文/何曉峰 徐守東 劉從九

1 引言

棉纖維細(xì)度是衡量棉花品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，在紡織工業(yè)上，它對(duì)成紗質(zhì)量有較大影響。線密度是棉纖維細(xì)度的一種表述方法，即單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。這種定義方法與常見(jiàn)的細(xì)度定義并不一致，一般細(xì)度是用幾何尺度來(lái)定義的，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，棉纖維的橫截面形態(tài)不固定，主要有三種形態(tài)：扁平、橢圓（含其變種：腰圓、半橢圓）、近圓，且含有中腔，中腔大小不確定。因此，使用線密度定義棉纖維細(xì)度，就是為了測(cè)量方便。由于棉纖維細(xì)度與其成熟度密切相關(guān)，因此在討論細(xì)度測(cè)量時(shí)，有時(shí)將不可避免要涉及到成熟度的測(cè)量。

2 棉纖維細(xì)度基準(zhǔn)性的測(cè)量方法

棉纖維細(xì)度基準(zhǔn)性測(cè)量方法來(lái)源于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4912—1981，同時(shí)也是成熟度的基準(zhǔn)測(cè)量方法，這是一種直接測(cè)量方法，測(cè)量原理扎實(shí)。測(cè)量過(guò)程如下：制作纖維橫截面切片，經(jīng)顯微鏡放大，在投影儀上輸出到屏幕或者經(jīng)CCD相機(jī)輸出到計(jì)算機(jī)。該方法涉及的參數(shù)定義在下面給出，有些參數(shù)是ISO 4912—1981的定義[1]，有些是本文的引申。

圖1 棉纖維的原始截面（A）和復(fù)圓截面（B）

其中P——纖維原始截面的周長(zhǎng)；S——纖維原始截面胞壁面積；W——纖維原始截面最大寬度，簡(jiǎn)稱纖維寬度；D——復(fù)圓直徑，定義為D=P/π；d——復(fù)圓內(nèi)徑，定義為d2=(πD2－4S)/π；T——纖維胞壁增厚度，定義為t=D－d；ρ0——棉纖維（胞壁）標(biāo)準(zhǔn)體密度，為常數(shù)1.524g/cm3；H——棉纖維線密度，H=ρ0S；Θ——圓度4πS/P2；M——棉纖維成熟度，定義為θ/0.577；K——成熟系數(shù)，定義為[（20t/D－1）]/3。

上述定義了棉纖維細(xì)度、成熟度的直接測(cè)量方法，只要做到對(duì)每一個(gè)纖維截面的周長(zhǎng)、截面積的準(zhǔn)確測(cè)量，就可以得到棉纖維細(xì)度、成熟度的準(zhǔn)確結(jié)果。值得強(qiáng)調(diào)的是，棉纖維的細(xì)度是一個(gè)絕對(duì)量，只與其胞壁截面積大小有關(guān)；而棉纖維的成熟度是一個(gè)相對(duì)量，不僅與其胞壁截面積大小有關(guān)，還與其整體截面的大小有關(guān)。不過(guò)在早期使用投影儀技術(shù)的時(shí)代，若要直接測(cè)量棉纖維截面的周長(zhǎng)、截面積還是很困難的，直到CCD器件出現(xiàn)，這一困難才得以克服。

3 棉纖維細(xì)度的圖像測(cè)量方法

在上世紀(jì)70年代隨著數(shù)字圖像處理理論與基本算法的建立，后來(lái)CCD、CMOS成像技術(shù)的發(fā)展，將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于棉纖維細(xì)度、成熟度的測(cè)量。上世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)使用圖像測(cè)量的相關(guān)文獻(xiàn)[2,3]，并且持續(xù)到90年代末[4-7]，更多的文獻(xiàn)不一一列舉?？傮w而言，文獻(xiàn)[3]給出的信息更全面，不僅涉及棉纖維，還涉及其他纖維，包括動(dòng)物纖維、化學(xué)纖維、植物纖維等10多種纖維，并且對(duì)纖維截面形狀分析的圖像處理技術(shù)多有敘述。

這一階段的研究特征是：CCD抓取棉纖維切片圖像，將圖像送入計(jì)算機(jī)處理，圖像經(jīng)過(guò)去噪、增強(qiáng)、閾值分割、二值化后，按照ISO 4912—1981的定義，計(jì)算棉纖維的成熟度?？偟膩?lái)說(shuō)就是介紹了圖像測(cè)量方法，而當(dāng)時(shí)的數(shù)字圖像處理技術(shù)、算法都是成熟的。在棉纖維品質(zhì)檢測(cè)方面，該方法的測(cè)量準(zhǔn)確性取決于纖維切片質(zhì)量。棉纖維切片傳統(tǒng)制作方法，即用火棉膠封固纖維，用哈氏切片器制作切片，總有不少纖維截面是歪倒的，看不到纖維截面，不能識(shí)別；而且即便是可識(shí)別的纖維，也是根根相連、擠壓、變形、遮擋。這兩個(gè)弱點(diǎn)，造成一個(gè)切片中多根纖維不能被檢測(cè)其細(xì)度或者成熟度。也就是說(shuō)一個(gè)待測(cè)試樣，只能正確識(shí)別部分纖維。根據(jù)筆者的實(shí)踐，切片好的時(shí)候，一個(gè)切片有60%的纖維截面可識(shí)別；切片不好的時(shí)候，低于5%。一方面歪倒的截面與正常截面同時(shí)存在，另一方面纖維之間缺乏足夠距離，使得計(jì)算機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)。不過(guò)傳統(tǒng)切片制作方法產(chǎn)生圖像技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，很快被一種新的切片制作方法所突破。文獻(xiàn)[8]介紹了一種能夠制作棉纖維優(yōu)質(zhì)切片的方法，它完全可以滿足對(duì)棉纖維細(xì)度、成熟度的精準(zhǔn)圖像測(cè)量。與傳統(tǒng)切片法相比，其特點(diǎn)是，每一根纖維的截面都是可見(jiàn)的，纖維截面之間都有距離，不是擠壓在一起。該方法大致過(guò)程如下：將一小束纖維放入特制化學(xué)溶液里浸泡，纖維束在溶液作用下稍微發(fā)散，而纖維本身并不膨脹。然后讓纖維束凝固、切片即可。該方法唯一的不足是切片制作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通常需要數(shù)個(gè)小時(shí)。盡管如此，該方法與計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)一道，實(shí)現(xiàn)了棉纖維細(xì)度、成熟度的基準(zhǔn)測(cè)量方法，可以為標(biāo)準(zhǔn)棉樣定標(biāo)。

為能實(shí)現(xiàn)更快的測(cè)量速度，人們希望不需要制作切片，通過(guò)直接觀察一根纖維的縱向特征，并測(cè)量某些參數(shù)后，計(jì)算棉纖維的細(xì)度、成熟度。由于將纖維稍做整理，直接固定在玻片上，容易操作、耗時(shí)少，在這種條件下就能測(cè)量出棉纖維的細(xì)度、成熟度，那就比制作切片觀察截面方法便捷得多。文獻(xiàn)[9]率先開(kāi)始了這方面的研究，提出了纖維縱向測(cè)量細(xì)度、成熟度方法。該方法首先在顯微鏡下測(cè)量縱向棉纖維的平均寬度WM，并與AFIS測(cè)得棉纖維細(xì)度做相關(guān)分析，然后得到圖像測(cè)量的細(xì)度。試驗(yàn)中采用了7個(gè)棉樣，得到相關(guān)值R2=0.95。該研究的最大問(wèn)題是沒(méi)有意識(shí)到棉纖維不是圓柱體，因此它的寬度不會(huì)是它的直徑；此外，棉纖維還有中空的中腔，因此寬度不能代表棉纖維的細(xì)度。這種間接測(cè)量方法，本質(zhì)就是一種經(jīng)驗(yàn)公式，可靠性只能限定在這7個(gè)棉樣中。對(duì)于極限情況下，比如三種復(fù)圓直徑相差較大的長(zhǎng)絨棉、細(xì)絨棉、亞洲棉，能否保證經(jīng)驗(yàn)公式仍然成立，還是需要有更多的支撐數(shù)據(jù)后，才能下結(jié)論。此外，雖然測(cè)量結(jié)果與AFIS結(jié)果高度相關(guān)，如果AFIS的結(jié)果本身就是錯(cuò)誤的呢？后文將指出AFIS測(cè)量的一些問(wèn)題。由于基于縱向纖維測(cè)量細(xì)度的巨大優(yōu)勢(shì)，所以這個(gè)方面的努力不會(huì)輕易停止，文獻(xiàn)[10]提出了一種新的測(cè)量方法，它引入了一個(gè)叫作形狀參數(shù)的量sp=（2P/A），定義纖維的比表面積ss=（4/WM）（WM是纖維平均寬度），并通過(guò)試驗(yàn)證明，形狀參數(shù)sp與纖維平均寬度WM具有很好的相關(guān)性（R2=0.957）。從而得到結(jié)論：形狀參數(shù)sp是纖維細(xì)度的指標(biāo)。這個(gè)結(jié)論也是不可靠的，2P/A中的A是棉纖維的胞壁面積，可以看作是細(xì)度，而P是纖維截面周長(zhǎng)，所以形狀參數(shù)sp不是纖維細(xì)度指標(biāo)。因此即便纖維平均寬度WM與sp相關(guān)性再好，它也不能作為棉纖維細(xì)度指標(biāo)，因?yàn)槊蘩w維寬度不是棉纖維的細(xì)度這一結(jié)論，早就是共識(shí)。

4 棉纖維細(xì)度的氣流儀測(cè)量方法

在棉纖維品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域，棉纖維細(xì)度氣流測(cè)量的研究，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、投入工作量大、相關(guān)文獻(xiàn)也最多。不萊梅循環(huán)測(cè)試有表現(xiàn)好的時(shí)候，也有完全失效的情況，這說(shuō)明氣流檢測(cè)原理還需要更深入的研究。從氣流檢測(cè)細(xì)度的發(fā)展來(lái)看，可以分為E.Lord研究前、E.Lord研究后、二次測(cè)量法（或者二次壓差法）。E.Lord之前的研究主要是用氣流儀測(cè)纖維細(xì)度，既有試驗(yàn)研究，又有實(shí)用儀器。

4.1 氣流儀檢測(cè)原理

首先需要從E.Lord的研究展開(kāi)，因?yàn)橛嘘P(guān)棉纖維的氣流理論是他最先建立起來(lái)的，并且完成了奠基性的論文[11]。E.Lord的研究通過(guò)對(duì)當(dāng)時(shí)的一種檢測(cè)棉纖維細(xì)度儀器（儀器名字是Micronaire）的原理分析展開(kāi)的，儀器的讀數(shù)是線密度。E.Lord先對(duì)多孔隙介質(zhì)滲流的基本理論進(jìn)行了一個(gè)梳理，主要涉及泊肅葉、達(dá)西、苛仁納-卡曼等人建立的公式。在一定試驗(yàn)基礎(chǔ)上，他選擇了苛仁納公式作為測(cè)試原理：

K——苛仁納常數(shù)；A——纖維阻流塞面積；Δp——纖維阻流塞兩端壓差；Q——?dú)饬髁髁?；S0——纖維比表面積；μ——流體動(dòng)力粘滯系數(shù)；L——阻流塞中纖維團(tuán)的長(zhǎng)度；ε——纖維阻流塞的孔隙率。

E.Lord并不能確認(rèn)苛仁納公式是否對(duì)棉纖維成立，因?yàn)樵摴绞腔谇驙罴?xì)小沙礫為阻流介質(zhì)建立的，它要求流體是不可壓縮的，顯然空氣不滿足這一條件；流體運(yùn)動(dòng)是層流，即流線是穩(wěn)定的流動(dòng)。為了保證試驗(yàn)盡可能接近或滿足上述條件，他使用小壓差（3mm水柱）做試驗(yàn)，研究了棉纖維比表面積S0、苛仁納常數(shù)k、纖維阻流塞的孔隙率ε。E.Lord結(jié)合他人的結(jié)論，在假設(shè)棉纖維（包括中腔）整體體積度（密度的倒數(shù)）為0.75的情況下，得到如下關(guān)系：

公式中的a、b是常數(shù)，Q是氣流流量。該公式說(shuō)明了兩點(diǎn)：1）比表面積S0可以通過(guò)氣流Q的測(cè)量得到；2）對(duì)棉纖維試樣而言，它是細(xì)度與成熟度比的乘積。值得注意的是，該公式是基于棉纖維的體積度為某個(gè)值得到的，而且阻流塞中的纖維團(tuán)比較松散。因此該公式是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，使用條件比較苛刻，一旦測(cè)試條件發(fā)生變化，它就不一定成立了。

接下來(lái)，E.Lord研究了苛仁納常數(shù)與纖維阻流塞的孔隙率的關(guān)系，他使用了5種纖維：棉花、羊毛、真絲、銅氨纖維、粘膠纖維做不同孔隙率的試驗(yàn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，對(duì)于給定質(zhì)量的纖維，除棉花外，其他纖維的體積可以用質(zhì)量除以密度求得，再結(jié)合筒狀纖維塞的面積A與纖維團(tuán)的長(zhǎng)度L，即可求出孔隙率。但這種方法不適用于棉纖維，因?yàn)槊蘩w維有中腔。E.Lord發(fā)現(xiàn)了苛仁納常數(shù)k與纖維試樣的孔隙率，有冪指數(shù)關(guān)系，即隨著孔隙率的增加，苛仁納常數(shù)會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。通過(guò)這種關(guān)系，修正后的苛仁納方程如下：

其中α是與纖維類型有關(guān)的量，它是E.Lord通過(guò)試驗(yàn)得到的，對(duì)于棉纖維，其α=1.391；對(duì)于羊毛纖維，其α=1.253。該公式是通過(guò)對(duì)多種纖維試驗(yàn)后得到的結(jié)果，具有一般性。同時(shí)又有局限性，因?yàn)閷?duì)不同的新種類纖維，需要自己試驗(yàn)測(cè)試其α值。

公式（3）在對(duì)纖維進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以看到只有兩個(gè)量是未知的，一個(gè)是比表面積S0，另一個(gè)是試樣孔隙率ε。只要在對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，先確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的孔隙率即可。以后儀器的使用，通過(guò)對(duì)試樣量的限制，便能保證試樣的孔隙率與標(biāo)準(zhǔn)孔隙率一致，進(jìn)而得到待測(cè)纖維的細(xì)度。這種方法能很好測(cè)量實(shí)心纖維，甚至可以不改動(dòng)儀器標(biāo)定參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)不同種類實(shí)心纖維的細(xì)度測(cè)量。當(dāng)然這需要事先知道待測(cè)纖維的體密度，才能計(jì)算相應(yīng)的孔隙率。 文獻(xiàn)[12]對(duì)9種規(guī)格滌綸、5種規(guī)格腈綸、1種規(guī)格丙綸做了測(cè)量，其方法是讓所有試樣的孔隙率與儀器要求孔隙率一致，試驗(yàn)結(jié)果非常好。該方法不但準(zhǔn)確測(cè)量了圓截面的纖維，還能準(zhǔn)確測(cè)量異形截面纖維，換算出其等效直徑。就公式（2）、（3）而言，E.Lord當(dāng)時(shí)認(rèn)為不可能用它直接測(cè)量棉纖維細(xì)度或成熟度，必須先借助其他測(cè)量方法測(cè)量細(xì)度或成熟度中的一個(gè)指標(biāo)，然后才能用氣流儀測(cè)量另一個(gè)指標(biāo)[11]。

4.2 二次測(cè)量法測(cè)棉纖維細(xì)度、成熟度

從公式（2）、（3）看，氣流儀不能測(cè)量棉纖維的單項(xiàng)指標(biāo)，如果一臺(tái)儀器需要借助其他方法，才能實(shí)現(xiàn)測(cè)量，那是非常不方便的。許多研究者希望能夠通過(guò)氣流儀實(shí)現(xiàn)棉纖維細(xì)度、成熟度的直接測(cè)量，這一工作從上世紀(jì)50年代后期開(kāi)始[13]到現(xiàn)在就沒(méi)有斷過(guò)，觀點(diǎn)很多，不可能一一介紹，只能對(duì)一些有一定代表性的研究做簡(jiǎn)單評(píng)述。

文獻(xiàn)[14]可能是最早提出二次壓縮導(dǎo)致纖維截面變形的測(cè)量方法，即在松壓下纖維保持原形態(tài)，有中腔；在緊壓下纖維中腔消失。據(jù)此，試驗(yàn)建立壓差/流量與棉纖維內(nèi)外徑的回歸模型，進(jìn)而求出棉纖維的幾何細(xì)度。另有文獻(xiàn)[15]認(rèn)為在松壓情況下，公式（3）中的比表面積S0應(yīng)該用棉纖維的成熟度比來(lái)校正，因?yàn)槌墒於缺确从沉死w維中腔的大小，得到的比表面積應(yīng)該在緊壓情況下，棉纖維被壓扁中腔消失，比表面積是S2=2/r（r是纖維的等效半徑）。經(jīng)過(guò)松、緊壓的兩次測(cè)量，即可算出成熟度比M=(S2/S1)2；求出了成熟度，即可求出細(xì)度H=4πρ/S12。進(jìn)一步解析可以得到與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 10306基本一致的棉纖維細(xì)度的二次壓差解析式，它們的細(xì)微差別是，大量標(biāo)準(zhǔn)棉樣測(cè)試后增加的對(duì)理論推導(dǎo)公式的修正項(xiàng)。文獻(xiàn)[16]也是從纖維壓扁視角來(lái)解決細(xì)度測(cè)量問(wèn)題，在松壓下，公式（1）中的比表面積是在緊壓下，比表面積應(yīng)該是其中C1、C2、β都是常數(shù)（參數(shù)β的產(chǎn)生缺乏足夠支撐依據(jù)），然后結(jié)合公式（1）解析出纖維成熟度的表達(dá)式。文獻(xiàn)[17]通過(guò)比較生硬的解析方法得到不同于公式（2）的新關(guān)系：

進(jìn)而得到下面兩個(gè)關(guān)系式

a、b、f1、f2、g1、g2是常數(shù)，可以通過(guò)多個(gè)已知棉樣用氣流儀來(lái)標(biāo)定。那么基于這一對(duì)方程，通過(guò)測(cè)量松壓流量Q1和緊壓流量Q2，即可求出細(xì)度H和成熟度比M（0.577θ）。值得說(shuō)明的是，雖然目前氣流儀二次測(cè)量法是主流方法，但也有部分研究認(rèn)為，一次測(cè)量就可以實(shí)現(xiàn)棉纖維細(xì)度測(cè)量[18-20]。

筆者經(jīng)過(guò)大量的文獻(xiàn)梳理（很多未在本文列出），發(fā)現(xiàn)氣流儀測(cè)量棉纖維細(xì)度的文獻(xiàn)多、觀點(diǎn)多、方法多、預(yù)測(cè)方程多，而且都認(rèn)為自己的結(jié)論是正確的，這本身就說(shuō)明了氣流檢測(cè)的復(fù)雜性。如果一個(gè)問(wèn)題很簡(jiǎn)單，能夠一次性徹底解決，又何來(lái)這么多的解決方案呢？國(guó)內(nèi)某企業(yè)在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，申請(qǐng)了兩個(gè)專利[21,22]，一個(gè)是二次壓差測(cè)量法，一個(gè)是三次壓差法。其實(shí)這么多的方法中，真有一個(gè)能經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)的方法就足夠了。 遺憾的是，大量美棉樣品的氣流儀測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試結(jié)果的線性相關(guān)度，由1957—1988年的0.985～0.997陡降到0.4以下，迫使ASTM標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)不得不在1997年停止執(zhí)行。中國(guó)2006年開(kāi)始發(fā)現(xiàn)規(guī)律混亂，氣流儀數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的線性相關(guān)系數(shù)，由1994年以前的0.887～0.927陡降到0.3以下[23]。美國(guó)農(nóng)業(yè)部曾經(jīng)做過(guò)兩種氣流儀（Statex公司和Shirley公司產(chǎn)品）7種棉樣的細(xì)度測(cè)量比對(duì)試驗(yàn)[24]，試驗(yàn)結(jié)果偏差大。更嚴(yán)重的是，Shirley氣流儀在3個(gè)樣品上的結(jié)果大于Statex氣流儀，在另4個(gè)樣品上小于Statex氣流儀，也就是說(shuō)這兩種氣流儀不可能校準(zhǔn)到一個(gè)水平上?？偠灾?，棉纖維細(xì)度氣流檢測(cè)原理是建立在多孔隙介質(zhì)滲流的基本理論上的，雖然人們做了大量研究，對(duì)其規(guī)律也有了很深入的理解，但一個(gè)真正的關(guān)鍵性問(wèn)題——棉纖維試樣孔隙率與比表面積的內(nèi)稟耦合問(wèn)題，并沒(méi)有解決。筆者認(rèn)為，這個(gè)問(wèn)題不解決，所有預(yù)測(cè)方程最多就是適應(yīng)范圍有限的經(jīng)驗(yàn)公式，并隨時(shí)存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。

5 棉纖維細(xì)度測(cè)量方法

5.1 AFIS測(cè)量方法

AFIS是烏斯特公司生產(chǎn)的能夠測(cè)量棉纖維成熟度和細(xì)度的快速檢測(cè)儀器?，F(xiàn)在能夠查到的相關(guān)文獻(xiàn)，大多是使用心得或者簡(jiǎn)單的測(cè)量原理說(shuō)明。由于技術(shù)保密，烏斯特沒(méi)有公開(kāi)AFIS的檢測(cè)原理，也看不到對(duì)其檢測(cè)原理深入討論的論文，如果一定要搞清楚它，則需要拆卸儀器、了解儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路、傳感器、檢測(cè)重要的關(guān)鍵信號(hào)等，這顯然難以實(shí)現(xiàn)。不過(guò)本文仍然想從有限的資料對(duì)其原理做一個(gè)探討性分析。

根據(jù)AFIS附帶的應(yīng)用手冊(cè)（2001版），AFIS首先將棉條用刺輥打散，然后用氣流吸入一個(gè)通道，在通道里，棉纖維是單根狀態(tài)。在氣流的作用下，進(jìn)入圖2所示的一個(gè)專用的檢測(cè)環(huán)境中。檢測(cè)環(huán)境主要有兩個(gè)部分，一個(gè)用于檢測(cè)對(duì)象的識(shí)別，包括單纖維、棉結(jié)、碎片、灰粒，暫稱為模塊A；另外一個(gè)是散射模塊，檢測(cè)棉纖維的成熟度、細(xì)度，暫稱為模塊B。手冊(cè)中表述“AFIS的光學(xué)傳感器能夠生成單纖維的陰影圖像和散射圖像（原話是shadow image and scatter image），這種技術(shù)能夠測(cè)量纖維截面的周長(zhǎng)和截面積……通過(guò)一種算法，根據(jù)纖維的形狀和結(jié)構(gòu)（原話是shape and form），即可測(cè)算出纖維的細(xì)度”。

圖2 檢測(cè)環(huán)境原理圖

基于這么少的信息來(lái)推測(cè)AFIS的檢測(cè)原理的確很困難。既然它能測(cè)量到截面積，根據(jù)前面公式H=ρ0S可得到細(xì)度；結(jié)合得到的截面的周長(zhǎng)，輕松算出成熟度。問(wèn)題是截面積和截面周長(zhǎng)如何測(cè)出？顯然陰影圖像最多只能測(cè)出纖維的寬度，而絕不能測(cè)出纖維的截面積和截面周長(zhǎng)，看來(lái)只能從散射圖像來(lái)解讀分析。光散射一般可以用來(lái)測(cè)量散射對(duì)象的尺度，比如紅外散射測(cè)量雨滴大小；也可測(cè)量生物組織中某類物體的含量。一維散射圖像通常是特征譜，二維散射圖像是特征散斑。文獻(xiàn)[25]使用了前向散射方法測(cè)棉纖維的細(xì)度，該試驗(yàn)的光源是氦氖激光，波長(zhǎng)為λ=632 nm。通過(guò)對(duì)多種試樣、多散射角的測(cè)量，得到多個(gè)特征圖譜。其試驗(yàn)結(jié)論是，在10°～50°的散射角范圍，散射特征圖譜與棉纖維的細(xì)度、成熟度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。小散射角度對(duì)應(yīng)的是纖維截面積，大散射角度對(duì)應(yīng)的是棉纖維的成熟度。不過(guò)對(duì)于細(xì)度很小、成熟度很高的測(cè)試樣品，散射圖譜特征不顯著，意即散射方法失效。

假定AFIS的散射圖像測(cè)量原理與上述一致，根據(jù)圖2，透鏡二產(chǎn)生的前向散射光輸入到“散射模塊”，透鏡二前端的傳感器，應(yīng)該生成陰影原圖像，可以識(shí)別被測(cè)對(duì)象究竟是不是單根的棉纖維。這是對(duì)AFIS檢測(cè)原理的一個(gè)大致探討性說(shuō)明，這種猜測(cè)是說(shuō)得通的。文獻(xiàn)[26]采用圖像測(cè)量方法，將其結(jié)果與AFIS的結(jié)果對(duì)比，得到兩者測(cè)量棉纖維截面積的回歸方程，回歸系數(shù)為r=0.831。通過(guò)觀察回歸圖形可以看到一個(gè)現(xiàn)象，在兩端的值出現(xiàn)了發(fā)散。也就是說(shuō)，當(dāng)纖維截面積偏小或者偏大時(shí)，圖像測(cè)量結(jié)果與AFIS的結(jié)果差異過(guò)大。由于通常認(rèn)為圖像測(cè)量是基準(zhǔn)測(cè)量，這說(shuō)明AFIS對(duì)細(xì)度過(guò)大、過(guò)小的纖維，測(cè)量不準(zhǔn)確。也部分驗(yàn)證了文獻(xiàn)[24]結(jié)論。另有試驗(yàn)采用中段稱重法、氫氧化鈉浸泡法來(lái)比對(duì)AFIS的細(xì)度、成熟度。結(jié)論是AFIS在150mtex～160mtex的細(xì)度范圍，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，而對(duì)于細(xì)度較大或者較小的纖維測(cè)量結(jié)果是，存在小的偏大、大的偏小問(wèn)題。AFIS的成熟度與氫氧化鈉浸泡法得到的成熟度偏差較大[27]。

5.2 CottonScope測(cè)量方法

CottonScope是澳大利亞BSC Electronics公司的產(chǎn)品，它能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量棉纖維的細(xì)度、成熟度。細(xì)度采用直接測(cè)量法，即將棉纖維切段、稱重，然后抓取每根纖維切段的圖像，采用圖像測(cè)量技術(shù)，計(jì)算每根小段纖維長(zhǎng)度，最后得到線密度。從測(cè)量原理看，CottonScope的細(xì)度測(cè)量，沒(méi)有任何短板，下面就其技術(shù)特征進(jìn)行全面論述。

我們采用CottonScope技術(shù)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者Gordon對(duì)儀器描述的工作原理圖[28]，見(jiàn)圖3。棉纖維先經(jīng)過(guò)一個(gè)專用的切段器，將試樣切成0.7mm左右的小段（這個(gè)過(guò)程很快），這些小段纖維會(huì)落到一個(gè)精度為毫克級(jí)天平上，記下纖維質(zhì)量，然后倒入圖3上端的一個(gè)純凈水罐中。一個(gè)試樣量有20000根左右的這樣纖維切段。水罐中有一個(gè)攪拌器，將水中纖維打散。整個(gè)水路是連通的，在水泵的作用下，纖維進(jìn)入一個(gè)細(xì)管，然后達(dá)到圖像測(cè)量部分（由高速CCD系統(tǒng)構(gòu)成），進(jìn)行圖像測(cè)量。測(cè)量過(guò)的棉纖維切段被攔截在一個(gè)過(guò)濾器內(nèi)。所有纖維測(cè)量完畢后，從過(guò)濾器撈清即可。

圖3 Gordon對(duì)儀器描述的工作原理圖

該測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)思路的確非常巧妙，操作簡(jiǎn)便。根據(jù)相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、快速[29]。從技術(shù)上看，筆者認(rèn)為有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1）纖維是否完全打散。筆者從一個(gè)試驗(yàn)視頻看到的情況是多數(shù)圖像中，纖維是打散的，而且從圖像處理技術(shù)角度來(lái)看，這些纖維已經(jīng)足夠散，完全可以逐根識(shí)別、測(cè)量。不過(guò)也確實(shí)看到一幅圖像中有纖維團(tuán)，沒(méi)有打散開(kāi)，當(dāng)然對(duì)測(cè)量精度會(huì)有一定影響。（2）光學(xué)成像設(shè)計(jì)。從看到的纖維試樣切段動(dòng)態(tài)抓取的圖像（見(jiàn)CottonScope網(wǎng)站https://www. CottonScope.com），以個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，其光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)放大率，應(yīng)該在0.5～1倍左右。這種放大率已經(jīng)是近顯微成像水平，因此圖像的景深非常小，保證所有纖維切段清晰成像，就不那么容易了，不過(guò)CottonScope做到了。（3）圖像完整性。纖維在測(cè)量單元是運(yùn)動(dòng)的，如何保證每幅圖像既不漏檢纖維、也不重復(fù)計(jì)入同一根纖維，這不好處理。一般有兩種方案，一個(gè)是讓圖像測(cè)量單元處的水流速度與CCD抓圖間隔保持同步，該方案的難點(diǎn)在于如何保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。因此基于閉環(huán)的流速傳感器、水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)必不可少。另一個(gè)方案采用連續(xù)圖像流處理技術(shù)，即通過(guò)連續(xù)圖像來(lái)判斷水流速度，然而由于纖維是運(yùn)動(dòng)的，如果纖維的姿態(tài)在不同的圖像幀中變化太大，會(huì)大大增加軟件的處理難度，唯一的好處是保證了圖像獲取與水循環(huán)系統(tǒng)的無(wú)關(guān)性，增加了系統(tǒng)的可靠性。由于CottonScope采用的是稱重法測(cè)棉纖維細(xì)度，因此盡管其測(cè)量速度很快，可棉樣需要在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度環(huán)境下平衡很長(zhǎng)的時(shí)間，以確保稱重的準(zhǔn)確性。CottonScope的長(zhǎng)處就在于極大簡(jiǎn)化了操作強(qiáng)度，這也是它具有極大吸引力的地方。

6 結(jié)論

本文介紹了目前主流的棉纖維細(xì)度測(cè)量方法或技術(shù)，以及各自的特點(diǎn)。圖像法是操作繁瑣的、測(cè)量原理扎實(shí)的直接測(cè)量方法；氣流儀方法是操作簡(jiǎn)便的、測(cè)量原理不清晰的間接測(cè)量方法；AFIS是操作簡(jiǎn)便的、測(cè)量原理未被揭示的間接測(cè)量方法；CottonScope是操作簡(jiǎn)便的、原理扎實(shí)的直接測(cè)量方法，也是目前最值得首選的儀器。未來(lái)儀器發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是將各種優(yōu)勢(shì)技術(shù)結(jié)合，要同時(shí)保證測(cè)量準(zhǔn)確性和操作快速便捷性，而且測(cè)量原理一定要清晰，這樣的儀器才有市場(chǎng)，才有生命力。