FMA系列纖維圖像檢測(cè)儀的研發(fā)歷程

一、課題的提出

上世紀(jì)末，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展，纖維圖像檢測(cè)分析儀在國(guó)外已出現(xiàn)成熟的產(chǎn)品。澳大利亞的OFDA系列纖維直徑分析儀已經(jīng)問世，能在顯微鏡下快速測(cè)量羊毛羊絨的直徑，實(shí)現(xiàn)了從人工讀數(shù)到自動(dòng)圖像分析的跨越。1992年OFDA產(chǎn)品在北京國(guó)際紡織機(jī)械展覽會(huì)上亮相。之后我國(guó)有實(shí)力的單位相繼引進(jìn)了該儀器，但價(jià)格較貴，一般單位買不起。絕大部分檢測(cè)單位仍在暗室內(nèi)使用投影顯微鏡測(cè)量。當(dāng)時(shí)國(guó)家纖檢局認(rèn)為這一現(xiàn)實(shí)情況必須盡快改變，在1999年纖檢局總工何永政親自找到清華大學(xué)科研處，講明了我國(guó)的現(xiàn)狀和要求研發(fā)纖維圖像檢測(cè)分析儀的迫切性。清華大學(xué)科研處就把這個(gè)任務(wù)交給了當(dāng)時(shí)的精密儀器系內(nèi)的摩擦學(xué)研究所。為什么清華大學(xué)科研處沒有把此課題交給專門研究圖像處理的電子系和自動(dòng)化系有關(guān)老師呢？原因有兩個(gè)，一是此課題屬于儀器研發(fā)，精密儀器系有該方面的基礎(chǔ)；二是精密儀器系內(nèi)的摩擦學(xué)研究所曾經(jīng)完成了檢測(cè)大型軸承（例如飛機(jī)、發(fā)電站等）從磨損鐵粒圖像監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的課題，研發(fā)出了鐵譜儀。纖維圖像檢測(cè)有點(diǎn)類似于磨損鐵粒的圖像處理。因此該課題就交給了精密儀器系的摩擦學(xué)研究所內(nèi)以汪家道博士為首的幾個(gè)老師。

二、萬事開頭難

清華大學(xué)的這幾個(gè)老師從來沒有接觸過纖維檢測(cè)行業(yè)，怎么辦？他們就先從調(diào)查研究開始。他們跑遍了北京地區(qū)與羊毛羊絨檢測(cè)有關(guān)的國(guó)家機(jī)關(guān)單位和實(shí)驗(yàn)室，以及有關(guān)工廠的檢測(cè)室。從調(diào)查研究中得出幾點(diǎn)結(jié)論：

1、當(dāng)時(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中只有投影顯微鏡檢測(cè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如GBT 16988-1997 特種動(dòng)物纖維與綿羊毛混合物含量的測(cè)定，以及GBT-10685-89 羊毛纖維直徑試驗(yàn)方法投影顯微鏡法，還沒有關(guān)于顯微鏡纖維圖像處理的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此只能按照國(guó)際羊毛組織（IWTO）的纖維顯微圖像測(cè)試方法，并參考了美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）的投影顯微鏡測(cè)試規(guī)范。

2、沒有纖維檢測(cè)方面的知識(shí)和實(shí)踐怎么辦，只有虛心向?qū)I(yè)人士請(qǐng)教學(xué)習(xí)。經(jīng)過篩選，最后確定與當(dāng)時(shí)的北京檢驗(yàn)檢疫局的羊毛檢測(cè)中心合作。這樣用戶需要什么，怎么操作方便就有了明確方向，并且樣機(jī)還可以到他們那里反復(fù)測(cè)試。

3、價(jià)格盡可能經(jīng)濟(jì)，一般工廠要用得起。這樣儀器硬件必須選用通用的設(shè)備，省錢省力；把工作重點(diǎn)放在儀器檢測(cè)軟件上，要操作簡(jiǎn)便，精確可靠。

在調(diào)查研究階段結(jié)束后，汪家道博士把主要精力放在軟件設(shè)計(jì)和編程上。那時(shí)還沒有現(xiàn)在編程這么方便，幾萬句的程序都要靠人力用鍵盤敲進(jìn)去。汪家道博士除了完成其他科研教學(xué)任務(wù)外，此項(xiàng)目他苦戰(zhàn)了多半年時(shí)間，到2000年底才完成纖維檢測(cè)儀軟件的各個(gè)模塊的基本測(cè)試工作。

三、基于整體圖像識(shí)別法的纖維顯微圖像檢測(cè)儀

基于計(jì)算機(jī)圖像檢測(cè)分析的方法從技術(shù)上基本分三種：第一種是在原來的顯微投影儀基礎(chǔ)上只加裝計(jì)算機(jī)而成，一般稱作顯微投影法，這很容易理解；第二種是基于兩點(diǎn)拉線法發(fā)展的纖維細(xì)度檢測(cè)儀，就是用鼠標(biāo)在顯微圖像上將選定的樣品拉直線，像一艘船過河，每個(gè)樣品至少拉三條線；第三種是基于整體圖像識(shí)別法的纖維細(xì)度測(cè)量?jī)x，自動(dòng)識(shí)別圖像和計(jì)算結(jié)果，一按鼠標(biāo)，全屏測(cè)量，有多少根纖維同時(shí)出結(jié)果，無需一根一根測(cè)量。汪家道博士采用的測(cè)量方法屬于第三類，是計(jì)算機(jī)基于整體圖像識(shí)別法計(jì)算樣品的整體圖像的面積后取直徑平均值。很顯然，這第三種技術(shù)精確可靠，受人工干擾少，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

基于整體圖像識(shí)別法的“纖維圖像檢測(cè)儀"經(jīng)過反復(fù)實(shí)地驗(yàn)證和修改，2001年終于完成了樣機(jī)的研制。為了驗(yàn)證該技術(shù)的精確性和可靠性，由國(guó)家教育部于2001年5月31日組織了以梅自強(qiáng)院士為主任的專家組進(jìn)行了會(huì)議鑒定。

                圖1  鑒定委員會(huì)名單

鑒定委員會(huì)專家用該儀器測(cè)量了標(biāo)樣數(shù)據(jù)，并且將測(cè)量結(jié)果與用國(guó)外生產(chǎn)的OFDA儀器測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果如下：

技術(shù)檢測(cè)結(jié)果（單位：微米）

                 圖2 鑒定委員會(huì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

2001年6月5日國(guó)家教育部批準(zhǔn)鑒定。鑒定證書（鑒字[教SW2001]第018號(hào)）認(rèn)為：“該儀器為全自動(dòng)快速測(cè)量纖維尺寸的測(cè)試儀，其具有智能化統(tǒng)計(jì)細(xì)度和曲率分布、自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)、自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)表等功能。"“該儀器測(cè)量結(jié)果快速準(zhǔn)確，其精度已達(dá)到國(guó)際測(cè)試儀OFDA的測(cè)量精度。另外該儀器還進(jìn)行了纖維曲率及其分布的測(cè)量，這對(duì)纖維質(zhì)量的評(píng)定增加了新的參數(shù)。"

    圖3 部級(jí)科學(xué)技術(shù)鑒定書首頁(yè)與鑒定意見頁(yè)

部級(jí)鑒定結(jié)果對(duì)我們推動(dòng)很大，鑒定委員會(huì)要求我們盡快把技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品，建議我們“盡快投入批量生產(chǎn)"。

為此我們?cè)?/span>2001年下半年在進(jìn)一步改進(jìn)儀器的同時(shí)，也在籌備創(chuàng)建公司的工作。2002年2月初，我們?nèi)〉昧吮本┤A宜卓科技有限公司的營(yíng)業(yè)執(zhí)照，清華大學(xué)退休的老師與少量兼職老師在這個(gè)公司里開始了新的征程。

四、新征程新考驗(yàn)

北京華宜卓科技有限公司成立后，我們緊鑼密鼓開始了批量生產(chǎn)的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，例如基本通用設(shè)備計(jì)算機(jī)顯和微鏡的選型、儀器產(chǎn)品的銷售等。

  圖4  本世紀(jì)初的產(chǎn)品FMA-M型羊毛羊絨細(xì)度檢測(cè)儀（三軸全自動(dòng)）

公司經(jīng)過一年的爬坡運(yùn)行，在2003年和2004年都取得了不錯(cuò)的業(yè)績(jī)，征得了行業(yè)內(nèi)用戶的認(rèn)可和贊譽(yù)。例如當(dāng)初最貴的型號(hào)三軸全自動(dòng)FMA-M型羊毛羊絨細(xì)度檢測(cè)儀（圖4），在不到一年時(shí)間就賣出十幾套，雖然現(xiàn)在看起來很一般，當(dāng)時(shí)用聯(lián)想的稅控微機(jī)（CPU只有1GHz，內(nèi)存128M，硬盤20G），但是用起來其速度和精度，與花近百萬元人民幣的進(jìn)口儀器相當(dāng)。

北京羊絨羊毛檢測(cè)中心在用戶反饋信中曾評(píng)價(jià)我們的儀器“不但測(cè)量誤差小，而且自動(dòng)化程度高。測(cè)量細(xì)度使用圖像識(shí)別方法能做到自動(dòng)測(cè)量，不再需要每根進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量了。DMA-M型還能做到三維自動(dòng)控制，自動(dòng)移動(dòng)顯微鏡工作臺(tái)，自動(dòng)調(diào)整顯微鏡物鏡焦距，自動(dòng)測(cè)量細(xì)度，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)連續(xù)測(cè)量。這對(duì)提高測(cè)量精度、提高測(cè)量效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度很起作用。"他們本來想購(gòu)置外國(guó)檢測(cè)儀器，由于價(jià)格需要十萬美元，就很糾結(jié)。當(dāng)聽說我們的儀器可以替代進(jìn)口儀器時(shí)，立刻購(gòu)買了我們的全自動(dòng)檢測(cè)儀。經(jīng)過實(shí)踐使用，他們認(rèn)為“使用起來更方便、更簡(jiǎn)單、更可靠，測(cè)量結(jié)果更快速準(zhǔn)確，內(nèi)外商都認(rèn)可，是值得信賴的檢測(cè)儀器。"

英國(guó)道森有限公司北京代表處從2001年開始先后購(gòu)置了我們公司的三臺(tái)全自動(dòng)纖維檢測(cè)儀，每天約有幾十個(gè)樣品需要測(cè)量。經(jīng)過幾年的運(yùn)行，他們認(rèn)為“這三臺(tái)儀器運(yùn)行狀況良好，數(shù)據(jù)可靠，是我們羊絨羊毛加工和進(jìn)出口檢測(cè)的必需的儀器"，還在用戶使用報(bào)告中寫道“上述儀器操作不但簡(jiǎn)單方便，重要的是測(cè)量精度高，能適應(yīng)國(guó)際羊毛羊絨的貿(mào)易需要。我們與世界上著名的羊絨羊毛貿(mào)易公司交易量較大，他們?cè)?jīng)對(duì)我們的檢測(cè)結(jié)果表示懷疑，就專門從國(guó)外寄來近百種羊毛羊絨樣品讓我們測(cè)量。很快我們就把測(cè)量結(jié)果交給了外方，他們經(jīng)過比對(duì)核實(shí)，對(duì)結(jié)果沒有提出任何異議，認(rèn)為測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，符合要求。結(jié)果使雙方的貿(mào)易和合作更信任、更愉快了。"

2005年中國(guó)紡織工業(yè)協(xié)會(huì)通知我們，FMA纖維檢測(cè)儀可以申報(bào)科學(xué)技術(shù)成果獎(jiǎng)。我們?nèi)鐚?shí)將我們的FMA纖維檢測(cè)儀技術(shù)特點(diǎn)、研制過程、技術(shù)鑒定情況、銷售情況和用戶的反映等材料按期上報(bào)。2005年11月在北京人民大會(huì)堂召開了中國(guó)紡織工業(yè)年度科技獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)儀式，我們的FMA系列產(chǎn)品榮獲中國(guó)紡織工業(yè)協(xié)會(huì)2005年度科技成果四等獎(jiǎng)。

        圖5  2005年獲中國(guó)紡織工業(yè)協(xié)會(huì)年度科技四等獎(jiǎng)

   從2005年獲獎(jiǎng)之后，我們沒有停止研發(fā)的腳步，仍然根據(jù)用戶的意見反饋不斷改善檢測(cè)儀的可靠性和簡(jiǎn)便性，同時(shí)根據(jù)行業(yè)的發(fā)展也在不斷擴(kuò)展我們檢測(cè)儀的適用范圍。FMA纖維檢測(cè)儀從最初一套軟件DMA只檢測(cè)羊毛羊絨細(xì)度和檢測(cè)纖維的成分，發(fā)展到第二套軟件SFA可以檢測(cè)纖維的異形度，再到后來根據(jù)化纖行業(yè)的迅猛發(fā)展，開發(fā)出第三套軟件IMA，檢測(cè)纖維橫截面的直徑、面積、中空率等參數(shù)。同時(shí)原來只能檢測(cè)白色和淺色纖維，發(fā)展到能夠檢測(cè)黑色纖維、消光纖維和半消光纖維。我們也根據(jù)用戶需要開發(fā)出檢測(cè)固體表面的軟件、能夠檢測(cè)鍍膜膜厚的軟件、能夠檢測(cè)瀝青路面用纖維的軟件等。這兩年根據(jù)用戶的需要又開發(fā)出檢測(cè)牙刷刷毛的儀器。

我們清楚，我們前面的路還很長(zhǎng)很艱難，但我們會(huì)接受挑戰(zhàn)，會(huì)迎著困難而上，會(huì)與用戶一起迎接更加美好的明天。

（2026年7月）