■ 王 銘 孫 立 何 飛 鄭麗莎 董俊哲

〔山東出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，山東青島266555〕

粘貼式棉纖維長度測試法研究

■ 王 銘 孫 立 何 飛 鄭麗莎 董俊哲

〔山東出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，山東青島266555〕

棉纖維長度是判定棉花品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，由于它直接影響到成品品質(zhì)、企業(yè)成本及最終效益，因此，棉纖維長度的測試結(jié)果不但是考量棉花品種優(yōu)劣的主要判定依據(jù)，更是棉花貿(mào)易中決定最終成交價(jià)格的技術(shù)關(guān)口，而棉纖維長度測試的速度和精度也一直是纖維檢測行業(yè)比較關(guān)注的問題。

現(xiàn)今國際上測試棉纖維長度的主要方法包括人工手扯尺量法和HVI測試法。手扯尺量法適用范圍較廣，結(jié)果精確度高，缺點(diǎn)是速度較慢；HVI測試法利用HVI大容量纖維測試儀的長度/強(qiáng)力測試模塊進(jìn)行棉纖維長度的測定，檢測速度較快，但是數(shù)據(jù)有一定波動(dòng)性且檢測成本較高。

山東檢驗(yàn)檢疫局工業(yè)品檢測中心從實(shí)際應(yīng)用方面出發(fā)，綜合兩種主流檢測方法的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型棉纖維長度測試儀器，并由此衍生出一種新式的棉纖維長度檢測方法。通過對新方法檢測數(shù)據(jù)的分析，證明該方法是一種高效的、可推廣的棉纖維長度檢測方法。

一、儀器設(shè)計(jì)過程

（一）儀器設(shè)計(jì)思路

對棉纖維長度的兩種檢測方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)手扯尺量法和HVI測試法測得纖維長度的測試步驟均可分解為三個(gè)階段：纖維束的抓取、纖維束的拉直定長、纖維長度的量取。

1.纖維束的抓取。

（1）手扯尺量法步驟。

從棉樣中選取不同的具有代表性的棉樣10 g，將選取得出的樣品加以整理，確保纖維基本趨于平順。選出適量樣品放在雙手并攏的拇指與食指間，將兩拇指并齊，用手分向左右握緊，以雙手其余四指作支點(diǎn)，兩臂肘緊貼兩肋，用力從兩拇指處緩緩向外拉動(dòng)，將右手的棉樣棄去或合并與左手重疊握持再次抽取。右手的拇指與食指的第一節(jié)對齊，從截面多處夾取纖維，每處抽取多于3次，將每次抽取出的纖維均勻整齊地重疊在一起，制作成適當(dāng)?shù)拿奘?/p>

圖1 手扯法抓取纖維

分析：使用手扯尺量法測定棉纖維長度的情況下，檢驗(yàn)人員依靠自身經(jīng)驗(yàn)從樣品截面中將棉纖維一層一層抽取，形成大約60 mg的棉束。抽取過程中對于手法要求不是太高，對于纖維的整理在纖維束拉直定長過程中實(shí)現(xiàn)。

（2）HVI測試法步驟。

使用標(biāo)準(zhǔn)樣品對HVI儀器進(jìn)行系統(tǒng)檢查，檢查通過后方可進(jìn)行測試。從樣品中取出兩份15 g左右的棉花分別放入左右取樣器，避免從棉樣的切斷面和表面上取樣，切斷面和表面上的棉花應(yīng)予以剝離后再進(jìn)行取樣。樣品與取樣器接觸一面可以適當(dāng)扯松。按下長度/強(qiáng)度測試按鈕，取樣門關(guān)閉后，壓條將棉樣壓緊，取樣器轉(zhuǎn)動(dòng)，梳夾移動(dòng)到取樣孔位置進(jìn)行取樣。

圖2 HVI測試法抓取纖維

分析：HVI取樣過程由儀器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，檢驗(yàn)人員只需按照儀器操作步驟規(guī)范執(zhí)行。需要注意的是在向取樣器放入檢測樣品的時(shí)候，應(yīng)對樣品的重量進(jìn)行一定的控制，過多或過少的纖維放入量都會(huì)影響程序的正常運(yùn)行。

2.纖維束的拉直定長。

（1）手扯尺量法步驟。

用左手仔細(xì)清除棉束上的游離纖維、索絲、雜質(zhì)及絲團(tuán)等，而后用左手拇指與食指將棉束輕輕合攏，施加適當(dāng)指握力，壓縮減小棉束的面積，使之成為尖直形的平順的棉束，便于抽拔。整理過的棉束用右手壓緊，將左手拇指與食指第一節(jié)平行對齊，抽取右手棉束中伸出的纖維，每次抽一薄層，將之均勻排列。隨時(shí)清除纖維中的棉結(jié)雜物等，確保抽取出的纖維中無此類物品，每次抽取的長度不宜超過1.5 mm，每次抽取整齊一端，應(yīng)排列在食指的一條線上，確保平齊。形成粗束后，以相同方法反復(fù)抽拔2次～3次，最終使其達(dá)到一端齊的平直光潔的棉束。最后，棉束重量一般為60 mg左右，長纖維稍重些，短纖維稍輕些。

圖3 手扯法拉長定值

分析：手扯尺量法主要依靠檢驗(yàn)人員對棉束進(jìn)行反復(fù)抽拔、捋平來完成纖維束的拉直定長過程。為保證質(zhì)量，檢驗(yàn)人員“捏”和“拉”的力度應(yīng)協(xié)調(diào)準(zhǔn)確，需要檢驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷。如果用力集中，就極易產(chǎn)生人體疲勞，制約著手扯尺量法實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測。

（2）HVI測試法步驟。

在測試程序啟動(dòng)后，梳夾上的纖維被轉(zhuǎn)動(dòng)的針布反向拉扯，使一端被夾持的纖維拉直。拉扯后的纖維被梳夾移動(dòng)到毛刷模塊，由毛刷對纖維束進(jìn)行進(jìn)一步梳理，使其成為寬度10 mm左右的平直纖維束，以便進(jìn)行下一步的長度測量工作。

圖4 HVI測試法拉長定值

分析：本過程由HVI儀器自動(dòng)完成，過程所需時(shí)間短，纖維束拉直定長效果好因?yàn)闆]有人工損耗，所以本過程可以連續(xù)進(jìn)行。為保證儀器測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需定期對針布、梳夾、毛刷等部件進(jìn)行清理。

3.纖維長度的量取。

（1）手扯尺量法步驟。

把制成的一端整齊的棉束平放在黑絨板上，確保棉束無歪斜變形。用專業(yè)鋼尺刃面在整齊一端少切些，不齊的一端多切些，直至兩頭均不見黑絨板為宜。棉束兩端的切痕相互平行，然后用專業(yè)鋼尺測量兩切線間的距離即為棉束的手扯長度。

圖5 手扯法長度量取

分析：手扯法對纖維長度的量取需要的器具僅為黑絨板和專業(yè)刻度鋼尺，受檢測條件約束較小。在對樣品進(jìn)行切線時(shí)，位置起止由檢測人員根據(jù)個(gè)人習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)確定最終結(jié)果，差錯(cuò)率較小。

（2）HVI測試法步驟。

在長強(qiáng)測試程序中，纖維束在被送入長度/強(qiáng)力模塊后，長強(qiáng)模塊中的紅外光源將沿著纖維束方向移動(dòng)，根據(jù)纖維束長度分布情況，下方的CCD接口接收到不同的光通量，計(jì)算模塊將光通量變化情況轉(zhuǎn)化為纖維照影曲線，推導(dǎo)得到上半部平均長度結(jié)果。測試結(jié)果通過電腦運(yùn)算，自動(dòng)顯示在屏幕上。

圖6 HVI測試法長度量取

分析：檢測結(jié)果由數(shù)據(jù)來決定，從表面上看消除了人為判斷偏差，但實(shí)際上由于樣品均勻性、儀器取樣方法、計(jì)算誤差等因素存在，儀器檢測結(jié)果難免會(huì)有一定的波動(dòng)性。

（二）檢測結(jié)果判斷

1.檢測結(jié)果準(zhǔn)確性。

國內(nèi)已有多項(xiàng)研究成果證明，手扯尺量法和HVI測試法的纖維長度測試結(jié)果具備良好的相關(guān)性，由于兩者檢驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，因此本報(bào)告不再對兩者測試結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，默認(rèn)為兩者測試結(jié)果準(zhǔn)確性一致，可以相互替代。

2.檢測結(jié)果波動(dòng)性。

選取長度為28.2 mm棉纖維長度標(biāo)準(zhǔn)樣品1只，使用兩種檢測方法進(jìn)行20次重復(fù)性試驗(yàn)，觀察檢測數(shù)據(jù)的波動(dòng)性。所得測試結(jié)果如下：

表1 單只樣品多次測試結(jié)果

從表1數(shù)據(jù)可以看出，手扯長度測試結(jié)果相對比較穩(wěn)定，前9次測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果差值在0.3以內(nèi)；第10次～20次檢驗(yàn)中，由于操作者疲勞度上升出現(xiàn)了偏差較大的情況，因此，測試結(jié)果的最大偏差為0.9 mm，HVI測試結(jié)果與手扯長度相比波動(dòng)性較大，其中第3次測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)長度相差1.3 mm，第12次測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)長度相差1.4 mm，第20次測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)長度相差1.4 mm，其余差值皆在1 mm以內(nèi)。

HVI測試結(jié)果較手扯測試結(jié)果波動(dòng)較大的主要原因是HVI取樣隨機(jī)性較大，取樣部位太過集中不能代表纖維長度分布的總體情況。

測試時(shí)間方面受到人體機(jī)理影響，隨著手扯次數(shù)的增加，檢測時(shí)間逐漸增長，由3 min增加到了5 min左右，不同水準(zhǔn)的操作人員檢測時(shí)間會(huì)有一定的變化；HVI測試時(shí)間則比較穩(wěn)定，一直維持在30 s左右，檢測時(shí)效率較高。

對兩種檢測方法按照步驟分析優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)論見表2。

表2 長度檢測分解表

為保證課題研究的經(jīng)過系統(tǒng)研究，課題選取制作新型棉纖維長度檢測儀的核心技術(shù)點(diǎn)為：A1、B2和A3。

課題組針對三個(gè)核心技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行儀器部件的初步設(shè)計(jì)。新型檢測儀器需包含三個(gè)模塊，負(fù)責(zé)完成A1、B2、A3的技術(shù)步驟。

二、儀器制作和試驗(yàn)過程

（一）粘貼式棉纖維長度檢測儀結(jié)構(gòu)

圖7為粘貼式棉纖維測試儀效果圖，圖8和圖9為儀器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 粘貼式棉纖維長度測試儀效果圖

圖8 粘貼式棉纖維長度測試儀結(jié)構(gòu)示意圖一

圖9 粘貼式棉纖維長度測試儀結(jié)構(gòu)示意圖二

粘貼式棉纖維長度測試儀主要由四大模塊組成，分別是：外殼、刷理模塊、粘貼模塊、定長模塊。

1.外殼。

外殼包括底座和側(cè)擋板。

2.刷理模塊。

刷理模塊包括毛刷，毛刷兩端具有轉(zhuǎn)軸，毛刷兩側(cè)設(shè)置毛刷支撐架，毛刷兩端的轉(zhuǎn)軸架設(shè)在毛刷支撐架上，毛刷下部設(shè)置刷理臺(tái)面，一端設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置包括設(shè)置在刷理臺(tái)面下部的第一電機(jī)，第一電機(jī)連接同步帶輪的下部帶輪，同步帶輪的上部帶輪連接毛刷一端，上、下同步帶輪上有同步履帶。儀器側(cè)面安裝有2個(gè)控制旋鈕和1個(gè)啟動(dòng)按鈕，控制旋鈕分別控制毛刷轉(zhuǎn)速和毛刷移動(dòng)速度，按下啟動(dòng)按鈕后，毛刷支撐架帶動(dòng)毛刷沿軌道運(yùn)動(dòng)一個(gè)來回。

如圖8和圖9所示，刷理臺(tái)面的底部設(shè)置電動(dòng)轉(zhuǎn)機(jī)，轉(zhuǎn)機(jī)通過金屬搖桿連接第一電機(jī)的電機(jī)座，毛刷活動(dòng)架上設(shè)有毛刷的運(yùn)行軌道，轉(zhuǎn)機(jī)開動(dòng)后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，搖桿帶動(dòng)電機(jī)固定座往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)固定座的上部通過固定板連接上部的同步帶輪架，同時(shí)帶動(dòng)毛刷沿其運(yùn)行軌道前后運(yùn)動(dòng)。

3.粘貼模塊。

粘貼模塊包括粘貼臺(tái)，粘貼臺(tái)固定在刷理臺(tái)面的上表面，粘貼臺(tái)一側(cè)設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置卷取鋼尺，粘貼臺(tái)另一側(cè)設(shè)置膠帶架，膠帶架上設(shè)有細(xì)窄單面膠帶，卷取鋼尺的一端設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置包括第二電機(jī)、履帶和第二組帶輪，第二電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)180°，使得卷取鋼尺也每次轉(zhuǎn)動(dòng)180°，卷取鋼尺上還設(shè)有粘取插塊，為方便安裝拆卸粘取插塊，粘取插塊38設(shè)有U型槽，插裝到卷取鋼尺上。在卷取鋼尺的帶動(dòng)下，粘取插塊每轉(zhuǎn)動(dòng)一次就粘貼一面棉纖維。刷理臺(tái)面上安裝有壓手，壓手頂端接觸面寬度設(shè)定為1mm，以保證在壓取纖維時(shí)的取樣區(qū)間。

4.定長模塊。

定長模塊包括開設(shè)在刷理臺(tái)面上表面的定長槽，在定長槽的兩側(cè)設(shè)置定長鋼尺。

（二）測試步驟

1.測試準(zhǔn)備。

首先進(jìn)行檢測設(shè)備的準(zhǔn)備工作：將制作好的粘取插塊插到卷取鋼尺上并固定，拉開細(xì)窄單面膠帶在粘取插塊上纏繞一圈，轉(zhuǎn)動(dòng)把手通過膠帶架的卷軸拉直，拉開的膠帶粘貼面朝上，一頭粘貼到粘取插塊上，開動(dòng)第二電機(jī)，履帶和第二組帶輪帶動(dòng)卷曲鋼尺轉(zhuǎn)動(dòng)，通過第二電機(jī)步進(jìn)控制，每次按下卷取控制按鈕鋼尺轉(zhuǎn)動(dòng)180°。

2.刷理纖維。

檢驗(yàn)員在拔取一定量的棉束后，用手捏取棉束一端，將另一端放在刷理臺(tái)面邊緣。開動(dòng)第一電機(jī)，毛刷在履帶和第一組帶輪帶動(dòng)下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對棉束進(jìn)行刷理，開動(dòng)轉(zhuǎn)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中通過搖桿帶動(dòng)毛刷沿側(cè)擋板上的運(yùn)行軌道運(yùn)動(dòng)，由前端運(yùn)行到后端，這個(gè)過程中毛刷邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊前后運(yùn)動(dòng)，棉束一端被刷理至平直整齊的狀態(tài)。

3.粘貼步驟。

將梳理過的棉束外端對準(zhǔn)粘貼臺(tái)上的膠帶內(nèi)側(cè)邊緣粘貼，按壓壓手使棉束前端被夾持住，將棉束慢慢抽出，下層棉纖維在按壓力的作用下被粘貼到膠帶上，并隨著卷取鋼尺的轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)卷取到粘取插塊上。

重復(fù)以上運(yùn)行步驟，直到棉束平直整齊一端的纖維完全被粘貼到粘取插塊上。

4.量取長度。

將粘取插塊取下，經(jīng)過毛刷梳理后放置到定長槽中，使用定長鋼尺量取確定棉纖維長度，做好有效記錄。

三、測試結(jié)果準(zhǔn)確度驗(yàn)證

多點(diǎn)測試確定纖維長度測試儀結(jié)果的準(zhǔn)確率，選取2016年度美國農(nóng)業(yè)部制作的全球棉花長度/強(qiáng)力標(biāo)準(zhǔn)樣品作為測試樣品，為保證代表性，選取陸地棉標(biāo)準(zhǔn)樣品和皮馬棉標(biāo)準(zhǔn)樣品各2種，4種樣品的參數(shù)如表3所示。

表3 準(zhǔn)確性試驗(yàn)樣品參數(shù)

棉纖維自身性質(zhì)決定了其質(zhì)量數(shù)值不穩(wěn)定，樣品檢測數(shù)據(jù)存在一定波動(dòng)性，標(biāo)準(zhǔn)樣品可看作是波動(dòng)性較小的纖維樣品，其數(shù)值為多次檢驗(yàn)后得到的平均值。使用t檢驗(yàn)法確定長度檢測儀測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，首先對樣品a進(jìn)行連續(xù)的10次檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 樣品a測試結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，帶入t檢驗(yàn)單體統(tǒng)計(jì)量公式：

式中：t——檢測樣本平均數(shù)與總體平均數(shù)的離差統(tǒng)計(jì)量；

μ——總體平均數(shù)；

σX——樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

n——樣本容量。

已知 μ=31，n=10，經(jīng)計(jì)算可得：

查t檢驗(yàn)界值表可知，在95%的置信水平下，自由度f=n-1=9時(shí)，t95%=2.26。由于|0.695|＜ 2.26，這說明長度測試儀對標(biāo)準(zhǔn)樣品a的測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值無顯著差異，可以認(rèn)為本方法檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

同樣使用纖維長度測試儀對樣品b、樣品c、樣品d分別進(jìn)行10次測試，得到表5的數(shù)據(jù)。

表5 樣品b、c、d測試結(jié)果

帶入t檢驗(yàn)單體統(tǒng)計(jì)量公式：

式中：t——檢測樣本平均數(shù)與總體平均數(shù)的離差統(tǒng)計(jì)量；

μ——總體平均數(shù)；

σX——樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

n——樣本容量。

查t檢驗(yàn)界值表可知，在95%的置信水平下，自由度f=n-1=9時(shí)，t95%=2.26。由于|2.025|＜ 2.26，這說明長度測試儀對標(biāo)準(zhǔn)樣品b的測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值無顯著差異。

對于樣品c，已知μ=34.9，n=10，經(jīng)計(jì)算可得：

查t檢驗(yàn)界值表可知，在95%的置信水平下，自由度f=n-1=9時(shí)，t95%=2.26。由于|2.213|＜ 2.26，這說明長度測試儀對標(biāo)準(zhǔn)樣品c的測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值無顯著差異。

對于樣品d，已知μ=28.2，n=10，經(jīng)計(jì)算可得：

查t檢驗(yàn)界值表可知，在95%的置信水平下，自由度f=n-1=9時(shí)，t95%=2.26。由于|-0.471|＜ 2.26，這說明長度測試儀對標(biāo)準(zhǔn)樣品d的測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值無顯著差異，可以認(rèn)為本方法檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

四、結(jié)論

本文提出的新方法綜合了手扯尺量長度檢測法和HVI長度檢測法的技術(shù)特點(diǎn)，使用粘貼力代替人工捏合力，利用機(jī)械模塊間的動(dòng)作組合替代了部分手工操作，優(yōu)化了檢測流程，有效減少了檢測過程中的人力損耗。新方法檢測速度快、儀器造價(jià)成本低、使用方法簡單，適合在棉花檢測領(lǐng)域推廣使用?！?/p>