WO1991011705A1 - Verfahren zur messung von faserparametern mittels bilddatenverarbeitung - Google Patents

Verfahren zur messung von faserparametern mittels bilddatenverarbeitung Download PDF

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WO1991011705A1
WO1991011705A1 PCT/CH1991/000017 CH9100017W WO9111705A1 WO 1991011705 A1 WO1991011705 A1 WO 1991011705A1 CH 9100017 W CH9100017 W CH 9100017W WO 9111705 A1 WO9111705 A1 WO 9111705A1
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fiber
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René Gloor
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Siegfried Peyer Ag
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    • G—PHYSICS
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G01N21/5907—Densitometers
    • G01N2021/5957—Densitometers using an image detector type detector, e.g. CCD

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring quantitative and qualitative properties of fibers, in particular textile fibers, according to the preamble of claim 1.
  • One of the best-known measuring devices for the fiber length is the "Almeter” (company Siegfried Peyer AG), which measures the length distribution of an end-ordered fiber beard.
  • One advantage of this device is the correct measurement of the short fiber content. The measurement is capacitive. In the fiber measurement lines (high volume instruments), the length of the non-terminated fibers is determined with an air flow or with a light intensity measurement.
  • the average fineness of cotton fibers is determined using the air flow method.
  • the fineness distribution can be measured using the vibration method or the microscope.
  • the quickest and therefore most widespread method to determine the average degree of maturity is the slightly modified air flow method of the fineness measurement.
  • the FMTII and FMTIII from Shirley work on this principle.
  • the degree of maturity can also be determined using a microscope.
  • a method according to the preamble of claim 1 is already known from CH-A5 661.118.
  • a disadvantage of this known method is its limitation to length measurement.
  • the CCD sensors and cameras used in it are used as a two-dimensional individual sensor array, so that the information content of the entire sensor cannot be used.
  • the object of the invention is to provide a method with which the precise, direct and fully automatic measurement of optically detectable fiber parameters is possible.
  • the invention achieves the stated object with a method which has the features of claim 1 and an apparatus for carrying out the method according to the invention which has the features of claim 7.
  • the advantages achieved by the invention are numerous and are detailed below:
  • the fibers are measured directly with physical parameters. This also enables simple and accurate calibration of the measuring device. Indirect measurement methods often had to be used with previous measuring devices.
  • the method according to the invention is independent of the type of fiber, i.e. Cotton, wool, man made fibers, glass fibers, wires etc. can be measured. Only the optics and the evaluation algorithms can be affected.
  • the measuring speed is several times faster than the microscope.
  • the captured images can be printed out, which means that the results can be physically checked without technical aids, which was impossible with the previous measurement methods.
  • fibers can also be measured, which are available as a single-layer tangled fleece.
  • the evaluation software can then separate and track the fibers.
  • the method according to the invention always uses the information content of the entire sensor, which can be processed as a whole. Therefore, disturbing factors in length measurement, such as Crimp, crossing fibers, transverse and non-end-ordered fibers are corrected and detected, which significantly increases the accuracy of the method.
  • Fig. 1 shows a perspective view of an apparatus for IMPLEME n g of the inventive method.
  • the device shown in FIG. 1 for carrying out the method according to the invention basically consists of a fiber feed device 1, an optical lighting system 5, an optical analysis system 3, a CCD sensor 4, a computer 9 and an eipsm display device 10.
  • the fiber feed device 1 essentially consists of two glass plates 11 arranged in parallel and displaceable relative to one another, which enables the fibers 2 to be dissolved and parallelized. In this way, an end-ordered fiber beard lying between the two glass plates 11 can be produced.
  • the details of this fiber feed device 1 are in the Swiss patent application. No. 02 438 / 89-9. After the fibers 2 have been introduced into this device 1 the fibers 2 are arranged at the ends and parallel to each other. This beard of fibers 2 is placed on a table 8 which can be moved in the X and Y directions (arrows 12, 13).
  • the actual measurement set-up consists of a stand 6, to which an illumination optics 5 are attached at the bottom and an imaging optics 3 are attached at the top. The table 8 with the fiber beard moves between these two optics 3, 5.
  • the CCD camera 4 is mounted on the imaging optics 3.
  • the imaging optics 3 together with the illumination optics 5 have a telecentric beam path.
  • a telecentric beam path through an optical system is understood to mean those optical systems in which the entrance or exit pupil are infinite.
  • the illumination optics 5 are preferably bright-field illumination, but dark-field illumination would also be possible. Filters such as Color filters or polarization filters are used (especially when measuring the degree of maturity of fibers).
  • the size of the measuring field 7 per image results from the number of pixels of the CCD sensor and the desired image resolution. A resolution of approx. 20 ⁇ m per pixel is sufficient for a length measurement.
  • the CCD sensors available today with 756 x 581 square pixels result in a measuring field of 15.1 x 11.6 mm.
  • a fiber edge must be determined with an accuracy of approx. 1 ⁇ m, ie 1 ⁇ m per pixel, which is a measuring field of Corresponds to 0.756 x 0.581 mm.
  • the imaging optics 3 are constructed in such a way that the respective measuring field 7 is imaged on the entire CCD sensor 4.
  • the XY table 8 shifts the fiber beard by one position after each exposure.
  • the partial images are evaluated according to an algorithm that is matched to the fiber parameters to be measured.
  • the results of the partial images are put together at the end of the measurement and then result in the length distribution, fineness distribution, maturity level distribution or crimping, which can be graphically displayed on a corresponding monitor 10 or used directly to control fiber or yarn processing machines.
  • several stands 6 with corresponding optics 3, 5 can be set up with a transport unit for the glass plates 11 or the various evaluation optics 3 on a turntable - as is usual with microscopes - to be assembled.
  • the evaluation algorithm of the images depends on the parameter-specific international standard: A) Length measurement: The length distribution is usually calculated according to the number of fibers or the weight of the fibers. Thanks to the possibilities of image data processing, the calculation according to the number of fibers consists of counting the fibers 2 and recording and converting the position of the transport table 8 in mm. When calculating by fiber weight, each counted fiber is weighted with the measured cross-section. This shows the advantage of this measurement method, because the length and thickness can be assigned to each fiber, which results in a correct weighting. So far, mean values and correction factors have been used. '
  • the fibers 2 lie in the crimped state between the glass plates 11. With the image data processing, the fibers 2 can be tracked and the Y and X components of the fiber course added and compared with one another. The distance between the turning points can of course also be determined; together with the X / Y components, this results in a measure of the crimp.
  • D) Maturity The cotton fibers are ripe in different ways.
  • a measure of the degree of maturity is the frequency of the fiber twist, as well as the ratio of broad and narrow side. These three Parameters can easily be measured with the method according to the invention. With a far amera and a polarization filter as well as a red filter, the degree of maturity can also be measured according to method DIN 53943, part 3.

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Abstract

Bei diesem Verfahren zur Messung von quantitativen und qualitativen Eigenschaften von Textilfasern werden die zu messenden Fasern (2) oder Teilbereiche solcher Fasern (2) in eine planare Anordnung zwischen eine Beleuchtungsoptik (5) und eine Auswerteoptik (3) gebracht. Das durch die, senkrecht zur Faserebene stehende, abbildende Optik erzeugte Bild wird von einem CCD-Sensor (4) aufgenommen und in einem Rechner (9) verarbeitet. Dabei weist die abbildende Optik (5, 3) einen telezentrischen Strahlengang auf, der eine flächenhafte Durchstrahlung der Faserebene (7) bewirkt, so dass eine genauere Messung der Faserparameter ermöglicht wird.

Description

Verf hren gμr essung von Faserparametern mittels Bilddaten- verarbeitunσ
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von quantitativen und qualitativen Eigenschaften von Fasern, insbesondere von Textilfasern gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind bereits Verfahren bekannt, mit denen die wichtigsten optisch messbaren Faserparameter, nämlich Länge, Feinheit, Reifegrad und Kräuselung bestimmt werden können.
Eines der bekanntesten Messgeräte für die Faserlänge ist das "Almeter" (Firma Siegfried Peyer AG), das die Längenverteilung eines endengeordneten Faserbartes misst. Ein Vorteil dieses Gerätes ist die korrekte Messung des Kurzfaseranteils. Die Messung erfolgt kapazitiv. Bei den Fasermessstrassen (High Volume-Instrumenten) wird mit einem Luftstrom oder mit einer Lichtintensitätsmessung die Länge der nicht endengeordneten Fasern bestimmt.
Die mittlere Feinheit von Baumwollfasern wird mit dem Luftstromverfahren bestimmt. Mit dem Schwingungsverfahren oder mit dem Mikroskop lässt sich die Feinheitsverteilung messen. Die schnellste und damit Verbreiteteste Methode, um den mittleren Reifegrad zu bestimmen, ist das leicht abgewandelte Luftstromverfahren der Feinheitsmessung. Die Geräte FMTII und FMTIII der Firma Shirley arbeiten nach diesem Prinzip. Ferner läsεt sich der Reifegrad auch mit dem Mikroskop bestimmen.
Für die Messung der Kräuselung der Fasern gibt es noch keine weit verbreiteten Messgeräte. Es gibt aber Anleitungen und Normen wie die Kräuselung manuell gemessen werden kann.
Aus der CH-A5 661.118 ist auch bereits ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist seine Beschränkung auf die Längenmeεsung. Die darin verwendeten CCD-Sensoren und Kameras werden als zweidimensionales Einzelsensor-array eingesetzt, so dass nicht der Informationsgehalt des gesamten Sensors verwendet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zu schaffen, mit dem die genaue, direkte und vollautomatische Messung von optisch erfassbaren Faserparametern möglich ist.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einem Verfahren, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welches die Merkmale des Anspruchs 7 aufweist. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vielfältig und werden im einzelnen nachstehend aufgeführt:
- Bisher musste für jeden Faserparameter eine eigene Messmethode entwickelt werden. Dank des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich nun nebeneinander Längenverteilung, Feinheitsverteilung, Reifegradverteilung und Kräuselung bestimmen. Dies sind nur die wichtigsten Parameter. Es können natürlich noch weitere Faserparameter, die optisch erkennbar sind, gemessen werden. Der Entwicklungsaufwand beschränkt sich auf eine angepasste Abbildungsoptik und eine Auswertesoftware.
Die Fasern werden direkt mit physikalischen Parametern gemessen. Dadurch ist auch eine einfache und genaue Eichung des Messgerätes möglich. Bei den bisherigen Messgeräten mussten vielfach indirekte Messmethoden verwendet werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist unabhängig von der Faserart, d.h. es können Baumwolle, Wolle, Man Made Fibers, Glasfasern, Drähte usw. gemessen werden. Nur die Optik und die Auswertealgorhythmen können davon betreffen werden.
- Da es sich nicht um eine integrale Messung handelt wie die bisherigen Methoden, können alle Parameter an einer Faser gemessen, bzw. einer spezifischen Faser zugeordnet werden. So ist es z.B. möglich eine Relation zwischen Länge, Dicke, Reife und Kräuselung pro Faser zu berechnen.
- Die Genauigkeit ist gleich derjenigen eines Mikroskopes. - Die Reproduzierbarkeit ist besser als bei einem Mikroskop, da der Bedienereinfluss entfällt.
- Die Messgeschwindigkeit ist gegenüber dem Mikroskop um Faktoren grösser.
- Die aufgenommenen Bilder können ausgedruckt werden, wodurch eine physikalische Nachkontrolle der Resultate ohne technische Hilfsmittel möglich ist, was bei den bisherigen Messmethoden unmöglich war.
- An den exakt gleichen Faserbärten können mehrere verschiedene Parameter gemessen werden. Ebenso ist eine genaue Nachkontrolle der Messungen möglich, was bei bisherigen Messgeräten unmöglich ist, da jedes Messgerät wegen der verschiedenen Messprinzipien auch verschiedene Faservorbereitungen verlangt, weshalb für jede Messung ein neues Fasermuster erzeugt werden uss.
- Wenn die Rechenzeit für die Auswertung unwichtig ist, können auch Fasern gemessen werden, die als einlagiges wirres Vlies vorliegen. Die Auswertesoftware kann dann die Fasern separieren und verfolgen.
Gegenüber den Verfahren des Standes Technik verwendet das erfindungsgemässe Verfahren immer den Informationsgehalt des gesamten Sensors, der als ganzes verarbeitet werden kann. Deshalb können Störfaktoren bei der -Längenmessung, wie z.B. Kräuselung, kreuzende Fasern, querliegende und nicht endengeordnete Fasern korrigiert und detektiert werden, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens erheblich erhöht wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches zugleich das Funktionsprinzip erläutert, ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Gerätes zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht grundsätzlich aus ein»r Faserzuführ-Einrichtung 1, einer Beleuchtungsoptik 5, eiϊj.er Auswerteoptik 3, einem CCD-Sensor 4, einem Rechner 9 und eipsm Anzeigegerät 10.
Die Faserzuführ-Einrichtung 1 besteht im wesentlichen aus zwei parallel angeordneten und gegeneinander verschiebbaren Glasplatten 11, welche eine Auflösung und Parallelisierung der Fasern 2 ermöglicht. Damit kann ein zwischen den beiden Glasplatten 11 liegender, endengeordneter Bart von Faser erzeugt werden. Die Einzelheiten dieser Faserzuführ-Einrichtung 1 sind in der Schweizer Patentanm. Nr. 02 438/89-9 beschrieben. Nach erfolgter Einführung der Fasern 2 in diese Einrichtung 1 liegen die Fasern 2 endengeordnet und parallel nebeneinander. Dieser Bart von Fasern 2 wird auf einen Tisch 8 gebracht, der in X- und Y-Richtung (Pfeile 12, 13) verschiebbar ist. Der eigentliche Messaufbau besteht aus einem Stativ 6, an dem unten eine Beleuchl ngsoptik 5 und oben eine Abbildungsoptik 3 befestigt sind. Zwischen diesen beiden Optiken 3,5 bewegt sich der Tisch 8 mit dem Faserbart. Auf der Abbildungsoptik 3 ist die CCD-Kamera 4 montiert.
Um eine möglichst grosse Schärfentiefe zu erreichen und damit die Messgenauigkeit möglichst unabhängig von der Fokussierung ist, weist die Abbildungsoptik 3 zusammen mit der Beleuchtungsoptik 5 einen telezentrischen Strahlengang auf. Unter einem telezentrischen Strahlengang durch ein optisches System versteht man solche optische Systeme, bei denen die Eintritts- oder die Austrittspupille im Unendlichen liegen.
Die Beleuchtungsoptik 5 ist vorzugsweise eine Hellfeldbeleuch¬ tung, doch wäre auch eine Dunkelfeldbeleuchtung realisierbar. Weiter können auch Filter, wie z.B. Farbfilter oder Polarisationsfilter eingesetzt werden (speziell bei der Messung des Reifegrades von Fasern).
Die Grosse des Messfeldes 7 pro Bild ergibt sich aus der Pixelzahl des CCD-Sensors und der gewünschten Bildauflösung. Für eine Längenmessung reicht eine Auflösung von ca. 20 μm pro Pixel. Bei den heute erhältlichen CCD-Sensoren mit 756 x 581 Square-Pixel ergibt sich ein Messfeld von 15,1 x 11,6 mm. Für die Messung der Feinheit uss eine Faserkante auf ca. 1 μm genau festgestellt werden, d.h. 1 μm pro Pixel, was einem Messfeld von 0,756 x 0,581 mm entspricht. Die Abbildungsoptiken 3 sind so konstruiert, dass das jeweilige Messfeld 7 auf dem ganzen CCD-Sensor 4 abgebildet wird.
Mit den erwähnten kleinen Messfeldern 7 kann natürlich nicht die ganze Faser 2 bzw. der ganze Faserbart erfasst werden. Deshalb werden mehrere Teilbilder von einem Faserbart aufgenommen. Der XY-Tisch 8 verschiebt den Faserbart nach jeder Aufnahme um eine Position weiter.
Im Rechner 9 werden die Teilbilder nach einem Algorhythmus, der auf die zu messenden Faserparameter abgestimmt ist, ausgewertet. Die Resultate der Teilbilder werden am Schluss der Messung zu¬ sammengesetzt und ergeben dann die Längenverteilung, Feinheits¬ verteilung, Reifegradverteilung oder Kräuselung, welche auf einem entsprechenden Monitor 10 graphisch dargestellt oder direkt zur Steuerung von faser- oder garnverarbeitenden Maschinen verwendet werden können.
Wenn mehrere, verschiedene Parameter gemessen werden sollen, die eine unterschiedliche Optik verlangen, so können mehrere Stative 6 mit entsprechenden Optiken 3,5 aufgebaut werden mit einer Transporteinheit für die Glasplatten 11 oder es können die verschiedenen Auswerteoptiken 3 auf einem Drehteller - wie bei Mikroskopen üblich - montiert werden.
Der Auswertealgorhythmus der Bilder hängt vom parameter- εpezifischen internationalen Standard ab: A) Länσenmessunσ: Die Längenverteilung wird meistens nach Faser¬ zahl oder nach Fasergewicht berechnet. Die Berechnung nach Faserzahl besteht dank den Möglichkeiten der Bilddaten¬ verarbeitung aus dem Zählen der Fasern 2 und der Erfassung und Umrechnung der Position des Transporttisches 8 in mm. Bei der Berechnung nach Fasergewicht, wird jede gezählte Faser noch mit dem gemessenen Querschnitt gewichtet. Hier zeigt sich der Vorteil dieser Messmethode, denn jeder Faser kann die Länge und Dicke zugeordnet werden, wodurch sich eine korrekte Gewichtung ergibt. Bisher wurde mit Mittelwerten und Korrekturfaktoren gearbeitet. '
B) Kräuselung: Die Fasern 2 liegen im gekräuselten Zustand zwischen den Glasplatten 11. Mit der Bilddatenverarbeitung können die Fasern 2 verfolgt werden und die Y- und X- Komponenten des Faserverlaufs addiert und miteinander verglichen werden. Der Abstand der Wendepunkte lässt sich natürlich auch feststellen, zusammen mit den X/Y-Komponenten ergibt sich ein Mass für die Kräuselung.
C) Feinheit: Für die Feinheit von runden Fasern 2, wie z.B. Wolle, wird die Breite gemessen und entsprechend umgerechnet. Die Baumwollfaser sieht aus wie ein spiralförmiges Bändchen. Durch diese Verdrehung des Bändchens ist einmal die Schmalseite und einmal die Breitseite der Faser 2 sichtbar. Beide lassen sich mit der Bilddatenverarbeitung messen. Durch eine Annäherungsformel kann daraus der Querschnitt und damit die Feinheit der Faser 2 berechnet werden.
D) Reifegrad: Die Baumwollfasern sind unterschiedlich reif. Ein Mass für den Reifegrad ist die Frequenz der Faserverdrehung, sowie das Verhältnis von Breit- und Schmalseite. Diese drei Parameter lassen sich mit dem erfindungsgemässen Verfahren ohne weiteres messen. Mit einer Far amera und einem Polarisationsfilter sowie einem Rotfilter kann der Reifegrad auch nach der Methode DIN 53943, Teil 3 gemessen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung von quantitativen und qualitativen Eigenschaften von Fasern (2), insbesondere von Textilfasern bei dem die zu messenden Fasern (2) oder Teilbereiche solcher Fasern (2) in planarer Anordnung zwischen eine Beleuchtungs¬ und eine Auswerteoptik (5,3) gebracht und das durch die, senkrecht zur Faserebene stehende, abbildende Optik erzeugte Bild von einem CCD-Sensor (4) aufgenommen und in einem Rechner (9) verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die abbildende Optik (5,3) einen telezentrischen Strahlengang aufweist, der eine flächenhafte Durchstrahlung der Faserebene bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in planarer Anordnung vorliegenden, zu messenden Fasern (2) oder Teilbereiche solcher Fasern (2) schrittweise in x/y-Richtung verschoben werden um mehrere Messfelder (7) zu erzeugen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden Fasern (2) endengeordnet sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden Fasern (2) mit monochromatischem Licht abgebildet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden Fasern (2) mit polarisiertem Licht abgebildet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden Fasern (2) in eine geordnete, vorzugsweise einlagige, planare Anordnung gebracht werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (1) zum Zuführen von Fasern (2) in planarer Anordnung zwischen eine telezentrische Beleuchtungs- und Auswerteoptik (5,3), deren optische Achse senkrecht auf der Faserebene steht, und durch einen CCD-Sensor (4) zur Umwandlung des von der Beleuchtungε- und Auswerteoptik (5,3) erzeugten optischen Bildes in auswertbare, elektrische Signale.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik (5) ein telezentrisches, F-Theta- korrigiertes Objektiv, das vorzugsweise katadioptrische Elemente aufweist, enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen in x/y-Richtung der Faserebene (12,13) verschiebbaren Tisch (8) zur Erzeugung mehrerer Messfelder (7).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (3) derart konstruiert ist, dass das jeweilige Messfeld (7) mit der verfügbaren Fläche des CCD-Sensors (4) übereinstimmt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeich¬ net durch einen Rechner (9), der die elektrischen Signale aus¬ wertet.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeich¬ net durch ein optisches oder graphisches Anzeigegerät (10), zur benutzerorientierten Darstellung der gemessenen Fasereigen¬ schaften.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserzuführ-Einrichtung (1) zwei parallel zueinander angeordnete und gegeneinander verschiebbare Glasplatten (11) umfasst.
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