張得旺

(陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司，陜西寶雞，721013)

隨著機(jī)械化種植、采摘技術(shù)的不斷發(fā)展，棉花的種植采摘也隨之發(fā)生了改變。近年來，我國逐步加大了棉花機(jī)械采摘改革的力度，機(jī)采棉逐漸增多，尤其是新疆主要產(chǎn)棉區(qū)[1]。機(jī)采棉的推廣，雖然減少了人工采摘時頭發(fā)、丙綸絲等異纖對原棉的污染，但是不可避免地增加了地膜對機(jī)采棉的污染。我國也采取了許多措施控制地膜對原棉的污染，但仍然沒有徹底解決該問題。本文根據(jù)原棉中地膜的物理特性，對當(dāng)前地膜檢測技術(shù)進(jìn)行了分析，為棉紡行業(yè)的地膜清除提供解決方案。

1 地膜特性

檢測原棉中含有的地膜，需要分析兩者的特性差異。從材質(zhì)來說，地膜屬于PE材料，表面平整光滑，而棉花屬于植物纖維，沒有平整表面；從顏色上來說，地膜是透明或半透明的，隔年地膜可能偏黃，而棉花是不透明的白色；從密度來說，地膜密度比棉花大；從光學(xué)上來說，地膜經(jīng)過撕扯，呈現(xiàn)透光率、反射率各向異性，而棉花為無規(guī)律纖維團(tuán)，不論透射還是反射均沒有方向性，呈現(xiàn)漫射、漫反射。

2 地膜檢測技術(shù)分析

目前，不同品牌的異纖機(jī)大多具有地膜檢測功能，但各種異纖機(jī)根據(jù)不同的地膜特性采用了不同的檢測技術(shù)來識別[2]。這些檢測技術(shù)主要有紅外線檢測、超聲波檢測、偏振光檢測。偏振光檢測又分為透射偏振光檢測和反射偏振光檢測。

2.1 紅外線檢測技術(shù)

在異纖機(jī)中，紅外線檢測技術(shù)是通過鹵素?zé)舭l(fā)出波長1 000 nm左右的紅外線照射被測物，利用紅外光敏器件采集不同材質(zhì)物體對紅外線的反射強(qiáng)度來識別異纖。采用該技術(shù)檢測地膜的代表機(jī)型是USTER的異纖機(jī)。

地膜是化學(xué)材料，而棉花是植物纖維，由于是由不同的基團(tuán)組成，有不同的振動方式和頻率，如果入射光頻率與其振動頻率一致，則入射光會比較明顯地被吸收。通過分光光度計可以觀察到這兩種材料在波長1 000 nm附近的近紅外區(qū)有著不同的吸收特性[3]，地膜與棉花紅外光譜吸收曲線如圖1所示。棉花對該波段的紅外線吸收非常強(qiáng)，而地膜基本沒有吸收，紅外光敏器件采集的紅外線反射圖像中，棉花呈現(xiàn)深色或近似黑色，而地膜則呈現(xiàn)出一定的亮度，根據(jù)采集圖像中亮度的不同，通過設(shè)定圖像分割閾值來區(qū)分棉花和地膜，最終達(dá)到檢測的目的。采用該技術(shù)檢測地膜，其識別率是目前市場上最好的。

(a)地膜

(b)棉花

在實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境溫濕度的變化，引起原棉的溫度和回潮率不同，對紅外線的吸收也產(chǎn)生差異；鹵素?zé)舭l(fā)熱大、壽命短，需要經(jīng)常更換光源，并根據(jù)光源調(diào)節(jié)參數(shù)。因此，該檢測技術(shù)受環(huán)境溫濕度等因素的干擾，需要不斷調(diào)節(jié)檢測參數(shù)，運(yùn)行維護(hù)成本高。另外，由于紅外光譜儀在軍事上應(yīng)用較多，被列為國外對中國重點(diǎn)封鎖技術(shù)之一，無法采購；而國內(nèi)紅外線高速線陣相機(jī)分辨率低、成本高，光學(xué)組件加工精度要求也很高，目前國內(nèi)無法加工生產(chǎn)。因此，對于棉紡織行業(yè)而言，該技術(shù)在國產(chǎn)異纖機(jī)上無法運(yùn)用。

2.2 超聲波檢測技術(shù)

國外的LOPTEX型異纖機(jī)采用超聲波檢測原棉中的地膜[4]。其工作原理是將40 kHz的超聲波發(fā)聲器件布置成一行，連續(xù)向被測物發(fā)射超聲波；然后使用一行超聲接收器件采集被測物反射的超聲波，根據(jù)反射波的強(qiáng)度區(qū)分棉花和地膜。

由于棉花是多纖維雜亂組成的蓬松纖維團(tuán)狀，沒有平整的表面，對超聲波具有非常好的吸收特性，而地膜密度高，表面光潔，對超聲波有較強(qiáng)的反射；在使用吸收材料作為背景的超聲檢測區(qū)域內(nèi)，因背景無法完全吸收超聲波，會產(chǎn)生一定強(qiáng)度的背景噪聲，地膜與棉花超聲反射強(qiáng)度曲線如圖2所示。如果棉花經(jīng)過超聲發(fā)射器件與背景之間的檢測區(qū)域時，棉花會首先吸收超聲波，超聲接收器件接收的反射超聲波強(qiáng)度比背景噪聲還要低；而如果地膜經(jīng)過檢測區(qū)域時，地膜對發(fā)射的超聲波首先產(chǎn)生漫反射，超聲接收器件接收的超聲波強(qiáng)度曲線呈劇烈振蕩狀態(tài)，根據(jù)接收到的波形，通過設(shè)定的波形強(qiáng)度閾值或波形特征來區(qū)分棉花和地膜。

(b)棉花

但超聲波檢測也存在不可避免的缺點(diǎn)。超聲波在空氣中的傳輸速度為342 m/s，只有光速的十萬分之一；聲波的定向性不好，無法準(zhǔn)確定位較小地膜的精確位置，也無法檢測到較小的地膜；超聲波檢測裝置的周邊環(huán)境噪聲對檢測準(zhǔn)確性干擾很大，容易誤判；環(huán)境溫濕度變化直接導(dǎo)致聲波傳輸速度、聲強(qiáng)衰減的變化，需要不斷調(diào)整補(bǔ)償因子，運(yùn)行穩(wěn)定性差。因此，該類異纖機(jī)在長期使用中地膜的平均清除效率不盡如人意。

2.3 透射偏振光檢測技術(shù)

透射偏振光檢測技術(shù)是2014年前后開始應(yīng)用于地膜異纖檢測的[5]。透射偏振光檢測是利用對白光光源進(jìn)行線偏振調(diào)制，調(diào)制后的光線透過被測物時，會產(chǎn)生不同程度的偏振角度旋轉(zhuǎn)，然后利用正交的線偏振相機(jī)檢測旋轉(zhuǎn)角的變化來完成地膜識別，類似于液晶屏的工作原理。

首先對白光光源進(jìn)行單角度偏振調(diào)制，讓360°自然光變成0°或90°的單向偏振光，然后用調(diào)制完成的偏振光照射被測物。由于棉花纖維無序排列，透射光線為漫散射，光線的偏振特征消失，而地膜由于老化、開松撕扯，導(dǎo)致厚度出現(xiàn)不同，對偏振光線的透過產(chǎn)生異向性，發(fā)生偏振角旋轉(zhuǎn)，不再是0°或90°。其次通過具有正交檢偏功能的相機(jī)采集這些透射光線，將不同偏振角的光線轉(zhuǎn)換成圖像的RGB分量，然后各分量進(jìn)行預(yù)處理運(yùn)算。此后可以發(fā)現(xiàn)，背景由于偏振正交，無法透過光線，各分量均為0°，呈現(xiàn)黑色，棉花由于沒有偏振性，RGB各分量基本相當(dāng)，相減后消除，呈現(xiàn)黑色，而地膜仍然保留有偏振特性，呈現(xiàn)出彩色，根據(jù)圖像的色彩信息最終實(shí)現(xiàn)地膜的檢測，透射偏振光檢測的地膜圖像如圖3所示。該類異纖機(jī)的實(shí)際應(yīng)用表明，其地膜檢測效率只能達(dá)到40%左右。

透射偏振光檢測技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)就是設(shè)計便于實(shí)現(xiàn)且成本低，但由于要采集透過被測物的偏振光線，所以存在檢測缺陷。即地膜的前后均不能有棉花遮擋，否則會導(dǎo)致偏振特性消失，無法識別地膜，而在生產(chǎn)中，不可能保證每個地膜均沒有遮擋，因此檢測效率不理想。

圖3 透射偏振光檢測中的地膜圖像

2.4 反射偏振光檢測技術(shù)

反射偏振光檢測技術(shù)的原理與透射偏振光檢測技術(shù)的原理類似。首先對白光光源進(jìn)行線偏振調(diào)制，調(diào)制后的光線照射被測物，不同的被測物對偏振光進(jìn)行反射，然后利用多偏振角的偏振相機(jī)來檢測反射光線旋轉(zhuǎn)角的變化，從而完成地膜識別。

該檢測技術(shù)首先對白光光源進(jìn)行單角度偏振調(diào)制，讓360°自然光變成0°或90°的單向偏振光，然后用調(diào)制完成的偏振光照射被測物。由于棉花纖維無序排列，反射光線為漫反射，光線的偏振特征消失，在不同偏振角度上的投影值基本相當(dāng)，棉花呈現(xiàn)出白色；而地膜透明且表面平整，上下表面的反射光線產(chǎn)生干涉，發(fā)生偏振角旋轉(zhuǎn)，不再是0°或90°；最后通過多角度檢偏功能的相機(jī)采集這些反射光線，將不同偏振角的光線投影到不同的偏振分量上，并轉(zhuǎn)換成圖像RGB分量形成彩色圖像，然后根據(jù)圖像顏色完成地膜的識別，反射偏振光檢測中地膜和棉花圖像如圖4所示。該類異纖機(jī)的實(shí)際應(yīng)用表明，其地膜檢測效率能夠達(dá)到70%以上。

由于反射偏振光檢測技術(shù)采用了多偏振相機(jī)，所以成本較透射檢測高，但比紅外線檢測技術(shù)仍然具有價格優(yōu)勢，是國內(nèi)目前最容易實(shí)現(xiàn)的檢測技術(shù)，具有穩(wěn)定性高、地膜清除效率穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。但也有一些缺點(diǎn)，如不容易識別很臟的地膜或老化嚴(yán)重的地膜；也無法識別被棉花遮擋前表面的地膜。

綜合上述4種檢測技術(shù)分析，紅外線檢測和偏振光檢測均屬于光學(xué)表面檢測，具有穩(wěn)定性高、精度好的優(yōu)點(diǎn)，但都無法識別被棉花包裹的地膜；而超聲波檢測由于超聲波具有一定的穿透效應(yīng)，可以檢測到部分被棉花輕微包裹的地膜，但由于其識別精度差，最終效果反而不如光學(xué)檢測?；谏鲜龇治?，為了解決當(dāng)前機(jī)采棉廣泛使用而導(dǎo)致的地膜異纖清除難題，要求異纖機(jī)必須具有良好的地膜檢測清除技術(shù)；另外考慮到棉紡織行業(yè)的成本控制要求，采用反射偏振光檢測技術(shù)來識別地膜是目前國產(chǎn)異纖機(jī)地膜檢測技術(shù)中最具有性價比的設(shè)計方案。

3 結(jié)束語

機(jī)采棉的廣泛使用使得地膜異纖清除成為當(dāng)前異纖機(jī)設(shè)計的重點(diǎn)。通過對棉花與地膜異纖從表面光潔度、材質(zhì)、顏色、透明度等不同物理特性方面進(jìn)行對比，根據(jù)不同的物理特性分析了當(dāng)前地膜異纖的主要檢測技術(shù)，并針對各種檢測技術(shù)分析其各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)光學(xué)器件技術(shù)水平和紡織行業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為反射偏振光檢測技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)解決地膜異纖行之有效的技術(shù)方案。