基于随机须丛逐步分离模型的纤维短绒率测量计算方法

摘要

本发明涉及一种基于随机须丛逐步分离模型的纤维短绒率测量计算方法。本发明提出的短绒率测量计算方法具有以下优点：(1)充分利用了随机须丛制样快捷且不存在检测盲区的优点，使短绒率的测量快速、准确；(2)依托自己建立的独特的随机须丛逐步分离模型，国际上首次推导出短绒率的新计算公式，不仅具有坚实的理论基础，更重要的意义在于新计算公式避开了现有理论中短绒指标与须丛曲线的微分运算关系，使检测仪器的信号分析避开了许多误差源；(3)本专利组合高分辨率光学成像设备和图像处理技术，可实现短绒率的低成本、便携化测量。

权利要求

1.一种基于随机须丛逐步分离模型的纤维短绒率测量计算方法，包括以下步骤：第一步、以夹具夹持纤维随机分布须条的任一横截面，制得双端随机须丛或单端随机须丛；

第二步、测量随机须丛任一横截面上的相对纤维量与位置的关系曲线，即须丛曲线F(L)，L为须丛任一横截面相对于加持线的距离，其特征在于：第三步、若第一步制得的是双端随机须丛，则依次应用公式(1)和公式(2)，求得同一双端随机须丛的两个重量短绒率SFCw(X)，X为短绒长度界限值，再应用公式(1)和公式(2)求数个其他双端随机须丛的重量短绒率SFCw(X)，计算所有重量短绒率的均值，即为最终重量短绒率；

若第一步制得的是单端随机须丛，则应用公式(1)，求得一个单端随机须丛的一个重量短绒率SFCw(X)，再应用公式(1)求数个其他单端随机须丛的重量短绒率SFCw(X)，计算所有重量短绒率的均值，即为最终重量短绒率；

式中，m是不小于4的自然数，a、b是由须丛中纤维的伸直度确定的常数，且a＝0～3、b＝

0～10。

2.如权利要求1所述的一种基于随机须丛逐步分离模型的纤维短绒率测量计算方法，其特征在于，在所述第一步中，若须条为棉型纤维，则制得所述双端随机须丛，若须条为中长型纤维，则制得所述单端随机须丛。

3.如权利要求2所述的一种基于随机须丛逐步分离模型的纤维短绒率测量计算方法，其特征在于，在所述第一步中，所述双端随机须丛通过梳去夹持线两侧未被握持的浮游纤维得到，所述单端随机须丛通过梳去夹持线一侧的浮游纤维得到。

说明书

基于随机须丛逐步分离模型的纤维短绒率测量计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及纤维长度分布特征参数的测量和计算技术领域，具体来说，涉及利用逐步分离模型对随机须丛中的短绒位置分布进行分析，以便由须丛的线密度曲线获得纤维短绒率的计算方法，适用于棉、木棉、羊绒、羊毛、化纤短纤等纤维类型。

背景技术

[0002] 在纺织纤维原料中，长度小于某些特定长度界限的纤维的量与总纤维量的比值被称为短绒率(英文简写SFC)，以百分比表示。普通细绒棉的短绒率长度界限按照我国标准是16毫米，按照美国及部分国际贸易标准是12.7毫米；而平均长度比较长的毛麻纤维的短绒界限值会更高。纤维原料的短绒率越高，则制成纱线的条干均匀度越差、毛羽越多、强度越低，纺纱制造过程中纱线断头率越高。因此，短绒率一直是纤维分级定价、生产原料选配、工艺参数设置时的重要依据。

[0003] 短绒率的测量一般与其它长度指标测量同时进行。最经典的方法是分组称重法，该方法对测量人员的技能熟练度要求较高，不仅费时费力，而且试样整齐端的随机波动和纤维分组时的误差对短纤维指标(短绒率)的影响远甚于对纤维的其他长度指标(平均长度、主体长度、品质长度等)的影响。

[0004] 目前，最常见的棉纤维长度自动化测量系统为HVI和AFIS，这两种系统以其测量速度快、输出指标多而被认可。然而，用HVI进行长度测量时，须丛夹持线附近的纤维片段因缠绕不清而被排除在检测范围之外，但短纤维恰恰主要存在于这一位置，所以HVI不能直接测得短绒率，只能根据已测得的其它指标结合经验方程算出一个短纤维表征参数——短绒指数(SFI)。AFIS系统通过测量数千根单纤维的长度来计算纤维样品的长度分布指标，其内置的开松部件在分离纤维时可能造成纤维断裂，使测量结果存在偏差。

[0005] 毛纤维长度的自动化测量系统有Almeter100和OFDA4000二大系统。Almeter100以专用机械手制造一端平齐的须丛，而后让须丛以恒定速度通过电容传感器，须丛各横截面纤维量的变化引起电容偏差，从而获取须丛各横截面上的纤维量信息，进而计算短绒率等长度指标。OFDA4000是基于现阶段显微成像技术和CCD技术，对一端平齐的须丛，每隔5毫米计数一次横截面上的纤维根数，并以1毫米的间距进行插值处理，每试样需要测试5个须丛，根据从须丛根部到梢部各横截面纤维根数的变化计算须丛中的纤维长度分布及其对应的短绒率等长度指标。

[0006] 上述纤维长度的各种自动化测量系统都具有快速高效、节省人力等优点。但是，各测量系统的体积都很庞大，运转机械和电器部分很复杂，制造成本高昂，使用中磨损量大，并且需要占用大面积的恒温恒湿室，维护成本也高。

[0007] 2012年，王府梅、吴红艳提出了一种新的纤维长度快速低成本测量方法(专利号：ZL 2012 1 0106711.8)，称作双须影像法，其做法为：首先将待测散纤维试样制成纤维伸直、平行、随机排列的纤维条，然后制取特有的随机须丛，进而利用光学成像设备获得双端须丛的透射灰度图像，并由图像计算须丛任一横截面上的纤维量与位置的关系曲线(简称须丛曲线)；最终利用须丛曲线计算重量加权平均长度、主体长度、品质长度和长度变异系数等四个指标。此外，王府梅、吴红艳还提出了高精度的双须影像法须丛曲线的获取方法(专利号：ZL 2012 1 0328089.5)。2013年，王府梅、金敬业、陈菲提出了一种基于双须影像法的纤维短绒率计算方法(专利号：ZL 2013 1 0325921.0)，实质是建立在批量试验基础上的统计回归方程或经验预测方法，预测准确度取决于前期批量试验的样品种类和数量，且未涉及除棉和木棉之外的其他纤维。该方法缺乏理论依据，以至于出现16毫米短绒率预测方程中没有16毫米相关变量而只有12.7毫米相关变量的不合逻辑现象。

[0008] 双须影像法能够利用成本低廉、携带方便的成像设备在短时间内准确测得纺纱原料或纤维须条中的长度分布指标，很大程度上源自其创新性的随机须丛试样。制样时，用钳夹随机夹住纤维条任意横截面，保证夹持线与纤维条轴向垂直，梳去未被夹持的其他纤维，即得到具有两个锥形端部的随机须丛。随机须丛中纤维平行伸直排列，没有无法检测的盲区，因此全部长度信息都能反映到图像中去，包括其他方法最易丢失的短纤维信息，这就为短绒率的精确测量创造了可能。然而，目前基于双须影像的短绒率计算方法，要么如上述专利号为ZL 2013 1 0325921.0的发明专利一样，缺乏对双端须丛中短纤维分布状况的全面理论研究，以至于在实际应用中，当需要测试的样品种类与用来构建预测方程的样品种类差异较大时，预测结果产生波动；要么研究出了须丛曲线与短绒率的二次微分关系，却无法解决须丛曲线的随机噪声在二次微分中被放大的问题。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种纤维短绒率的快速低成本测量方法，能够利用廉价、便携、易维护的测量设备，实现棉、木棉、羊绒、羊毛、化纤短纤等纺织原料的短绒率准确测量。

[0010] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于随机须丛逐步分离模型的纤维短绒率测量计算方法，包括以下步骤：

[0011] 第一步、以夹具夹持纤维随机分布须条的任一横截面，制得双端随机须丛或单端随机须丛；

[0012] 第二步、测量随机须丛任一横截面上的相对纤维量与位置的关系曲线，即须丛曲线F(L)，L为须丛任一横截面相对于夹持线的距离，其特征在于：

[0013] 第三步、若第一步制得的是双端随机须丛，则依次应用公式(1)和公式(2)，求得同一双端随机须丛的两个重量短绒率SFCw(X)，X为短绒长度界限值，再应用公式(1)和公式(2)求数个其他双端随机须丛的重量短绒率SFCw(X)，计算所有重量短绒率的均值，即为最终重量短绒率；

[0014] 若第一步制得的是单端随机须丛，则应用公式(1)，求得一个单端随机须丛的一个重量短绒率SFCw(X)，再应用公式(1)求数个其他单端随机须丛的重量短绒率SFCw(X)，计算所有重量短绒率的均值，即为最终重量短绒率；

[0015]

[0016]式中，m是不小于4的自然数，a、b是由须丛中纤维的伸直度确定的常数，且a＝0～3、b＝
0～10。

[0017] 优选地，在所述第一步中，若须条为棉型纤维，则制得所述双端随机须丛，若须条为中长型纤维，则制得所述单端随机须丛。

[0018] 优选地，在所述第一步中，所述双端随机须丛通过梳去夹持线两侧未被握持的浮游纤维得到，所述单端随机须丛通过梳去夹持线一侧的浮游纤维得到。

[0019] 由于采用了上述技术方案，本发明提出的短绒率测量计算方法具有以下优点：(1)充分利用了随机须丛制样快捷且不存在检测盲区的优点，使短绒率的测量快速、准确；(2)依托自己建立的独特的随机须丛逐步分离模型，国际上首次推导出短绒率的新计算公式，不仅具有坚实的理论基础，更重要的意义在于新计算公式避开了现有理论中短绒指标与须丛曲线的微分运算关系，使检测仪器的信号分析避开了许多误差源；(3)本专利组合高分辨率光学成像设备和图像处理技术，可实现短绒率的低成本、便携化测量。

附图说明

[0020] 图1为一个双端随机须丛(棉纤维)；

[0021] 图2为一个单端随机须丛(羊毛纤维)；

[0022] 图3为一个双端须丛曲线；

[0023] 图4为双端随机须丛中短绒的逐步分离模型示意图；

[0024] 图5为逐步分离模型第一阶段各个须丛的须丛曲线关系图。

具体实施方式

[0025] 为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0026] 本发明提供了一种基于双端随机须丛逐步分离模型的纤维短绒率测量计算方法，其步骤为：

[0027] 第一步，制取随机须丛：

[0028] 准备纤维随机分布的须条，以专用夹具垂直夹持其任一横截面，若须条是棉、木棉等棉型纤维，就梳去夹持线两侧未被握持的浮游纤维，制得双端随机须丛，如图1所示；若须条是毛、麻等中长型纤维，则梳去夹持线一侧的浮游纤维，制得单端随机须丛，如图2所示；

[0029] 第二步，基于双须影像法或其他方法提取须丛任一横截面上的相对纤维量(根数)与位置的关系曲线，即随机须丛曲线F(L)，如图3所示，L为须丛任一横截面相对于夹持线的距离，且L∈[-lmax，lmax]，其中lmax为须丛中最长纤维的长度；

[0030] 第三步、若第一步制得的是双端随机须丛，则依次应用公式(1)和公式(2)，求得同一双端随机须丛的两个重量短绒率SFCw(X)，X为短绒长度界限值，再应用公式(1)和公式(2)求数个其他双端随机须丛的重量短绒率SFCw(X)，计算所有重量短绒率的均值，即为最终重量短绒率；

[0031] 若第一步制得的是单端随机须丛，则应用公式(1)，求得一个单端随机须丛的一个重量短绒率SFCw(X)，再应用公式(1)求数个其他单端随机须丛的重量短绒率SFCw(X)，计算所有重量短绒率的均值，即为最终重量短绒率；

[0032]

[0033]式中，m是不小于4的自然数，a、b是由须丛中纤维的伸直度确定的常数，且a＝0～3、b＝
0～10。

[0034] 本发明的技术原理如下：

[0035] 1.建立双端随机须丛中短绒的逐步分离模型：

[0036] 由于双端须丛中每根纤维都通过夹持线(L＝0)，因此须丛中长度不大于X的纤维必然只存在于L＝-X与L＝X之间，故而可以按照图4所示的假想模型将须丛中的短绒逐步分离出来，进而建立短绒率计算公式。

[0037] 第一阶段分离短绒：假设一个原始须丛被位于 的新夹持线所夹持，在其他纤维位置不变的前提下抽走被夹到的纤维，命名这些纤维形成的新须丛为须丛①；继而，原须丛剩下的部分又被位于 的新夹持线所夹持，在其他纤维位置不变的前提下抽走被夹到的纤维，命名这些纤维形成的新须丛为须丛②；经过上述两次夹持分离，原双端须丛中残余下来的纤维被命名为须丛③，它们既不能被 夹持也不能被 夹持，因此长度必然不大于X。须丛③是第一阶段被分离出来的短绒，须丛①和须丛②中所有纤维的长度都大于 其中长度不大于X的部分将在第二阶段被进一步分离。

[0038] 第二阶段分离短绒：继续使用原双端须丛的坐标系，假设须丛①被位于 的新夹持线所夹持，抽走被夹的纤维并命名这些纤维为须丛④；须丛①剩下的部分又被位于的新夹持线所夹持，抽走被夹到的纤维并命名为须丛⑤；须丛①经过上述两次抽离后残余的纤维被命名为须丛⑥。须丛⑥既不能被 夹持也不能被 夹持，是长度不大于X的短绒。类似地，须丛②被夹持线 和 依次分解为须丛⑦、⑧和⑨，其中须丛⑨与须丛⑥一样，纤维长度不大于X，也是第二阶段被分离出来的短纤维。须丛④、⑤、⑦和⑧中所有纤维的长度都大于 其中长度不大于X的部分将被进一步分离。

[0039] 后续阶段分离短绒：对须丛④、⑤、⑦和⑧中短纤维的分离参照前两阶段的分离方法，例如，须丛④被夹持线 和 依次分解为须丛⑩、 和 其中须丛 中全部是长度不大于X的短绒。以此类推，逐层分解，分离出的短绒越来越多，逐渐接近原双端须丛中的短绒总根数，而被抽离到新须丛中的短绒则越来越少，直至可以忽略不计。

[0040] 合计各阶段分离出的短绒根数，除以原双端须丛中的纤维总根数，即以X为短绒界限的须丛根数短绒率SFN。按照专利号为ZL 2012 1 0106711.8的发明专利所公开的方法，双端随机须丛的纤维长度根数分布等于须条的纤维长度重量分布，那么模型所得须丛根数短绒率SFN即为须条试样的重量短绒率SFCw。

[0041] 2.基于逐步分离模型建立短绒率的基本计算公式

[0042] 由于逐步分离模型中的新须丛均由原始双端随机须丛逐步分解而来，因此新须丛的须丛曲线可以用原始须丛曲线F(L)的变形式来表达，以便使各个新须丛的短绒含量计算公式可表达为F(L)的代数式。按照逐步分离模型的原理逐层累积各个新须丛的短绒含量，即可最终得到用F(L)表示的须丛根数短绒率SFN的基本计算公式。

[0043] 由纤维理想随机分布的条子制作的双端须丛关于夹持线对称，其须丛曲线F(L)是关于L＝0对称的偶函数，即F(-L)＝F(L)，如图5所示，双端须丛中纤维的相对根数总量为F(0)＝100％。

[0044] 须丛①中纤维相对根数为 其须丛曲线如图5红色曲线所示，函数表达式为[0045]

[0046] 其中lmax为双端须丛中最长纤维的长度。

[0047] 虽然夹持线 与 关于L＝0对称，但须丛②与须丛①并不相同，其纤维相对根数也不是 原因在于，如图5所示，双端须丛中那些左端超出 且右端超出 的纤维(图5阴影部分)一旦被 处的夹持线抽离并成为须丛①的一部分，就无法再在 处被夹进须丛②；这部分纤维的相对根数可根据须丛①的须丛曲线表达式算出：

[0048] 为计算须丛②中纤维的相对根数，假设原始双端须丛最初就在 处被夹持，并命名被夹持抽离的纤维为须丛②’。须丛②’中纤维相对根数为 其须丛曲线就是图5中蓝色曲线，与红色曲线关于L＝0对称。须丛②’的函数表达式为

[0049]

[0050] 须丛②’与须丛②的区别在于，前者比后者多包含了双端须丛中左端超出且右端超出 的那些纤维，因此，须丛②中纤维相对根数可表示为进而，须丛③的相对根数为 即原始双端须丛的相对根数总
量依次减去须丛①和须丛②的相对根数。

[0051] 如果把须丛①、②、③、④……中短绒根数与原始双端须丛纤维总根数的百分比分别命名为SFN(①)、SFN(②)、SFN(③)、SFN(④)……，由于原始双端须丛被分解为须丛①、②和③，那么其根数短绒率是三部分之和：

[0052] SFN＝SFN(①)+SFN(②)+SFN(③)。   (5)

[0053] 由于须丛③全部由短绒组成，其短绒量SFN(③)就是其纤维相对根数，可以用下式直接算得：

[0054]

[0055] 由于须丛②’与须丛①对称，则它们短绒量相等；此外，须丛②’与须丛②的差异仅涉及长度大于X(左端超出 且右端超出 )的纤维，因此它们的短绒量也一样；综合可知，须丛①与须丛②短绒量相等，即SFN(①)＝SFN(②)，所以公式(5)可转换为：

[0056] SFN＝2×SFN(①)+SFN(③)。   (7)

[0057] 同理，在第二阶段分离中，鉴于须丛①被分解为须丛④、⑤和⑥，可有SFN(①)＝SFN(④)+SFN(⑤)+SFN(⑥)，其中SFN(④)＝SFN(⑤)，合并可得：

[0058] SFN(①)＝2×SFN(④)+SFN(⑥)。   (8)

[0059] 以此类推，依照逐步分离模型的分析办法，逐层计算各个须丛的短绒量，计算公式可以归纳为：

[0060]

[0061] 其中m为自然数。公式(9)进一步合并为

[0062]

[0063] 由于须丛③、⑥、⑨、 ……全由短绒组成，它们的短绒量就是其相对根数，因此仿照公式(6)中SFN(③)的推导过程，得

[0064]

[0065] 将公式(6)、(11)代入公式(10)可得

[0066]

[0067] 其中最后一项2mSFN(3×2m-1-2)代表经m阶段分离后尚未被分离出的短绒，随着m的增大，其值趋近于零。当m不小于4时，公式(12)可舍去最后一项，得到双端随机须丛根数短绒率的基本算式：

[0068]

[0069] 根据双端随机须丛的对称假设，有F(-L)＝F(L)，因此为了计算方便，在推导过程中凡是出现须丛曲线F(L)的左侧值，都用对应的右侧值替代，故而式(13)只有夹持线右侧的须丛曲线值。然而在实际测量中，双端须丛的左右两端很难完全对称。为降低测量的随机波动，再在推导过程中用须丛曲线F(L)的左侧值替代出现的右侧值，可得

[0070]

[0071] 对于棉型纤维的双端须丛曲线，选定X和m后，应用公式(13)和(14)；对于中长型纤维的单端须丛曲线，选定X和m后，应用公式(13)即可。

[0072] 3.利用批量试验，确定短绒率的最终计算公式

[0073] 公式(13)和(14)的推导前提是须丛中纤维完全伸直，然而棉、毛等纤维存在难以避免的天然转曲或卷曲，且不同种类纤维的伸直度不同，使基本算式算出的短绒率往往与现行其他方法测得的基准值存在差异。为修正偏差，对每种纤维类型开展大批量试验，将公式(13)和(14)的基本计算结果与其它方法测得的基准值做对比，用统计学方法确定各种纤维的屈曲修正系数a、b，得到重量短绒率的最终计算公式(1)和(2)。

[0074] 以下结合具体实例来进一步说明本发明。

[0075] 实施例1

[0076] 根据我国标准，普通细绒棉的短绒率长度界限为X＝16毫米。若令m＝5，取细绒棉的纤维屈曲系数a＝0.9、b＝1.7，则公式(1)和(2)转换为

[0077] SFCw(16)＝0.9×[F(0)+31F(16)-32F(15.5)]-1.7   (15)

[0078] 以及

[0079] SFCw(16)＝0.9×[F(0)+31F(-16)-32F(-15.5)]-1.7。   (16)

[0080] 选三种具有不同短绒率的细绒棉试样，每种棉样制作5个双端随机须丛，提取5个须丛曲线后应用公式(15)和(16)，得到10个SFCw(16)计算值，求平均后与AFIS测得的重量短绒率作对比，如表1所示，显然，本发明与基准方法有很高的一致性。

[0081] 表1本发明测量计算的棉纤维短绒率与基准方法测量值对比

[0082]  本发明所测短绒率/% AFIS所测短绒率/％ 差异率/％
棉样1 8.3 8.0 3.75％
棉样2 11.9 12.1 -1.65％
棉样3 15.2 15.8 -3.80％

[0083] 实施例2

[0084] 由于木棉纤维的平均长度较短，令X＝12.7毫米，m＝5，取纤维屈曲系数a＝1.5、b＝6.4，则公式(1)和(2)转换为

[0085] SFCw(12.7)＝1.5×[F(0)+31F(12.7)-32F(12.3)]-6.4   (17)

[0086] 以及

[0087] SFCw(12.7)＝1.5×[F(0)+31F(-12.7)-32F(-12.3)]-6.4。   (18)

[0088] 选三种具有不同短绒率的木棉纤维试样，每种制作5个双端随机须丛，提取5个须丛曲线后应用公式(17)和(18)，对得到的10个SFCw(12.7)计算值求平均，与根据GB/T16257-2008《纺织纤维短纤维长度和长度分布的测试：单纤维测量法》测得的短绒率值作对比，如表2所示，显示出本发明在木棉纤维短绒率测量方面也与基准方法有很高的一致性。

[0089] 表2本发明测量计算的木棉纤维短绒率与基准方法测量值对比

[0090]

[0091] 实施例3

[0092] 羊毛纤维的X＝30毫米，令m＝4，取纤维屈曲系数a＝0.6、b＝2.3，由于毛纤维须丛是单侧须丛，只将公式(1)转换为

[0093] SFCw(30)＝0.6×[F(0)+15F(30)-16F(28.125)]-2.3。   (19)

[0094] 选三种具有不同短绒率的羊毛纤维试样，每种制作10个单端随机须丛，提取须丛曲线后应用公式(19)，对得到的10个SFCw(30)计算值求平均，与Almeter测得的巴布(重量)短绒率作对比，如表3所示，显示出本发明在羊毛纤维短绒率测量方面的准确性。

[0095] 表3本发明测量计算的羊毛纤维短绒率与基准方法测量值对比

[0096]  本发明所测短绒率/％ Almeter所测短绒率/％ 差异率/％
羊毛1 2.5 2.3 8.70％
羊毛2 3.0 3.1 -3.23％
羊毛3 4.0 3.8 5.26％