安少元，郭敬瑶，刘晓刚

(陕西长岭纺织机电科技有限公司，陕西 宝鸡 721013)

目前，我国棉花加工以机采棉为主，含杂多，含水率高，采摘方式对棉纤维损伤较大。为了能从加工源头控制棉纤维质量，笔者公司集自主知识产权研发了一套YZ-1型棉花加工生产线智能在线检测系统(以下简称“YZ-1型系统”)，该系统在棉花加工环节采集棉花回潮率、杂质、颜色等信息，实现联网智能管控，做到“因花配车”，提升了皮棉加工质量。

1 YZ-1系统组成及测试原理

1.1 系统组成

YZ-1型系统由籽棉工作站、皮棉工作站(以下简称“籽(皮)棉工作站”)、控制系统、中央处理软件4部分组成，将轧花机生产控制系统联网，一起组成了棉花加工生产线智能管控系统。籽(皮)棉工作站在棉花加工生产线上的安装位置，如图1所示。

1.2 电路组成

籽(皮)棉工作站由供电电路和传感器组成，采用军工标准的线性电源，能在苛刻环境下保证电源的可靠性，用光电传感器检测轧花管道中的棉花，在管道有棉花时进行测试，无棉花时待机，功耗降低,效率提升。在电路设计时充分考虑到测试环境因素，选择的元器件在-30 ℃～45 ℃时能正常工作。采用模块化设计思路，利用笔者公司研发的XJ128型快速棉纤维性能测试仪(以下简称“XJ128型”)上现有的测量技术[1]，提高了产品的可靠性和量产规模。

图1 籽(皮)棉工作站安装位置

1.3 结构组成及测试原理

籽(皮)棉工作站机械结构原理相同，主要由抓手、测试窗口、回潮模块、相机模块、颜色测量模块和控制单元组成，籽棉工作站无颜色测量模块。

籽(皮)棉工作站通过光电系统检测轧花管道中的棉纤维流量，利用抓手抓取一定量的棉纤维样，压到测试窗口上，即可测试采集棉纤维的含杂、回潮率、颜色等相关数据。

2 测试指标及其原理

2.1 杂质测量

杂质测量模块采用500万像素的CCD相机获取棉纤维表面杂质分布，通过图像处理后计算出杂质粒数和杂质面积百分比。

2.2 回潮率测量

回潮率测量是利用棉纤维在不同回潮率下具有不同电阻的特性，在棉纤维质量和极板电压一定的情况下，测量通过棉纤维的电流，间接得出棉纤维回潮率[2]。YZ-1型系统回潮模块采用创新的九点阵式测量方法，利用电极点接触测量棉纤维回潮率，相比传统方法在数据测试一致的情况下有效缩小了测试模块体积，为工作站小型化提供了方便。

2.3 颜色测量

颜色测量采用45°照明方式，即光线与棉纤维表面法线成45°角的方向入射于棉纤维表面，在法线方向上测量棉样表面反射光，分析得到光谱成分后，根据尼克森·亨特公式把棉纤维的反射光分成CIE标准色度，观察值的光谱三刺激值X，Y，Z，再根据方程计算出棉纤维色泽反射率Rd和黄度+b的值，在利用Rd和+b的分布得出颜色级。

3 应用测试

3.1 方案

通过YZ-1型系统在线测试籽棉回潮率、皮棉回潮率、杂质面积、棉样反射率Rd和黄度+b与标准仪器测试数据进行对比，验证YZ-1型系统检测数据的可靠性，通过对连续不间断的棉纤维进行测量验证其稳定性。

3.2 标准

回潮率标准按照现有的电阻法[3]使用陕西华斯特仪器有限责任公司制造的XJ130型回潮率测定仪(以下简称“XJ130型”)，按照XJ130型原棉水分测定仪检定规程进行检定，符合要求后使用。

杂质含量和颜色信息在纤维检验所使用XJ128型进行测试，测试前按照棉纤维测试仪校准规范[4]对XJ128型进行相应校准。

3.3 试样选取及位置标记

YZ-1型系统是在线测试，分3个位置安装，分别采集3个位置的棉纤维样品。第1个位置从重杂分离器后采集试样，记作1号籽棉；第2个位置从籽棉清理机上采集试样，记作2号籽棉；第3个位置从集棉机前采集试样，记作1号皮棉。每个位置采集试样100 g，且分时间段取12个样品，用数字1到12进行标记。

测试回潮率的试样在XJ130型上进行测试，每次测试质量为50 g；测试杂质、颜色信息的试样在XJ128型上进行测试，每次测试质量为50 g。

3.4 测试条件

YZ-1型系统测试环境：12月在新疆地区进行，轧花厂室外的温度为-20 ℃～10 ℃，相对湿度为45%～85%。为了保证回潮测试一致性，XJ130型和YZ-1型系统在同一环境下进行测量。

XJ128型安装在纤维检验所实验室内，温度为(20±5) ℃，相对湿度为(60±15)%。由于环境不同,故采集的试样用塑料袋包裹后送到纤检实验室。

3.5 操作方法

YZ-1型系统实时自动采集测量，XJ130型按照该仪器的操作方法由轧花厂测试人员规范操作，XJ128型由纤维检验所的操作员进行测试。

4 结果与讨论

4.1 实验结果

籽棉和皮棉回潮率测试对比见表1。1号皮棉试样杂质和颜色测试值对比见表2。

4.2 分析结果与讨论

4.2.1 分析原理

采用曲线相似性比较原理[5]，简单的模型非依赖性方法采用差异因子f1和相似因子f2方法比较各检测项目曲线的相似性[6]。一般情况下，f1越接近0，参照点的差异性就越小，当f1≤0.15就认为数据点无差异；f2越接近1则曲线就越相似，当f2≥0.5就认为2条曲线趋势相似。

表2 1号皮棉试样杂质和颜色测试值对比

差异因子f1计算公式：

(1)

相似因子f2计算公式：

(2)

式(1)和式(2)中Ri为标准设备测试的第i个数据的值；Ti为YZ-1型系统自动测试的第i个数据的值；n为样品数量。

4.2.2 分析结果

由式(1)和式(2)分别计算出：YZ-1型和XJ130型测试仪器测量的回潮率差异因子f1和相似因子f2，如表3；YZ-1型和XJ128型测试仪器测量的1号皮棉杂质和颜色测试值各项中差异因子f1和相似因子f2，如表4。

表3 回潮率差异因子f1和相似因子f2

表4 杂质和颜色差异因子f1和相似因子f2

从表3可知，2种方法测试的回潮率曲线的数据点差异较小；由表4可知，2种测试方法在颜色测量上差异比较大，杂质差异主要体现在杂质面积上。

由以上数据分析可知，颜色差异大的主要原因是测试环境温湿度差异太大，通过现场大量数据测试，发现温度越低颜色测量的反射率越低、黄度越高，可以确定温度对光源是有影响的。

杂质差异大的原因是杂质测量不是同一样品，棉花表面杂质分布本身就不均匀，只能作为参考，杂质测量还需要以重量杂质为准。

5 结语

YZ-1型系统可实时在线取样检测籽棉和皮棉有效信息，但由于使用环境温度低、相对湿度不均匀，加之棉花本身存在差异，检出数据和国家公检实验室测得数据有一定差异，但数据趋势有一定相关性。因此，可以通过对更多样品进行测试研究，进一步优化算法模型，建立一套光源和温度之间的模型。

YZ-1型系统可以及时反映轧花不同工序回潮和杂质的差异，方便轧花企业通过测试数据调整设备工艺参数，真正做到“因花配车”，实时检测轧花信息，提升轧花品质。