CN1224844A - 高效的棉结测量 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于测量纤维样品中棉结组织的数量和尺寸分布的装置和方法。单个化处理器向横向伸长的加速/减速气流喷嘴内送入一些组织,例如纤维和棉结,喷嘴内垂直于通过喷嘴的气流的方向上有一个横向伸长的检测空间。设置样品的进料速度,使多个单个化处理后的样品能够同时送入检测空间。传感器输出装置产生一个及时指示检测空间内任意给定点处的材料总量的信号,这使得传感器输出信号有一个由纤维产生的本底以及一些代表棉结的、偶然的信号脉冲。测定器以至少接近棉结状组织通过检测空间的输送周期的速度对信号取样,并采用前取样和后取样的平均本底抑制来识别表示棉结状组织的信号幅度。

Description

高效的棉结测量

本发明一般来说涉及纤维样品中单个的组织的测量和分类，更具体地说，它涉及对纤维样品中棉结状组织的数量和尺寸分布的测量。

纤维样品的测试，例如不限于棉纤维样品的测试，对于决定一批特定材料的市价以及对于决定其合适的用途和在轧棉机或纺纱厂中需要什么样的处理是很重要的。今天，产自美国的棉花几乎百分之百都使用测试仪器来分析。测试通常包括决定纤维的特征数据，如纤维的长度，以及不想要的纺织组织的含量，如废料和棉结的含量。

用于测量纤维样品中单独组织特征数据的装置公开于Shofner等的美国专利US5270787、US5410401、US5430301、US5469253和US5539515，在此引入这些专利的全部内容作为参考。

公开于美国专利US5270787、US5410401、US5430301、US5469253和US5539515中的现有技术装置包括一个单个化处理器，该处理器把含有纤维和棉结状组织(包括实际棉结)的纤维样品处理成单个的组织，并将这些组织一次一个地送入流体流。(可将废料分开，并送入另外的流体流。)用喷嘴给这些组织定向，使每个组织的长度(主要尺寸)方向大致平行于流体流动的方向。这些组织穿过检测空间，对于正在通过该检测空间的每个组织，检测空间利用电光传感器来产生相应的特征信号。因此检测空间由一束光限定。分析这些信号，计算和确定组织的各种特征数据，如它们的尺寸。

Shofner等的美国专利US5410401中具体讨论了喷嘴的重要性。这种加速/减速气流喷嘴的横截面是圆形的，其入口截面或口径是渐缩的，至喉部或中间截面达到最小直径，如0.125英寸，接着是尖灭的出口截面或口径。由于加速的缘故，使纤维的前端比后端移动得更快，一个设计良好的喷嘴能够校直检测空间内出现的单个纤维。位于喉部或中间部分并与喷嘴成直角的一个光孔提供了限定该检测空间的光束。

正如美国专利US5430301、US5469253和US5539515具体公开的那样，不同的组织类型，如纤维、废料和棉结，在传感器输出端产生特征波形。的确，在某种程度上，象棉结这样的组织可以通过它们产生的传感器输出波形来确定。因此，美国专利US5430301、US5469253和US5539515中的装置分析波形，对一次一个地通过检测空间的纤维样品中的单个的组织进行记数和分类。

公开于Shofner等的美国专利US5270787、US5410401、US5430301、US5469253和US5539515的现有技术的装置，其局限性在于用于分析的特殊组织是一次一个地提供给限定取样空间的光束的。此外，样品不能一个紧接另一个(即头尾相接)地进入取样空间。更确切地说，杂乱地进入取样空间的特殊组织间存在间隙，以致于一般在一小部分时间内(例如25％)取样空间一般由一种组织占满，或者由一种组织的一部分占满，在大部分时间内不会重复记数。

以棉为例，相对而言，尽管会出现其它组织，但是样品内几乎全是纤维。在10克棉样品内，一般含有将近2.5×10⁶根纤维和2.5×10³个棉结，及2.5×10³个废料质粒。因此，虽然棉结密度为每克纤维样品十至一百个棉结，但是纤维数一般近似为棉结数的一千倍。

这些因素以及其它一些因素严格限制了效率，从而也限制了适当时间内能够处理的实际样品尺寸。因此，Shofner等的美国专利US5270787、US5410401、US5430301、US5469253和US5539515中的现有技术装置处理仅重0.5克的纤维样品需要用两百秒的时间。

所以，本发明的一个目的是提供一种比现有技术的测试装置所能达到的效率高得多的测试装置。

本发明的又一个目的是提供一种能够在较少的时间内分析更大的样品尺寸(用于统计上有所改进的结果)的纤维样品测试装置。

作为一个与现有技术相对照的实例，本发明的测试装置能够在30秒内处理重达10克的纤维样品，从而使其效率大约为现有技术装置效率的140倍。

概括地说，本发明的测量装置包括一个加速/减速气流喷嘴，那些组织由气流携带通过该喷嘴。正如公知的那样，加速/减速气流喷嘴具有一个渐缩的、在喉部达到最小横截面积的进口部分，和一个从该最小横截面积开始扩大的出口部分。但是，不象上述美国专利那样，尤其不象美国专利US5410401中的喷嘴那样横截面是圆形的，纤维组织是借助喷嘴一次一个地通过检测空间，本发明的加速/减速气流喷嘴横向加长了(例如，横宽8英寸，喉间距1/8英寸)，使喷嘴一次能容纳多根纤维，更具体地说是使检测空间一次能容纳多根纤维。作为一个非限定性的实例，检测空间内一次平均可以容纳30根纤维，或少于30根纤维。

检测空间限定在喷嘴内，并垂直于通过喷嘴的气流，喷嘴的一个作用是将出现在检测空间内的纤维拉直。检测空间由光束和相关的光学传感器确定。

该装置包括一个单个化处理器，用于处理纤维中的组织，并将这些组织引入以一定的速度流入喷嘴的气流，使多个单个化处理后的组织同时送到检测空间。一种优选的单个化处理器公开于同时申请的、申请号为08/944913的美国专利申请，该申请于1997年10月6日由Frederick M.Shofner和Christopher K.Shofner提出，名称为“空气动力学单个化处理器”，在此引入其全部公开内容作为参考。

与检测空间有关的是传感器输出装置，例如一个光电传感器，该输出装置产生一个信号，及时指示检测空间内任意给定点处的材料总量。

测定器接至检测和测量棉结状组织的尺寸的传感器输出装置。

传感器输出信号的一个特征在于它有一个较高并脉动的本底信号电平，该信号由检测空间内一次容纳的多根纤维中的部分纤维引起，由于检测空间内出现的单个棉结，该信号由较高一点振幅的脉冲间断。比较而言，与纤维相比，棉结很少，一般一次出现一个棉结。

因此，该测定器必须能检测组织信号，尤其是在由其它组织引起的大而脉动的本底信号中，具体地说是在由纤维那样的其它组织引起的大而脉动的本底信号中检测由棉结状组织引起的信号。

在一个实施例中，该测定器以至少接近棉结状组织通过检测空间的运送周期的取样速度从传感器输出装置取样，并采用前一次取样和后一次取样平均本底校正抑制以便识别棉结状组织的信号幅度指示。优选使用多重取样的测定器，因此以取样速度取样的每个信号样品含有许多组成样品。

根据本发明的另一个方面，检测空间限定在喷嘴出口部分，位于喉部下游。

另一个方面，本发明提供了一种纤维样品中棉结状组织的数量和尺寸分布的测量方法。该方法包括这些步骤：使纤维样品中的组织单个化，将这些组织引入流入一个横向延伸的加速/减速气流喷嘴的气流中，由于该喷嘴具有一个直于通过喷嘴的气流方向、并限定在喷嘴内的横向延伸的检测空间，因此可以同时向检测空间送入多个单个化后的组织。喷嘴用来把送入检测空间的纤维拉直。此外该方法还包括一个步骤：及时检测检测空间内任意给定点处的材料总量，以产生一个传感器输出信号，并且分析传感器输出信号，从而检测和测量棉结状组织的尺寸。

一种方式是分析方法包括以下步骤：按照至少接近棉结状组织通过检测空间的输送周期的取样速度取样，并采用前取样和后取样平均本底抑制来识别代表棉结状组织的信号幅度。优选采用多重取样，从而使以该取样速度取样的每个信号含有许多组成样品。

在另一个实施例中，以多个不同的进料速度处理纤维样品一些部分，结果形成相应的多个信号本底比，从而可以在保持总进料速度较高的同时统计地能测量较小的棉结。

虽然本发明的新特点详细地陈述于后面所附的权利要求书中，但是从下面结合附图对本发明的详细描述中可以更好地理解和解释本发明的结构、内容，以及本发明的其它目的和特点，所述附图中：

图1是用于快速测试纤维样品的成套装置的示意图，该装置用来测量纤维样品中棉结状组织的数量和尺寸分布；

图2是表示本发明的具有一个检测空间的加速/减速气流喷嘴放大视图；

图3表示图2中的喷嘴与传感器及有关的电子测定器相连接；

图4A、4B、4C和4D表示各种不同的棉结状组织；

图5表示正在通过检测空间的一个棉结及多根纤维，

图6是图2中作为时间函数的传感器输出波形图；

图7是同一时间段的图，表示多重取样技术的结果；

图8是图6中已取样的信号图。

首先参看图1，用于测试纤维样品的成套装置10有一个外壳12，外壳12由便于在地板表面18上移动的轮和小脚轮14和16支撑。

该装置包括一个一般用附图标记20表示的进料台，此进料台上放有纤维样品22，例如10克棉样品。测试装置10由on/off开关24启动，于是棉纤维样品22被吸入装置10，等待单个化处理和分析。在该装置内还包括具有测定器的电子组件25。

通常，含有纤维样品22的组织借助气流输送通过装置10，气流由于受到通风机单元26的作用而具备吸力。通风机26由电机28驱动，通风机通过过滤器32经通风机入口30吸入空气流，并经消音器34排出空气。测试之后，此时含有棉绒的棉纤维样品22或者收集在大棉绒盒36内，或者收集在小毛绒盒38内，并被定期清除。小棉绒盒38有一个检修门40，且内部有一个可移动的反射器/屏幕42。当反射器/屏幕42在就位时，棉绒留在小棉绒盒38内。当反射器/屏幕42被移去后，棉绒通过开口44运送到大棉绒盒36。小棉绒盒38一般用于一个接一个取样模式，而大棉绒盒用于连续模式。

进料台20背面由固定板50支撑，并包括一个滚子46，进料台把纤维样品传送到传统结构的进料带48，并把纤维样品输送到空气动力学单个化处理器52。该进料带48由典型的皮带轮53和54引导，由电机55和传动链56驱动皮带轮53和54。

空气动力学单个化处理器52优选采用公布于上述同时申请的美国专利申请No.08/944913中的空气动力学单个化处理器，该申请的申请日为1997年10月6日，由Frederick M.Shofner和Christopher K.Shofner提出。但是也可以采用其它的单个化处理器。

概括地说，单个化处理器52包括一个圆柱形进料滚子60，一个第一旋转滚筒打手轮62，及一个第二旋转滚筒打手轮64。图1中的单个化处理器52显然是示意简图，因为大量元件被省略了，如滚轮60、62和64的外壳被省略了。进料滚子60由电机55和驱动进料皮带48的皮带56驱动。打手轮62和64由通风机电机驱动的主动皮带66来驱动。

图1中的单个化处理器52与用于测试的现有技术常规的单个化处理器之间的显著差别在于进料速度。因此，虽然用于测试的现有技术常规的单个化处理器的目的是一次向下游传感器运送一个单个化处理后的组织，但是本发明的单个化处理器52以一次向一个传感器运送多个组织(具体地说是纤维)的速度运送单个化处理后的组织。因而，进料皮带48及筒形轮60、62和64的宽度比现有技术装置中单个化处理器中的要宽，例如为8英寸宽，比现有技术的1英寸或1英寸以下要宽。

单个化处理器52的输出被运送到空气流中，空气流通过运输通道80抽入加速/减速气流喷嘴82中，该喷嘴具有一个检测空间，该检测空间一般用附图标记84表示。与现有技术的装置相比，运输管道80的截面是矩形的，厚约为0.5英寸(大小可从图1的取向中看出)，横宽约8英寸，其宽度与滚子60、62和64的宽度一致，其进料速度与图10中测试装置的较高进料速度一致。

纤维或其它组织在通过加速/减速气流喷嘴82之后或者被收集在入小棉绒盒34内，或者被收集在大棉绒盒36内，这取决于反射器/屏幕42是否在现场，或者是否后来被移去。

现在参看图2，加速/减速气流喷嘴82包括一个到喉部逐渐缩小至最小截面积的入口部分90，和一个从最小截面处开始扩张的出口部分94。显然，图2的加速/减速气流喷嘴82的下面与运送通道80连接，运送通道80用于从该喷嘴接收单个化处理后的组织，显然至少开始的时候加速/减速气流喷嘴82向小棉绒盒34运送组织。

在图示的实施例中，加速/减速气流喷嘴82的长度1是6英寸。入口部分90在其入口点的厚度t₁大约是0.5英寸，至喉部逐渐缩小到厚度大约为0125英寸。加速/减速气流喷嘴82横向延伸，其宽度w大于喉部厚度t₂。在图示的实施例中，宽度w大约为8英寸。正是该横向延伸使检测空间84一次能被送入多根纤维。

举例来说，在通过加速/减速气流喷嘴82入口部分90的入口点时，空气速度大约为25m/sec，这里的厚度t₁为0.5英寸，而在厚度t₂约为0.125英寸的喉部，空气速度加速到100m/sec。

为了便于讨论，可以把棉结描述为一个彗星状物体，它包括一个籽屑核，缠结的纤维或未成熟纤维，并带有一个附体纤维尾部。典型棉结核的直径是0.2mm，附体纤维尾部的长度可能是25mm。下面将参照图4A-4D更详细地描述典型的棉结。

棉结通过加速/减速气流喷嘴82，其尾部至少首先进入检测空间84，因为含有纤维的尾部的密度远远小于核的密度，因而得到更大的加速度。入口部分90内中有一个加速流场，组织受到1000倍于重力加速度g的加速度。

因此，由于喉部速度为100m/sec，已经过单个化处理后的纤维的速度可以达到70m/sec，而棉结的速度仅为50m/sec。

参照图3，检测空间84由光源100、镜片102和产生信号输出106的相关光学传感器104更具体地限定，并与电子组件25内的测定器108相连。专用放大器110调节信号，由模拟一数字转换器112将信号变换成数字形式。

在图示的实施例中，传感器以消光模式工作。也就是说，正在通过检测空间84的组织使探测器104接收的光强度减少。因此，由于探测器接收的光强度减少，使得信号输出增大了。棉结较大，挡住了更多的光，因而所产生的信号幅度比纤维产生的信号幅度更大。

在本装置的常规操作中，检测空间84内任意一次可以出现大约30根纤维中的一部分，因此产生了无序波动的“本底”信号。与纤维相比棉结非常少，在正常情况下检测空间84内一次仅出现一个棉结。

显然也可以采用其它类型的传感器，只要检测空间得到限定。因而也可以采用光散射型传感器(包括前向散射、后向散射和90°散射探测器)，可使用可见光、紫外光或红外光。另一种选择是可以使用非光学传感器，如RF能量或声音传感器。

在常规的现有技术传感器中，检测空间恰好位于喷嘴喉部92。在图2的装置中，检测空间84的位置比较靠近喉部92下游。这样布置检测空间84的主要目的是集中空气动力，使粒子更近地集中在检测空间84中央。因此，喉部92的上游位于入口部分90内，也位于喉部92本身内，某些纤维趋于“紧靠”壁。在出口部分94始端，紧挨着喉部92的下游，组织更趋于接近中央。

由于大部分时间里空气流比组织移动得更快，因此把检测空间布置在喉部92下游的另一个可能的好处是纤维速度更均匀。尤其对较长的纤维来说，它们也经历校直过程，因而可使更多的纤维达到正常速度。

尽管检测空间84位于喉部92的下游，使检测空间84布置在气流速度依然大于组织速度之处也是重要的。

图4A、4B、4C和4D表示纺织棉结的几种形式。图4A、4B表示带籽屑棉结，每个棉结有一个棉籽碎片120，其上附着棉纤维122。图4C表示机械产生的棉结126，除了一个密度较小的尾随的纤维尾部138外，该棉结通常含有一个未成熟纤维的、紧密缠结成的核128。

图5表示与多根纤维144、146和148中的一部分一起通过检测空间84的单个有尾部142的棉结核140。检测空间84的典型直径是2.5mm，而棉结核140的直径是0.2mm。尽管仅有三组棉纤维144、146和148中的一部分出现在检测空间84内，但是除了棉结核140外，在检测空间84内可能一次出现更多纤维中的一部分，这使得提高了本发明的效率。

图6表示棉结通过检测空间84时作为时间的函数的传感器输出信号的波形图。设计消光型传感器及有关的电子设备，使传感器的输出幅度由于材料进入检测空间而增加。

在图6中，由附图标记150表示的传感器输出信号通常具有由附图标记152和154代表的波动本底，及具有表示棉结通过的三角形脉冲156。本底152、154是由于检测空间84内出现多根纤维中的至少一部分而引起的，通常是一次30根纤维，但是该数量可以很大地变化。在一个典型的纤维样品内，纤维数是棉结数的1000倍。因此，信号(如来自棉结的信号256)倾向于单个地出现，而本底信号(如信号152、154)则倾向于连续出现。

因此，测定器108的作用是从其它组织产生的大而波动的本底信号中，具体地说是从纤维产生的大而波动的信号中检测由棉结组织产生的信号。

在已经公开的实施例中，检测是通过周期性信号取样(也就是说以预定的和固定的取样速度)来完成的，其周期大约为棉结状组织通过检测空间84的输送周期。接着采用公知技术的前取样和后取样的平均本底抑制来识别代表棉结状组织的信号幅度。

因此，参看图6，根据时间间隔取样S(i-2)、S(i-1)、S(i)等，例如250微秒的时间间隔。在每次取样之后的一个取样周期内可以取得足够的数据来确定信号是否来自已被取样的棉结。把本次取样幅度与紧挨着该样品的前一次取样(前取样)和后一次取样(后取样)的平均幅度相比较，加一个阈值。如果幅差大于阈值，那么就可以识别为棉结组织。

这可以以方程式的形式描述如下：

如果

那么S(i-1)信号是一个棉结。

优选采用多重取样技术，使每个样品S(i-2)、S(i-1)、S(i)具有许多组成样品，如图7所示，来“平均掉”电噪声。

因而，在图7中，每个样品包括四个组成样品，样品的幅度合在一起产生了最后所得到的样品。

显然，在表示棉结状组织的信号可能发生在取样周期内任意时间点的意义上，这里参照图6描述的取样技术的特点可能是随机的。因此，考虑到取样速度至少接近棉结状组织通过检测空间的输送周期，每个棉结信号中的一部分能被检测到，而不必是任意给定棉结信号的最高振幅部分。但是，如果样品尺寸足够大，例如含有25×10³个棉结的10克样品，由于统计上足够数量的棉结信号是在它们的峰值幅度附近取样的，所以统计上可以确定棉结状组织的尺寸分布。这就使得可以产生代表10克样品的棉结含量的尺寸分布柱状图。

正如上面所讨论的那样，本发明的特点是效率较高，从而能够在约30秒的时间内分析10克样品。即使检测空间内一次具有很多根纤维，对本发明的装置而言如此高的效率也是可能的，因为棉结与纤维相比非常少。然而，在检测空间内一次出现很多根纤维实际上增大了本底信号，使能够识别的最小棉结的尺寸增大了。在效率较高时，由较小棉结产生的信号可能会无可挽救地被纤维产生的波动本底信号埋没。

在保持统计确定较小棉结的量的能力的同时保持较高的总进料速度的一种方法是在样品达到最佳信号本底比期间，对不同的最小尺寸棉结，使装置10以几种进料速度运行。因此，在保持总进料速度较高的同时也可以统计测量小棉结。

另外一个方法是可以采用速度较高的数字取样方式，及采用数字信号处理方法(DSP)来识别各种波形。

在采用较高取样速度的一个优选实施例中，以明显小于棉结状组织通过检测空间84的输送周期的时间间隔对图6中的传感器输出信号进行取样。作为一个非限定性的例子，取样周期是28微秒，比约为250秒的常规棉结输送周期要小一个数量级。

广义的前和后平均本底抑制法由多个前和后取样组成，而不是由一次一个每一前取样和后取样组成。在该实施例中，平均本底可以是10个前取样和10个后取样，产生20次取样的本底平均值，把它与正在计值的信号(一般是#11)相比较。

在该方法中，对于大于某些最少次数但并不超过某些最多次数的连续取样，如果#11传感器信号大于平均本底加阈值，则检测到一个棉结。例如，对于至少两次但不超过四次的连续取样，把棉结规定为超出了平均本底加阈值的已取样信号。该方法改进了由于多根纤维中的一部分同时出现在检测空间内或由于电噪声而产生的波动本底抑制。由于可以更好地计算高于平均本底加阈值的多个信号幅度，来确定最大幅度，而不是一个信号或随机信号幅度，该方法还对棉结状组织的尺寸测量作出了改进。

应该注意到，由于DSP的定义是“按数量和符号顺序表示信号及处理这些顺序。”，在此已公开的所有棉结测量方法都可以认为是数字信号处理方法(DSP)。(数字信号处理，Alan V.Oppenheim and Ronald W.Schafer,Prentice-Hall,Inc,Fnglewood Cliffs,New Jersy,1975.)

图8表示图6中按照每28微秒取样的模拟信号。显然图8的21个样品中每一个样品对应于一个或一个以上的紧密隔开的样品，就如图7明显示出的那样。

虽然已经就本发明的具体实施例作了描述和说明，但是显然本领域的普通技术人员可以进行各种修改和改变。因此，应该理解的是，打算使所附的权利要求书覆盖所有这样的属于本发明的真实构思和范围内的修改和改变。

Claims (9)

1、用于测量纤维样品中棉结组织的数量和尺寸分布的装置，所述的装置包括：

一个横向伸长的加速/减速气流喷嘴，它具有一个限定在所述喷嘴内的检测空间，该检测空间垂直于通过喷嘴的气流，所述喷嘴用来将出现在检测空间内的纤维拉直；

一个单个化处理器，用于使纤维样品中的组织单个化，并将这些组织引入流入所述喷嘴的气流，使多个单个化处理后的组织同时送到检测空间；

一个传感器输出装置，该输出装置产生一个及时指示检测空间内任意指定点处的的材料的总量的信号；及

一个接至传感器输出装置的测定器，用于接至检测和测量棉结状组织尺寸。

2、所述的装置，其特征在于所述的测定器以至少接近于棉结状组织通过检测空间的运送时间的取样速度从传感器输出装置取样，并识别代表棉结状组织的信号幅度。

3、所述的装置，其特征在于所述的测定器采用多重取样的测定器，因此以上述取样速度取样的每个信号含有许多组成样品。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的横向伸长的加速/减速气流喷嘴具有一个至喉部逐渐缩小到最小横截面积的入口部分，及一个从该最小横截面积处开始扩大的出口部分，其中检测空间限定在所述喉部的出口部分的下游内。

5、如权利要求1所述的装置，其特征在于检测空间由光束和相关的光学传感器确定。

6、一种用于测量纤维样品中棉结组织的数量和尺寸分布的方法，包括：

使纤维样品中的组织单个化，将所述组织引入流向横向伸长的加速/减速气流喷嘴的流体流中，该喷嘴具有一个限定在喷嘴内的检测空间，该检测空间垂直于通过喷嘴的气流，喷嘴用于将出现在检测空间内的纤维拉直，使多个单个化处理后的组织同时送到检测空间；

及时检测上述检测空间内任意指定点处的材料总量，以便产生一个传感器输出信号；

分析传感器的输出信号，以便检测和测量棉结状组织的尺寸。

7、如权利要求6所述的方法，包括：至少以接近棉结状组织通过检测空间的运送周期的取样速率对信号进行取样，并采用前取样和后取样平均本底抑制来识别代表棉结状组织的信号幅度。

8、如权利要求6所述的方法，包括多重取样，从而使以上述取样速率采集的每个样品包含许多组成样品。

9、如权利要求6所述的方法，包括处理多个不同的进料速度的纤维样品一些部分，得到多个相应的信号本底比，使得在保持总进料速度较高的同时能够统计测量较小棉结。

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