专利名称：用于光学扫描移动纺织材料的仪器和方法
技术领域：
本发明涉及纺织材料测试领域。根据独立权利要求的前序，其涉及用于光学扫描移动纺织材料的仪器和方法。本发明可以用于例如纺纱机或者绕线机中的光学清纱器。
背景技术：
目前已知许多不同的用于测试纺织材料的仪器和方法。取决于应用，它们可以被分为实验室测试(脱机)和生产过程(在线)测试两种类型。各种各样的传感器原理被使用于纺织测试仪器里。一个特定的传感器原理的应用取决于很多因素，其中之一是被最佳探测的属性。经常使用的传感器原理，特别是纱线测试中，是电容和光学原理。在后者中， 光源照亮纱线，与纱线相互作用的光被光检测器检测到。这使得可以确定例如纱线厚度或者杂质的存在。WO 93/13407A1提供一个用于检测异纤的光学清纱器的例子。穿过测量间隙的纱线被光源发出的调制光照亮。第一传感器吸收被纱线反射的光，同时第二传感器吸收被纱线传送的光。两台传感器输出的电信号被相互结合成为一个输出信号，例如它们被累加， 通过这种方式输出信号指示纱线里异纤的存在，但是不依赖于纱线的直径任何变化。已知更多的用于检测杂质的光学清纱器是基于同样的测量原理。与纱线光相互作用不同的两个光信号被探测，并且被相互结合，通过这种结合方式，该组合信号只表明潜在的杂质而不是在直径方面的变化。根据US5，383，017A和US5，414，520A，该组合是商数形成的。 US5, 768，938A更进一步在测量间隙和光源或者传感器之间提供光传输组件作为光导，该光传输组件被设置在一个与纱线垂直安装的平板里。ΕΡ-Γ 655，599A2和ΕΡ-Γ 655，600A2中的清纱器的光学测量头效仿了 US5, 768，938A的。纱线被两个测量头内的光源照亮。与光源相对安装的第一光接收器探测被纱线传送的光，布置在光源附近的两个远光接收器探测被纱线反射的光。在测量间隙和光源或者传感器之间提供光传输组件作为光导。根据EP-1，655，599A2，测量头被这样布置， 其方式是测量间隙的相对壁的投影可以没有纱线的情况下被光接收器检测到，该投影实质上配置在壁被光源直接辐射照亮的面积的外部两侧上。因此，抑制了寄生信号的干扰影响并且改进异纤的识别。EP 1’655’600Α2提议设置光源作为有朗伯(Lambertian)辐射特性的辐射体。引导光从测量间隙到第一光接收器的光传输元件包括光阑和透镜，其中光阑被成像在无限距离。一个扩散镜设置在光源和光阑之间，其产生辐射，该辐射穿过光阑，并且对称于透镜的光轴。测量结果的质量由此改进。W000/20849A1公开了检测纱线中杂质的一台仪器。一个照明元件以半球形的方式布置于纱线上方并且包括分布于半球的具有相同波长的光源。全部光源都指向半球中心， 纱线通过该中心被移动。物镜将被照亮的纱线成像到检测器上。一个特别明亮和单色的光点产生于中心周围，该光点可以被提供在检测器之前的光阑限制以达到更好的空间分辨率。这台仪器是紧密和节省空间的。其达到了投射纱线部的集中照亮，因而纱线可以被高速移动同时杂质仍然能被可靠检测到。
而且，已知许多用于检测杂质的光学纱线清纱器，其用两个或更多不同的光波长操作，以分辨杂质和纱线的基材和/或互相分辨。根据EPO ’ 399 ’ 945A2或者EP 0，652，432A1 的清纱器，每个使用宽带光源和两个选定波长的光检测器，例如其中一个对红光敏感另一个对绿光敏感。在两个检测器信号的相同变化仅仅指示纱直径的变化，但是不同的变化指示纱线内的杂质。这个设备的物理反转由第二实施例提供，其中一个红色和一个绿色光源，被以脉冲的方式连续操作，并且一个宽带光检测器被提供。W000/73771A1在红外的范围(IR)内使用两个波长，以更好发现棉中的聚丙烯。根据WO 2007/010325A1，一个光元件处于可见光的区域并且第二个处于电磁谱的红外(IR)或者紫外线(UV)区域。WO 03/008950A2提出不分别而是同时并且共同检测两个光组件，其中不同的异物可以根据不同的信号摆幅被相互区分。使用两个光波长的杂质检测可以被扩展到3个波长，例如红色，绿色和蓝色。以这种方法纱线的颜色已能够被大约确定。这些的例子可以见于EP 1，018，645A1，WO 95/29396A1, WO 2004/044579A1 和 WO 2007/012936A2o 在上述杂质清纱器中，纱线被光照亮，该光包含两个或更多有不同的波长或者颜色的组件。为了产生这种光，使用多个窄带光源的连续操作(例如发光二极管，即所谓LED)或者宽带光源(例如一盏白炽灯，多LED或者发光转换LED)都可以实现用于产生这种光。波长的选择在前一种情况下，通过光源的操作时间顺序产生，而在后一种情形中通过空间选定波长的光检测器。在具有不同光源的杂质清纱器中不同光源不可避免被布置在不同位置，即使它们彼此接近。如果这些光源的光被一个普通透镜校准，不同颜色的部分束流被在透镜后获得， 该束流沿着不同的发射角从透镜向纱线延伸。因此，存在这样的测量场区，该测量场区被这些局部束流之一或者多个或者所有照亮。那是为什么可能存在，纱线中的杂质在其被杂质清纱器中检测期间，被放置在一个没被全部局部束流的照亮区域中。这能导致错误的测量结果并且是不希望有的。理想地，异物在它的检测期间应该总被设置在被全部局部束流照亮的区域内。但是，目前工艺水平无法保证。该问题可以发生在纱线在纵向的另一面，因为纱线在纵向移动地穿过测量区。另一方面，由于纱线在横向上的传输是很少稳定的，问题可以在与纵向相切的方向发生。可以通过有意在测量场局部区分开不同颜色区域来避免这个问题，并且通过计算修正将在不同的颜色的区域按时间连续的方式发生的测量的样本偏置带入到时间的一致中，该样本偏置，人们可以避免这个问题。但是对于这样的样本偏置的修正需要实际纱线速度，该速度在这种情况下是很小的。在这种情况下纱线的平均速度是不足的，因为由于线轴上的纱线的横向运动导致其实际速度能背离平均速度的士30%。
发明内容
本发明目的是提供一种用于光学扫描移动的纺织材料的仪器和方法，其保证纺织材料被涉及的光组件扫描。与不同的光组件相关的传感器信号能够以一种简单和准确的方式结合而不需要确切地知道纺织材料的实际速度。这种仪器和方法不受纱线移动的波动影响。通过独立权利要求限定的本发明的仪器和方法实现这些以及其它目的。有益的实施例被在从属权利要求里提供。根据本发明，通过使用至少一个场阑，选择只有照亮测量场的区域可以被全部光源照亮。这导致检测器的整个视野被所有涉及的颜色照亮这样的结果。检测器不能探测到任何例如只被一种颜色照亮的位置。因此可以避免样品偏置的修正。这样看起来至少两个光源被布置在相同的位置。根据本发明的这个措施可以用于仪器的所使用的全部检测器， 包括光传输检测器和光反射检测器。场阑被在光学技术方面理解是一种限制射线束流扩张的元件，并且其确定物体被投射区域的扩张。通常，场阑切断图像的边界地区。人们可以区分入射光瞳和出射光瞳。 入射光瞳是系统入口并且其限制被系统投射的最大场角。出射光瞳是系统的出孔，并且一旦束流已经通过系统，其同样限制最大场角。孔径光阑另一方面确定图像内的光通量。在本说明书中的术语“场阑”或者“孔径光阑”被详细解释于例如在E. Hecht, A. Zajac的《光学》，Addison · Wesley出版公司，1974，第5. 3部分。因此，依据本发明的用于光学扫描移动纺织材料的仪器包含纺织材料的路径、布置在不同位置并且具有不同的光谱发光特性用于照亮各自路径的照亮区的至少两个光源、 以及用于检测来自不同照亮区的光的光检测器。至少一个场阑只允许来自特定扫描区的光可以碰击到光检测器，该扫描区是所有照亮区的交集的子集。该子集可以是真子集或者等同于交集的集合。所述至少一个场阑可以通过入射光瞳和/或出射光瞳实现。光源，路径以及光检测器被彼此布置如下，其方式是光检测器检测纺织材料上传送的或者从纺织材料反射的光。在一个优选实施例中，提供了多个光检测器，其中至少一部分，优选为确切一个检测器，用于检测纺织材料传输的光以及，至少另外一部分，优选为确切两个检测器，用于检测纺织材料反射的光。光传输元件例如由塑料做成的波导可以被提供给位于纺织材料的路径和光源或者光检测器之间的光导。如果光源中的每个都发射光，其波长谱实质上是连结的、限定的光谱范围，并且其中不同光源的光谱范围实质上不重叠彼此，这样是有益的。因此，光源优选作为设置为发光二极管(LED)。在优选实施例，提供了发射红光和绿光的发光二极管。光源可以被容纳在普通外壳里，其优选被整体铸造，并且透明于发射光。该外壳能同时作为发射光的准直透镜。根据本发明的仪器在纺织材料里用于杂质的检测，优选在纱线中。其有益于在纺纱机或者绕线机中的清纱器里使用。依据本发明的用于光学扫描移动的纺织材料的方法中，纺织材料被具有不同光谱特性的至少两个光元件照亮到各自的照亮区里。来自不同的照亮区的光被检测，其中只采用来自特定扫描区的光，该扫描区是全部照亮区交集的子集。被检测的光可以用于在纺织材料优选纱线里检测杂质。在本文中，例如“光”、“照亮”应不仅适用于可见光，同样也适用于从紫外线(UV) 和红外光(IR)的相邻的光谱范围的电磁辐射。
参照示意图，下面将在更详细的细节里介绍本发明。图1示出根据本发明第一实施例具有传输扫描的仪器的一个侧视图。图2示出图1的仪器的不同照亮区域的一个前视图。图3示出根据本发明第二实施例具有传输扫描的仪器的一个侧视图。
图4示出根据本发明第三实施例具有传输扫描的仪器的一个侧视图。图5示出根据本发明第四实施例具有传输扫描的仪器的一个侧视图。
具体实施例方式图1显示根据本发明的仪器1的第一实施例的侧视图。纺织材料9例如纱线沿着预定路径91移动穿过仪器1。该移动方向与纱线9的纵向相同，如图1里箭头90所示。为了照亮纱线9或者路径91，仪器1包括两个不同颜色的光源21，22。在本实施例中这涉及两个发光二极管(LED)，例如发射红光71的第一 LED 21以及发射绿灯72的第二 LED 22。光源21，22优选分别被光源控制单元的仪器(未示出)控制。优选地，它们的强度被周期性地调制。在两个光源21，22的情况下，强度曲线可以被相移90°，以便可以进行正交解调。或者，光源21，22可以被连续地转换开启与闭合。重要的因素在于选择周期光源调制的频率在一个高的水平以使得纺织材料9在一个时段内只覆盖一段距离，该距离与被两光源21、22照亮的扫描区85的延伸长度相比较�。叛≈辽傩∮�10倍。一个例子将被说明，在其中纱线9以ν = 2000米/分=33米/秒的速度被移动通过仪器1，并且被 f = 300千赫的扫描频率扫描。因此纱线将在T = 1/f = 3.3 · 10_6秒的时间内覆盖距离 S = V-T = O. 11毫米，那段距离显著小于扫描区85的直径，该直径大约是D = 1. 5毫米。 因此在本例中扫描频率f被选择在足够高的水平。对于下述内容，使用的扫描频率f的选择优选f彡10 · v/D。两个LED 21，22被容纳在普通外壳3里。外壳3完全由一种透明于光71，72的塑料材料铸造，并且包括弯曲的界面31，该界面面对纱线路径91。外壳3因此作为一个准直透镜，其将LED 21，22发射的光71，72收集到照亮射线束流73，74，这些束流尽可能地平行。 被铸造进透明外壳3的这样的多彩LED21，22可以是商业应用的，例如日本德岛的Nichia 公司，或者德国慕尼黑的Osram GmbH公司。很自然地，不同的LED 21，22不能安装在外壳3里相同的位置而是设置在不同位置。两个LED 21，22优选被安装对称于仪器1的光轴10。它们的彼此距离可以是例如大约 0.7毫米。由于该偏置，两组照亮射线束流73，74具有相对于光轴10不同的发射角。那是为什么两个LED 21，22在纱线途径91上照亮不同的照亮区域81，82的原因，其在图2的前视图里显示。与绿色照亮区82相比，红色照亮区域81被放置在相对于纱线移动方向90更前面，其中两个照亮地区81，82的偏置是大约1. 5毫米并且他们的各自的直径可以是大约 3毫米。仪器1还包括光检测器6，用于检测与纱线9相互作用的光75。在图1的实施例中，其涉及传输自纱线9或者过纱线9的光75。检测器边上的成像光学仪器4将纱线9投射到检测器6。检测器6将到碰击到同处的光强转变成一个电输出信号，其与光强成正比。 该输出信号被电缆传导到一个评估仪器，它们都没有被显示。输出信号在评估仪器里被适当的方式反调制，以获得分别对应于光组件73，74的各个信号分量。信号分量然后被评估， 优选相互结合，以获得关于纱线9 (例如纱直径和/或包含在纱线9里的杂质)的参数信息。 该评估可以使用模拟和/或数字方式实现。在使用不同的颜色的光源时，用于评估检测器信号的适当的方法和仪器可以从前面引用的现有技术了解，因此不必在此详细解释。在集合论的描述下，下列符号清楚描述本发明的功能
R =在红色照亮区域81里所有点集，并且G =在绿色照亮区域82里的所有点集。如果来自照亮区域81，82全部光都被检测，如果因此检测器看见并集R U G，这还将包括来自红色部分区域83的完全红色亮点(例如差集R\G)和绿色部分区84的完全绿色亮点，即差集6\1 。然而来自这样的单色的部分区域83，84能够导致的错误的测定值，因为评估算法需要两个光组件71，72都同时被检测。这是本发明的起点。根据本发明，将只有来自照亮区域81，82交集R Π G的光，例如从呈圆盘形状的扫描区85，被检测。扫描区 85的点集A因此是照亮区域81，82交集R Π G的子集Ac R nG ,其中A可以是一个真子集(AcRo(})或者可以等于子集(A = RnG)。为此目的，仪器1包括出射光瞳52，其只允许来自扫描区85的光75碰击光检测器6。在图1的实施例中，出射光瞳52被作为一个单独的光学组件布置，其被放置在检测器6正前方或者检测器6上。这样的出射光瞳52也可以通过检测器6的感光膜的大小配置而不需要额外的光学组件。在图3的侧视图里显示了根据本发明的仪器1的第二实施例。本实施例类似于提供给图1中的实施例，以便相同的附图标记用于与彼此相对应的元件。在两个实施例相关的区别是在图3里检测器6检测在纱线9上反射的光75。在本例中，光轴10没有被垂直安装，而是相对倾斜于纱线9的纵向90。这对于在纱线9上反射的光75的检测是不必要的。能够将光源21，22 (除相互偏置外)和检测器6实质上在一个平面里设置，该平面相对纱线9的纵向90垂直竖立。如果根据图1的传输测量也在相同的仪器里进行，用于传输测量的检测器也能被布置在上述平面里。US5，768，938A或者WO 2004/044579A1公开了有多 LED光源，两个反射检测器和一个传输检测器的清纱器探头，这些组件被布置到垂直实质于纱线纵向的一个平面内。这样的探头布置也能用于本发明。如图3中所示在纱线9上的菲涅耳光反射涉及理想的简化处理。通常，光73，74被散射在纱线上。这不改变本发明的操作原理相关的任何事情。图4显示了根据本发明仪器1的第三实施例。与图1的实施例的类似，本实施例在传输过程中工作，但是没有成像光学仪器4。它包括在在纱线9之后的入射光瞳51以及在检测器6之前的出射光瞳52。这两个场阑51，52保证在合适的结构和设备的情况下，只有来自扫描区85的光75碰击到检测器6。图5显示了检测器边上的光导的第四实施例。与纱线9相互作用的光75在波导 53里被从路径91引导到检测器6。波导53可以由透明于使用光的材料例如玻璃和/或塑料制成。它的壁可以具有反射性涂层或者被引导的光可以被在壁上的全反射所反射。壁或者是可以配有散射配置，例如通过变粗糙和/或涂层。根据本发明，波导53，即它的形状和它的光学性能，被配置并且布置使得只有来自扫描区85的光75将到达检测器6。纱线边端面M的定界在这种情况下作为入射光瞳51 (见图4)，并且检测器边端面55的定界作为出射光瞳52。而且，端面M，55的数值孔径也在确定扫描区85中起作用。 也可以在光源21，22之间提供波导。US5, 768，938A公开了在光源或者光检测器和
纱线之间用于导光的波导，但是其中没有提及关于孔或者场阑的内容。 需要了解的是本发明不局限于上述实施例。熟悉现有技术的本领域技术人员能进一步推导的本发明的变型也属于本发明的保护内容。如已经被提及了的那样，仪器1可以包含用于在纺织材料9上传输的光以及在纺织材料9上反射的光的光检测器在一起，例如可以布置为图1和图3实施例的组合。多个检测器分别被提供给传输和/或为反射光，优选为一个检测器用于传输光和两个检测器用于反射光。在图1，3和4的实施例中，两个光源21，22都设置在一个平面中，该平面包含纱线 9的纵向90。但是，这不是必然的。可以布置光源21，22在垂直于纵向90的平面内。这样图2的照亮区域81，82将旋转90°，但是扫描区85将基本上保持不变。这样的仪器能够特别抵抗纱线运行中的波动。本领域的熟练技术人员可以理解照亮区域81，82以及扫描区 85都不需要以圆盘的方式形成。提供超过两个光源是可能的，例如具有红色、绿色和蓝色的三个光源。除了或者可以替换可见光，纺织材料可以被紫外线和/或红外辐射照亮。为了提供光导更清洁的照亮和本发明的更好解释，在附图1，3和4里的照亮被以直的照亮射线束流73，74的形式显示。 提供路径91替换的漫射照亮是可能的并且在某种情况下甚至有利的。被检测的光75也能漫射，该漫射可以通过波导53 (参阅图幻的壁的散射配置或者通过在接收端的束流路径内的漫射屏实现。附图标记列表1 仪器10 光轴21，22 光源3光源的外壳31外壳的边界面4成像光学仪器51入射光瞳52出射光瞳53 波导M纱线边上的端面55检测器边上的端面6光检测器71，72发射的光73，74照亮射线束流75来自扫描区的光81，82 照亮区83，84照亮区的单色的部分区85扫描区9纺织材料90纺织材料的纵向和运动方向91纺织材料的路径
权利要求
1.一种用于光学扫描移动的纺织材料(9)的仪器(1)，包括用于纺织材料(9)的路径 (91)，在不同处布置的至少两个光源01，22)，所述至少两个光源发射具有由于不同的光谱特性的光(71，72)用于照亮路径(91)的各自的照亮区域(81，82)，以及用于检测来自不同照亮区域(81，82)的光的光检测器(6)，其特征在于至少一个场阑(51，52)，该场阑只允许来自扫描区(85)的光(75)碰击到光检测器 (6)，该扫描区(85)是的全部所述照亮地区(81，82)的交集的子集。
2.根据权利要求1所述的仪器(1)，其中所述至少一个场阑(51，52)是通过入射光瞳 (51)和/或出射光瞳(52)实现的。
3.根据权利要求1-2之一所述的仪器(1)，其中所述光源01，22)，所述路径(91)和所述光检测器(6)彼此间通过如下方式设置，其方式是所述光检测器(6)将检测在所述传输纺织材料(9)上传输或者被所述纺织材料(9)反射的光(75)。
4.根据权利要求3所述的仪器(1)，其中多个光检测器被提供，多个光检测器中至少一部分，优选确切一个，检测在所述传输纺织材料(9)上传输的光，并且至少另一部分，优选确切两个，检测所述被纺织材料(9)反射的光。
5.根据前述的权利要求之一所述的仪器(1)，其中光传输组件(53)，例如由玻璃和/或塑料做成的波导，在所述路径(91)和所述光源(21,2 之间被提供给光导。
6.根据前述的权利要求之一所述的仪器(1)，其中所述光源01，22)中的每个都发射光(71，72)，其波长谱实质上是连结的、限定的光谱范围，并且其中所述不同光源01，22) 的光谱范围实质上不重叠彼此。
7.根据权利要求6所述的仪器(1)，其中所述光源(21,2 被布置为发光二极管。
8.根据权利要求7所述的仪器(1)，其中提供了一个发射红光(71)的发光二极管和发射绿灯的发光二极管02)。
9.根据前述的权利要求之一的仪器(1)，其中光源(21,2 被安放在普通外壳(3)里， 其优选被整体铸造，并且为透明于所发射的光(71，72)。
10.将根据前述的权利要求之一的仪器(1)用于检测在纺织材料(9)里的杂质，优选在纱线里。
11.一种用于光学扫描移动的纺织材料的方法，其中所述纺织材料(9)被具有不同光谱特性的两个光组件(73，74)在各自的一个照亮区域(81，82)里被照亮，并且来自不同所述照亮区域(81，82)的光被检测，其特征在于只有来自扫描区(85)的光(75)被检测，且所述扫描区是一个全部照亮区(81，82)的交集的子集。
12.根据权利要求11所述的方法，其中被在纺织材料(9)上传送和/或被纺织材料(9) 反射出的光(75)被探测。
13.根据权利要求11或者12所述的方法，其中各个光组件(73，74)各自的波长谱是实质上连结的、限定的光谱范围，并且不同的所述光组件(73，74)的光谱范围实质上不重叠彼此。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述纺织材料(9)被红光(73)和绿光(74)照
15.根据权利要求11到14之一所述的方法，其中所述被检测光(7 被使用以检测纺织材料(9)内杂质，所述纺织材料优选为纱线。
全文摘要
用于光学扫描移动的纺织材料(9)的装置(1)含有用于纺织材料(9)的路径(91)。至少两个光源(21，22)设置在不同位置并且发出具有不同光谱特性的光(71，72)到路径(91)的各自的照亮区域(81，82)里。来自不同的照亮区域(81，82)的光被光检测器(6)检测。至少一个场阑(52)只允许来自扫描区(85)的光(75)可以碰击到光检测器(6)上，该扫描区是全部照亮区域(81，82)交集的子集。纺织材料(9)因此被所有涉及的光组件(73，74)扫描。
文档编号G01N21/89GK102483381SQ201080039801
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月23日 优先权日2009年9月7日
发明者P·皮拉尼, 汉斯鲁迪·万普费尔 申请人:乌斯特技术股份公司
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