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基于机器视觉的成形网透气量无损检测方法

- ORCID：
李静 ^1,2
✉
- ORCID：
章云 ¹

1. 广东工业大学，广东广州，510006； 2. 江门市泰林精密机械有限公司，广东江门，529030

中图分类号： TS737⁺.5； TP391.4

最近更新：2023-07-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2023.07.018

摘要

本课题提出了一种无损、全方位的成形网透气量检测方法，该方法利用工业相机采集图片数据，通过大津法计算开孔率，并根据开孔率与透气量的关系计算透气量。针对织物52SSB网面进行测试，该方法测得结果与透气仪测得结果最大相对误差为0.33%，可实现无损、全方位检测。

关键词

成形网; 透气性; 开孔率; 均匀性

成形网是造纸生产过程中主要的贵重耗材之一^[

1]，其使用寿命直接关系生产成本，这是因为其更换需要一定时间，会严重影响生产计划和生产周期，从而使整条生产线的效率及综合成本受到影响。因此，成形网的质量检测技术研究尤其重要。

成形网分为单层成形网和多层成形网，市售成形网以3层成形网为主^[

2-5]，透气性能是成形网的重要指标。成形网的透气性能是指当网面两侧存在压差时，空气从成形网的气孔透过的能力，一般以经、纬纱线交织的孔隙和纤维间缝隙为路径完成。因此，成形网的透气性能由纤维间的气孔数量及尺寸决定。单层成形网的透气性能通常使用透气量表征，即单位面积、单位时间内垂直透过成形网的空气量，其也可在一定程度上反映多层成形网的脱水性能^{[参考文献 6-8}6-8]。透气量越大，多层成形网的脱水性能越好。透气量提高，成形网的脱水速度加快，纸浆纤维在成形网的絮凝时间缩短，使纸浆纤维间的交联程度增加，从而增强纸张的抗张强度和撕裂度。目前，透气量一般通过人工裁剪样本，再经过透气仪进行有损检测，但该方法无法保障全部产品的质量，存在一定局限性。

机器视觉是智能制造中极为关键的组成部分，使用机器替代人眼和大脑进行测量及判断的方法已逐渐应用到造纸行业^[

9-10]。基于此，本课题提出一种基于机器视觉的无损、全方位的成形网透气量检测方法。

1 现有透气量检测方法

目前，造纸网生产厂家采用透气仪检测成形网透气量的具体操作如下：①在成形网进行插接之前，先在首尾处裁下一部分网面样本；②将网面样本放置在图1所示位置，通过辅助压力设备使样本两侧保持压差100 Pa，测试气体渗透网面进入低压侧引起低压侧压力的变化量，进而计算透气量。这种检测方法的缺陷是：①每一批织物都需要裁剪后进行检测，为有损检测；②只能检测样本数据的透气量，无法获得整张网面的透气性能，准确性较差。

图1 透气仪照片

Fig. 1 Photo of permeability meter

2 无损的透气量检测方法

2.1　检测方法

为了克服现有技术的缺点和不足，本课题提出了一种无损、全方位的透气量检测方法。在成形网底部平铺黑色底面，利用成形网上方安装的工业相机采集数据，采用平面光源进行双向打光。亮度调亮后，采集到的图像数据是黑色底面透露孔隙，如图2所示。孔隙由纤维间的气孔数量及尺寸决定，即孔隙面积占整个采集区域面积的比例，可表示多层网面的“开孔率”，其值采用二值化算法计算。

图2 工业相机采集成形网面图

Fig. 2 Photo of forming fabric by industrial camera

大津法（OTSU）是一种确定图像二值化分割阈值的算法，被认为是图像分割中阈值选取的最佳算法。该算法的基本思想是：将图像根据灰度大小，使用某一个阈值，分成目标部分和背景部分2类，当这2类的类内方差最小和类间方差最大时，得到最优的二值化阈值。该算法在光照均匀时，可以得到较好效果。因此，本课题采用OSTU计算开孔率。

本课题采集了织物52SSB网面的不同位置共30处的数据，分别测得透气量及开孔率，结果如表1所示。从表1可以看出，透气量大的位置，开孔率较大；透气量小的位置，开孔率较小。利用最小二乘法构建拟合关系式，结果如式(1)所示。

y = (0.1927 x + 0.0387) \times 10^{5}

（1）

式中， $x$ 代表开孔率； $y$ 代表透气量，m³/(m²·h)。

表1 52SSB网面的透气量与开孔率

Table 1 Air permeability and opening rate of 52SSB

序号	透气量/m³·m^-2·h^-1	开孔率
52SSB-1	4489	0.0325
52SSB-2	4614	0.0387
52SSB-3	4583	0.0369
52SSB-4	4539	0.0345
52SSB-5	4511	0.0332
52SSB-6	4458	0.0310
52SSB-7	4481	0.0321
52SSB-8	4625	0.0396
52SSB-9	4637	0.0399
52SSB-10	4516	0.0329
52SSB-11	4520	0.0337
52SSB-12	4498	0.0331
52SSB-13	4480	0.0322
52SSB-14	4610	0.0383
52SSB-15	4580	0.0365
52SSB-16	4531	0.0342
52SSB-17	4500	0.0330
52SSB-18	4452	0.0310
52SSB-19	4471	0.0315
52SSB-20	4620	0.0390
52SSB-21	4610	0.0389
52SSB-22	4501	0.0320
52SSB-23	4520	0.0337
52SSB-24	4493	0.0330
52SSB-25	4605	0.0380
52SSB-26	4500	0.0318
52SSB-27	4515	0.0332
52SSB-28	4483	0.0322
52SSB-29	4510	0.0320
52SSB-30	4463	0.0312

然而，不同系列的织物透气量和开孔率的关系式不同，因此，式(1)只适用于织物52SSB。

表2为针对织物3616SSB进行测试的结果。如表2所示，其与表1获得的结论相同，即开孔率和透气量成正比关系，证明本课题所提出的检测方法具有一定可行性。因此，可以通过开孔率衡量透气量的大小，流程如图3所示。

表2 3616SSB网面的透气量与开孔率

Table 2 Air permeability and opening rate of 3616SSB

序号	透气量/m³·m^-2·h^-1	开孔率
3616SSB-1	7021	0.0480
3616SSB-2	6988	0.0470
3616SSB-3	7000	0.0476
3616SSB-4	7045	0.0489
3616SSB-5	7015	0.0479
3616SSB-6	7083	0.0492
3616SSB-7	7010	0.0475
3616SSB-8	7063	0.0490
3616SSB-9	6979	0.0469
3616SSB-10	6970	0.0466

图3 无损检测透气量的流程图

Fig. 3 Flow chart of nondestructive testing of air permeability

为了进一步验证该检测方法的有效性，随机抽取10组样本数据，将式(1)计算的透气量与透气仪测得的透气量进行对比，结果如图4所示。设计算的透气量为 $y$ ，透气仪测得的透气量为Y，从图4可以看出，最大相对误差为0.33%。进一步验证了本课题所提出检测方法的有效性。

图4 计算透气量与透气仪测量透气量对比

Fig. 4 Relationship of calculated air permeability and measured air permeability by permeability meter

其中，相对误差（ $δ$ ）的计算如式(2)所示。

δ = \frac{|y - Y|}{Y}

×100%

（2）

2.2　实验装置

实验装置如图5所示。将成形网置于黑色底面上，上方安装工业相机，采用平面光源进行双向打光。工厂投入使用时操作需根据实际确认，可安装多个工业相机，根据织物宽度决定工业相机的数量，在工业相机外围装置环形光源，或其他打光方式。

图5 实验装置照片

Fig. 5 Photo of experimental device

3 结语

本课题提出一种无损的透气量检测方法，该方法无需从网面上裁剪样本进行检测，仅通过工业相机采集数据计算开孔率，即可测得透气量。通过实验数据可以验证本课题提出方法的有效性，具有无损、可全网面检测的优点。

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