автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Разработка метода определения зрелости хлопковых волокон с использованием информационных технологий

На правах рукописи

КРУГЛОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

0034Э2267

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗРЕЛОСТИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.19.01

Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканне ученой степени кандидата технических наук

2 5 ФЕЗ 2010

003492267

На правах рукописи

КРУГЛОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗРЕЛОСТИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.19.01

Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» (Ш ТА).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Матрохин Алексей Юрьевич Ивановская государственная текстильная академия

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смирнова Надежда Анатольевна Костромской государственный технологический университет

кандидат технических наук, доцент Зубко Денис Павлович Ивановская государственная текстильная академия

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина»

Защита состоится «/<?» NCiP~TQ_ 2010 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.093.01 при Костромском государственном технологическом университете по адресу: 156005, г. Кострома, ул. Дзержинского, 17, ауд. 214. E-mail: info@kstu.edu.ru, факс: (4942) 31-70-08.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Костромского государственного технологического университета. Текст автореферата размещен на сайте КГТУ: http://www.kstu.edu.ru/science/autoref.aspx.

J б» ¿dpi

Автореферат разослан «/6» фебрал/) 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

П.Н. Рудовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество выпускаемой продукции является ее основной характеристикой, а также наиболее эффективным средством удовлетворения растущих запросов потребителей. Основное условие выпуска текстильной продукции, соответствующей установленным требованиям, заключается в эффективном функционировании системы обеспечения качества предприятия на всех этапах жизненного цикла продукции. Входной контроль поступающего на предприятия волокнистого сырья имеет особую актуальность для обеспечения качества и конкурентоспособности текстильных изделий, поскольку сырье является неотъемлемой частью готовой продукции, а стоимость волокна занимает значительную долю в ее себестоимости. Среди перерабатываемого волокнистого сырья натурального происхождения наиболее распространенным является хлопковое волокно. Важнейшим свойством хлопкового сырья является зрелость, которая определяет способность волокон к переработке и основные эксплуатационные характеристики изделий. Кроме этого, значимость данного свойства для хлопковых волокон обусловлена тем, что оно может эффективно применяться для косвенной оценки структурных и механических характеристик, а также отражать сорбционные возможности волокон.

В основе известных методов определения показателей зрелости лежит экспертная оценка принадлежности исследуемого волокна к той или иной группе зрелости. Такой подход к процессу измерения обладает недостатками, связанными с определенной субъективностью, высокой трудоемкостью и низкой информативностью оценки. Перспективным решением данной проблемы является разработка инструментальных средств получения визуальной информации о хлопковых волокнах и алгоритмов ее обработки на основе современных информационных технологий с целью определения информативных показателей зрелости хлопковых волокон.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка метода определения показателей зрелости хлопковых волокон с использованием информационных технологий, позволяющего снизить трудоемкость и повысить объективность оценки качества хлопковых волокон. Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

- проведен критический анализ существующих методов оценки показателей зрелости хлопковых волокон;

- предложен новый показатель зрелости хлопковых волокон, позволяющий повысить информативность оценки данного свойства;

- установлена взаимосвязь между существующими и предлагаемым показателями зрелости хлопковых волокон;

- определен перечень количественных параметров, позволяющих распознавать хлопковые волокна различной зрелости по их внешнему виду;

- разработан алгоритм определения показателей зрелости хлопковых волокон по компьютерному изображению с использованием методологии вейвлет-преобразований и нейронных сетей;

- сформированы измерительные операции метода определения показателей зрелости хлопковых волокон с использованием программно-аппаратных средств;

- проведено исследование нового метода определения показателей зрелости хлопковых волокон в отношении качества процесса измерения;

- разработаны проекты документов по метрологическому обеспечению нового метода определения показателей зрелости хлопковых волокон.

Методы исследования. При выполнении работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы распознавания образов и выбора решений в условиях многокритериальных задач, в том числе теория искусственных нейронных сетей, а также численные методы прикладной математики, методы корреляционно-регрессионного анализа, методы математической статистики и математического моделирования. Основу экспериментальных исследования составил метод опто-электронного получения цифровых изображений. Кроме того, использованы известные методы получения поперечных срезов волокон. Полученные первичные данные подвергались обработке на измерительном комплексе МиниЛАБ-1 как стандартными пакетами прикладных программ, так и оригинальными программными продуктами.

Научная новизна. В диссертационной работе согласно паспорту специальности 05.19.01 в области разработки методов оценки и контроля показателей качества текстильного сырья получены следующие научные результаты:

- выявлены и оценены основные способы визуализации хлопковых волокон различной зрелости, приемлемые для дальнейшей компьютерной обработки;

- предложен новый показатель зрелости хлопковых волокон, дающий более объективную информацию об уровне зрелости хлопковых волокон;

- установлен перечень признаков распознавания хлопковых волокон различной зрелоста и выделены их количественные критерии;

- созданы графическая и математическая модели поперечного сечения хлопкового волокна;

- разработано устройство для автоматического получения изображений и подсчета хлопковых волокон в элементарной пробе;

- сформированы принципы гибридной компьютерной обработки цифровых изображений хлопковых волокон в поляризованном свете, основанные на использовании различных фильтров и конкурирующих алгоритмов получения измерительной информации;

- разработан алгоритм и составлена компьютерная программа для измерения показателей зрелости хлопковых волокон;

- установлены количественные соотношения между показателями зрелости волокон, определяемыми традиционными и предлагаемым методами измерения.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- получены нормативные значения предлагаемого показателя зрелости с целью их включения в национальные стандарты на хлопковое волокно;

- разработан объективный инструментальный метод измерения уровня зрелости хлопковых волокон с использованием серийно выпускаемых периферийных устройств;

- создана методика поверки компьютерного метода определения предлагаемого показателя зрелости хлопковых волокон;

- документирована методика выполнения измерений нового показателя зрелости хлопковых волокон, дающая предприятиям нормативную основу для применения компьютерного измерения в оценке качества хлопкового волокна.

Результаты работы используются в прядильном производстве и в службах технического контроля качества сырья на ОАО «Фурмановская прядильно-ткацкая фабрика № 2», а также в учебном процессе ИГТА в виде наглядных пособий и измерительного стенда для оценки зрелости хлопковых волокон, предназначенных для студентов специальностей 200501, 200503, 220501, 080401, 260704 в рамках учебных дисциплин «Текстильное материаловедение» и «Товароведение текстильных товаров».

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс - 2005, 2006), ИГТА, Иваново; на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2005, 2006), ИГТА, Иваново; на научно-технической конференции «Научные чтения студентов и аспирантов», II У, Тольятти, 2005; на III международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг», Орел! ТУ, Орел, 2004; на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения (Техтекстиль-2005)», ДИТУД, Димитровград, 2005; на IX Всероссийской конференции «Проектирование, контроль и управление качеством продукции и образовательных услуг», ТГУ, Тольятти, 2006.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 15 печатных работ. Из них две статьи в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», одна статья в журнале «Вестник ИГТА», один патент РФ на изобретение, один патент РФ на полезную модель, два свидетельства о регистрации разработок в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, восемь тезисов конференций различного уровня.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пята глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 182 страницах, включает 47 таблиц, 66 рисунков. Список литературы состоит из 77 наименований. Приложения представлены на 24 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, изложены ее цели и задачи.

В первой главе проведен аналитический обзор опубликованных научных, методических и нормативных источников, посвященных оценке такого важного структурного свойства хлопковых волокон как зрелость. Рассмотрены различные аспекты количественной оценки зрелости, выявлены принципы, теоретические модели и экспериментальные подходы к определению уровня зрелости, систематизированы существующие методы оценки зрелости.

Существенный вклад в количественную оценку зрелости хлопковых волокон внесли известные российские ученые Ейгес Е.Г., Киселев А.К., Расторгуев A.A., Соловьев А.Н., Федоров B.C. и др. За рубежом проблемами определения зрелости занимались такие ученые как М.А. Grimes, D.P. Thibodeaux, К. Rajasekaran, J.G. Montalvo jr., Т. Von Hoven (США), E. Sarna, A. Wlochowicz (Польша), S.G. Gordon, G.R. Naylor (Австралия) и др.

Анализ работ в данной области показал, что используемые оптические методы определения показателей зрелости относятся к органолептическим, так как они основаны на субъективном восприятии оператором увеличенных изображений волокон. Существующие инструментальные методы определения зрелости хлопковых волокон, основанные на воздухопроницаемости пробы волокон, малоинформативны, так как их результаты зависят не только от уровня зрелости волокон, но и от их толщины и селекционного сорта. Выявлено, что теоретические модели волокна, используемые для оценки зрелости имеют идеализированный характер, а критерии оценки, установленные в ГОСТ 3274.2-72 на метод измерения зрелости, допускают неоднозначную трактовку. Также установлено, что среди существующих критериев зрелости, которая по определению представляет собой степень заполнения вторичной стенки волокон целлюлозой, наиболее объективным является отношение фактической площади поперечного сечения волокна к площади круга, имеющего такой же периметр.

В соответствии с целью работы определены и сформулированы научные задачи, для решения которых обоснованно выбраны теоретические и экспериментальные методы исследования.

Во второй главе представлены результаты решения методологической проблемы по уточнению показателя зрелости хлопковых волокон. Объектом исследования являлись волокна, соответствующие I-V сортам согласно ГОСТ 3279-95. В основу исследования положен анализ изображений продольного вида и поперечных сечений волокон, получаемых с помощью цифрового поляризационного микроскопа Motic В1-220 (Испания).

На первом этапе был разработан новый показатель зрелости хлопковых волокон, который гармонизирован с международной системой оценки зрелости хлопковых волокон по стандарту ASTM D 3818-1976 (США). Он позволяет учесть особенности формы поперечного сечения волокон и вычисляется по формуле

Z =

Q

П,

P

(1)

где О - относительная величина фактического заполнения площади поперечного сечения волокна целлюлозой с учетом имеющегося в волокне канала;

- площадь части поперечного сечения хлопкового волокна, непосредственно занятая фибриллами целлюлозы, мкм2, S„ = S - Sy;

S- площадь поперечного сечения волокна, измеренная по внешнему контуру, мкм2;

Sv - площадь той части поперечного сечения хлопкового волокна, которую занимает канал, мкм ;

Р - периметр поперечного сечения по внешнему контуру, мкм;

Пэ-эталонное значение заполнения площади поперечного сечения волокна целлюлозой, определенное по выборке волокон с оптимальными параметрами зрелости (Пэ =0,777).

За счет использования выражения (1) имеется возможность снизить относительную и абсолютную погрешность косвенных измерений по сравнению с известным показателем зрелости «maturity ratio», определяемым в соответствии со стандартом ASTM D 3818-1976. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что относительная погрешность, возникающая из-за вычислений, снижена в два раза, а соответствующая абсолютная погрешность уменьшена в 1,5 раза.

Для визуальной оценки уровня зрелости хлопковых волокон разработана графическая модель поперечного сечения волокна, представленная на рис. 1.

К-i-И

S.(E)

у— чцх.

Рисунок 1 - Геометрическая модель поперечного сечения хлопкового волокна

Математическую интерпретацию данной модели получали на основе выражений, определяющих такие параметры, как площадь поперечного сечения с учетом канала и периметр поперечного сечения Р по внешнему контуру

Р = 2А + яВ, (2)

( -г> 2 Л/

S =

4

1--

100

(3)

АВ + -

к -г

где Е - статистическая оценка соотношения площади, занимаемой каналом, и площади поперечного сечения волокна, определенная для соответствующей группы зрелости £' = 1005./5.

Далее было осуществлено сопоставление нового показателя зрелости Z и традиционных показателей зрелости: К3, используемого согласно ГОСТ 3279-95, и «maturity ratio» (М), используемого по стандарту ASTM D 38181976 (рис. 2).

Рисунок 2 — Графическая функция для взаимного перевода коэффициента зрелости К, в значения показателей Ми 2

Ценность показателя 2 заключается в том, что он дает чувствительную, стабильную и объективную оценку степени зрелости хлопковых волокон. Оценка зрелости с использованием коэффициента зрелости 2 позволяет проводить различие между волокнами, имеющими оптимальную и предельную зрелость. В частности, оптимально зрелыми можно считать волокна, относящиеся к группам 3,4, 5 и 6. Наличие волокон, принадлежащих первой, второй и седьмой группам зрелости, нежелательно для смесей волокон, предназначенных к выработке пряжи.

На последующем этапе проведен анализ изменения элементов макроструктуры хлопковых волокон, наблюдаемых в поляризованном свете, с целью установления существенных признаков распознавания волокон различной степени зрелости. В результате исследований дополнительно к цветовым оттенкам изображений волокон выявлены такие признаки, как неравномерность интенсивности изображений волокон в поперечном направлении (зернистости волокна), и неравномерность интенсивности изображений волокон в продольном направлении (извитость волокна). Все эти свойства косвенно характеризуют зрелость волокон. Также установлены факторы, вызывающие повышение частоты пространственной извитости в начальный период созревания волокна и ее уменьшение после достижения оптимальной степени зрелости.

В результате проведенных исследований на основе корреляционного анализа опытных данных получено эмпирическое выражение для косвенного определения показателя 2, имеющее вид

2р = 1,519 + 0,988/я - 3,3211С - 4,0361в + 2,957ICB - 0,003v2 - 3,465v,, (4)

где Ir, Iq, 1в - индексы цветовых составляющих цифровых изображений хлопковых волокон в палитре RGB; 1св - суммарный индекс зеленой и синей цветовых составляющих

цифровых изображений хлопковых волокон в палитре RGB; vj - параметр, характеризующий неравномерность интенсивности

изображений волокон в поперечном направлении; v2 - параметр, характеризующий неравномерность интенсивности изображений волокон в продольном направлении.

Применение выражения (4) показывает, что отклонение расчетных значений от фактических опытных данных не превышает 5 %.

В третьей главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на обоснование различных операций метода определения показателей зрелости хлопковых волокон с применением информационных технологий. Процесс получения измерительной информации о зрелости хлопковых волокон предусматривает следующие этапы: ,

- формирование элементарной пробы волокон, пригодной для съемки электронной видеосистемой;

- получение воспроизводимых изображений элементарной пробы, удовлетворяющих требованиям к интенсивности фона, к его однородности на всех участках изображения, а также к четкости изображений самих волокон;

- автоматическое распознавание и выделение изображений волокон в пробе;

- измерение и анализ оптических характеристик (входных параметров) на выделенных изображениях хлопковых волокон;

- вычисление выходных показателей зрелости и оценка уровня качества хлопковых волокон в зависимости от их значений;

- представление итоговых результатов измерений как по элементарной пробе, так и по всей выборке.

На этапе формирования элементарной пробы опробованы различные варианты решений по количеству и плотности расположения волокон, по способам и материалам для надежной фиксации волокон, а также по размещению волокон в различных средах. Выяснилось, что оптимальной может считаться элементарная проба, в которой волокна максимально распрямлены и не имеют множественных пересечений. В ходе экспериментальных исследований принято решение об отказе от использования каких-либо сред, смачивающих волокно, в том числе воды, поскольку волокна, находящееся в водной среде, частично теряют свои оптические свойства, становясь более прозрачными (светлыми по отношению к фону) и более однородными по интенсивности. В свою очередь, это может привести к потере информации, относящейся к такому признаку как зернистость поверхности, основанному на оценке неоднородности изображения волокна в поперечном направлении.

На стадии получения изображений волокон выбраны основные технические средства: биологический микроскоп марки Мо^с серии В1 - 220А с увеличением объектива 10х, оснащенный поляризационным комплектом (рис. 3, а); цифровая камера-окуляр БСМ-130 с размерами матрицы 1280x1024 и собственной оптической системой с коэффициентом увеличения 10х, смонтированная с пластиной анализатора поляризационного ком-

Рисунок 3 - Общий вид измерительного стенда (а), вид камеры-окуляра смонтированной с анализатором поляризационного комплекта (б)

Указанные технические устройства сопряжены между собой и с процессорно - вычислительным блоком, в качестве которого использован персональный компьютер, соответствующий уровню Pentium 4.

При разработке операции получения изображения элементарной пробы принято решение об отказе от установки кристаллической пластины «красная первого порядка», применяемой согласно ГОСТ 3274.2-72, по следующим причинам. Во-первых, несовпадение геометрических осей волокон и оптической оси пластины приводит к искажению добавляемой разности хода лучей и к увеличению дополнительной погрешности метода. Эту погрешность трудно оценить количественно и исключить из результата, поскольку даже в идеально приготовленной элементарной пробе невозможно добиться полного распрямления и параллелизации волокон. Во-вторых, установка кристаллической пластины требует дополнительных крепежных приспособлений, что приводит к удорожанию проекционного устройства и необходимости контроля правильности установки. В-третьих, усиление интерференционной окраски, которое требовалось ранее из-за плохой разрешающей способности человеческого глаза, становится ненужным в связи с применением чувствительных устройств ввода-вывода графической информации, таких как цифровая камера-окуляр.

Стадия распознавания выполняется в автоматическом режиме после запуска измерительной программы (рис. 4) и сводится к идентификации и экстракции изображений волокон относительно фона поля зрения микроскопа и относительно близлежащих волокон, имеющих возможные пересечения друг с другом.

(^Отбор и подготовка элементарной пробьГ^)

Установка элементарной пробы в микроскоп _и его настройка_

Получение и сохранение цифрового юо-бражения элементарной пробы

Фильтрация исходного изображения >/\— совокупностью фильтров

►ф-

Анализ информативных (ненулевых) точек изображения и подсчет для них цветовых пара_метров /о, /а, и ¡а,_

Определение координат первого и последующих изображений волокон

Анализ принадлежности (классификация) отдельных точек изображения к определенной группе _зрелости_

Выбор направления сканирования изображения волокна

Последовательное движение вдоль оси волокна_

Подсчет содержания (доли) точек каждой группы зрелости

Измерение средней интенсивности точек и усредненных цветовых координат в результативных областях (сечениях волокон)

Вычисление средних значений параметров /«, 1о, 1в и 1ов по текущему во- ; локну ' I

Вейвлет-преобразование сигнала, характеризующего неравномерность яркости в продольном направлении

Вейвлет-преобразование сигналов, характеризующих неравномерность яркости в поперечном направлении

I-

Формирование массива данных для рас. чета К,, А/ и 2 по текущему волокну

Вычисление коэффициента зрелости К, и его перевод в показатели М и X

Вычисление коэффициентов _зрелости _

Вычисление усредненных коэффициентов зрелости К„Мп2 по данному графическому файлу

Рисунок 4 — Схема процесса измерения показателей зрелости хлопковых волокон

Для распознавания волокон и измерения их оптических характеристик создана компьютерная программа, которая реализует принципы гибридной обработки цифровых изображений хлопковых волокон, полученных в поляризованном свете. Сущность гибридной обработки заключается в использовании различных фильтров и конкурирующих алгоритмов получения измерительной информации. В частности, для выделения изображений волокон использован ряд математических фильтров (Собела, Превита, Лапласа, Гаусса-Лапласа) в различных вариациях. Каждый из примененных фильтров не способен адекватно обнаруживать все участки изображений волокон или фона, но имеет свои преимущества, поэтому оптимальным вариантом анализа является логическое совмещение различных фильтров. Особенностью измерительного алгоритма является использование вейвлет-преобразований, позволяющих провести анализ неоднородности изображений волокон в продольном и в поперечном направлениях. Определено, что для сигнала о неравномерности изображений волокон и в продольном и в поперечном направлениях достаточно четырех уровней преобразования (два уровня с помощью симметричного вейвлета (хут4) и еще два уровня с помощью вейвлета Койфмана (сог/2).

В завершающей стадии разработан пользовательский интерфейс компьютерного метода измерения (рисунок 5).

Рисунок 5- Элементы пользовательского интерфейса и диалоговое окно с запросом о формировании протокола

Помимо основного назначения по визуализации процесса измерений он реализует ряд дополнительных функций по идентификации лиц, выполняющих измерения, по идентификации измеряемых образцов, а также по управлению результатами (протоколами) измерений.

В четвертой главе разработаны и оптимизированы значения отдельных параметров аппаратного обеспечения предлагаемого метода измерения зрелости хлопковых волокон.

В частности, разработано устройство для получения изображений элементарной пробы и подсчета волокон (рис. 6).

Рисунок 6 - Общий вид устройства для получения изображений элементарной пробы волокон (1- основание; 2- кожух прибора; 3- цифровая видеокамера; 4-оптическая система микроскопа; 5- частотомер; б- контактный ключ; 7- предметный столик; 8- двухтактный двигатель; 9- трехпозиционный тумблер; 10-датчики ограничения движения; 11- потенциометр; 12- системный блок компьютера; 13- экран монитора.

Технический результат заключается в обеспечении автоматизации процесса измерения, расширении технологических возможностей прибора и в повышении быстродействия метода.

Выполнена оптимизация значений параметров проекционного устройства (микроскопа) по уровню подсветки объекта измерений и по коэффициенту увеличения микроскопа в сочетании с разрешающей способностью камеры-окуляра. Критерием оптимизации при установлении уровня увеличения было среднее количество точек (пикселей), уместившихся в поперечнике волокна. Установлено, что при размере оптической матрицы 1280x1024 точек, увеличения в 200 крат достаточно для получения более 30 точек в поперечном сечении волокна.

С помощью калибровочной цветовой пластины (мишени) IT8.7/1 (ИСО 12641:1997) проведено исследование характеристики камеры окуляра. В результате выполнения стандартной методики определены предпочтительные значения яркости, контрастности, гамма-коррекции и уровней восприятия цветовых составляющих в палитре RGB, которые влияют на параметры получаемых изображений волокон.

В пятой главе содержатся данные по исследованию точности и практические рекомендации по метрологическому обеспечению предлагаемого метода измерений показателей зрелости хлопковых волокон. В частности, разработана методика изготовления стандартных образцов (СО) зрелости хлопковых волокон, которые необходимы для осуществления поверки измерительного стенда. Одним из этапов изготовления СО является приготовление и исследование поперечных срезов всех волокон, входящих в образец.

Установлена методика поверки компьютерного метода определения показателей зрелости хлопковых волокон, предусматривающая контроль точности как в отношении выходного измеряемого показателя зрелости Z, так и в отношении первичных физических величин, характеризующих способность оптической системы измерительного стенда воспринимать и передавать цвет измеряемого объекта. Затем по известной методике обработки результатов многократных измерений была определена предельная погрешность измерений, которая не превышает 3,5%.

Кроме того разработана методика выполнения измерений, которая устанавливает область применения метода, требования к предельной погрешности измерений, используемые технические средства и процедуры контроля точности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основе анализа существующих методов определения зрелости хлопковых волокон, среди которых основную долю составляют органолеп-тические методы, выявлены основные способы визуализации изображений волокон, приемлемые для дальнейшей компьютерной обработки.

2. Разработан новый показатель зрелости хлопковых волокон, учитывающий особенности формы поперечного сечения волокон и дающий более объективную информацию об уровне зрелости хлопковых волокон.

3. Установлен перечень внешних признаков для распознавания хлопковых волокон различной зрелости и выделены их количественные критерии, позволяющие повысить надежность определения уровня зрелости волокон.

4. Создана графическая и математическая модель поперечного сечения хлопкового волокна, позволяющая наглядно интерпретировать и сравнивать результаты измерения зрелости волокон.

5. Разработано устройство для автоматического получения изображений и подсчета хлопковых волокон в элементарной пробе, позволяющее повысить производительность компьютерного метода измерений.

6. Реализованы принципы гибридной компьютерной обработки цифровых изображений хлопковых волокон в поляризованном свете, основанные на использовании различных математических фильтров и конкурирующих алгоритмов получения измерительной информации.

7. Составлена компьютерная программа для измерения показателей зрелости хлопковых волокон с учетом эмпирических соотношений между показателями зрелости волокон и количественными критериями основных признаков распознавания волокон различной зрелости.

8. Выделены операции способа определения зрелости хлопковых волокон, которые регламентированы в методике выполнения измерений.

9. Предложена методика поверки компьютерного метода измерения показателя зрелости хлопковых волокон, позволяющая объективно оценивать пригодность нового метода измерения.

10. В качестве рекомендаций по практическому применению разработанного метода измерения показателей зрелости хлопковых волокон предлагается:

- организовать массовое производство измерительного стенда и выпуск программного обеспечения для нужд отечественных текстильных предприятий, имеющих в своем составе прядильное производство;

- провести аттестацию разработанной методики выполнения измерений в органах государственной метрологической службы для широкого применения всеми заинтересованными сторонами;

- ввести в перечень стандартных показателей качества хлопковых волокон предложенный показатель зрелости;

- установить шкалу нового показателя зрелости с целью определения сорта хлопковых волокон и внести изменения в действующий в Российской Федерации стандарт технических условий.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, включенных в «Перечень...» ВАК

1. Круглов, A.B. Исследование комплексного метода определения зрелости хлопковых волокон A.B. Круглов, А.Ю. Матрохин, Гусев Б.Н. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 2005. - № 5. - С. 96...98.

2. Матрохин, А.Ю. Выявление информативных признаков для определения зрелости хлопкового волокна А.Ю. Матрохин, O.A. Шаломин, A.B. Круглов, Б.Н. Гусев // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 2009. № 4.

Охранные документы

3. Патент RU № 2348035. Способ определения степени зрелости хлопковых волокон / Круглов A.B., Гусев Б.Н., Матрохин А.Ю., Павлов С.В. -Опубл. 27.02.2009.

4. Патент RU № 72548 U1. Устройство для подсчета волокон / Круглов A.B., Гусев Б.Н., Матрохин А.Ю. - Опубл. 20.04.2008, Бюл. № 11.

5. Круглов A.B. Программа для компьютерного определения качества хлопковых волокон / Свидетельство № 9238 от 02.10.2007 о регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

6. Круглов A.B. Программа для компьютерного измерения показателя зрелости хлопковых волокон / Свидетельство № 9239 от 02.10.2007 о регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

Другие публикации

7. Круглов, A.B. Построение алгоритма для компьютерного определения зрелости хлопковых волокон / A.B. Круглов // Вестник Ивановской государственной текстильной академии. - 2004. - № 4 — С. 128..129.

8. Круглов, A.B. Компьютерное измерение показателей зрелости и толщины хлопковых волокон / A.B. Круглов // Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг: Тезисы докладов III международной научно-практической конференции. - Орел: ОрелГТУ, 2004. - С. 247...248.

9. Круглов, A.B. Выявление признаков для распознавания зрелости хлопковых волокон / A.B. Круглов // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК-2005): Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов. - Иваново: ИГТА, 2005. - С. 192...193.

10. Круглов, A.B. Автоматизация процесса измерения структурных свойств хлопковых волокон / A.B. Круглов // Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения (Техтекстиль-2005): Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции. - Димитровград: ДИТУД, 2005. - С. 123.

11. Круглов, A.B. Разработка методов компьютерного измерения показателей качества текстильных волокон / A.B. Круглов // Научные чтения студентов и аспирантов: сборник статей по результатам работы научно-технической конференции, - Тольятти: ТГУ. - 2005.4.1. - С. 208

12. Круглов, A.B. Анализ методов определения зрелости хлопковых волокон / A.B. Круглов // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс - 2005): Сборник материалов международной научно-технической конференции, -Иваново: ИГТА. - 2005.4.1 -С. 169.

13. Круглов, A.B. Анализ извитости различных видов волокон / A.B. Круглов // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс - 2006): Сборник материалов международной научно-технической конференции- Иваново: ИГТА. -2006.4.1 -С. 128...129.

14. Круглов, A.B. Построение алгоритма для компьютерного измерения показателей извитости волокон / A.B. Круглов // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск-2006): Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов. - Иваново: ИГТА. - 2006. - С. 168...169.

15. Круглов, A.B. Оценка качества процесса измерения показателей зрелости и толщины хлопковых волокон // Проектирование, контроль и управление качеством продукции и образовательных услуг: Материалы IX Всероссийской научно-технической конференции - Тольятти: ТГУ. - 2006.4.2- С. 98...99.

Подписано в печать 14.01.2010. Формат 1/16 60x84. Бумага писчая. Плоская печать. Усл. печ. л. 0,93. Уч.- изд. л. 1,00. Тираж 80 экз. Заказ № 2058

Копировально-множительное бюро Ивановской государственной текстильной академии 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 21

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

ОЦЕНКИ ЗРЕЛОСТИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН.Ю

1.1 Определение мировых тенденций и рыночных факторов обращения хлопкового волокна.

1.2 Анализ влияния зрелости хлопковых волокон на формирование качества и цены получаемых текстильных изделий

1.3 Исследование известных прямых и косвенных показателей зрелости хлопковых волокон.

1.4 Систематизация и критический анализ существующих методов оценки зрелости хлопковых волокон.

1.5 Оценка перспектив развития инструментальных методов оценки зрелости хлопковых волокон с использованием новых информационных технологий.

1.6 Постановка задач научных исследований.

1.7 Общая характеристика объектов исследования и обоснование выбора теоретических и экспериментальных методов исследования.

2 УТОЧНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗРЕЛОСТИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН.

2.1 Анализ изменения элементов структуры хлопкового волокна в процессе его созревания.

2.2 Разработка универсального показателя зрелости хлопковых волокон

2.3 Выявление дополнительных признаков и показателей для распознавания хлопковых волокон различной зрелости.^

2.4 Построение эмпирической зависимости для определения универсального показателя зрелости по компьютерному изображению хлопковых волокон.

2.5 Выводы по главе.

3 РАЗРАБОТКА ОПЕРАЦИЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ЗРЕЛОСТИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН.

3.1 Выявление последовательности операций инструментального метода измерения показателей зрелости хлопковых волокон.

3.2 Формирование элементарной лабораторной пробы для измерения показателей зрелости хлопковых волокон.

3.3 Осуществление предварительных процедур и получение цифрового изображения пробы хлопковых волокон для измерения показателей зрелости.

3.4 Распознавание и выделение изображений волокон в пробе.Ю

3.5 Измерение оптических характеристик на выделенных изображениях хлопковых волокон и их обработка с использованием вейвлет-преобразований.

3.6 Визуализация процесса и представление результатов измерения показателей зрелости хлопковых волокон.

3.7 Выявление новых научных результатов.

4 РАЗРАБОТКА АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗРЕЛОСТИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН.

4.1 Разработка устройства для подготовки элементарной пробы хлопковых волокон к измерению показателей зрелости.

4.2 Выбор параметров проекционного устройства для измерения зрелости хлопковых волокон.

4.3 Оптимизация значений характеристик цифровой камеры-окуляра для измерения показателей зрелости хлопковых волокон.

4.4 Выявление новых научных результатов.

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗРЕЛОСТИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН

И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДА.

5.1 Разработка средств и методики поверки стенда для измерения показателей зрелости хлопковых волокон.

5.2 Установление пределов допустимой погрешности измерений нового показателя зрелости хлопковых волокон.

5.3 Разработка методики выполнения измерений показателей зрелости . хлопковых волокон.

5.4 Выявление новых научных результатов.

Данные статистических исследований свидетельствуют о том, что отечественная текстильная отрасль по-прежнему имеет наибольший удельный вес в объемах производства легкой промышленности, который составляет около 45% или 1,67 млрд. долларов США. Причем наиболее емкий сегмент российской текстильной отрасли - рынок хлопчатобумажных тканей, которые сегодня доминируют на рынке (в 2008 году их доля среди выпускаемых тканых полотен составила 70%). В связи с этим вопросы обеспечения текстильных хлопкоперерабатывающих предприятий сырьем требуемого качества являются актуальными для многих предприятий и организаций. Одним из условий урегулирования отношений между поставщиками и потребителями хлопкового волокна является наличие объективных методов и средств измерений для оперативной оценки его качества. Однако в условиях, сложившихся за два последних десятилетия, текстильные предприятия и другие заинтересованные стороны на отечественном рынке хлопкового волокна не имеют достойной альтернативы зарубежным методам контроля и измерения его свойств. Отечественное приборостроение фактически не разрабатывает новых приборов и средств контроля уже более 30 лет. Это в свою очередь делает текстильные предприятия зависимыми от зарубежных поставщиков сырья и измерительного оборудования, что приводит к ущемлению интересов производителей текстильных изделий, а в конечном итоге интересов государства.

Одним из важнейших свойств, определяющих уровень качества хлопковых волокон является зрелость. Она дает возможность комплексной оценки технологичности волокон при производстве пряжи и далее при отделке текстильных полотен. К сожалению, стандартные методы, применяемые для измерения показателей зрелости, являются весьма трудоемкими, а главный их недостаток заключается в субъективности оценочных процедур. Поэтому главной целью данной работы является повышение объективности, точности и производительности оценки зрелости хлопковых волокон за счет использования современных информационных технологий.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество выпускаемой продукции является ее основной характеристикой, а таюке наиболее эффективным средством удовлетворения растущих запросов потребителей. Основное условие выпуска текстильной продукции, соответствующей установленным требованиям, заключается в эффективном функционировании системы обеспечения качества предприятия на всех этапах жизненного цикла продукции. Входной контроль поступающего на предприятия волокнистого сырья имеет особую актуальность для обеспечения качества и конкурентоспособности текстильных изделий, поскольку сырье является неотъемлемой частью готовой продукции, а стоимость волокна занимает значительную долю в ее себестоимости. Среди перерабатываемого волокнистого сырья натурального происхождения наиболее распространенным является хлопковое волокно. Важнейшим свойством хлопкового сырья является зрелость, которая определяет способность волокон к переработке и основные эксплуатационные характеристики изделий. Кроме этого, значимость данного свойства для хлопковых волокон обусловлена тем, что оно может эффективно применяться для косвенной оценки структурных и механических характеристик, а также отражать сорбцион-ные возможности волокон.

В основе известных методов определения показателей зрелости лежит экспертная оценка принадлежности исследуемого волокна к той или иной группе зрелости. Такой подход к процессу измерения обладает недостатками, связанными с определенной субъективностью, высокой трудоемкостью и низкой информативностью оценки. Перспективным решением данной проблемы является разработка инструментальных средств получения визуальной информации о хлопковых волокнах и алгоритмов ее обработки на основе современных информационных технологий с целью определения информативных показателей зрелости хлопковых волокон.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка метода определения показателей зрелости хлопковых волокон с использованием информационных технологий, позволяющего снизить трудоемкость и повысить объективность оценки качества хлопковых волокон. Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

- проведен критический анализ существующих методов оценки показателей зрелости хлопковых волокон;

- предложен новый показатель зрелости хлопковых волокон, позволяющий повысить информативность оценки данного свойства;

- установлена взаимосвязь между существующими и предлагаемым показателями зрелости хлопковых волокон;

- определен перечень количественных параметров, позволяющих распознавать хлопковые волокна различной зрелости по их внешнему виду;

- разработан алгоритм определения показателей зрелости хлопковых волокон по компьютерному изображению с использованием методологии вейвлет-преобразований и нейронных сетей;

- сформированы измерительные операции метода определения показателей зрелости хлопковых волокон с использованием программно-аппаратных средств;

- проведено исследование нового метода определения показателей зрелости хлопковых волокон в отношении качества процесса измерения;

- разработаны проекты документов по метрологическому обеспечению нового метода определения показателей зрелости хлопковых волокон.

Методы исследования. При выполнении работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы распознавания образов и выбора решений в условиях многокритериальных задач, в том числе теория искусственных нейронных сетей, а также численные методы прикладной математики, методы корреляционно-регрессионного анализа, методы математической статистики и математического моделирования. Основу экспериментальных исследования составил метод опто-электронного получения цифровых изображений. Кроме того, использованы известные методы получения поперечных срезов волокон. Полученные первичные данные подвергались обработке на измерительном комплексе МиниЛАБ-1 как стандартными пакетами прикладных программ, так и оригинальными программными продуктами.

Научная новнзна, В диссертационной работе согласно паспорту специальности 05.19.01 в области разработки методов оценки и контроля показателей качества текстильного сырья получены следующие научные результаты:

- выявлены и оценены основные способы визуализации хлопковых волокон различной зрелости, приемлемые для дальнейшей компьютерной обработки;

- предложен новый показатель зрелости хлопковых волокон, дающий более объективную информацию об уровне зрелости хлопковых волокон;

- установлен перечень признаков распознавания хлопковых волокон различной зрелости и выделены их количественные критерии;

- созданы графическая и математическая модели поперечного сечения хлопкового волокна;

- разработано устройство для автоматического получения изображений и подсчета хлопковых волокон в элементарной пробе;

- сформированы принципы гибридной компьютерной обработки цифровых изображений хлопковых волокон в поляризованном свете, основанные на использовании различных фильтров и конкурирующих алгоритмов получения измерительной информации;

- разработан алгоритм и составлена компьютерная программа для измерения показателей зрелости хлопковых волокон;

- установлены количественные соотношения между показателями зрелости волокон, определяемыми традиционными и предлагаемым методами измерения.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- получены нормативные значения предлагаемого показателя зрелости с целью их включения в национальные стандарты на хлопковое волокно;

- разработан объективный инструментальный метод измерения уровня зрелости хлопковых волокон с использованием серийно выпускаемых периферийных устройств;

- создана методика поверки компьютерного метода определения предлагаемого показателя зрелости хлопковых волокон;

- документирована методика выполнения измерений нового показателя зрелости хлопковых волокон, дающая предприятиям нормативную основу для применения компьютерного измерения в оценке качества хлопкового волокна.

Результаты работы используются в прядильном производстве и в службах технического контроля качества сырья на ОАО «Фурмановская прядильно-ткацкая фабрика № 2», а также в учебном процессе ИГТА в виде наглядных пособий и измерительного стенда для оценки зрелости хлопковых волокон, предназначенных для студентов специальностей 200501, 200503, 220501, 080401, 260704 в рамках учебных дисциплин «Текстильное материаловедение» и «Товароведение текстильных товаров».

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс - 2005, 2006), ИГТА, Иваново; на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2005, 2006), ИГТА, Иваново; на научно-технической конференции «Научные чтения студентов и аспирантов», ТГУ, Тольятти, 2005; на III международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг», ОрелГТУ, Орел, 2004; на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения (Техтекстиль-2005)», ДИТУД, Димитровград, 2005; на IX Всероссийской конференции «Проектирование, контроль и управление качеством продукции и образовательных услуг», ТГУ, Тольятти, 2006.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 15 печатных работ. Из них две статьи в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», одна статья в журнале «Вестник ИГТА», один патент РФ на изобретение, один патент РФ на полезную модель, два свидетельства о регистрации разработок в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, восемь тезисов конференций различного уровня.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 182 страницах, включает 47 таблиц, 66 рисунков. Список литературы состоит из 77 наименований. Приложения представлены на 24 страницах.

2.5 Выводы по главе

В ходе проведенных исследований в области совершенствования количественной оценки зрелости хлопковых волокон получены следующие научные результаты.

Разработан новый показатель зрелости хлопковых волокон, гармонизированный с международной системой оценки зрелости, учитывающий особенности формы поперечного сечения волокон, за счет использования которого имеется возможность снизить относительную и абсолютную погрешность косвенных измерений данного свойства.

Установлен перечень признаков внешнего вида хлопковых волокон, позволяющих косвенно оценивать уровень зрелости хлопковых волокон и разработан ряд количественных параметров для распознавания волокон различной зрелости.

Разработана графическая и математическая модель поперечного сечения хлопкового волокна, позволяющая наглядно интерпретировать и сравнивать результаты измерения зрелости хлопковых волокон.

Получено эмпирическое выражение для косвенного измерения нового показателя зрелости хлопковых волокон, учитывающее выявленные признаки внешнего вида хлопковых волокон, наблюдаемые в поляризованном свете.

3 РАЗРАБОТКА ОПЕРАЦИЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ЗРЕЛОСТИ ХЛОПКОВОГО ВОЛОКНА

3.1 Выявление последовательности операций инструментального метода измерения показателей зрелости хлопковых волокон

Любой стандартизованный метод измерений [55] должен быть регламентирован в отношении следующих аспектов: применяемой аппаратуры; процедур и условий отбора и подготовки проб к измерениям; процедур выполнения измерений и обработки результатов измерений и их наглядному представлению. В процессе разработки компьютерного метода измерения показателей зрелости хлопковых волокон, в котором компьютер одновременно является и техническим средством получения первичной информации и устройством дальнейшей ее обработки, потребовалось решить ряд локальных научных и прикладных задач для каждого из этих аспектов. Прежде всего, определены основные технологические этапы процесса измерений, требующие соответствующего обоснования (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — Принципиальная схема получения результата измерения коэффициента зрелости хлопковых волокон

В качестве основного средства получения первичной графической информации ввиду их относительной доступности использованы:

- биологический микроскоп марки Motic серии В1 - 220 с увеличением объектива 10х, оснащенный поляризационным комплектом;

- цифровая камера-окуляр DCM-130 с размерами матрицы 1280x1024 и оптической системой с коэффициентом увеличения 10х, смонтированная с пластиной анализатора поляризационного комплекта.

Для обработки и анализа первичной информации используется компьютер с параметрами, соответствующими Pentium 4.

Для визуализации процесса измерений используется цветной TFT монитор любой марки.

В качестве программных средств используются: операционная система Windows ХР, интерфейсная программа видеокамеры Scopephoto и оригинальная измерительная программа.

На начальном этапе разработки нового метода решалась проблема, связанная с операцией подготовки к испытанию оптимальной пробы волокон. Для ее решения необходимо определиться с тем, в каком виде должен быть представлен объект исследования, какими параметрами должна обладать проба и каким требованиям должны удовлетворять вспомогательные средства и материалы, применяемые для приготовления пробы. Одновременно с этим необходимо определить требования к техническим средствам, включая аппаратные устройства и программные средства, приемлемые для получения и анализа цифровых изображений элементарных проб.

На втором этапе решались проблемы, связанные с созданием компьютерной программы для распознавания изображений отдельных волокон на общем фоне, выделения изображений волокон и последующего измерения параметров их внешнего вида, предложенных в разд. 2.3. Операции распознавания и выделения изображений волокон на общем фоне являются основой предлагаемого метода. Поэтому основным требованием к получаемым изображениям подготавливаемых проб, является их пригодность для распознавания отдельных волокон и принятия алгоритмом тех или иных решений в зависимости от степени выполнения заданных условий. В свою очередь задаваемые граничные условия и эмпирические зависимости необходимы для идентификации отдельных волокон и их классификации по уровню зрелости.

На последнем этапе разработки метода отлаживалась операция математической обработки массива данных об измеренных одиночных волокнах и определения по нему различных функциональных и параметрических показателей зрелости волокон, а также представления полученной информации в оптимальном виде.

В разд. 3.2 . 3.7 представлено описание процесса проектирования метода по каждой измерительной операции, включая все используемые варианты технических решений. Разработка аппаратной части метода описана в разделе 4.

3.2 Формирование элементарной лабораторной пробы для измерения показателей зрелости хлопковых волокон

Целью исследований на данном этапе является апробирование и регламентирование операций, которые позволяли бы получать пробу, пригодную для съемки электронной видеосистемой. В частности, были поставлены и решены следующие задачи:

- уменьшение трудоемкости операций формирования пробы;

- создание надежного варианта фиксации волокон элементарной пробы на протяжении процесса ввода информации;

- обеспечение возможности однозначного принятия решений при запуске рабочего алгоритма за счет получения четкого и контрастного изображения волокон относительно фона.

Относительно каждой из указанных задач были опробованы различные варианты их решения и проведены практические исследования. Прежде всего, следует отметить, что измерения проводятся над небольшой выборкой волокон, представляющей собой малую среднюю лабораторную пробу массой 4.5 г. Отбор малой средней лабораторной пробы из партии хлопкового волокна и предварительная подготовка волокон к испытанию (в т.ч. приготовление окончательной пробной ленты) проводится согласно требованиям [52].

Из окончательной пробной ленты готовится штапель массой 25.30 мг и раскладывается вручную с помощью зажимов № 1 и № 2 на предметные стекла таким образом, чтобы в поле зрения микроскопа можно было наблюдать отдельные распрямленные волокна. Оптимальная плотность расположения волокон в элементарной пробе соответствует 18.20 хлопковым волокнам, видимым в одном поле зрения при коэффициенте увеличения 100х. Образец приготовления элементарной пробы волокон с точки зрения плотности расположения волокон приведен на рисунке 3.2. Таким образом, раскладываются все волокна штапеля. Количество предметных стекол, полученных из одного штапеля, может оказаться от 10 до 15 в зависимости от количества волокон в штапеле.

Рисунок 3.2 — Образец приготовления элементарной пробы волокон для определения зрелости компьютерным методом

Для уменьшения трудоемкости раскладки волокон на предметные стекла целесообразно использовать прибор МРВ-1 [56], при этом неконтролируемые волокна короче 20 мм допускается не учитывать и предварительно вычесывать их из штапеля с помощью гребня с частотой 10 игл на 1 см. Важным условием является сохранение параллельного и прямолинейного расположения волокон в элементарной пробе, поскольку даже небольшие отклонения или искривление волокон приводят к изменению разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей и искажению интерференционной картины.

Уложенные на предметном стекле волокна сразу фиксировались другим предметным стеклом, при этом его толщина должна быть не более 0,8. 1,0 мм, поскольку при большей толщине верхнего стекла снижается четкость изображения волокон из-за слишком малого фокусного расстояния объектива применяемого проекционного устройства. Таким образом, для приготовления элементарных проб были выбраны предметные стекла СП7105 (ОАО «Мини-мед»), имеющие подходящие размеры. Использование же стандартного покровного стекла (толщиной 0,1 мм) хотя и позволяет получать изображения с максимальной четкостью, но оказывается неудобным для дальнейшей фиксации и просмотра волокон ввиду малых размеров стекла (максимальный размер покровного стекла составляет лишь 20x20 мм).

Для надежной фиксации волокна в процессе переноса элементарной пробы на предметный столик микроскопа и ввода информации в память компьютера использованы узкие фрагменты резиновых трубок диаметром 8 мм с толщиной стенок порядка 0,8.1,0 мм. Применение других средств (металлических скоб, резиновых трубок с более толстыми стенками и большим диаметром) приводило либо к перепаду фокусного расстояния или к недостаточному прижиму стекол, что в конечном итоге искажало изображения волокон в пределах поля зрения и не позволяло получить требуемое изображение.

В процессе исследований были опробованы варианты элементарных проб, в которых волокна находились в воздушной среде (рисунок 3.3, а), и в водной среде (рисунок 3.3, б).

Рисунок 3.3 - Изображения волокон, находящихся в воздушной среде (а) и смоченных дистиллированной водой (б)

Из рисунка 3.3 видно, что волокно, находящееся в водной среде, частично теряет свои оптические свойства, становясь более прозрачным (светлым по отношению к фону) и более однородным по интенсивности. В свою очередь это может привести к потере информации, относящейся к такому признаку как «морфология поверхности», основанному на оценке неоднородности изображения волокна в поперечном направлении. В результате принято решение об отказе от использования каких-либо сред, смачивающих волокно, в т.ч. воды.

3.3 Осуществление предварительных процедур и получение цифрового изображения пробы хлопковых волокон для измерения показателей зрелости

Главным результатом выполнения исследований на данном этапе является отработка операций получения воспроизводимых изображений элементарных проб, удовлетворяющих определенным требованиям. Эти требования относятся к интенсивности фона, к его однородности на всех участках изображения, а также к четкости изображений самих волокон.

Согласно описанию методов определения зрелости в поляризованном свете [13], все они основаны на явлении дихроизма, заключающемся в различном поглощении обыкновенного и необыкновенного лучей, наблюдаемом в кристаллах (в .т.ч. в волокнах). Разделение луча света (рисунок 3.4), проходящего через кристалл на два поляризованных луча — обыкновенный О, с постоянным показателем преломления во всех направлениях, и необыкновенный Н, с переменным показателем преломления в зависимости от направления, носит название двойного лучепреломления.

Рисунок 3.4 — Поляризация света при двойном лучепреломлении

В отличие от обычного естественного луча света 1, колебания которого происходят в различных плоскостях, колебания поляризованного луча совершаются только в одной плоскости. Плоскость 2 колебаний необыкновенного луча Н называется главным сечением, проходящим через естественный луч и оптическую ось 3 волокна. Оптическая ось совпадает с продольной о 3 осью волокна. Плоскость 4 колебаний обыкновенного луча всегда перпендикулярна главному сечению.

Явление двойного лучепреломления можно наблюдать при взаимно перпендикулярном расположении оптических осей двух поляроидов (рисунок 3.5), один из которых выполняет функцию поляризатора 7, а другой — анализатора 2. Свет, поляризованный в поляризаторе, не проходит через анализатор и на выходе данной оптической системы никакого луча быть не должно. Поэтому поле зрения микроскопа остается темным. е

Рисунок 3.5 — Схема поляризационного приспособления

При рассмотрении волокна, находящегося внутри такой системы поляроидов, его изображение отличается от темного фона, так как дает интерференционную окраску определенного цвета. Причиной этого является то, что необыкновенный луч Н, прошедший через поляризатор 7, проходит через волокно 3 и повторно разделяется на обыкновенный Он и необыкновенный Нн. Колебания необыкновенного луча. Нн распространяются с меньшей скоростью, чем колебания обыкновенного луча О,,. Это обуславливает разность хода этих двух лучей. Разность хода будет тем больше, чем больше толщина волокна и выше ориентация молекул в кристалле, которым является волокно. При этом лучи Он и Н„ не могут интерферировать, так как колеблются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Когда лучи доходят до анализатора 2, происходит третье по счету двойное лучепреломление. При этом анализатор пропускает только необыкновенные лучи Нон и Н,ш (на рисунке не показаны), возникающие как от обыкновенного Он, так и от необыкновенного Ни лучей и колеблющиеся в одной плоскости. Поскольку луч Ннн по фазе отстает от луча Нон, происходит взаимное наложение необыкновенных лучей и усиление света, пропускаемого анализатором. Степень усиления света и цветовая окраска зависит от величины разности хода лучей. Важно, что геометрические оси волокон должны быть расположены под углом 45° оптическому сечению поляризатора и анализатора. В этом случае влияние обоих поляроидов на интерференционную окраску волокон будет одинаковым.

Согласно [13, 26] для усиления цветовой интерференционной окраски необходимо использовать кристаллическую пластинку «красная первого порядка», которая создает дополнительную разность хода лучей в 530 нм. При этом оговаривается, что кристаллическую пластинку располагают так, чтобы оптические оси волокон и пластинки совпадали.

Проведенные исследования показали, что применение такого элемента оптической системы как кристаллическая пластинка является излишним и даже нежелательным. Причины такого решения заключаются в следующем.

Во-первых, несовпадение геометрических осей волокон и оптической оси пластинки приводит к искажению добавляемой разности хода лучей и к увеличению дополнительной погрешности метода. Эту погрешность трудно оценить количественно и исключить из результата, поскольку даже в идеально приготовленной элементарной пробе невозможно добиться полного распрямления и параллелизации волокон. Изгибы оси многократно наблюдаются у каждого волокна, и их величина не поддается оценке.

Во-вторых, установка кристаллической пластины требует дополнительных крепежных приспособлений, что приводит к удорожанию проекционного устройства и необходимости контроля правильности установки.

В-третьих, усиление интерференционной окраски, которое требовалось ранее из-за плохой разрешающей способности человеческого глаза, становится ненужным в связи с применением чувствительных устройств ввода-вывода графической информации, таких как цифровая камера-окуляр.

Таким образом, в предлагаемом компьютерном методе измерения показателей зрелости хлопковых волокон подготовительные операции получения изображения элементарной пробы не требуют установки кристаллической пластины «красная первого порядка».

С учетом приведенного обоснования операции по получению цифрового изображения элементарной пробы состоят в следующем. Подготовленная проба волокон (препарат между скрепленными предметными стеклами) устанавливается на предметном столике микроскопа в специальный держатель двухкоординатного позиционера. В отверстие для окуляра микроскопа до упора вставляется камера-окуляр (рисунок 3.6), сопряженная с анализатором в металлической оправе.

Корпус камеры-окуляра

Анализатор

Рисунок 3.6 - Изображение камеры-окуляра, собранной вместе с анализатором поляризационного комплекта

Соединение камеры-окуляра с компьютером осуществляется через USB-кабель, один разъем которого необходимо вставить в гнездо на корпусе камеры, а другой - в один из USB-портов компьютера.

При первичной сборке камеры-окуляра с микроскопом необходимо убедиться в совмещении специальных меток на корпусе микроскопа и камеры для правильного расположения оптической оси анализатора по отношению к оптической оси поляризатора (под углом 90°) и к пробе (под углом 45°), расположенной на предметном столике. В дальнейшем это положение фиксируется с помощью клеевого состава и не меняется. Затем в окно для подсветки микроскопа устанавливается матовый стеклянный светофильтр для уменьшения колебаний яркости между различными участками получаемого изображения. Сверху на окно подсветки устанавливается поляризатор в металлической оправе так, чтобы совместились соответствующие метки на корпусе микроскопа и на оправе поляризатора. После включения компьютера и подсветки микроскопа он готов к настройке резкости и получению изображения элементарной пробы. При соблюдении условий расположения поляризатора и анализатора фон поля зрения микроскопа должен быть ахроматическим и темным. Проба располагается в крайнем положении (слева или справа относительно оператора) путем вращения нижнего настроечного винта двух-координатного позиционера. Положение пробы во фронтальном направлении выбирается пользователем при настройке резкости непосредственно перед получением изображения и устанавливается вращением верхнего винта позиционера.

Условия выполнения подготовительных операций предусматривают соблюдение климатических условий в соответствии с требованиями [57]. Дополнительные требования к параметрам, характеризующим условия получения изображения и влияющим на получаемые результаты, определены в результате оптимизационного эксперимента (см. разд. 4.3) и приведены в таблице 3.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одним из условий обеспечения корректных взаимоотношений между поставщиками и потребителями хлопкового волокна является наличие методов и средств контроля его качества, соответствующих метрологическим требованиям. Это в полной мере относится и к такому технологическому свойству хлопковых волокон как зрелость. Существующие стандартные методы определения уровня зрелости и большинство разработок в этой области основаны на субъективном восприятии оператора внешних признаков волокон, таких как цвет, извитость, толщина, при этом используются гипотетические модели зрелого волокна, построенные по продольному виду волокон.

В диссертационной работе предложен метод, основанный на компьютерной обработке и анализе цветного цифрового изображения волокон, полученного в поляризованном свете. Надежность работы метода обеспечивается применением комплекса признаков распознавания зрелых и незрелых волокон. С учетом поставленной цели диссертационной работы по разработке метода определения показателей зрелости хлопковых волокон, позволяющего снизить трудоемкость и повысить объективность оценки качества хлопковых волокон, получены следующие научные и практические результаты:

1) на основе анализа существующих методов определения зрелости хлопковых волокон, среди которых основную долю составляют органолептические методы, выявлены основные способы визуализации изображений волокон, приемлемые для дальнейшей компьютерной обработки;

2) разработан новый показатель зрелости хлопковых волокон, учитывающий особенности формы поперечного сечения волокон и дающий более объективную информацию об уровне зрелости хлопковых волокон;

3) установлен перечень внешних признаков для распознавания хлопковых волокон различной зрелости и выделены их количественные критерии, позволяющие повысить надежность определения уровня зрелости волокон;

4) создана графическая и математическая модель поперечного сечения хлопкового волокна, позволяющая наглядно интерпретировать и сравнивать результаты измерения зрелости волокон;

5) разработано устройство для автоматического получения изображений и подсчета хлопковых волокон в элементарной пробе, позволяющее повысить производительность компьютерного метода измерений;

6) реализованы принципы гибридной компьютерной обработки цифровых изображений хлопковых волокон в поляризованном свете, основанные на использовании различных математических фильтров и конкурирующих алгоритмов получения измерительной информации;

7) составлена компьютерная программа для измерения показателей зрелости хлопковых волокон с учетом эмпирических соотношений между показателями зрелости волокон и количественными критериями основных признаков распознавания волокон различной зрелости;

8) выделены операции способа определения зрелости хлопковых волокон, которые регламентированы в методике выполнения измерений;

9) предложена методика поверки компьютерного метода измерения показателя зрелости хлопковых волокон, позволяющая объективно оценивать пригодность нового метода измерения.

Обозначенная цель диссертационного исследования достигнута, в частности, подтверждена величина предельной погрешности измерений нового показателя зрелости предлагаемым методом, которая соответствует принятым требованиям в области оценки качества.

В качестве рекомендаций по практическому применению разработанного метода измерения показателей зрелости хлопковых волокон предлагается:

- организовать массовое производство измерительного стенда и выпуск программного обеспечения для нужд отечественных текстильных предприятий, имеющих в своем составе прядильное производство;

- провести аттестацию разработанной методики выполнения измерений в органах государственной метрологической службы для широкого применения всеми заинтересованными сторонами;

- ввести в перечень стандартных показателей качества хлопковых волокон предложенный показатель зрелости;

- установить шкалу нового показателя зрелости с целью определения сорта хлопковых волокон и внести изменения в действующий в Российской Федерации стандарт технических условий.

1. Российский рынок текстиля. Маркетинговый обзор консалтингового центра «ШАГ» // Информационно аналитический портал «Ивановский текстиль»: http:ivtextile.ru/articles/html/analitik7.news - 16.11.2005. - 7 с.

2. Чумаков Д.С. Рынок хлопка Иваново: INVAR GROUP, 2008. - 163 с.

3. Перепелкин К.Е. Современные химические волокна и перспективы их применения в текстильной промышленности // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева) — № 1, т. XLVI, 2002. С. 31-47.

4. Текстильщиков подняли постели // Информационно аналитический портал «Ивановский текстиль» // http://www.ivtextile.ru/ - 23.02.2009. - 2 с.

5. Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений» ФЗ №102-ФЗ от 26.06.2008, принят Государственной Думой РФ 11 июня 2008 года, одобрен Советом Федерации 18 июня 2008 года //

6. ОСТ 17-96-86. Пряжа хлопчатобумажная и смешанная суровая кардная и гребенная одиночная с кольцевых прядильных машин для ткацкого производства. Технические условия.

7. ОСТ 17-362-85. Пряжа хлопчатобумажная и смешанная суровая одиночная с пневмомеханических прядильных машин для ткацкого производства. Технические условия.

8. ОСТ 17-198-87. Пряжа хлопчатобумажная и смешанная для трикотажного производства. Технические условия.

9. Либерман A.M. Организация и планирование производства на предприятиях текстильной промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 376 с.

10. ГОСТ 3279-76. Волокно хлопковое. Технические условия.

11. РСТ Уз 604-2001. Волокно хлопковое. Технические условия.

12. Методы определения свойств хлопка-волокна / Иванов С.С., Ладынина Л.П., Соловьев А.Н. и др. М.: Легкая индустрия, 1972. - 287 с.

13. Текстильное материаловедение (часть 2) / Кукин Т.Н., Соловьев А.Н. — М.: Легкая индустрия, 1964. 380 с.

14. Devron. P. Thibodeaux, К. Rajasekaran, J.G. Montalvo jr., Т. Von Hoven The status of cotton maturity measurements in the new millennium // Materials of 25th International cotton conference, Bremen, March 1 — 4. 2000. Pages 120-133.

15. Платонова О. П., Маслова Н.А. Применение «HVI» в текстильной промышленности. — М.: Издательство «Учеба» МИСиС. 2001. — 244 с.

16. Лабораторный практикум по текстильному материаловедению: учеб. пособ. для вузов / Кобляков А.И., Кукин Т.Н., Соловьев А.Н. и др. М.: Легпромбытиздат, 1986. -344 с.

17. ASTM D 3818-1976. Test Method for Linear Density and Maturity Index of Cotton Fibers (IIC-Shirley Fineness/Maturity Tester).

18. J.G. Montalvo jr., G. Davidonis, T. Von Hoven Relationsips between micronaire, fineness and maturity // Materials of 28th International cotton conference, Bremen, March 22 25. 2006. Pages 45-56.

19. ASTM D 1448-2000. Test Method for Micronaire Reading of Cotton Fibers.

20. Mary A. Grimes Polarized light preferred for maturity tests // Textile World, February. 1945. Pages 118-136.

21. Кумошенский Ю.М. Разработка технологии пневмопрядения хлопка в смеси с волокнами пониженной зрелости, а также прядомых отходов // Дис. . к-та техн. наук : 05.19.02. Иваново: 2007. 188 с.

22. ISO 4912:1981. Textiles. Cotton fibres. Evaluation of maturity. Microscopic method.

23. ГОСТ 3274.2-72. Волокно хлопковое. Ускоренные методы определения сорта и линейной плотности.

24. ASTM D 1442-00. Test method for maturity of cotton fibers (sodium hydroxide swelling and polarized light procedures)

25. PCT Уз 661-1996. Линт хлопковый. Методы определения зрелости.

26. РСТ Уз 593-1992. Хлопок-сырец. Методы определения зрелости.

27. Изгородин А.К., Патент №2202786 RU, МПК7, Способ определения степени зрелости волокон хлопчатника, G 01 N 33/36, публикация 20.04.03.

28. РСТ Уз 618-1994. Волокно хлопковое. Методы определения зрелости.

29. ISO 2403:1972. Хлопок-волокно. Определение числа микронейр.

30. ГОСТ Р 53031-2008. Волокно хлопковое. Порядок измерения показателей на системе HVI.

31. ГОСТ Р 53235-2008. Волокно хлопковое. Методы определения линейной плотности и показателя микронейр.

32. Оссовский С. Нейронные сети для обработки информации / Пер. с польского. — М.: Финансы и статистика, 2002. 344 с.

33. Барский А.Б. Логические нейронные сети: учебное пособие для вузов серии: основы информационных технологий. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. - 352 с.

34. Комашинский В.И., Смирнов Д.А. Нейронные сети и их применение в системах управления и связи — М: Горячая линия-Телеком, 2002. 94 с.

35. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. М.: ЛОГОС, 2000. - 408 с.

36. Кукин Г.Н., Соловьев А.Н., Текстильное материаловедение (исходные текстильные материалы). -М.: Легпромбытиздат, 1985. 216 с.

37. Тарчевский И.А., Марченко Г.Н. Биосинтез и структура целлюлозы. -М.: Наука, 1985.-279 с.

38. Сальников В.В. Структурно-функциональная характеристика формирования клеточных стенок в растительных тканях, специализированных на интенсивном синтезе целлюлозы // Дис. . д-ра биол. наук : 03.00.12. СПб.: 2005. 238 с.

39. Carpita N.C. and McCann М. Biochemistry and Molecular Biology of Plants // American Society of Plant Biologists, Rockville, MA, USA. 2000. pp.25-109.

40. S. Allan Heap The meaning of micronaire // Materials of 25th International cotton conference, Bremen, March 1 -4. 2000. Pages 103-119.

41. Ewa Sarna, Andrzej Wlochowicz The influence of the spinning process on the supermolecular and morphological structure of cotton // Materials of 26th International cotton conference, Bremen, March 13 16. 2002. Pages 223-238.

42. Матрохин А.Ю., Шаломин O.A., Круглов A.B., Гусев Б.Н. Выявление информативных признаков для определения зрелости хлопкового волокна // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 2009. № 4. С.

43. Круглов А.В. Разработка методов компьютерного измерения показателей качества текстильных волокон // Научные чтения студентов и аспирантов: сб. статей по результатам работы научно-технической конференции 4.1. Тольятти: ТГУ, 2005. - С. 208

44. Н.М. Астафьева. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук, №11, том 166. 1996. - . с.

45. Левкович-Маслюк Л. Дайджест вейвлет-анализа в двух формулах и 22 рисунках // Компьютера, № 8, 1998. С. 31-37.

46. Шор Я.Б. Об определении комплексных показателей качества продукции. // Стандарты и качество.-1970, №11. - С.34-37.

47. ГОСТ 3274.0-72. Волокно хлопковое. Методы отбора проб.

48. Васильчикова Н.В. Структурные свойства и ассортимент текстильных нитей: методические указания к лабораторным работам -Иваново: ИГТА, 2008 16 с.

49. ГОСТ 50779.21-96. Статистические методы. Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным. Часть 1. Нормальное распределение.

50. ГОСТ Р 1.0-2004. Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения.

51. ГОСТ 3274.1-72. Волокно хлопковое. Методы определения разрывной нагрузки и линейной плотности.

52. ГОСТ 10681-75. Материалы текстильные. Климатические условия для кондиционирования и испытания проб и методы их определения.

53. Потемкин В.Г., Рудаков П.И. Система MATLAB 5 для студентов. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. 448 с.

54. Круглов А.В. Построение алгоритма для компьютерного определения зрелости хлопковых волокон // Вестник Ивановской государственной текстильной академии. Иваново: ИГТА, 2004. - С. 128.129.

55. Круглов А.В., Гусев Б.Н., Матрохин А.Ю., Павлов С.В. Способ определения степени зрелости хлопковых волокон // Патент РФ на изобретение № 2348035. МПК7 G 01 N 33/36. Опубл. 27.02.2009.

56. Круглов А.В. Программа для компьютерного измерения показателя зрелости хлопковых волокон // Свидетельство № 9239 от 02.10.2007 о регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

57. Круглов А.В. Программа для компьютерного определения качества хлопковых волокон // Свидетельство № 9238 от 02.10.2007 о регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

58. Патент РФ на полезную модель № 72548 U1. Устройство для подсчета волокон // Круглов А.В., Гусев Б.Н., Матрохин А.Ю. МПК G 01 N 21/01. Заяв. № 2007146808/22 от 17.12.2007. Опубл. 20.04.2008, Бюл. № 11.

59. O 12641:1997. Graphic technology Prepress digital data exchange -Colour targets for input scanner calibration.

60. ISO 13655:1996. Graphic technology Spectral measurement and colorimetric computation for graphic arts images.

61. ПР 50.2.006-94. Порядок проведения поверки средств измерений.

62. ГОСТ 8.315-97. Государственная система обеспечения единства измерений. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения.

63. ГОСТ 8.207-76. Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.

64. Круглов А.В., Матрохин А.Ю., Гусев Б.Н. Исследование комплексного метода определения зрелости хлопковых волокон // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 2005. № 5. С. 96.98.

65. Айвазян С.А., Мхитарян B.C. Прикладная статистика и основы эконометрики. М.: ЮНИТИ, 1998. - 1022 с.

66. ГОСТ Р 8.563-96. Методики выполнения измерений. Общие требования.

67. ИСО Р 139. Материалы текстильные. Стандартные климатические условия для кондиционирования и испытания.

68. ASTM D 1776-2004. Standard Practice for Conditioning and Testing Textiles.

69. ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы физических величин.