CN111133310B - 纤维混合识别和/或比率测量 - Google Patents

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Abstract

一种用于识别由第三纤维运动组件（126a，126b）移动的输入材料（108）中的纤维混合物组成和/或纤维混合比率的仪器（100）。第二光谱辐射源（120）将辐射引向输入材料（108）。第二光谱传感器（122）接收第二辐射的穿过输入材料（108）的部分。第三光谱传感器（124）接收第二辐射的从输入材料（108）反射回来的部分。控制器（128）处理来自第二光谱传感器（122）和/或第三光谱传感器（124）的信号，以确定输入材料（108）中的纤维混合组分和/或纤维混合比率。控制器（128）还将控制信号发送到第二电磁辐射源（120）和第三纤维运动组件（126a，126b）。

Description

纤维混合识别和/或比率测量
技术领域
本发明涉及纺织纤维特性测量领域。更具体的是，本发明涉及混合纺织纤维特性的测量。更具体地，本发明涉及一种用于识别包含纤维的输入材料中的纤维混合组分和/或纤维混合比率的测量仪器，并且涉及一种用于识别包含纤维的输入材料中的纤维混合组分和/或纤维混合比率的方法。
背景技术
纺织纤维是制造纺织品或纺织品中间产品（例如纱线和织物）的原料。从历史上看，棉花和其他天然纤维一直是最重要和利用率最高的纺织原料。但是，近年来，合成纤维或人造纤维得到普及和利用。顾名思义，合成纤维例如涤纶和人造丝是使用化学方法人工制成的。
最基本的纺织工艺之一是将纤维转化为纱线，这通常由纺纱厂进行。典型的纺纱厂只能加工棉纤维，人造纤维，或天然/人造或人造/人造纤维（混合）的混合组合物。对于给定的应用，混合可以提供成本和性能优势，而仅棉花时就无法实现。在这种情况下，纤维类型的选择以及混合物中不同纤维类型的比率（混合比率）对所生产的纱线的成本和性能起着重要的作用。
因此，材料类型和混合比率是维护、监视和控制诸如纺纱厂之类的加工设施的重要参数。当前的混合比率测量方法是基于化学技术的，其中首先称量混合样品，然后再次称重，有时是反复称重，用化学方法逐一去除每个混合组分之后再称重（在那些情况下，不止存在一种其他组分）。这是一种离线且耗时的方法。
US-5,355,561号专利描述了通过测量棉条的特性以确定纤维混合物。但是，纤维必须在通过市售测量仪器的位置处被压缩。
US-5,270,787号专利描述了对纤维中的单个实体的光电测量，所述纤维一次一条地被传送到流体流中。每条纤维通常与流体流动方向平行。传感器感测数据，例如实体的速度、长度、纤维带的宽度、细度、剖面面积、成熟度、剖面圆度、形状、表面粗糙度等。光学过滤提供有关组分（自然或人工制成）和外观（颜色和偏光）的信息。然而，还需要获得纤维混合组分的额外的、更简单的或其他的特性。
发明内容
因此，需要能至少部分地解决诸如上述问题的一种用于确定纤维混合组分和/或纤维混合比率的测量仪器和方法。
以上和其他需求通过根据独立权利要求的、用于确定包含纤维的输入材料中的纤维混合组分和/或纤维混合比率的测量仪器和方法来满足。在从属权利要求中定义了有利的实施例。
根据本发明的测量仪器具有样品感测模块和控制模块。
样品感测模块包括第三纤维运动组件，用于以第二速度拉动输入材料通过样品感测模块。样品感测模块还包括设置在输入材料的相邻侧面上的第二电磁辐射源，用于在样品感测模块内的第二位置将第二电磁辐射束引导朝向输入材料，第二电磁辐射束包含至少两个明显不同的电磁波谱（electromagnetic spectrum）波长。样品感测模块还包括第二电磁辐射传感器，其设置在输入材料的与第二电磁辐射源相对的相对侧上，使得第二电磁辐射传感器可以接收第二电磁辐射束穿过输入材料的第二透射部分；和/或第三电磁辐射传感器，其与第二电磁辐射源一样设置在输入材料的相同的一侧上，以使第三电磁辐射传感器可以接收第二电磁辐射束从输入材料中反射出来的第三反射部分，其中第二和/或第三电磁辐射传感器每个被配置为在电磁波谱的至少两个明显不同的波长下接收电磁辐射。
控制模块包括控制器，其被配置为接收来自第二电磁辐射传感器和/或第三电磁辐射传感器的数据信号，将控制信号发送到第二电磁辐射源和第三纤维运动组件，以及处理来自第二电磁辐射传感器和/或第三电磁辐射传感器的数据信号，以确定输入材料中的纤维混合组分和/或纤维混合比率。
在一个实施例中，根据本发明的测量仪器还包括用于接收和准备输入材料的样品准备模块。样品准备模块包括第一纤维运动组件，用于接收输入材料并以小于或等于第二速度的第一速度提供输入材料。样品准备模块还包括第二纤维运动组件，用于以第一速度接收来自第一纤维运动组件的输入材料，并以第二速度将如此接收的输入材料提供给样品感测模块，从而在第一速度和第二速度之间的差值是可操作的以动态地调节由第二纤维运动组件提供的输入材料的密度。样品准备模块还包括第一电磁辐射源，其设置在与输入材料相邻的一侧上，用于在第一纤维运动组件与第二纤维运动组件之间的第一位置处将第一电磁辐射束引导朝向输入材料。样品准备模块还包括第一电磁辐射传感器，该第一电磁辐射传感器设置在输入材料的与第一电磁辐射源相对的一侧，以使第一电磁辐射传感器可以接收穿过输入材料的第一电磁辐射束的第一透射部分。该实施例的控制器还被配置为从第一电磁辐射传感器接收数据信号，向第一电磁辐射源、第一纤维运动组件和第二纤维运动组件发送控制信号，以及处理来自第一电磁辐射传感器的数据信号，和调整对第一纤维运动组件和第二纤维运动组件的控制信号，以提供从样品准备模块到样品传感模块的所需输入材料密度。
在一个实施例中，测量仪器还包括在样品准备模块中的料斗，该料斗用于在将输入材料输送到第一纤维运动组件之前保持输入材料。
在一个实施例中，测量仪器还包括用于将第二电磁辐射束传送到输入材料的第一光学器件组件。
在一个实施例中，测量仪器还包括第二光学器件组件，用于将第二电磁辐射束的第二透射部分传送到第二电磁辐射传感器，和/或进一步包括第三光学器件组件，用于传送第二电磁辐射束的第三反射部分到达第三电磁辐射传感器。
在一个实施例中，测量仪器还包括在控制模块中的机器接口，该机器接口被配置为将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送到先前处理设备和事后处理设备的至少一个。控制模块中的机器接口可以被配置为将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送至先前的纤维混合机。
在一个实施例中，测量仪器还包括在控制模块中的信息数据库，用于向控制器提供用于各种纤维的电磁辐射透射和反射数据，以用于确定纤维混合组分和/或纤维混合比率。电磁辐射透射和反射数据可以包括用于人造纤维和天然纤维的数据。
在一个实施例中，光谱照明源包括LED、卤素灯、汞蒸气灯、白炽灯、氘灯和氙气灯中的一种或多种。
在一个实施例中，第二电磁辐射传感器和/或第三电磁辐射传感器包括光谱仪、光电二极管、与包括带通滤光片的滤光轮耦合的光电二极管、每个均被窄带滤光片覆盖的光电二极管阵列，以及超光谱一维或二维成像仪中的一个或多个。
在一个实施例中，第二电磁辐射传感器和/或第三电磁辐射传感器包括多个电磁辐射传感器，所述多个电磁辐射传感器在与输入材料的运动方向垂直的方向上沿着输入材料的表面设置在不同位置处。
在一个实施例中，第二电磁辐射传感器和/或第三电磁传感器可在与输入材料的运动方向垂直的方向上沿着输入材料的表面运动。
在一实施例中，纤维运动组件包括至少一个辊和/或至少一条带。
用于识别包含纤维的输入材料中的纤维混合组分和/或纤维混合比率的方法包括以下步骤：
a.使用第三纤维运动组件以第二速度拉伸输入材料，
b.使用设置在输入材料的相邻侧面上的第二电磁辐射源，将第二电磁辐射束引导朝向在第二位置处的输入材料，第二电磁辐射束包含至少两个明显不同的电磁波谱波长，
c.使用设置在与第二电磁辐射源相对的在输入材料的相对侧上的第二电磁辐射传感器来接收穿过输入材料的第二电磁辐射束的第二透射部分，和/或使用设置在输入材料的与第二电磁辐射源相同的一侧上的第三电磁辐射传感器，接收从输入材料反射回来的第二电磁辐射束的第三反射部分，其中第二电磁辐射传感器和/或第三电磁辐射传感器均被配置为接收在至少两个明显不同的电磁波谱波长处的电磁辐射，
d.从第二电磁辐射传感器和/或第三电磁辐射传感器接收数据信号，
e.向第二电磁辐射源和第三纤维运动组件发送控制信号，以及
f.处理来自第二电磁辐射传感器和/或第三电磁辐射传感器的数据信号，以确定在输入材料中的纤维混合组分和/或纤维混合比率。
在一实施例中，根据本发明的方法还包括以下步骤：
a.在步骤（a）之前：
i.使用以小于或等于第二速度的第一速度运动的第一纤维运动组件接收输入材料，
ii.使用以第二速度运动的第二纤维运动组件从第一纤维运动组件接收输入材料，从而在第一速度和第二速度之间的差值是可操作的以动态地调节由第二纤维运动组件提供的输入材料的密度，
iii.使用第一电磁辐射源将第一电磁辐射束引导朝向输入材料，该第一电磁辐射源设置在与输入材料相邻的一侧上并且位于第一纤维运动组件和第二纤维运动组件之间的第一位置处，
iv.使用第一电磁辐射传感器接收穿过输入材料的第一电磁辐射束的第一透射部分，该第一电磁辐射传感器设置在输入材料的与第一电磁辐射源相对的一侧，
b.在步骤（d）中，还从第一电磁辐射传感器接收数据信号；
c.在步骤（e）中，还向第一电磁辐射源、第一纤维运动组件和第二纤维运动组件发送控制信号，以及
d.在步骤（e）之后和步骤（f）之前，处理来自第一电磁辐射传感器的数据信号，并调整对第一纤维运动组件和第二纤维运动组件的控制信号，以给第二个位置提供所需输入材料密度。
在一个实施例中，该方法还包括将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送至事先处理设备和事后处理设备中的至少一个。可以将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送到事先的纤维混合机。
在一个实施例中，第二电磁辐射传感器和/或第三电磁辐射传感器包括多个电磁辐射传感器，所述多个电磁辐射传感器在与输入材料的运动方向垂直的方向上沿着输入材料的表面设置在不同位置处。
在一个实施例中，该方法还包括使第二电磁辐射传感器和/或第三电磁辐射传感器在与输入材料的运动方向垂直的方向上沿着输入材料的表面运动。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考详细描述，本发明的其他优点将变得显而易见，所述详细描述未按比例绘制以便更清楚地示出细节，其中遍及多个视图的相同附图标记表示相同的元件，其中：
图1为根据本发明的实施例的测量仪器的功能框图。
图2为根据本发明另一实施例的测量仪器的功能框图。
图3为根据本发明的一个实施例的棉、涤纶和50-50棉/涤纶混合物的频谱响应图。
图4为根据本发明实施例的设置在输入材料毡（a mat of input material，指纤维混合形成的具有一定密度的接近二维状的纤维层）内的多个传感器的功能框图。
图5为根据本发明的另一个实施例的设置在输入材料毡内的移动传感器的功能框图。
图6为根据本发明另一实施例的使用皮带的测量仪器的功能框图。
具体实施方式
测量仪器
现在参考图1，示出了根据本发明实施例的混合比率测量仪器100的功能框图。
如本文所述的测量仪器100可以用于在线或离线测量。测量仪器100包括以下模块：
•准备模块102
•感测模块104
•控制模块106
图1还描绘了测量仪器100的主要部件，包括以下内容：
•要为其确定混合组分和/或混合比率的输入材料108
•输入料斗110
•材料准备输入纤维运动组件112
•材料准备照明源114
•材料准备传感器116
•材料准备输出纤维运动组件118
•光谱照明源120
•光谱照明透射传感器122
•光谱照明反射传感器124
•材料感测输出纤维运动组件126
•信号处理器和控制器128
•人机界面130
•机器接口132
•信息数据库接口134
准备模块
准备模块102将纤维状输入材料108带入测量仪器100中，并将输入材料108准备呈现给传感器116、122和124，如下文更详细的描述。在一个实施例中，输入料斗110以批量形式接收输入材料108并将其提供给第一输入纤维运动组件112，并且在其他实施例中，输入材料108以连续进给的方式由第一纤维运动组件112接收，例如纤维条。输入材料108可以以各种形式接收，例如捆、梳理毡（carding mat，用于梳理机的输入的纤维层）、纤维条等等。如果输入材料108尚未被如此呈现，准备模块102将输入材料108转换为网状形式，例如纤维条。
在一些实施例中，输入材料108有两种呈现形式。一种形式是以单个形式将输入材料108中的每个纤维呈现给传感器116、122和124，另一种形式是以网状形式呈现输入材料108，网状形式在一些实施例中具有一致的密度，如下文更详细的描述。实现这些各种形式的一种方法是通过在第一纤维运动组件112和第二输出纤维运动组件118之间进行可变受控拉伸。通过使第二纤维运动组件118旋转的速度比第一纤维运动组件112的速度稍快，输入材料108可以被拉伸得更薄，从而允许呈现出更薄的纤维网。在一定的速度差下，纤维可以以几乎单个的形式呈现。因此，可以以这种方式控制输入材料108的网的密度或厚度。
通过评估从电磁辐射源114穿过输入材料108的网，再由电磁辐射传感器116接收时的电磁辐射的透射水平，来监控输入材料108的密度。所发射和感测的电磁辐射的光谱范围可以包括但不限于，紫外线、可见光和红外线。
电磁源114的示例包括，但不限于，LED、卤素灯、汞蒸气灯、白炽灯、氘灯和氙气灯中的一种或多种。电磁传感器116的示例包括但不限于，光谱仪、光电二极管、与包括带通滤光片的滤光轮耦合的光电二极管、每个均被窄带滤光片覆盖的光电二极管阵列，以及高光谱一维或二维成像仪中的一个或多个。
在控制器128中的闭环反馈控制仪器使用来自电磁辐射传感器116的透射水平信息来控制两个纤维运动组件112和118的相对速度，从而控制输入材料108的纤维网的密度。因此，准备模块102的一项重要功能是控制被输送到感测模块104的、输入材料108的网的密度，如下所述。
感测模块
感测模块104感测在输入材料108中存在的不同纤维类型和不同数量的不同纤维类型。这是通过利用来自光谱照明源120的电磁辐射照射输入材料108的网、然后使用检测输入材料108的光谱透射的光谱透射传感器122和检测输入材料108的光谱反射的光谱反射传感器124中的至少一个来实现的。发射和感测的电磁辐射的光谱范围可以包括但不限于，紫外线、可见光和红外线。
光谱照明源120被配置为发射包含至少两个明显不同的电磁波谱波长的电磁辐射。优选地，它是宽带电磁源120。光谱照明源120的示例包括但不限于，LED、卤素灯、汞蒸气灯、白炽灯、氘灯和氙气灯中的一种或多种。
电磁传感器122和124每个被配置为接收电磁光谱中至少两个明显不同波长的电磁辐射。所接收的波长可以是光谱照明源120发射的波长，或者可以至少部分地不同于它们。电磁传感器122和124的示例包括但不限于以下中的一个或多个：光谱仪、光电二极管、与包括带通滤光片的滤光轮耦合的光电二极管、每个均被窄带滤光片覆盖的光电二极管阵列，以及高光谱一维或二维成像仪。
在一些实施例中，来自光源120的照明由控制器128控制，以在由输入材料108的网呈现的感测区域上相对均匀。在一些实施例中，捕获并感测到达传感器124或传感器122的所有辐射。在一个实施例中，这是通过使用光学元件136来完成的，该光学元件136接收并塑形由源120传送的辐射，而其他光学器件组件138和140使用来捕获所反射和透射的辐射并将其引导至传感器122和124。
另一实施例使用积分球242，如图2所示，其嵌入照明源120，从而提供均匀的照明输出。积分球是由中空球形腔组成的光学组件，其内部覆盖有均匀散射辐射的漫反射涂层。通过多次散射反射，入射到内表面上任何点的电磁辐射被均等地分布到球体上的所有其他点。因此减小甚至消除电磁辐射的初始方向的影响。
如图2所示，积分球242a用于照射和接收来自输入材料108的反射光。辐射从源120进入球242a，在球242a周围反射，从输入材料108反射通过端口246，最终由光学器件138收集，并且然后由传感器124直接测量。挡板组件244防止直接感测来自源120的输入辐射。
如上所述，在一个实施例中，来自源120的一些辐射透射通过输入材料108并进入球体242b。同样，挡板组件244b防止由收集光学器件140直接接收照明。在所示的该实施例中，光学器件140接收的辐射通过光波导248传送到传感器122。在各个实施例中，相同或不同积分球242可用于捕获所反射和透射的信号，并且光波导可不用于积分球242，也可用于两个积分球242中的一个或两个。
在各种实施例中，在控制器128的控制下，以静态或动态模式执行对所反射或透射辐射的感测。在静态模式下，将输入材料108的网的期望部分带入传感器122和124中的至少一个的视场中，并且被停止以进行测量。在动态模式下，输入材料108的网继续移动，而传感器122和124中的至少一个以感测速度操作，在一个实施例中，该感测速度比输入材料108的网的运动速度更快。在一个实施例中，通过第三纤维运动组件126来维持输入材料108的网通过感测模块104的运动。
在一些实施例中，纤维运动组件112、118和126是旋转辊，其中一个或两个辊被驱动。换句话说，在一些实施例中，每个组件中的其中一个辊可以是被动的。在其他实施例中，纤维运动组件112、118和126是皮带组件，其中同样，一条皮带可以被驱动并且另一条皮带可以是被动的，或者两条皮带可以都被驱动。在又一个实施例中，每个组件包括单个从动皮带，并且在输入材料108的另一侧上设置有固定或浮动的压力板。
图6描绘了仪器100的基本实施例，其中皮带126将输入材料108拉动经过积分球242a、照明源120和传感器124，其以在本文的别处所述的方式运作。同样在图6中，没有单独的准备模块102，仅有感测模块104。在图6中未示出控制模块106，但是在该实施例中使用了控制模块106和控制线。
过程/控制/接口模块
在一些实施例中，控制模块106包括执行至少三个功能的硬件，这些功能是：
•处理收集的信号
•控制硬件
•与操作员和其他设备对接
这由诸如个人计算机或其他计算设备的控制器和信号处理器128来完成。控制功能包括但不限于，控制在准备模块102中的两个纤维运动组件112和118之间的拉伸操作，以及控制输入材料108的网通过传感器104的运动，例如利用纤维运动组件126。它还处理传感器116的输出，并为拉伸操作提供反馈控制。此外，它控制光谱照明源120和输入材料纤维运动组件126，并通过测量算法处理传感器122和124的输出。测量算法的结果由控制器128传送到拟人化用户界面130和机器界面132中的至少一个，在一些实施例中包括，但不限于，另一种类型的纺织机器中的至少一个。
测量概念和算法
测量概念基于以下理解：可以由纤维制成并且可以包括在输入材料108中的每种不同类型的材料具有唯一的光谱透射和反射特征，它们用于检测、区分和测量在被测的网中的此类纤维混合物中不同纤维材料的量。
在一实施例中，可以使用两种类型的混合比率测量：
•Blend.Ratioweight是在混合中每种独特纤维类型的重量百分比
•Blend.Ratiocount是在混合中每种独特纤维类型的纤维数量百分比
对于给定的单一独特纤维材料（仅一种组分纤维），纤维材料的光谱特征可以表示为：
数学式1
Figure 915554DEST_PATH_IMAGE001
其中：
F(λi)是单个波长或多个波长范围的纤维材料的光谱响应，其中λ min <λ i <λ max ，i =1，2，...，n；
R(λi)是纤维材料在波长λ i 下的反射或透射光谱响应，其是有助于特定纤维材料光谱特征的唯一光谱响应；
S(λ i )是光源在波长λ i 下的光谱响应；
P(λ i )是在波长λ i 下沿着光路例如被空气、光纤、透镜、窗户、镜子、滤光器和光栅中的一种或多种减小的光谱响应；
D(λ i )是在波长λ i 下传感器灵敏度的光谱响应。
同样，对于给定的有几种组分纤维的混合，混合材料的光谱特征可以是各组分的光谱特征的总和，表示为：
数学式2
Figure 583427DEST_PATH_IMAGE002
其中：
B(λ i )是单个波长范围或多个波长范围的混合材料的光谱响应，其中λ min <λ i <λ max ，i= 1, 2, ..., n ；
m是在混合中不同组分纤维类型的数量；
k j 是在混合中每种组分纤维材料类型j的百分比；
α是归因于光源、传感器或样品呈现的总体光谱响应变化的常数。
F j (λ i )是在混合纤维中组分纤维材料类型J的光谱响应，其表达在方程数学式1中。
可以训练仪器来确定k j 。以下示例描述了一种确定两组分混合物（例如棉-涤纶纤维混合物）的k j 的方法。该方法同样可以扩展到多种组分的混合物。图3描绘了在不同辐射波长304（单位nm）下天然棉306、涤纶308和50-50重量比的棉-涤纶纤维混合物310的相对光谱响应302的图表300。对这些光谱的仔细分析针对光谱区域312，其中对λ min = 1050nm<λ i < λ max =2500nm求解方程数学式2以计算k j ，从而计算Blend.Ratio weight 或Blend.Ratio count 。
对于两组分混合物例如涤纶-棉混合物，方程数学式2可以表示为：
数学式3
Figure 363164DEST_PATH_IMAGE003
其中：
λmin<λi<λmax, i = 1, 2, ..., n；
c1 = α*k1；
c2 = α*k2。
在一个实施例中，为了测量两组分混合物的混合比率，使用1）校准算法和2）测量算法。下面给出校准算法的一个实施例。
1.校准算法的目的是将c1和c2转换为在以下公式中称为pw1的已知混合比率Blend.Ratioweight或Blend.Ratiocount。
2.通过收集至少三个样品的光谱响应来训练仪器：
a.100％组分1（在这种情况下为棉），称为F1measured(λi)
b.100％组分2（在这种情况下为涤纶），称为F2measured(λi)
c.对于组分1和组分2（在这种情况下为棉涤纶），具有已知混合比率pw1（按重量或纤维数量计算）的混合物，称为Bmeasured(λi)
3.对于λmin< λi< λmax, i = 1, 2, ..., n，使用多元回归方法，使用方程数学式3 计算Bmeasured(λi)，以确定c1和c2来最小化
Figure 896389DEST_PATH_IMAGE004
。
4.将在校准之前的内部混合比率定义为：
数学式4
Figure 382865DEST_PATH_IMAGE005
数学式5
Figure 267645DEST_PATH_IMAGE006
或者
Figure 534678DEST_PATH_IMAGE007
5.将内部混合比率转换为Blend.Ratioweight或Blend.Ratiocount的校准因子计算为：
数学式6
Figure 936841DEST_PATH_IMAGE008
其中：
p s1 是每个方程数学式4的内部混合比率；
p w1 是在步骤1中的已知校准混合比率；
SWC是混合比率在0 % <p s1 < 100 %范围内的两组分混合物的校准因子。
一旦通过校准确定了SWC，就可以如下计算给定样品的未知混合比率（假设在校准中使用光谱相似的组分1和组分2）：
1.捕获具有未知混合比率的混合样品的光谱响应Bmeasured(λi)；
2.对于λmin< λi< λmax, i = 1, 2, ..., n，使用多元回归方法，使用方程数学式3 计算Bmeasured(λi)，以确定c1和c2来最小化
Figure 277823DEST_PATH_IMAGE004
。
3.计算每个方程数学式4和数学式5的内部ps1和ps2；
4.通过如下计算未知混合比率：
数学式7
Figure 271187DEST_PATH_IMAGE009
数学式8
Figure 228779DEST_PATH_IMAGE010
值得注意的是，上述算法提供了单个传感器视场的混合比率测量。传感器的数量、每个传感器的位置以及传感器视场的大小取决于混合材料的宽度、所需混合比率空间分辨率、所需混合比率均匀性空间分辨率以及成本考虑因素。例如，图4描绘了测量仪器100的实施例，其包含沿X方向运动通过固定的多个传感器450a、450b和450c的多个视场的输入材料108。多个传感器450a、450b和450c在与X方向垂直的Y方向上沿着输入材料108的表面设置在不同的位置处，以覆盖输入材料108的至少一部分并且优选地覆盖其整个宽度。
可替代地，图5示出了测量仪器100的另一实施例，其包含沿X方向移动通过单个传感器450d的一个视场的输入材料108，该单个传感器450d在一些实施例中是可移动传感器450d。同时，也可以通过沿着输入材料108的表面在Y方向上移动传感器450d或移动输入材料108来沿着Y方向去感测输入材料108。在Y方向上的运动使得至少覆盖输入材料108的一部分并且优选覆盖其整个宽度。在这两个实施例中，结果是与输入材料108的不同部分相关的一系列位置相关的混合比率测量结果。因此，带位置标记的混合比率可以表示为：
数学式9
Figure 637894DEST_PATH_IMAGE011
其中：
k是第k个组分的索引，k = 1,2,…,l；
i是X方向的位置索引，i = 1,2,…,m；
j是Y方向的位置索引，j = 1,2,…,n。
对于图4的实施例，如果存在三个传感器450a、450b和450c，则n ＝ 3。对于图5的实施例，数据可以是一维或二维的，即n ＝ 1或n＞ 1。
基于在方程数学式9中的测试数据p k （i，j），可以进行完成进一步的统计分析以揭示沿X方向和Y方向的混合比率的空间分布。因此，使用在方程数学式9中的测试数据p k （i，j），其他计算和位置值可以表示为：
Figure 161280DEST_PATH_IMAGE012
其中：
k是第k个组分的索引，k = 1,2,…,l；
px k (j)，j = 1, 2, ..., n，是沿着X方向和索引为j的Y方向的测试点的平均值；
dpx k (j)，j = 1, 2, ..., n，是沿着X方向和索引为j的Y方向的测试点的标准偏差；
py k (i)，i = 1, 2, ..., m，是沿着Y方向和索引为i的X方向的测试点的平均值；
dpy k (i)，i = 1, 2, ..., m，是沿着Y方向和索引为i的X方向的测试点的标准偏差；
pxy k 是样品所有测试点的平均值；
dpxy k 是样品所有测试点的标准偏差。
pxy k 揭示了样品的总体混合比率，而dpxy k 揭示了样品的总体混合比率变化（均匀性）。px k (j)，j = 1, 2, ..., n，揭示沿Y方向的混合比例分布，而dpx k (j)，j = 1, 2, ...,n，揭示沿X方向的混合比率变化（均匀性）。类似地，dpx k (j)，j = 1, 2, ..., n，揭示了沿X方向的混合比率分布，而dpy k (i)，i = 1, 2, ..., m，揭示沿Y方向的混合比率变化（均匀性）。
pk(i,j), pxk(j) 和pyk(i)的图（其中i = 1,2,…,m和j = 1,2,…,n）图形地揭示样品的混合比率分布特征。例如，拉伸混合纤维棉条通常具有条纹结构，使得混合比率在跨越棉条（Y方向）的一定时间段内变化。跨越棉条的混合比率周期的大小以及沿着棉条和跨越棉条的混合变化水平对于纺纱过程质量控制来说是有价值的信息。
假设混合物的主要组分是预先已知的，则测量仪器100可以确定混合比率。测量仪器100的另一功能是预测未知的单组分纤维和多组分混合物的材料类型。可以将未知材料的光谱特征与数据库中的单个组分或组分组合进行比较，并找到最接近的匹配。
未知材料的组分识别算法包括以下三个主要部分。
第一部分是种子（seeding），包括收集和维护不同纤维和材料在整个时间内所有关注的单个组分的光谱特征。这可以通过从外部源（例如纤维制造商）获得光谱特征或使用所述仪器（在训练过程中）创建所有感兴趣的单个组分的光谱特征来实现。这些光谱特征被保存在数据库中，该数据库可以通过信息数据库接口134连接到控制器128，如图1所示。
第二部分是搜索，包括使用方程数学式2中的线性组合表达式搜索未知材料的光谱特征与每种可能的单组分/多组分混合物之间的匹配，该表达式也可以表示为：
数学式10
Figure 404173DEST_PATH_IMAGE013
其中：
λmin<λi<λmax, i = 1,2,...,n；
m = 1, 单组分；
m = 2,3,...,M，多组分混合，其中M是校准文件中的组分数量。
例如，仅关注四种组分（M = 4），例如棉、涤纶、丙烯酸纤维和粘胶。在这种情况下，可能的组合总数为15，可以将其索引为(1)，(2)，(3)，(4)，(1, 2)，(1, 3)，(1, 4)，(2, 3)，(2, 4)，(3, 4)，(1,2,3)，(1,2,4)，(1,3,4)，(2,3,4)，(1,2,3,4)。
第三部分是匹配标准，它是对未知材料与前述步骤中描述的搜索过程的结果有多接近的量化度量。各种数学拟合优度度量，例如确定系数（R 2 ）或方差总和（SSE），可用于评估组分的每种可能线性组合的匹配。在标准范围内没有组分组合具有拟合优度计算的情况下，则未知材料可能具有已知材料数据库（第一部分）中未包含的组分；否则，最佳拟合应揭示未知材料的组分组合。
上述方法可以在控制器/信号处理器128中实现，如图1和图2中所示。然而，实施方式不依赖于根据本发明的混合比率测量仪器100的特定实施例。
为了说明和描述的目的，已经给出了本发明实施例的前述描述。并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据以上教导，明显的修改或变更是可能的。所选择和描述的实施例是为了提供对本发明的原理及其实际应用的说明，从而使本领域的普通技术人员能够在各种实施例中来利用本发明，并进行适合于所设想的特定用途的各种修改。当根据它们公平、合法和平等地享有的范围来解释时，所有此类修改和变更都在由所附权利要求确定的发明范围内。

Claims (22)

1.一种用于识别包含纤维的输入材料（108）中的纤维混合组分和/或纤维混合比率的测量仪器（100），该测量仪器（100）包括：
a.样品感测模块（104），包括：
i.第三纤维运动组件（126a，126b），用于以第二速度拉伸输入材料（108）通过样品感测模块（104），
ii.第二电磁辐射源（120），设置在输入材料（108）的相邻侧面上，用于在样品感测模块（104）内的第二位置处将第二电磁辐射束引导朝向输入材料（108），第二电磁辐射束包含至少两个明显不同的电磁波谱波长，
iii.第二电磁辐射传感器（122），设置在与第二电磁辐射源（120）相对的输入材料（108）的相对侧上，以使第二电磁辐射传感器（122）可以接收第二电磁辐射束的穿过输入材料（108）的第二透射部分，和/或第三电磁辐射传感器（124），设置在输入材料（108）的与第二电磁辐射源（120）相同的一侧上，从而使第三电磁辐射传感器（124）可以接收第二电磁辐射束的从输入材料（108）反射的第三反射部分，其中第二电磁辐射传感器（122）和/或第三电磁辐射传感器（124）每个都配置为接收至少两个明显不同的电磁波谱波长的电磁辐射，以及
b.包括控制器（128）的一种控制模块（106），配置用于：
i.从第二电磁辐射传感器（122）和/或第三电磁辐射传感器（124）接收数据信号，
ii.向第二电磁辐射源（120）和第三纤维运动组件（126a，126b）发送控制信号，以及
iii.处理来自第二电磁辐射传感器（122）和/或第三电磁辐射传感器（124）的数据信号，以确定输入材料（108）中的纤维混合组分和/或纤维混合比率。
2.根据权利要求1所述的测量仪器（100），还包括：
a.用于接收和准备输入材料（108）的样品准备模块（102），该样品准备模块（102）包括：
i. 第一纤维运动组件（112a，112b），用于以小于或等于第二速度的第一速度接收输入材料（108）并提供输入材料（108），
ii. 第二纤维运动组件（118a，118b），用于以第一速度从第一纤维运动组件（112a，112b）接收输入材料（108），并以第二速度将如此接收的输入材料（108）提供给样品感测模块（104），从而第一速度和第二速度之间的差值是可操作的，以动态地调整由第二纤维运动组件（118a，118b）提供的输入材料（108）的密度，
iii. 第一电磁辐射源（114），设置在与输入材料（108）相邻的一侧上，用于在样品准备模块（102）中的第一纤维运动组件（112a，112b）与第二纤维运动组件（118a，118b）之间的第一位置处将第一电磁辐射束引导朝向输入材料（108），以及
iv.第一电磁辐射传感器（116），设置在与第一电磁辐射源（114）相对的输入材料（108）的一侧，以使第一电磁辐射传感器（116）可以接收第一电磁辐射束的穿过输入材料（108）的第一透射部分，以及
b.控制器（128）还配置用于：
i.从第一电磁辐射传感器（116）接收数据信号，
ii.向第一电磁辐射源（114）、第一纤维运动组件（112a，112b）和第二纤维运动组件（118a，118b）发送控制信号，以及
iii.处理来自第一电磁辐射传感器（116）的数据信号，并调整对第一纤维运动组件（112a，112b）和第二纤维运动组件（118a，118b）的控制信号，以提供从样品准备模块（102）到样品感测模块（104）的输入材料的理想密度。
3.根据权利要求2所述的测量仪器（100），还包括在样品准备模块（102）中的料斗（110），用于在将输入材料（108）输送到第一纤维运动组件（112a，112b）之前保持输入材料（108）。
4.根据权利要求1或2所述的测量仪器（100），还包括用于将第二电磁辐射束传送到输入材料（108）的第一光学器件组件（136）。
5.根据权利要求1或2所述的测量仪器（100），还包括第二光学器件组件（140），用于将第二电磁辐射束的第二透射部分传送到第二电磁辐射传感器（122），和/或还包括第三光学器件组件（138），用于将第二电磁辐射束的第三反射部分传送到第三电磁辐射传感器（124）。
6.根据权利要求1或2所述的测量仪器（100），还包括在控制模块（106）中的机器接口（132），其被配置为将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送给先前处理设备和事后处理设备中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的测量仪器（100），其中控制模块（106）中的机器接口（132）被配置为将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送给先前纤维混合机。
8.根据权利要求1或2所述的测量仪器（100），还包括控制模块（106）中的信息数据库接口（134），用于向控制器（128）提供用于各种纤维的电磁辐射透射和反射数据，用于使用来确定纤维混合组分和/或纤维混合比率。
9.根据权利要求8所述的测量仪器（100），其中，电磁辐射透射和反射数据包括人造纤维和天然纤维的数据。
10.根据权利要求1或2所述的测量仪器（100），其中所述第一电磁辐射源（114）和/或所述第二电磁辐射源（120）包括LED，卤素灯，汞蒸气灯，白炽灯，氘灯和氙灯中的一个或多个。
11.根据权利要求1或2所述的测量仪器（100），其中第二电磁辐射传感器（122）和/或第三电磁辐射传感器（124）包括光谱仪、光电二极管、与包括带通滤光片的滤光轮耦合的光电二极管、每个均由窄带滤光片覆盖的光电二极管阵列以及高光谱一维或二维成像器中的一个或多个。
12.根据权利要求1或2所述的测量仪器（100），其中第二电磁辐射传感器（122）和/或第三电磁辐射传感器（124）包括在与输入材料（108）的运动方向（X）垂直的方向（Y）上沿着输入材料的表面设置在不同位置处的多个电磁辐射传感器（450a，450b，450c）。
13.根据权利要求1或2所述的测量仪器（100），其中第二电磁辐射传感器（122、450d）和/或第三电磁辐射传感器（124、450d）可在与输入材料（108）的运动方向（X）垂直的方向（Y）上沿输入材料（108）的表面移动。
14.根据权利要求1或2所述的测量仪器（100），其中纤维运动组件（112a，112b； 118a，118b； 126a，126b； 126）包括至少一个辊（112a，112b； 118a，118b； 126a，126b）和/或至少一条皮带（126）。
15.一种用于识别包含纤维的输入材料（108）中的纤维混合组分和/或纤维混合比率的方法，该方法包括步骤：
a.使用第三纤维运动组件（126a，126b）以第二速度拉伸输入材料（108），
b.使用设置在输入材料（108）相邻侧上的第二电磁辐射源（120）在第二位置处将第二电磁辐射束引导朝向输入材料（108），第二电磁辐射束包含至少两个明显不同的电磁波谱波长，
c.使用设置在输入材料（108）的与第二电磁辐射源（120）相对的相对侧上的第二电磁辐射传感器（122）接收第二电磁辐射束的穿过输入材料（108）的第二透射部分，和/或使用设置在输入材料（108）的与第二电磁辐射源（120）相同一侧上的第三电磁辐射传感器（124）接收第二电磁辐射束的从输入材料（108）反射回来的第三反射部分，其中第二电磁辐射传感器（122）和/或第三电磁辐射传感器（124）每个都配置为接收至少两个明显不同的电磁波谱波长的电磁辐射，
d.从第二电磁辐射传感器（122）和/或第三电磁辐射传感器（124）接收数据信号，
e.向第二电磁辐射源（120）和第三纤维运动组件（126a，126b）发送控制信号，以及
f.处理来自第二电磁辐射传感器（122）和/或第三电磁辐射传感器（124）的数据信号，以确定输入材料（108）中的纤维混合组分和/或纤维混合比率。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：
a.在步骤（a）之前：
i.利用以小于或等于第二速度的第一速度运动的第一纤维运动组件（112a，112b）接收输入材料（108），
ii.利用以第二速度运动的第二纤维运动组件（118a，118b）从第一纤维运动组件（112a，112b）接收输入材料（108），从而第一速度和第二速度之间的差值是可操作的，以动态地调整由第二纤维运动组件（118a，118b）提供的输入材料（108）的密度，
iii.使用设置在与输入材料（108）相邻一侧上并且位于第一纤维运动组件（112a，112b）和第二纤维运动组件（118a，118b）之间的第一位置处的第一电磁辐射源（114）将第一电磁辐射束引导朝向输入材料（108），
iv.使用设置在输入材料（108）的与第一电磁辐射源（114）相对的一侧上的第一电磁辐射传感器（116）接收第一电磁辐射束的穿过输入材料（108）的第一透射部分，
b.在步骤（d）中，还从第一电磁辐射传感器（116）接收数据信号，
c.在步骤（e）中，还向第一电磁辐射源（114）、第一纤维运动组件（112a，112b）和第二纤维运动组件（118a，118b）发送控制信号，以及
d.在步骤（e）之后和步骤（f）之前，处理来自第一电磁辐射传感器（116）的数据信号，并调整对第一纤维运动组件（112a，112b）和第二纤维运动组件（ 118a，118b）的控制信号，以给第二位置提供输入材料（108）的期望密度。
17.根据权利要求15所述的方法，其还包括将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送至先前处理设备和事后处理设备中的至少一个。
18.根据权利要求16所述的方法，其还包括将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送至先前处理设备和事后处理设备中的至少一个。
19.根据权利要求17所述的方法，其中将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送至先前纤维混合机。
20.根据权利要求18所述的方法，其中将纤维混合组分和/或纤维混合比率传送至先前纤维混合机。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，其中第二电磁辐射传感器（122）和/或第三电磁辐射传感器（124）包括在与输入材料（108）的运动方向（X）垂直的方向（Y）上沿着输入材料（108）的表面设置在不同位置的多个电磁辐射传感器（450a，450b，450c）。
22.根据权利要求15至20中的任一项所述的方法，还包括使第二电磁辐射传感器（122、450d）和/或第三电磁辐射传感器（124、450d）在与输入材料（108）的运动方向（X）垂直的方向（Y）上沿着输入材料（108）的表面移动。
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