分梳绒测长系统2.0版的精确度与重现性考核

涂彩云，王府梅，马爱琴，温 润，庞瑞冬，王海霞，张雪波

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.新疆塔城地区纤维检验所，新疆 乌苏 834700；3.内蒙古鄂尔多斯资源股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；4.宁夏新澳羊绒有限公司，宁夏 银川 750400；5.莱州市电子仪器有限公司，山东 莱州 261400)

绒类纤维长度是用来评价其品质性能的关键指标，决定着纤维的最终用途和贸易价格，会直接影响纺纱加工工艺设置和成纱质量[1]。因此，检测绒类纤维长度是纤维商贸、工业生产、畜牧养育中必不可少的工作。

现有的绒纤维长度测试方法主要以下几种：①单根法，是最基础的长度测量方法；②手排法,是目前国内外检测机构等领域主要采用的一种绒类长度测试方法[2]，手工整理出将纤维从长到短依次排布的拜氏图，据图求出各项长度指标；③手扯长度测量法，是一种平均长度的简易测量法，不够精确，也不能获得短绒率、长度变异系数等指标，一般用于商贸领域快速测量原绒长度，结合原绒的平均直径对其型号和等级做初步评定；④仿HVI的光电检测法，是目前国际上仅有的山羊绒长度仪器化测试方法[3],代表性仪器有意大利产仪器Classfiber和德国产仪器MDTA4。前3种测长法的共同缺陷是操作繁琐、耗时耗力，且操作员技术的熟练程度、手的张力差异等会影响纤维长度测试结果，并且取样量少、结果的随机误差大，第4种测长法的取样量大、操作简单，但对于高卷曲度、天然有色的绒类纤维测长不准，并且仪器价格昂贵[4]。

因此，纺织和畜牧等相关行业急需一种快速、低成本且不受人为因素影响的绒类散纤维长度测量方法，要能够同时测得准确的平均长度、短绒率、长度变异系数等指标。基于此，2019年9月采用双须光电法[5-7]研制出了“山羊绒长度测量仪1.0版”[8-9]，并在2020年中国纤维质量监测中心 “分梳绒长度检测设备研制”项目(项目编号20CNIC01-5108)资助下，对山羊绒长度测量仪1.0版进行了多方面改进，研制出 “分梳绒测长系统2.0版”，可精确测量山羊绒、牦牛绒、驼绒、兔绒、绵羊绒等不同品种和不同颜色的分梳绒长度，本文对2.0版本测试仪器进行充分试用，并对其测量结果的精确度和重现性进行分析考核。

1 分梳绒测长系统2.0版简介

分梳绒测长系统2.0版是由取样和制样装置、光电检测装置和控制分析电脑3部分组成。如图1(a)(b)所示，借助多点快速取样器获得未梳理的5个小须丛，放入自动制样机汇集成约5～8 cm宽的大须丛，开启自动制样机完成自动梳理和熨烫定形等工作后，得到一个双端随机须丛(见图2)，每1个须丛中包含近万根纤维。随后，采用移样板将须丛放入图1(c)中光电检测器的玻璃试样台上，电脑控制光电检测器测量得到须丛透光图片后，由须丛每一点的透光信息自动计算纤维须丛线密度曲线，进而得到纤维长度的频率分布图和质量/根数平均长度、短绒率、长度组间变异系数等长度指标。仪器具有抽样试验误差率的自选功能，在误差1～2 mm的设置下，每种试样一般需要测试3～7个须丛。

图1 分梳绒测长系统2.0版的硬件组成

图2 双端随机须丛

分梳绒测长系统2.0版的优势在于：①仪器测试操作简单、精度高、耗时短、成本低；②制取所得双端随机须丛所含纤维量大，相较于手排法，更能反应一批试样的长度特征；③可根据双端随机须丛的线密度曲线(须丛曲线)计算出纤维长度的频率分布和所有长度指标。

分梳绒测长系统2.0版在1.0版基础上的主要改进有：采用自动制样机代替1.0版的手工制样，提高须丛制作效率；为了扩大适用的试样范围，在数据处理模块考虑了试样的三维颜色指标；分别计算了纤维长度的总变异系数和组间长度变异系数，使结果与现有测试方法更具对比性；通过增加测试8 mm以下短绒能力(1.0版忽略了8 mm以下短绒)和须丛头端虚拟拉直等方法，改进了短绒率的测试精度；增加了抽样试样误差率的可选功能(1.0版以恒定的保证误差率计算“推荐须丛个数”)，操作人员可选择或自行设定所需误差率，以满足不同用户需求，设置误差值越小，需要制作和测试的须丛个数越多。

2 实验设计

2.1 精确度考核实验与数据处理方法

前人详细研究过双须光电法纤维测长仪硬件设备本身的测试精度，证明光电检测器的长度测量误差<0.25 mm[10]，数据计算误差可以忽略不计，该测试法的主要误差来自随机抽样试验误差。本文通过对比测试，考核该测试法的整体精确度。

目前，羊绒长度测量方法中手排法应用最为普遍，自动化的分梳绒长系统Classfiber和MDTA4都存在很多关于精确度和适用性的质疑，所以，本文以普遍采用的手排法数据为基准，对比分析37种分梳绒试样在2种不同测试方法下所得各长度指标的相关性及平均偏倚，验证分梳绒测长系统2.0版精确度以及与手排法的一致性。手排法是将抽取的纤维整理平直，从长到短依次均匀排开，形成纤维纵向平直、横向长度为(250±10)mm的长度分布图，见图3(a),并用笔将纤维排列分布图描绘在透明坐标纸上，再由该图计算纤维的各个长度指标。

37 种试样包括山羊绒33种(白绒13种、青绒10种、紫绒10种)、兔绒2种、牦牛绒1种、骆驼绒1种。试样序号用1#～37#进行标记。

手排法的常用测试结果为根数加权类指标，分梳绒测长系统2.0版的测试结果为质量加权类指标，为进行对比，采用手排法画出的长度拜氏图，以2 mm组距分组，在纤维等线密度均匀排布的假设下换算出质量频率分布和质量加权类长度指标[11-12]。

分梳绒测长系统2.0版测试数据结果中包含质量/根数加权平均长度、质量/根数短绒率、质量/根数长度组间变异系数和总变异系数，根据变异相加定理([总变异系数]2=[组间变异系数]2+[组内变异系数]2)，手排法只有组间变异系数，因此分梳绒测长系统2.0版与手排法数据只对比前3项长度指标，下面的变异系数均指长度组间变异系数。

分梳绒测长系统2.0版精确度考核实验中，设置的抽样试验误差率小于5%(对长度40 mm以下的纤维误差小于2 mm)，并且每种纤维至少测试3个须丛。手排法试验多数是由具有检测资质单位的技术人员完成，包括鄂尔多斯国家羊绒制品工程技术研究中心、北京毛纺织科学研究所、上海SGS公司，部分青绒和紫绒的手排法实验由提供试样的宁夏新澳羊绒有限公司完成。

采用式(1)计算2种测试方法或2次测量指标间的平均偏倚ε：

(1)

式中：Y1表示第1种测试方法或第1次测试数据；Y2表示第2种测试方法或第2次测试数据；m为测试的试样个数。

2.2 各测试方法重现性考核实验

分梳绒测长系统2.0版的重现性是在相同的实验条件下，选取17种试样进行重复实验。其中分梳绒测长系统2.0版第1次测试设置误差值<2 mm，第2次为提高测试结果精确度，除4#、10#试样量不足的设置误差值<2 mm外，其余试样设置误差值均为<1 mm。通过对比2次测试结果，分析分梳绒测长系统2.0版的重现性。

为与手排法的重现性进行对比，委托不同单位对7种试样分别做了手排法测试。以平均偏倚为依据，对比手排法重现性测试样结果，分析分梳绒测长系统2.0版测试系统的稳定性。

3 结果与讨论

3.1 各测试方法的重现性考核

充分了解分梳绒测长系统2.0版及手排法测试结果的重现性或稳定性，有利于进一步分析2种测试方法的一致性和分梳绒测长系统2.0版仪器的精确度。

3.1.1 分梳绒测长系统2.0版的重现性

分梳绒测长系统2.0版测试所需的试样量比较大，40 g分梳绒只能制作4个须丛(制样后的剩余纤维不再适用于长度测试)，根据本文设定的保证误差率需要80 g以上试样。选择试样量比较多的17种试样进行了重现性试验，结果见图3。图3中双须法①、双须法②分别表示用分梳绒测长系统2.0版测试第1次和第2次的结果，同时给出手排法结果以便对照。图3中用直线连接相邻点，目的是方便区分，该直线无任何物理意义。

2次分梳绒测长系统2.0版测试所得数据分析结果参见表1，其质量加权平均长度、短绒率、变异系数的平均偏倚分别为0.95 mm、0.89%、2.23%；根数加权平均长度、短绒率、长度变异系数的平均偏倚分别为2.21 mm、3.13%、2.67%。显然，除去个别试样，平均偏倚都很小，说明分梳绒测长系统2.0版仪器的稳定性或重现性好,主要是因为分梳绒测长系统2.0版测试的试样量大、硬件精度高。下面与手排法的重现性作对比分析。

表1 重现性测试结果的平均偏倚和最大偏倚

3.1.2 手排法的重现性

采用分梳绒测长系统2.0版测试过程中发现，约20%试样的测试结果与手排法数据的偏倚比较大，参见图3(a)。于是，委托有资质的检测单位对这些试样进行第2次手排法测试，前后2次手排法的测试结果对比见图4。依据式(1)计算2次手排法的平均偏倚和最大偏倚见表1。

经计算，2次手排法的质量加权平均长度、短绒率、长度变异系数的平均偏倚分别为4.63 mm、3.46%、4.54%；根数加权平均长度、短绒率、长度变异系数的平均偏倚分别为4.84 mm、7.14%、4.02%，显然，2次手排法结果的差异比较大，说明手排法的重现性不理想。2次手排法结果差异的主要原因之一是2次实验小样之间的随机差异，由于手排法试样量少，试样的随机差异比较大；其二是手排法操作本身的随机误差。

3.1.3 2种测试法的重现性比较

由表1中2种测试法的平均偏倚可以看出，分梳绒测长系统2.0版各项指标的平均偏倚小，且最大偏倚也小。分梳绒测长系统2.0版长度指标最大偏倚值大多数源于10#试样，该试样的2次手排数据差异也较大(见图4)，分析判断为该试样本身的不均匀性大引起的误差。由于目前山羊等产绒动物的牧养规模较小，且一只成年绒山羊的产绒量只有500 g左右[13]，商贸中每包或每个批号的绒纤维可能是数群山羊的绒混拼而成，各群山羊的取绒时间和牧养条件等造成每个批号内部包含有不同长度的绒纤维，造成各次测试所用试样的差异，测试结果的随机波动在所难免。

图4 手排法重现性数据结果

表1的结果整体说明，分梳绒测长系统2.0版的重现性远远优于手排法。

图5是随机拍摄的手排法长度分布图，从中可以看出手排法本身的随机误差。图5(a)的手排法测试时，有意无意地将较短纤维密集排列，没做到纤维完全均匀排布；而图5(b)显示，为获得“好看”的手排图，超长纤维没有伸直，且有些测试机构不测试8 mm以下的短绒。这都会导致手排法测试结果特别是短绒率和长度组间变异系数的更大误差。

图5 手排法纤维长度分布图

关于手排法长度测试的随机误差，可以从中国毛纺织行业协会山羊绒专业委员会2021年绒毛比对试验报告中看得更清楚[14]。图6为24家实验室对同一试样手排法测试的平均长度的分布情况，横坐标为根数加权平均长度，纵坐标为纤维平均长度的分布率，以1 mm为组距，24家数据被分为11组。手排法测试的根数平均长度的最小值29.95 mm，最大值40 mm，极差10.05 mm，中位值35.36 mm，企业平均值35.91 mm，检测机构平均值34.16 mm。分梳绒测长系统2.0版的测试值为33.20 mm，与检测机构测试结果的平均值只相差0.96 mm。

图6 手排法平均长度的分布

3.2 分梳绒测长系统2.0版的精确度考核

图7为分梳绒测长系统2.0版和手排法的各项长度指标间的对应关系，横坐标为手排法测试结果，纵坐标为分梳绒测长系统2.0版测试数据，黑线表示理想状态下的直线。对应指标间的相关系数R及由式(1)计算各指标下的平均偏倚值ε如表2所示。

图7 分梳绒测长系统2.0版与手排法对应指标的关系

表2 分梳绒测长系统2.0版与手排法对应指标间的相关系数及偏倚(试样数37)

由图7(a)(d)和表2可知，分梳绒测长系统2.0版与手排法的平均长度一致性高，2种测试方法的平均长度相关系数均超过0.80，平均偏倚小于2 mm，说明分梳绒测长系统2.0版长度测试的准确度高。至于少数实验点离开理想相关线比较远，结合3.1节的重现性考核结果可以判定，主要原因是手排法实验的随机误差高，次要原因是分梳绒测长系统2.0版也存在取样随机误差。

2种测试方法短绒率及长度变异系数的平均偏倚也比较小，少数实验点远离理想相关线的主要原因还是手排法实验的随机误差高，次要原因是分梳绒测长系统2.0版也存在取样随机误差。至于2种测试法短绒率及长度组间变异系的相关系数不够高，是因为实验数据的分布范围太小，找不到差异性更大的试样。此外，表2中根数短绒率的相关系数高于质量短绒率，其原因在于37种试样根数短绒率在0%～35%间呈较均匀分布(见图7(e)),而这些试样质量短绒率多集中分布在5%左右(见图7(b))，实验数据分布范围小的相关系数也会小。

4 结 论

以当前普遍使用的手排长度测试结果为基准，考核了分梳绒测长系统2.0版的精确度和重现性，结论如下：

①分梳绒测长系统2.0版各长度指标的2次测试结果平均偏倚和最大偏倚远小于手排法，说明分梳绒测长系统2.0版的重现性高，测试结果稳定可靠。

②37种分梳绒纤维的对比测试证明，分梳绒测长系统2.0版测试的质量/根数加权平均长度与手排法指标的相关系数均大于0.80，且平均偏倚均小于2 mm,同时分梳绒测长系统2.0版与手排法短绒率及长度变异系数的平均偏倚也比较小，说明分梳绒测长系统2.0版的准确度高，结果可信，并且适用于山羊绒的白绒、青绒、紫绒和兔绒、牦牛绒、骆驼绒等常见分梳绒纤维的长度测试。