而是采用了单个电荷耦合器件阵列，每次将三个滤光片之一安置在阵列上方，从而获得三种不同的图象。然后可以将三个图象合成一个合成图象，或者是用处理装置30单独进行分析。进而可以用一个棱镜将反射光分离成它的波长分量，让不同的波长聚焦在电荷耦合器件阵列上的不同部位。按照这种方式，就可以检测出反射光在许多不同波长上的相对强度并且进行分析。

如果摄像机38是一台彩色摄像机，就可以用摄像机38来提供原来由第二光敏检测器32和第三光敏检测器36所提供的信息，从而不需要二极管32和36。如果是从摄像机38而不是从二极管32和36接收彩色信息，就能从一个采样12上提取更多的读数。换句话说，不是分别由二极管32和36单单在两个点上进行测量，在每个纤维样本12上可以提取的读数数量等于摄像机38的阵列中的象素数量。这样就能很快地获取和确定纤维样本12的色彩分布。与二极管32和36所提供的平均读数相比，这种信息为纤维样本12内部的色彩范围提供了更加详尽的信息。这样，摄像机38就能提供上述的反射和颜色信号。

从信号线42上将电荷耦合器件摄像机38的输出传送给处理装置30。如果被监视的纤维是棉花，这一输出就代表纤维样本12的枝叶和废物含量。在轧棉工业中，枝叶材料是一种废物，并且清除枝叶的工作是一种额外的成本因素。因此，对于棉花的买方和卖方来说，确定棉花纤维中的枝叶含量是一个很重要的问题。电荷耦合器件摄像机38的一种功能是捕捉纤维样本12的图象，让处理装置30能够确定图象中显示的废物含量。

通过对摄像机38获得的图象中检测到的缺陷的颜色，模糊，形状和大小进行检查，处理装置30就可以确定纤维样本12中的杂质或是缺陷的类型。例如，细毛可能是白色的，换句话说，也就是在某一波长上具有比较强的反射率，而一片树皮的颜色可能会发黑或是棕色，并且对某一波长的反射比较小。进而，一片枝叶的颜色可能是绿色的，其反射率特征与它的颜色有关。这样，处理装置30就能利用摄像机38接收到的颜色信息或者说是频谱信息对纤维样本12中不同种类的废物进行分类。

同样，图象中模糊的缺陷或是暗象素的图形可以指示出检测到的杂质种类。模糊代表了黑色象素在图形的一个截面上的变化速度。换句话说，某些杂质具有尖锐的边沿，会给通过杂质的光量带来急剧的变化。一片枝叶就是此类杂质的典型例子。在枝叶的边沿上，图形的灰度等级会产生戏剧性的变化。而在枝叶的边沿以外，灰度等级处在某一个基本等级，只有枝叶边沿内侧的灰度等级是比较暗的等级。

其他种类的杂质可能对透射的光量产生更加平缓的变化。例如，棉结往往并不象上述的枝叶那样具有一定的边沿轮廓。棉结可能具有比较密实的核心，外围是比较稀薄的边缘。因此，与枝叶边沿上的情况相比，刚好从棉结边沿的外侧透射过去的光量与刚好从棉结边沿的内侧透射过去的光量的变化并不是很大。然而，与枝叶的轮廓不同，透射的光量在棉结的轮廓上是从棉结的边沿到棉结的中心连续地变化的。一般来说，棉结的中心是棉结中最暗的区域，而透射的光量是从棉结的中心向四面八方逐渐增大的。

处理装置30还可以使用检测到的图形的形状对图形或是杂质进行分类。纠缠的棉结，表皮结实的棉结，枝叶，嫩枝和其他杂质都可能具有与众不同的形状。处理装置确定已经检测到的杂质的形状轮廓，并且借助已确定的形状对杂质进行分类。可以按照杂质的外围边沿与简单的几何图形相近似的方法来确定形状。另一种确定杂质形状的方法是用力矩或是重心来代表杂质的形状或是外围走向。这种方法对于不具有不规则的形状但是又很接近圆形的杂质分类是有效的。在最佳实施例中使用了不止一种图形识别方法对杂质进行分类。

例如，嫩枝可能具有比较大的纵横尺寸比。换句话说，嫩枝的一个尺寸例如是长度可能比另一个尺寸例如是宽度大得多。反之，棉结则具有比较小的纵横尺寸比，也就是说，棉结的尺寸在所有方向上更加均匀。处理装置30对检测的图形进行分析，并且确定其纵横尺寸比，例如是通过沿着两个不同的轴线计算象素的数量来表示这种图形。可以将不规则的形状或者说是非圆形或是接近矩形的形状表示成枝叶碎片。这样，处理装置30就能用检测到的图形的形状对杂质进行分类。

尺寸也可以用来对长条棉花纤维中的杂质进行分类。例如，专用的轧棉机在它的进料流中可能会发现比棉结更大的废物。这样就可以为处理装置30编程，将超过给定尺寸的检测到的图形用来指示这种杂质是废物而不是棉结。这样就能利用尺寸对杂质进行分类。

处理装置30可以按照不同的方式来使用颜色，模糊，形状和尺寸数据。可以将赋予每一种标准的等级或是数值代入一个对杂质进行分类的公式。处理装置30也可以通过将这种等级与一个分类表进行比较而确定杂质是属于哪一种类型。在分类表中包含来自已知类型杂质的颜色，模糊，形状和尺寸数据。如果处理装置30计算出的颜色，模糊，形状和尺寸数据接近一种已知杂质的数据，就将暗淡象素的图形归纳为此种类型的杂质。可以反馈或是直接提供这种信息，用来控制纤维加工设备，减少或是消除这些杂质。例如，如果处理装置30指示出残留在棉花中的废物数量过多，在轧棉机中就可以使用附带的清洁器对棉花的进料流进行进一步的清理。

应该指出的是，本发明并不仅限于使用电荷耦合器件摄像机38的设备。电荷耦合器件摄像机38是一种光敏器件的最佳实施例，可以用来获取棉花采样12的图象。摄像机38的分辨率是根据需要检测的颗粒尺寸而确定的。使用较多的象素来表示同一尺寸的采样可以检测出更小的废物颗粒。使用较少的象素来表示纤维样本12只能检测出比较大的颗粒。优选的阵列尺寸是512象素乘480象素。这样，在不脱离本发明原理的范围内就可以用许多种光敏检测装置来接收反射光脉冲34。处理装置30在产生同步信号的时刻从线42上捕捉图象数据。这样就能在同一时刻捕捉到线40上的反射信号，线46上的颜色信号，和线42上的图象数据。

第二光敏检测器32，第三光敏检测器36和电荷耦合器件摄像机38通过整个采样窗口14接收反射的光。在最佳实施例中使用一个棱镜25将来自整个采样窗口14的反射光脉冲34聚焦到光敏检测器件上。然而还应该认识到，本发明也可以用其他的途径来实现。例如，第二光敏检测器32和第三光敏检测器36可以位于它们各自的采样窗口14下面。使用棱镜25的优点在于所有光敏器件都是根据同一纤维样本12反射的光提取读数的。然而，如果纤维的质量是均匀的，这一特征就不重要了。

根据所需的精度等级，有可能需要考虑的两种来源或是指标的变化是监视仪20内部的温度变化或者是采样窗口14的玻璃上受到污染的可能性。温度变化可有会影响到光敏二极管等等电子元件的灵敏度。这样，即使纤维样本12的特性没有变化，温度的波动也会造成监视仪20所提取的读数出现波动。如上文所述，这种情况是不应该有的。如果使用加热器加热监视仪20的电子元件，就可以将温度保持在恒定值。优选的加热器型号是Advanced Thermal Products，Inc.制造的P5504A050Z150A。在最佳实施例中，将加热器设定在50度C。这样就能允许除环境温度增加以外机壳内部温度的正常升高。

如果有一片污垢贴在采样窗口14上，监视仪20会认为它是纤维样本12中的一片废物。为了避免玻璃受到沾污，可以为采样窗口14装上一个刷子，用来清除贴在采样窗口14上的任何纤维。同样，在开动监视仪20时，可以使采样窗口14处在额外的纤维不能到达的位置上。或者是用人工检查采样窗口14并且每隔一定时间进行清洗。按照另外一种方案，可以为处理装置30编程，将象素阵列中重复出现的图象识别为贴在采样窗口14上的一片废物，并且相应地将其放弃。例如可以用摄像机38产生窗口的修正框架或是参考框架，并且用电子技术从所有顺序的采样框架中去掉这一修正框架。或者是可以刚好在每个采样框架之前产生一个修正框架。

在使用上述的光敏检测装置获取的纤维样本12的读数之后，可以用处理装置30对读数进行分析。处理装置30可以是一个简单的微处理器或是一台完整的计算机。处理装置30应该包括用来在线21，24，40，42，46，48和50上接收和发送信号的输入/输出，一个模-数转换器，用来存储数据和程序指令的存储器，和一个用来处理数据和指令的微处理器。处理装置30还可以包括诸如用户接口和显示器等等其他设备。如下文中所述，处理装置30中用来分析上述光敏检测器输出的复杂技术是由需要执行的功能的复杂性来决定的。

处理装置30对处理装置30从线40和46上接收的颜色信号和反射信号进行分析，产生一个合成值。这一合成值代表被监视的纤维样本12的颜色等级。处理装置30还产生一个百分数值，它代表着暗象素在暗和亮象素的阵列中所占的百分数。这个值代表了被监视的纤维样本12中的枝叶和废物含量。另外，处理装置30还可以对亮和暗象素的阵列中的暗象素图形进行识别和分类。一定的图形可能代表纤维样本12中的枝叶或是其他异物。按照处理装置30所采用的技术的复杂性和用户的具体要求，可以用各种方式来控制光电检测装置的输出信号，从而获得关于纤维样本12的有用的信息。

处理装置30接收到的电压测量结果与人工分选的结果是不同的形式。然而，处理装置30最好是能够将测量结果调整成统一的形式或者是需要的任何形式。如上所述，人工分选依赖于人对棉花等级的感觉。因此，用人工分选为棉花确定的等级是主观的，并且随着分选人员而有所变化，即使是同一个人，在不同时刻的分选结果也可能是不同的。这样就会给棉花的分级带来一些不应有的随意性。然而，本发明的监视仪能够以一种重复的方式获得测量结果，因而具有能够代替人工分选的能力。

棉花通常是用范围从11-1到85-5的三个数字代码来分类的。第一个数字代表棉花的反射率。第一个数字值的变化范围是从1到8。这个数越小，棉花的反射率就越高。数值8代表次品棉花。第二个数字值的变化范围是从1到5，它代表棉花的颜色。第二位上的1代表白色的棉花采样，而4代表比较黄的棉花采样。数值5代表次品棉花。第三个数字按照棉花的废物含量和质量将前两个数字所指示的等级进一步细分。用1表示棉花的最高等级，用4表示比较差的等级。数值5代表次品棉花。

在监视仪20中，处理装置30接收第二光敏检测器32输出的电压。然而，棉花的反射率通常是用一个被称为Rd的值来测量的。具体地说，棉花所具有的Rd值处在48到82之间。Rd值越大，棉花就越白并且反射率越高。处理装置30还要接收第三光敏检测器36输出的电压。然而，棉花的颜色通常是用一个+b值来测量的。具体地说，棉花所具有的+b值处在5.0到17.0之间。+b值越大，棉花就越黄。因此，处理装置30将从第二和第三光敏检测器32和36接收到的电压测量值转换成Rd和+b值。

除了控制光敏二极管的输出电压之外，处理装置30还控制着电荷耦合器件摄像机38的输出。例如处理装置30对亮和暗象素的阵列进行分选，并且计算出一个代表暗象素在阵列中所占的百分数。这一百分数值被用来表示棉花纤维中的枝叶或废物含量。

对监视仪进行校准，用上述传统的棉花分级方法提供读数。代表已知等级的编色的平铺校准采样被放在采样窗口14前面。然后控制光敏器件32，36和38的输出，直到监视仪20的输出达到校准采样的已知值。然后可以在必要时重新检查监视仪20的校准，将校准的采样放在采样窗口14上，并且确认监视仪20所提供的读数和已知采样的读数相同。这样，监视仪20就可以读出棉花采样了。

例如，特定的棉花采样可能会产生相当于74的Rd值和10.0的+b值的电压等级，而亮和暗象素的阵列中具有大约20％的暗象素。如果将这些数值与图3中绘制的图表的内部版本相比较，处理装置30为棉花采样指示出的等级是32-1，并且在显示器上显示这个值。反射值3代表棉花的亮度等级是Middling棉花。颜色值2进一步将棉花等级分类成Light Spotted棉花。这样的棉花采样就被分类成Light SpottedMiddling棉花。20％的百分数值被用来对纤维样本的废物含量分类。如果有必要，可以采用人工分选将其与一个表中包含的各个枝叶等级含量的典型的废物百分数相比较，将其转换成七个枝叶等级之一。第三个数字1表示这一采样是最高等级的Light Spotted Middling棉花，也就是具有很低的废物含量。

参见图2，在一种典型的轧棉机工艺中，监视仪20可以用来根据测得的纤维样本12的特性变化来控制纤维加工设备。例如，在轧棉机52中，可以将监视仪20放在进料器40后面。在棉花最初进入轧棉机时，大约每隔5到6秒一次启动监视仪20，初步确定棉花纤维的质量。监视仪20的启动周期是按照纤维样本12的特性的预期变化速率来控制的。这些最初的质量读数可以被用来控制轧棉机52。如果棉花比较干净，就可以在轧棉机52的某一部分中缩短对棉花进行处理所花费的时间。如果棉花比较脏，就可能需要增加棉花的处理时间。

在读出最初的监视仪20读数之后，可以用干燥机42和去籽机44对棉花纤维进行加工。将棉花送入一部轧花机机座46。在离开轧花机机座46时，再一次用监视仪20检测棉花纤维，从而确定去籽机44和轧花机机座46工作是否正常。如果不是，就可以对去籽机44和轧花机机座46进行修正以改善机器的性能，或者是将棉花送回轧花机机座46和去籽机44重新进行加工。最后让棉花通过一台飞花清洁器48并且在进入打包机50打包之前通过另一个监视仪20。这一最后的读数可以用来确定整个系统的工作是否正常。如果系统需要调节，就可以将读数送回处理装置中相应地改变系统的性能。另外，可以在棉花包上标明最终的测量结果以表示棉花的质量。

尽管上文中已经说明了本发明的具体实施例，在附带的权利要求书的范围之内还可以对本发明进行适当的重组和增删。

Claims (28)

1.一种纤维质量监视装置包括：

用来观察纤维样本(12)的采样窗口(14)，

一个选通的光源(18)，用来提供指向纤维样本并且受到其反射的光脉冲，

第二光敏检测器(32)，在它的位置上接收反射的光脉冲，测量纤维样本的特性，并且由一个同步信号与选通的光源同步，以及

第一光敏检测器(28)，用于在选通的光脉冲达到所需的强度时产生一个同步信号。

2.按照权利要求1的装置，其特征在于同步信号是在选通的光源所产生的光脉冲的负边沿上产生的。

3.按照权利要求1的装置，其特征是选通的光源是由一个氙灯泡构成的。

4.按照权利要求1的装置，其特征是第二光敏检测器包括一个光电二极管，用来检测波长在500纳米到600纳米之间的光。

5.按照权利要求1的装置，其特征是第三光敏检测器包括一个光电二极管，用来检测波长在430纳米到530纳米之间的光。

6.按照权利要求1的装置，其特征是包括两个光电二极管和一个摄像机。

7.按照权利要求1的装置，其特征是还包括一个具有象素阵列的电荷耦合器件摄像机，用来产生代表纤维样本特性的阵列值。

8.按照权利要求7的装置，其特征是进一步包括对所产生的阵列值中的数值的图形进行识别和分类的处理装置。

9.按照权利要求8的装置，其特征是进一步包括按照在产生的阵列值中分类的图形值来控制纤维加工设备的处理装置。

10.按照权利要求1的装置，其特征是进一步包括用来分析由第一光敏检测器测量的纤维样本特性的处理装置。

11.按照权利要求1的装置，其特征是：

第一光敏检测器是一个光电二极管，用来在光脉冲的负边沿上产生上述同步信号，

第二光敏检测器是一个光电二极管，在它的位置上接收反射的光脉冲，与同步信号同步地产生一个反射信号，

第三光敏检测器，在它的位置上接收反射的光脉冲，用来检测光，并且与同步信号同步地产生一个颜色信号，

一个电荷耦合器件摄像机，在它的位置上接收反射的光脉冲，并且具有一个象素阵列，将接收到的光脉冲强度低于一个所需值的象素指定为暗象素，而将接收到的反射光脉冲强度大于这一所需值的象素指定为亮象素，从而产生一个亮和暗象素的阵列，

一个棱镜，用来聚焦由第二和第三光敏检测器接收到的反射的光脉冲，

一个透明块，用来封闭第一光敏检测器和选通的光源，让光脉冲从光源传到第一光敏检测器，以及

处理装置，用于：

分析颜色信号和反射信号，并且产生一个合成值，

产生一个百分数值，表示暗象素在暗和亮象素的阵列中的百分数，

对暗和亮象素的阵列中的暗象素的图形进行识别和分类，并且

根据分类的图形来控制纤维加工设备。

12.按照权利要求11的装置，其特征是进一步包括一个叶片，用来从空气输送的纤维流中捕捉纤维样本，将纤维样本放到采样窗口上。

13.按照权利要求11的装置，其特征是纤维样本进一步包括从采样窗口上滑过的纤维毛层。

14.按照权利要求11的装置，其特征是纤维样本进一步包括在流动中从采样窗口上流过的空气输送的纤维。

15.按照权利要求1的用来控制轧棉机的装置，其特征是进一步包括：

一个电荷耦合器件摄像机，在它的位置上接收反射的光脉冲，用来检测和分类棉花采样中的废物，以及

按照在棉花采样中检测和分类的废物来控制轧棉机的处理装置。

16.按照权利要求1的用来控制轧棉机的装置，其特征是进一步包括：

一个棱镜，用来聚焦由第二光敏检测器接收到的反射的光脉冲，

一个透明块，用来封闭第一光敏检测器和选通的光源，让光脉冲从光源传到第一光敏检测器，以及

处理装置，用于：

分析颜色信号和反射信号，并且产生一个合成值，

产生一个百分数值，表示暗象素在暗和亮象素的阵列中的百分数，

对暗和亮象素的阵列中的暗象素的图形进行识别和分类，并且

根据分类的图形来控制轧棉机。

17.用来检测纤维样本特性的一种方法包括：

通过采样窗口观察纤维样本，

选通一个光源，产生一个指向纤维样本并且受到其反射的光脉冲，

检测一定波长上的反射光脉冲的强度，反射光脉冲在这一波长上的强度代表了纤维样本的特性。

在光脉冲达到所需强度时产生一个同步信号，以及

使反射光脉冲的检测信号与同步信号同步。

18.按照权利要求17的方法，其特征是产生同步信号的步骤中进一步包括在选通的光源所产生的光脉冲的负边沿上产生同步信号。

19.按照权利要求17的方法，其特征是检测强度的步骤中进一步包括检测波长在500纳米到600纳米之间的反射光脉冲的强度。

20.按照权利要求17的方法，其特征是检测强度的步骤中进一步包括检测波长在430纳米到530纳米之间的反射光脉冲的强度。

21.按照权利要求17的方法，其特征是进一步包括产生代表纤维样本特性值的一个阵列的步骤。

22.按照权利要求21的方法，其特征是进一步包括在产生的阵列值中对数值图形进行识别和分类的步骤。

23.按照权利要求22的方法，其特征是进一步包括根据在产生的阵列值中分类的数值图形来控制纤维样本的后续处理的步骤。

24.按照权利要求17的方法，其特征是进一步包括对上述波长上检测到的光脉冲强度进行分析的步骤，从中确定纤维样本的特性。

25.按照权利要求17的方法，其特征是进一步包括

聚焦反射的光脉冲，

检测波长在500纳米到600纳米之间的反射光脉冲的第一强度，

根据这一第一强度与同步信号同步地产生一个反射信号，

检测波长在430纳米到530纳米之间的反射光脉冲的第二强度，

根据这一第二强度与同步信号同步地产生一个颜色信号，

用象素接收反射的光脉冲，并且将接收到的反射光脉冲强度低于一个所需值的每一个象素指定为暗象素，而将接收到的反射光脉冲强度大于这一所需值的每一个象素指定为亮象素，从而产生一个亮和暗象素的阵列，

分析颜色信号和反射信号，产生一个合成值，

产生一个百分数值，表示暗象素在暗和亮象素的阵列中的百分数，

对暗和亮象素的阵列中的暗象素的图形进行识别和分类，并且

根据分类的图形来控制纤维加工设备。

26.按照权利要求25的方法，其特征是观察纤维样本的步骤中进一步包括从空气输送的纤维流中捕捉纤维样本，并且将纤维样本放到采样窗口上。

27.按照权利要求26的方法，其特征是观察纤维样本的步骤进一步包括让纤维毛层形式的纤维样本从采样窗口上滑过。

28.按照权利要求26的方法，其特征是观察纤维样本的步骤进一步包括让空气输送的纤维形式的纤维样本在流动中通过采样窗口。

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