展新磊1 李垚萱2
1乌苏市质量与计量检测所 新疆 乌苏 833000
2新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院 新疆 乌鲁木齐 830000
摘要：随着科技的进步，棉花种植和采摘技术得到快速的发展，尤其是在新疆等主要产棉区，机械化采棉得到了广泛的推广和应用，与此同时也增加地膜对机采棉的污染。文章对地膜的物理特性进行了简要阐述，分析了目前四种异纤检测技术，经过研究表明反射偏振光检测地膜技术更加适用于国产异纤机。
关键词：地膜；检测技术；棉花
一、地膜的物理特性
对原棉和地膜的材质、颜色、密度以及光学特性进行分析。第一，材质特性的区别，地膜是一种ＰＥ塑料制品，其表面十分平整触感光滑，棉花属于一种植物纤维，具体表现为没有平整的表面；第二，颜色特性的区分，地膜的颜色一般为透明或着半透明，使用时间较长的地膜还可能出现一定程度的黄色，棉花则是不透明的白色；第三，密度特性的区别，地膜密度为0.92g/cm2左右远大于棉花密度0.3g/cm2；第四，光学特性的区别，经过破坏的地膜，在透光率和反射率呈现各向异性，棉花是一种无规律的纤维团，在透射和反射方面都没有方向性，多呈现为漫射和漫反射。
二、地膜检测技术分析
根据地膜的不同物理特性，目前异纤机的地膜检测功能，主要通过以下技术来实现：
2.1红外线检测技术
红外线检测技术的工作原理是利用波长1000nm的红外线照射被测物，在利用红外光敏器件对被测物的红外线的反射进行收集，通过分析反射强度识别异纤。地膜属于塑料制品，而棉花是由植物纤维组成的，由于组成基团的区别，其在振动方式和频率有着明显的差异，当入射光频率与其自身振动频率接近时，就会有一部分的入射光会被吸收。地膜与棉花在被波长1000nm红外线照射时表现出不同的吸收特性，其中棉花对红外线吸收十分明显，地膜则基本不会吸收该波段的红外线。在由光敏器件采集的反射图像中，棉花表现为深色或黑色，地膜则呈现出一定的亮度，再设定相关的图像分割阈值就可以很好的区分棉花和地膜，进而达到异纤检测的目的。
在实际应用的过程中，环境的温湿度处于时刻变化的状态，这就很容易导致原棉温度和回潮率发生变，这些变化都会导致其对红外线的吸收产生影响。该技术需要使用的卤素灯具有发热大、寿命短等弊端，使用过程中需要对光源进行定期的维护和更换，还需要根据被测物状态对测试参数进行调整，因此该方法具有操作难度较大并且后期维护成本也相对较高的缺点。此外，我国的红外线高速线阵相机还不能达到使用要求，进口难度又十分巨大。因此，该技术无法在国产异纤机上得到应用。
2.2超声波检测技术
超声波检测技术的工作原理是向被测物发射40kHz的超声波，并使用超声接收器件对反射超声波进行采集，根据反射波强度的不同对棉花和地膜进行区分。由于棉花蓬松纤维团状的结构，其对超声波有着十分强的吸收作用，而地膜密度较高并且表面相对光洁，其对超声波有着十分强的反射作用。
分别设置一排超声波发生器和一排接收器，通过设置相应的的波形强度阈值就可以很好的区分棉花和地膜。
超声波检测同样也存在一些的缺点：第一，超声波传输速度较慢；第二，超声波的定向性不好，这就导致该技术在应用过程中不能定位面积较小的地膜；第三，十分容易受到周边环境噪声对的影响；第四，声波速度、声强衰减受环境温湿度的影响十分明显，运行过程需要经常对设备进行调整，这就降低了设备运行的稳定性。因此，应用该技术的异纤机的清除效率往往差强人意。
2.3透射偏振光检测技术
该技术的原理是将白光光源进行线偏振调制，经过调制的光线在穿透被测物时，会发生偏振角度旋转，再使用正交线偏振相机对旋转角进行检测，进而完成对棉花和地膜的区分。首先， 将360°的自然光调制为0°或90°的单向偏振光对被测物进行照射。因为棉花纤维是一种无序的排列方式，透射光线表现为漫散射，偏振特征就会消失，而地膜厚度的不同，会对偏振光线产生异向性作用，偏振角也会发生一定的偏转。
通过实践证明应用该技术的异纤机，对地膜的检测效率只有40％左右。透射偏振光检测技术具有设计简单、使用成本等优点。同时也存在一定的缺点，即在地膜的前后有棉花遮挡的情况下，偏振特性会消失，进而导致异纤机无法识别地膜，而在实际的生产过程中，地膜所处的位置是随机的，必然会有一部分地膜被漏检，因此检测效率往往不达到要求。
2.4反射偏振光检测技术
该技术的原理与透射偏振光检测技术类似。都是对白光光源进行线偏振调制，再将经过调制的光线在穿透被测物，在此过程中光线会发生偏振角度旋转，再使用多偏振相机对旋转角进行检测，进而完成对棉花和地膜的区分。
通过实践表明，该类异纤机对地膜检测效率可以达到70％以上。但是由于反射偏振光检测技术使用的使多偏振相机，所以其设备成本比透射检测有一定的提高，但仍然远低于红外线检测的价格。因为其具有较高的稳定性、稳定地膜清除效率、准确地膜定位能力以及反应灵敏等优点，在国内纤机设计和制造中得到了广泛的应用。同时也具备一些缺点，例如，对于一些老旧地膜的识别能力较低，对于一些被棉花遮盖的地膜也不能起到很好的检测作用。
三、结论
经过对以上四种检测技术进行分析可以看出，红外线检测和偏振光检测都属于光学表面检测原理，都拥有着稳定性高、定位精度良好等优点，但是都无法对一些被棉花覆盖的地膜进行检测。由于超声波具有一定的穿透效应，因此超声检测技术可以对一些被棉花覆盖的地膜进行检测，但超声检测技术的识别精度太差，导致其最终检测效果并不如光学检测技术。基于以上分析，异纤机必须具备地膜检测技术，用以检测目前机采棉中存在的地膜异纤问题，综合考虑棉纺织行业的经营成本，反射偏振光检测技术是当前最适用于国产异纤机的设计方案。
结语:
随着机采棉规模的不断扩大，地膜异纤清除技术是目前异纤机设计必须要解决的问题。通过分析棉花与地膜异纤物理特性，并对当前主流的四种检测技术进行了深入的研究，结合我国纺织业的实际运营情况，认为反射偏振光检测技术是目前异纤机设计最有应用前景的解决方案。
参考文献：
[1]巫明秀,吴谨,张晨,朱磊.基于改进YOLOv3的棉花异性纤维检测[J].液晶与显示,2020,35(11):1195-1203.