СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА КРУТКИ НИТИ
METHOD OF DETERMINING ANGLE OF THREAD TWIST

Изобретение относится к неразрушающим способам измерения угла, крутки нити, то есть угла наклона стренг, из которых скручена исследуемая нить, к оси нити и может быть использовано при решении вопросов автоматического контроля этого параметра.
Известен способ непосредственного измерения угла крутки нити с помощью микроскопа при освещении нити «на отражение» [Давыдов А.Ф. Текстильное материаловедение. Учебное пособие. Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности. М., 1997, с.54].
Способ заключается в том, что необходимые измерения производятся под микроскопом, например, с помощью угловой сетки, вмонтированной в окуляр микроскопа. Способ субъективный и не может быть использован при автоматическом контроле.
K
Существует расчетный способ нахождения угла крутки α по формуле
где d - расчетный диаметр нити; h - высота витка; K=1/h - величина крутки нити [Кукин Г.H. Текстильное материаловедение (волокна и нити): Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп./ Г.H. Кукин, Л.H. Соловьев, Л.И. Кобляков. - М.: Легпромбытиздат, 1989, с.38-39]. К недостатку этого способа относится трудность определения расчетного диаметра нити, скрученной из стренг, так как сечение нити не является окружностью, а сама нить не является цилиндрической. Кроме этого данный способ требует измерения величины крутки нити, что до сих пор реализуется в заводских лабораториях с помощью круткомера - прибора, который подсчитывает число необходимых кручений образца нити заданной длины при ее полном раскручивании. При этом контроль операции осуществляется визуально, то есть этот метод также не может быть использован для автоматического контроля угла крутки нити.
Наиболее близким к заявляемому методу является оптический способ контроля угла крутки нити [Patent USA 5210594 May 11, 1993 Process And Device For Measuring The Twist Of A Textile Yarn], заключающийся в том, что производят анализ угловой диаграммы распределения светового потока в дифракционной картине, наблюдаемой от исследуемого материала при освещении поверхности нити параллельным пучком монохроматического когерентного света с круговым сечением, причем о величине искомого угла крутки судят по углу, измеренному между направлением на максимум в угловой диаграмме светового потока в дифракционной картине, и перпендикуляром к нити, проведенному в плоскости картины из ее центра. В этом методе диаметр светового пучка принципиально выбирают меньше, чем диаметр исследуемой нити. Анализ дифракционной картины, полученной в отраженном свете, производят с помощью экрана, в центре которого находится светопропускающая щель. Экран со щелью может поворачиваться вокруг вертикальной оси, соосной перпендикуляру, проведенному из центра дифракционной картины. Регистрируется направление щели, при котором прошедший сквозь щель световой поток имеет максимальное значение, соответствующее направлению на максимум в угловой диаграмме распределения светового потока в дифракционной картине.
К недостаткам этого способа можно отнести:
1. Метод пригоден для определения угла крутки комплексной нити, скрученной из множества моноволокон, но совершенно непригоден для контроля угла крутки нитей, скрученных из комплексных нитей (стренг). Дело в том, что в этом методе диаметр светового пучка принципиально выбирают меньше, чем диаметр исследуемой нити, а фактически, как это следует из описания соответствующего устройства, реализующего метод, это пятно с помощью линз фокусируют на исследуемой поверхности нити. В этом случае в угловой диаграмме светового потока, идущего от дифракционной картины, будет отражено направление волокон в скрученной стренге, которое очевидно зависит как от величины и направления крутки волокон в каждой стренге, так и от направления и величины крутки нити. То есть в этом случае будет измеряться не угол крутки нити, а некий суммарный угол ориентации отдельных волокон в стренге.
2. Очевидно, что при движении комплексной нити относительно малого светового пятна будет существенно меняться распределение светового потока и его величина в дифракционной картине из-за неров-ноты в ориентации элементарных волокон исследуемой нити, ворсистости нити и различий в ориентации соседних волокон тем большая, чем меньше световое пятно. Это должно сильно снижать точность измерений, которая очевидно должна зависеть также от оптических свойств и геометрии элементарных волокон.
3. Используемое для реализации устройство сложно в изготовлении, дорого, требует прецизионной настройки и квалифицированного обслуживания.
Целью настоящего изобретения является устранение этих недостатков, а именно, повышение точности измерения за счет уменьшения погрешности измерения при одновременном упрощении процесса измерения.
1
2
Поставленная цель достигается тем, что производят анализ угловой диаграммы распределения светового потока в дифракционной картине, наблюдаемой от исследуемого материала при освещении поверхности нити параллельным пучком монохроматического когерентного света с круговым сечением, причем о величине искомого угла крутки судят по углу, измеренному между направлением на максимум в угловой диаграмме светового потока в дифракционной картине, и перпендикуляром к нити, проведенному в плоскости картины из ее центра, отличающийся тем, что исследуют компьютерное микроизображение исследуемой нити, дифракционную картину от которого для такого освещения рассчитывают с помощью быстрого двумерного Фурье-преобразования, а об угловой диаграмме распределения светового потока в дифракционной картине судят по диаграмме углового распределения средней суммарной интенсивности засветки пикселей  которую рассчитывают в кольце, задаваемом радиусами R и R относительно центра дифракционной картины в полярной системе координат для каждого значения угла φ в диапазоне значений 0-2π; по формуле
p
где ΔS - площадь сектора кольца, ограниченного углом Δφ; в числителе стоит сумма интенсивностей пикселей изображения i, попавших в выделенный сектор ΔS; N - число пикселей в ΔS.
Существенными отличиями заявляемого решения являются:
1. «исследуют компьютерное микроизображение исследуемой нити». В прототипе исследовался освещенный участок исследуемой нити, который освещался монохроматическим когерентным светом.
2. «дифракционную картину Фраунгофера от которого для такого освещения рассчитывают с помощью быстрого двумерного Фурье-преобразования», то есть в случае, когда фронт волны совпадает с плоскостью микроизображения исследуемой нити. В прототипе дифракционная картина, создается при рассеянии света, идущего не только при отражении от поверхности наружных волокон, но и вследствие переотражения света от волокон, находящихся в глубине освещаемого объема. Эта картина в прототипе выводится на непрозрачный экран со щелью. Дифракция в этом случае не является фраунгоферовой и теоретически в общем случае не поддается расчету.
1
2
3. «об угловой диаграмме распределения светового потока в дифракционной картине судят по диаграмме углового распределения средней суммарной интенсивности засветки пикселей  которую рассчитывают в кольце, задаваемом радиусами R и R относительно центра дифракционной картины в полярной системе координат для каждого значения угла φ в диапазоне значений 0-2π; по формуле
p
где ΔS - площадь сектора кольца, ограниченного углом Δφ; в числителе стоит сумма интенсивностей пикселей изображения i, попавших в выделенный сектор ΔS; N - число пикселей в ΔS.
В прототипе анализ угловой диаграммы распределения светового потока в дифракционной картине производят с помощью поворота экрана со щелью вокруг вертикальной оси, соосной перпендикуляру, проведенному из центра дифракционной картины. Регистрируется направление щели, при котором прошедший сквозь щель световой поток имеет максимальное значение, соответствующее направлению на максимум в угловой диаграмме распределения светового потока в дифракционной картине.
1
2
Фиг.1 поясняет смысл сделанных обозначений в формуле изобретения (а) и работу предлагаемого решения (б). На Фиг. 1-а показана дифракционная картина от микроизображения нити, расположенной при съемке вдоль оси ординат, рассчитанная с помощью программы двумерного быстрого Фурье-преобразования [Шляхтенко П.Г., Кофнов О.В., Нефедов В.П. «Программа Фурье обработки микро-изображений поверхности текстильных материалов для определения значений периодических параметров исследуемой структуры». RU ОБПБТ №4(81). Программы для ЭВМ. Рег. номер 2012618350 (14.09.2012)]. Программа позволяла производить последующий расчет преобразования Фурье при освещении исследуемого микроизображения круглым световым пятном с экспотенциальным убыванием интенсивности света от его центра к периферии, хорошо моделирующем лазерное освещение. В центре рассчитанной дифракционной картины всегда находится точка с максимальной интенсивностью света, вокруг которой описывается кольцо с радиусами R и R, в площади которого рассчитывается диаграмма углового распределения средней суммарной интенсивности засветки пикселей  в рассчитанной дифракционной картине.
Для расчета этого распределения на персональном компьютере по формуле  была создана программа, результаты работы которой
показаны на Фиг.1-6.
Из этого рисунка видно, что угловая диаграмма имеет ориентированный характер, так, что максимальное расстояние от центра диаграммы соответствует направлению, в котором интенсивность максимумов в дифракционной картине имеет максимальное значение (Фиг.1-а). Программа определяет значение угла между осью абсцисс и этим направлением и высвечивает его в цифровой форме вместе со значением направления крутки исследуемой нити S или Z (Фиг.1-б).
На Фиг.2-а,б приведены компьютерные микроизображения моделей нитей (а) с S-направлением (I) и Z-направлением (II) крутки и соответствующие результаты их компьютерной обработки (б).
На Фиг.3-а,б приведены аналогично расположенные микроизображения реальных нитей (а), скрученных из 2 (I, II) и 3 (III, IV) одинаковых металлических проволок (стренг) с S-направлением (I, III) и Z - направлением (II, IV), снятых на компьютерном микроскопе Leica.
На Фиг.4-а,б приведены аналогично расположенные микроизображения текстильных нитей:
I - бежевая нить из полиэстера с линейной плотностью 26,8 текс с направлением крутки Z;
II - синяя нить марки "bestex" из полиэстера с линейной плотностью 40 текс с направлением крутки Z;
III - красная нить из смеси хлопка и вискозы с линейной плотностью 39,2 текс с направлением крутки S;
IV - белая нить хлопчатобумажная с линейной плотностью 96,08 текс с направлением крутки S.
Из сравнения данных Фиг.2-4 видно, что направление на максимум угловых диаграмм (б) во всех случаях совпадает с направлением перпендикуляра, проведенного к направлению наклона стренг исследуемого волокна в его центре (а). Поэтому контролируемый угол между перпендикуляром к направлению нити (осью абсцисс) и направлением на максимум угловой диаграммы равняется измеряемому углу крутки между наклоном стренги в центре нити и осью нити, совпадающей с осью ординат (как углы с взаимно перпендикулярными сторонами).
Результаты вычислений величины этого угла для всех исследованных образцов нитей проверялись непосредственно под микроскопом при измерении угла крутки нити. Во всех приведенных случаях наблюдаемое различие с доверительной вероятностью P=0,9 не превышало погрешности микроскопического метода (±0,5°).
Следует отметить, что результат вычислений по заявляемому решению не зависит от цвета и природы материала исследуемой нити.
Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что заявляемый безаппаратный метод работоспособен.