CN117242332A - 检测纺织纤维结构中两种成分的混合比例 - Google Patents

Abstract

一种用于检测纺织织物(4)中两种成分(41、42)的混合比率的装置(1)，包含辐射源(2)，用于沿纺织纤维结构(4)方向发射光谱带中的电磁辐射(3)；辐射传感器(8)，用于接收至少一部分电磁辐射(7)；以及一个光谱滤波器(6)，具有所述光谱带中的光谱特性，用于过滤至少一部分电磁辐射(5)。光谱滤波器(6)在所述光谱带中的透射率至少有一个局部最大值和一个局部最小值。光谱滤波器(6)在光谱带中的光谱特性与辐射源(2)和两种成分(41,24)中每种的光谱特性相适应，从而使辐射传感器(8)接收到的辐射强度是两种成分(41,42)混合比的单调函数。该装置(1)设计简单，可使用具有空间分辨功能的成像辐射传感器(8)。

Description

检测纺织纤维结构中两种成分的混合比例

技术领域

本发明属于纺织工业质量监测领域。根据独立权利要求，本发明涉及一种检测纺织纤维结构中两种成分混合物比率的装置和方法。一种优选的应用是检测纺织纤维结构，如纤维絮、纤维网、棉条、粗纱、纱线、机织物、针织物或无纺布中的外来材料。

背景技术

纱线中的外来材料是当今纺纱厂的主要问题之一。这些材料不同于纱线纤维的基本材料，如棉纤维。它们的来源多种多样，例如运输包装的残留物(塑料包装、绳索)、文明杂质(烟尘部件、塑料袋)或生物残留物(人或动物的毛发、植物茎秆)。外来材料会在纺纱和织布过程中造成断线，以不同于基本材料的方式吸收染料，并影响最终纺织品的外观。它们会大大降低最终产品的价值。新闻简报第47期第3.8段概述了“由外来材料引起的织物疵点以及减少疵点的建议”，乌斯特技术股份公司，2010年3月。

在纱线生产过程的各个阶段都能检测到外来材料，必要时还能剔除外来材料。

吹风室工艺是纱线生产工艺的一部分，位于梳理工艺的上游。其目的是对原料进行准备，使其能够在尽可能稳定的质量和无杂质的情况下送入梳理工序。它包括原料开松、将原料喂入加工工序以及对喂入原料的混合和粗清理。根据工艺设计，个别工作步骤可以多次进行，甚至省略。在这一工艺阶段，物料呈纤维絮状(如棉花和羊毛)或碎料状(如合成纤维)。材料由气流输送，气流连接吹风室工艺中的各个单元。

纺纱工艺是纱线生产工艺的另一部分，间接或直接位于梳理工艺的下游。在这一工序中，纱线作为最终产品是从条子(例如梳棉机的中间产品)或粗纱纺成的。在此过程中，粗纱或条子通过牵伸和加捻变成最终形态的纱线。在纺纱过程中，纱线被卷绕到锭子上。随后，纱锭被卷绕到大纱筒上。材料以纱锭和纱筒的形式运输。

外来材料净化基本上可分为以下三个步骤：

1)检测外来材料；

2)定位测试材料中外来材料的空间/时间；以及

3)排出外来材料。

在吹风室工艺中，外来材料清除可以在原材料送入自动转化工序之前人工进行，也可以在吹风室工艺的加工过程中通过适当的设备自动进行。如今，自动清洁已十分普遍。

在自动清洁的情况下，检测和定位是借助检测设备来实现的，这些设备可以识别物料流中特定特征的差异。这里非穷尽式地列举以下几种：电磁辐射或荧光的反射和透射。在最简单的应用中，光学检测装置用于模仿人眼，分析物料流的颜色印象，检测相应的颜色差异。专利文献US-6,452,157 B1公开了一种用于检测纺织纤维材料中的杂质、外来材料和异纤的装置。该装置至少有两个光源，它们以不同的颜色交替照射纤维材料。此外，还配有一个传感器，用于接收从纤维材料反射的光的颜色。

但是，如果要检测对可见光透明或与原材料颜色相似的外来材料，则需要更复杂的检测设备。在这种情况下，可以借助人眼无法感知的电磁辐射(紫外线或红外线)来分析物料流。在这种情况下，根据电磁辐射反射或透射光谱中的特征信号

(例如特定吸收带的序列)来确定物料的隶属关系。特征信号中用于判别的特征(如吸收带)越多，特征信号的判别就越准确。目前，特征信号中的每个特征都需要在检测设备中安装一个专用传感器，因此只能对该特征的存在/不存在做出响应。使用的特征越多，检测设备就越复杂。输入信号必须根据传感器的数量进行相应的拆分，因此会失去强度。此外，对于某些特征，目前还没有空间分辨传感器，只有时间分辨传感器。这就需要在探测装置的上游安装一个将时间和位置联系起来的装置。或者，也可以对入射电磁辐射进行时间调制，使其与特征相匹配。然而，对于非可见范围的电磁波谱，有时需要付出很大的努力。

在纺纱过程中，根据颜色差异对材料进行区分时很常见，所提及的特征都在可见光谱范围内。由于颜色印象也是由照射波长光谱某些部分的特定反射/透射造成的，因此在这种情况下也必须对每个特征进行单独检测。为此，可以对输入信号进行时间的颜色调制，或者如前所述，将纱线修改后的输出信号分解为各个特性。前者会降低空间分辨率，后者会降低信噪比。使用的颜色越多，这些缺点的影响就越大。因此，在实践中已经形成了只使用一种或最多两种颜色的工艺。WO-2011/026249A1中介绍了一种用几种不同颜色的光组件扫描纱线的清纱器。

多元光学滤波器是一种特殊的光学透射滤光器或反射滤光器。多元光学滤波器的滤光特性与特定的化学特征相适应。在一个滤光器中可以同时和独立地使用不同的化学特征。因此，多元光学元件可以根据化学特征进行材料识别。如果滤波器的输入信号与匹配的特征完全吻合，信号就会顺利通过多元光学滤波器。如果输入信号偏离特征，则信号在通过滤波器时会被衰减。偏差越大，衰减就越大。多元滤光器除了能分辨材料外，还能基于因混合改变的化学特征确定混合物比率。多元光学滤波器的特定透射率或反射率是利用偏最小二乘法，从要分辨的材料的化学特征中获得的。

发明概述

本发明的目的是提供一种检测纺织纤维结构中两种成分混合比例的装置，以避免上述缺点。特别是，该装置结构简单。本发明旨在提供高空间分辨率和使用成像、空间分辨辐射传感器。同时，信噪比要高。另一个目的是提供一种相应的方法，用于检测纺织纤维结构中两种成分的混合物比率。

如独立权利要求所述，根据本发明的设备和方法可以解决上述问题和其他问题。从属权利要求中指出了有利的实施方式。

本发明基于这样一种理念，即针对纺织纤维结构的成分专门设计光谱滤波器，从而使辐射传感器接收到的辐射强度是两个成分混合比的单调函数。此外，所考虑的光谱带中的透射率或反射率至少有一个局部最大值和一个局部最小值，这样就可以考虑多个特征波长。此外，本发明还包括，所述光谱滤波器还可以针对不同特性，如颜色印象，的比率进行设计，从而还能在不损失信号的情况下检测出同一类型材料的颜色差异。

光谱滤波器的设计基于两种成分的特定化学和/或颜色特征。例如，个别特征可以通过高透射率增强，而其他特征通过低透射率衰减。光谱滤波器的放大和衰减相结合，可基于从光谱滤波器输出的信号确定两种成分的混合比。例如，对光谱滤波器已优化的材料和/或颜色会产生高输出信号，而未优化的材料和/或颜色则会导致低输出信号。

根据本发明的设备被用于检测纺织纤维结构中两种成分的混合物比率。它包括辐射源，用于向纺织纤维结构发射光谱带内的电磁辐射，以便与纺织纤维结构相互作用。此外，该装置还包括辐射传感器，用于接收与纺织纤维结构相互作用后的至少一部分电磁辐射。该装置还包括光谱滤波器，它在光谱带中具有光谱特性，用于在与纺织纤维结构相互作用之前或之后过滤至少一部分电磁辐射。光谱滤波器在光谱带中的透射率或反射率至少有一个局部最大值和一个局部最小值。光谱滤波器在光谱带中的光谱特性与辐射源和两种成分中每种成分的光谱特性相适应，从而使辐射传感器接收到的辐射强度是两个成分混合比的单调函数。

在一个实施例中，至少一个局部最大值位于电磁辐射的一个或多个波长处，在该波长处，两种成分的吸收率、透射率或反射率之差的绝对值具有局部最大值。

在一个实施方案中，光谱滤波器在光谱带中的透射率或反射率至少各有两个局部最大值和局部最小值。

光谱滤波器可以设计成反射滤波器或透射滤波器。

在一个实施例中，光谱滤波器被设计为干涉滤波器。

在一个实施例中，光谱滤波器集成在辐射传感器中。

在一个实施例中，辐射传感器具有空间分辨和/或时间分辨功能。它可以例如被设计成带有二维图像转换器的数码相机，也可以设计成一维线性传感器。

本发明的方法用于检测纺织纤维结构中两种成分的混合物比率。光谱带的电磁辐射从辐射源向纺织纤维结构方向发射。至少一部分电磁辐射与纺织纤维结构发生作用。至少一部分电磁辐射在与纺织纤维结构相互作用后被辐射传感器接收。在与纺织纤维结构相互作用之前或之后，至少有一部分电磁辐射被光谱滤波器过滤，该滤波器在光谱带中具有光谱特性。光谱滤波器的选择应使其在光谱带中的透射率或反射率具有至少一个局部最大值和至少一个局部最小值，并且其在光谱带中的光谱特性与辐射源和纺织纤维结构中两种成分的光谱特性相适应，从而使辐射传感器接收到的辐射强度是两种成分混合比的单调函数。

在一个实施例中，两种成分中的一种是构成纺织纤维结构主要部分的基本材料，另一种是外来材料，其在纺织纤维结构中的比例被确定。

在所述设备和方法中，光谱带例如可以在300纳米到2200纳米之间的波长范围内，优选地在700纳米到1900纳米之间的波长范围内。

例如，在上述设备和方法中，光谱带的宽度可以在200纳米到500纳米之间。

辐射源可包括单个辐射元件，如卤素灯。或者，也可以包括多个辐射元件，例如卤素灯和汞蒸汽灯。

本说明书中使用的"局部最大值"、"局部最小值"和"单调函数"等表述是根据其各自的数学含义使用的。本领域技术人员都知道它们的含义，其定义可从教科书或数学参考书中获取。

根据本发明的装置和方法，可以简单而可靠地测定纺织纤维结构中两种成分的混合比。它们避免了在多个辐射传感器之间分割纺织纤维结构反射或传输的入射电磁辐射。该装置设计简单，可使用成像、具有空间分辨功能的辐射传感器。它不需要对输入信号进行时间调制，从而实现了高空间分辨率。

附图说明

下面将参照附图详细解释本发明的一个具体实施方案。为了更清楚地说明本发明，我们描述了一种应用，在这种应用中，外来材料在纺织纤维结构基本材料中的比例被确定。然而，这并不意味着限制本发明的通用性，因为本发明涉及纺织纤维结构中两种成分混合物比例的测定。

图1示意性地展示了本发明装置的一个实施方案。

图2显示了一个常见光谱带中的各种光谱，即：(a)卤素灯的相对强度分布；(b)棉花的吸收率；(c)聚乙烯的吸收率；以及(d)光谱滤波器的透射率。

具体实施方式

图1示意性地显示了根据本发明的设备1的一个实施方案。它包括至少一个用于产生电磁辐射3的宽带辐射源2。产生的电磁辐射3具有辐射源2特有的光谱强度分布30。在图1中，强度分布30以示意图的形式显示，其中强度被绘制为波长的函数。

辐射源2产生的电磁辐射3至少有一部分会照射到待检测的纺织纤维结构4上。例如，纺织纤维结构4可以是一个或多个纤维群、纤维网、条子、粗纱、纱线、机织物、针织物或无纺布。在图1的示例中，在不限制通用性的前提下，纤维群被示意性地画为纺织纤维结构4。

纺织纤维结构4包含两种不同的成分41和42。在不限制通用性的前提下，为说明起见，这里假定纺织纤维结构4由一种基本材料41，例如棉花，组成，并可能包含一种或多种不同于基本材料41的外来材料42。当电磁辐射3撞击到纺织纤维结构4时，电磁辐射3与基本材料41以及外来材料42，如果存在外来材料的话，会发生相互作用。相互作用的结果是，电磁辐射3的强度分布30会根据这些材料的化学或颜色特性发生变化。因此，在纺织纤维结构4上反射或透射的辐射5具有光谱强度分布50，该分布不同于照射到纺织纤维结构4上的辐射3的强度分布30。强度分布50在图1中再次以示意图的形式显示，其中强度是作为波长的函数绘制的。

在与纺织纤维结构4相互作用后，电磁辐射5与图1示例实施例中的光谱滤波器6相互作用。相互作用可以通过透射或反射的方式在光谱滤波器6上发生。光谱滤波器6的光谱特性与外来材料42的类型或类别特别匹配。例如，光谱滤波器6可以设计成干涉滤波器。它可以改变与之相互作用的电磁辐射5的强度分布50，从而放大基本材料41和外来材料42之间的差异。

如果在光谱滤波器6之前的光谱强度分布50与基本材料41的光谱强度分布相对应，那么例如在光谱滤波器6之后的辐射强度7应该是最小的。如果，另一方面，光谱滤波器6上游的光谱强度分布50与外来材料42的光谱强度分布相对应，则光谱滤波器6下游的辐射强度7例如应为最大值。如果光谱滤波器6之前的光谱强度分布50同时具有材料41和42的特征，则光谱滤波器6之后的辐射强度7应对应于材料41和42混合比率的单调函数。图1中的示意图70显示了与光谱滤波器6作用后的辐射强度7作为纺织纤维结构4中外来材料42比例函数关系。

因此，光谱滤波器6会将入射波长相关的强度分布50转换为强度分布70，该强度分布是两种成分41和42混合比的单调函数。因此，经过光谱滤波器6后的电磁辐射7的强度就是混合比的测量值。在这里讨论的例子中，它是纺织纤维结构4中外来材料42的存在和数量以及/或基本材料41和外来材料42之间颜色变化程度的度量。

电磁辐射7与光谱滤波器6相互作用后，由宽带辐射传感器8进行检测。在一个优选的实施方案中，辐射传感器8具有空间分辨能力，纺织纤维结构4通过光学器件(未画出)成像到辐射传感器8上。这也提供了有关纺织纤维结构4中外来材料5的数量、大小和形状的信息。辐射传感器8优选地具有时间分辨能力。例如，它可以设计成数码相机。

在本示例中，在辐射传感器8拍摄的纺织纤维结构4的图像中，外来材料42在深色背景中显得明亮。

在另一个实施方案中，可以将光谱滤波器6的光谱特性与辐射源2、基本材料41和/或外来材料42匹配，使经过光谱滤波器6后的辐射7的强度在纺织纤维结构4仅由基本材料41组成时达到最大，并随着外来材料42比例的增加而降低。在这种情况下，外来材料42在浅色背景下显得较暗。

在另一个实施例中，光谱滤波器6可以插入辐射源2和纺织纤维结构4之间的光束路径中。在这种情况下，光源2产生的电磁辐射3首先与光谱滤波器6发生作用，然后冲击纺织纤维结构4。效果类似，辐射传感器8记录的纺织纤维结构4的图像与根据上述实施例记录的图像基本一致。

图2(a)显示了卤素灯2产生的电磁辐射3的相对强度与辐射波长λ的函数关系。在图中所示的光谱带(950nm≤λ≤1400nm，近红外和短波红外)，相对强度随辐射波长单调递减λ。对于其他光源2，强度光谱可能会有所不同。

图2(b)和2(c)分别显示了棉花(一种典型的纺织基本材料41)和聚乙烯(一种外来材料42)的吸收光谱。在与图2(a)相同的光谱带中，各自的吸收率再次被绘制成辐射波长λ的函数图。

根据辐射源2的光谱强度分布30以及根据基本材料41和待检测外来材料42的光谱特性(吸收率、反射率和/或透射率)，通过多维变化计算确定光谱滤波器6的光谱特性。多维变化计算得出的回归向量包含所考虑的光谱带中每个波长的权重。这些权重与光谱滤光片6对相关波长的透射率或反射率相对应。因此，在特定辐射源2的照射下，光谱滤波器6已针对检测特定基本材料41中的特定外来材料42进行了优化。这种设计光谱滤光片的方法本身是已知的，例如可以在以下材料中找到：S.Wolda、M.和L.Eriksson的文章"PLS-回归：化学计量学的基本工具"(PLS-regression:a basic tool of chemometrics)，《化学计量学与智能实验室系统》(Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems)，第58卷第2期，2001年10月28日，第109-130页。

图2(d)显示了光谱滤波器6的示例透射率与图2(a)-2(c)中相同光谱带的辐射波长λ的函数关系。在所示示例中，滤光片6在所考虑的光谱波段(950nm≤λ≤1400nm)中具有四个局部最大值(波长约为λ≈1000nm、1110nm、1213nm和1317nm)和三个局部最小值(波长约为λ≈1055nm、1145nm和1268nm)。光谱滤光片6增强了棉花(图2(b))和聚乙烯(图2(c))的吸收差异，这在各自光谱中约λ≈1100纳米、1210纳米和1320纳米的波长处尤为明显。

通过优化光谱滤波器6对外来材料42的透射或反射，入射到光谱滤波器6上的电磁辐射5中，其中因电磁辐射5与异物42的相互作用而产生的部分可以不经衰减地通过光谱滤波器6。由基本材料41产生的部分会被光谱滤波器6衰减。因此，外来材料42在辐射传感器8上的信号较高，而基本材料41在辐射传感器8上的信号较低。如果将辐射传感器8设计为图像传感器，则在辐射传感器8生成的图像上，外来材料42显示为亮图像区域，基本材料41显示为暗图像区域。

不言而喻，本发明并不局限于上述实施例。了解了本发明，本领域技术人员将能够衍生出更多的变体，这些变体也构成了本发明主题的一部分。

附图标记列表

1 根据本发明的设备

2 辐射源

3 辐射源产生的电磁辐射

30 光谱强度分布

4 纺织纤维结构

41 纺织纤维结构的基本材料

42 纺织纤维结构中的外来材料

5 纺织纤维结构反射或透射的辐射

50 光谱强度分布

6 光谱滤波器

7 经过光谱滤波器后的辐射

70 检测到的辐射强度与异物比例的函数关系

8 辐射传感器。

Claims (14)

1.用于检测纺织纤维结构(4)中两种成分(41、42)混合比例的设备(1)，其中包括

辐射源(2)，用于向纺织纤维结构(4)的方向发射光谱带内的电磁辐射(3)，以便与所述纺织纤维结构(4)相互作用，

辐射传感器(8)，用于接收与所述纺织纤维结构(4)相互作用后的至少一部分电磁辐射(7)，以及

光谱滤波器(6)，具有光谱带内的光谱特性，用于在与所述纺织纤维结构(4)作用之前或之后过滤至少一部分电磁辐射(5)，

其特点在于：

所述光谱滤波器(6)在光谱带中的透射率或反射率具有至少一个局部最大值和至少一个局部最小值，以及

所述光谱滤波器(6)在光谱带中的光谱特性与所述辐射源(2)和所述两种成分(41,24)中每一种的光谱特性相适应，从而使搜书辐射传感器(8)接收到的辐射强度是两种成分(41,42)混合比的单调函数。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个局部最大值位于所述电磁辐射(3)的一个或多个波长处，在该波长处，两种成分(41,42)的吸收率、透射率或反射率之差的绝对值具有局部最大值。

3.根据前述权利要求之一所述的装置(1)，其中所述光谱滤波器(6)在光谱带中的透射率或反射率至少各有两个局部最大值和局部最小值。

4.根据前述权利要求之一所述的设备(1)，其中所述光谱滤波器(6)被设计为反射滤波器或透射滤波器。

5.根据前述权利要求之一所述的设备(1)，其中所述光谱滤波器(6)被设计为干涉滤波器。

6.根据前述权利要求之一所述的设备(1)，其中所述光谱滤波器(6)集成在辐射传感器(8)中。

7.根据前述权利要求之一所述的设备(1)，其中，所述光谱带的波长范围在300纳米到2200纳米之间，优选地在700纳米到1900纳米之间。

8.根据前述权利要求之一所述的设备(1)，其中所述光谱带的宽度在200纳米到500纳米之间。

9.根据前述权利要求之一所述的设备(1)，其中所述辐射传感器(8)具有空间分辨功能和/或时间分辨功能。

10.根据权利要求9所述的设备(1)，其中，所述辐射传感器(8)是带有二维图像转换器的数码相机，或者是一维线性传感器。

11.用于检测纺织纤维结构(4)中两种成分(41、42)的混合比率的方法(1)，其中，

从辐射源(2)向纺织纤维结构(4)的方向发射光谱带的电磁辐射(3)，

至少有一部分所述电磁辐射(3)与所述纺织纤维结构(4)发生相互作用，至少一部分所述电磁辐射(7)在与所述纺织纤维结构(4)作用后被辐射传感器(8)接收，以及

至少有一部分电磁辐射(5)在与纺织纤维结构(4)作用之前或之后被具有光谱特性的光谱滤波器(6)过滤，

其特征在于：

选择所述频谱滤波器(6)的条件是

其在所述光谱带中的透射率或反射率具有至少一个局部最大值和至少一个局部最小值，以及

其在所述光谱带中的光谱特性与所述辐射源(2)和所述纺织纤维结构

(4)中两种成分(41、42)各自的光谱特性相适应，从而使所述辐射传感器(8)接收到的辐射强度是两种成分(41、42)混合比的单调函数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述光谱带的波长范围在300纳米到2200纳米之间，且优选地在700纳米到1900纳米之间。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述光谱带的宽度在200纳米到500纳米之间。

14.根据权利要求11-13之一所述的方法，其中所述两种成分(41，42)中的一种(41)是所述纺织纤维结构(4)的主要部分由其构成的基本材料，而两种成分(41，42)中的另一个(42)是外来材料，其在纺织纤维结构(4)中的比例被确定。