專利名稱：纖維壓縮彎曲性能測量的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于紡織品舒適性能、纖維特性和生產(chǎn)質(zhì)量控制的測量方法，特別適用于棉、毛、絲、麻、化纖及其它高性能纖維或纖維狀物質(zhì)的壓縮、彎曲、拉伸性能測量的方法及裝置。
背景技術(shù)：
紡織品的物觸覺舒適性是服用舒適性重要因素，特別是對毛或麻類織物，在穿著時，消費者常會有刺癢或刺扎感，引起生理和心理不適，而改變選購和使用態(tài)度。
由于人體的神經(jīng)感覺的復(fù)雜性，目前主觀評價法是企業(yè)和檢測機構(gòu)常用的主要方法有三種。①動物電極刺激實驗其借助電極或金屬針刺激作用對動物實驗，此法是以動物的神經(jīng)感覺小體與人體的神經(jīng)感覺小體非常相似，作為實驗評價的前提。但人體實驗并未標(biāo)定，即其間差別并未認定，而且人體電刺激與織物刺扎的相關(guān)性還是純理論研究，還無實用結(jié)果。②前臂測試選取不同的織物試樣，縫制成袖子穿于被測試者的前臂，測試者戴上橡皮手套在該織物上輕輕拍打或來回移動，被測試者針對不同織物的感受，給出刺癢感及程度的評價。實驗數(shù)據(jù)證明前臂實驗測試與穿著時產(chǎn)生的織物刺癢感具有很好的吻合性，但測試結(jié)果在一定程度上受到較多的外界條件影響和被測者的主觀影響性大。③試穿評定在規(guī)定的時限范圍內(nèi)進行試穿，然后分別給出評價等級。該法理論上可行，但是實際操作難度很大，測試所需樣品量大，測試成本高，測試周期長。
國外對客觀測試方法進行了有效嘗試。①薄膜法在一定壓力下，織物表面的纖維可以在聚四氟乙烯薄膜上留下壓痕，研究人員認為這些壓痕的深淺與纖維產(chǎn)生壓痕所需的受力大小有關(guān)，根據(jù)薄膜壓痕評價織物刺癢程度。理論上可以通過圖象處理和分析來解決其客觀評價，但未見實用報道。②采用激光計數(shù)器測量伸出的纖維WRONZ〔新西蘭羊毛研究組織〕采用自己研制的激光計數(shù)器來測試從織物上伸出的毛羽。該方法只考慮了纖維的根數(shù)，忽略了纖維的粗細，因此起刺癢感的順序常會發(fā)生矛盾。③改進的音頻裝置這種改進的音頻裝置類似于唱片機，剪成圓形的織物被放在圓盤上作勻速轉(zhuǎn)動，探針與布面的相對線速度為12cm/s，當(dāng)探針撥動纖維時感受纖維的彎曲作用力。探針的高低位置可以根據(jù)織物來調(diào)節(jié)。探針得到的脈沖信號通過放大器放大并被計數(shù)器記錄。這種方法考慮的情況過于簡單，因為織物表面的毛羽并不是根根都分離的，有些毛羽糾纏在一起，有些毛羽為圈狀纖維，若探針從此類毛羽中間穿過，會造成誤判。④撥動法日本的The University of Shga Prefecture采用單向點撥動纖維彎曲的方式測量纖維的抗彎剛度，因其撥動加載點的偏移使得測量數(shù)據(jù)值離散過大。而且施加載荷為側(cè)向作用力，所以該方法僅能表達纖維彎曲，無法表征纖維的刺扎。
單纖維軸向壓縮性能是反映織物表面毛羽所引起刺癢最直接和最基本因素，織物與皮膚接觸時，在小壓力作用下，人體皮膚與織物的接觸主要是具有一定剛度和硬度的毛羽作用；大壓力時，毛羽倒伏，織物組織的經(jīng)、緯浮點構(gòu)成支持面。對前者，織物的毛羽是主要支撐物，產(chǎn)生四種接觸形式。因此，模擬刺扎、刮擦過程及其作用力值是直接預(yù)測和有效評價纖維與人體皮膚接觸所產(chǎn)生刺癢感的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有對紡織品的舒適性評價無論是主觀評價法還是客觀測試法都存在不足。為此，本發(fā)明提供一種用于纖維壓縮彎曲性能的測量方法及系統(tǒng)裝置，使其能模擬不同織物表面毛羽刺扎過程和平動刮拉過程，以及與皮膚接觸過程中的力值變化。本發(fā)明解決了微小力的測量并在實現(xiàn)精度、纖維形態(tài)準(zhǔn)確同步觀察的同時，解決了由于纖維的細小和有效纖維針制備的困難以及其組合技術(shù)與計算機采樣、計算和分析軟件等問題。
根據(jù)上述“模擬刺扎過程，直接預(yù)測纖維對人體皮膚接觸所產(chǎn)生力值是能有效評價的關(guān)鍵”分析的結(jié)論。據(jù)此，本發(fā)明裝置主要用來測量纖維在軸向力作用下的壓縮、彎曲及其組合性能測量。
有關(guān)纖維軸向壓縮力、撓度形態(tài)組合和動態(tài)測量原理及方法如下(1)在纖維軸向壓縮彎曲過程中，不僅測量壓縮力值和軸向位移，同時通過對纖維形態(tài)變化的圖象分析，完成撓度測量和各點曲率與橫向位移測量。
(2)通過對纖維在軸向壓縮彎曲過程中壓縮力值與撓度連續(xù)變化的分析，計算出壓縮模量、抗彎剛度、彎曲屈服點等反映纖維壓縮彎曲性能的指標(biāo)。
(3)調(diào)整對紡織纖維壓縮彎曲的作用時間和作用方式，完成纖維的靜態(tài)和動態(tài)刺扎測量和拉、壓、彎組合測量。
(4)采用定壓力或定壓縮位移時的纖維水平移動，完成纖維刮、擦作用測量。
本發(fā)明的一種用于纖維壓縮彎曲性能測量的方法及裝置的基本構(gòu)思(1)為了便于裝樣和測量，采用開窗式紙質(zhì)制樣模板。根據(jù)所需纖維針的長度，用雙面膠粘貼在模板的橫檔上，再將纖維平行伸直地粘貼于雙面膠上，按平行于雙面膠方向沿虛線剪開，得長度相等的一組纖維針；或與雙面膠成一定角度剪開，得長度梯度變化的一組纖維針；也可分兩次剪開，得長度臺階變化的一組纖維針；或再沿與纖維軸平行方向虛線剪開，即獲得單纖維針。
(2)通過由高精度微力傳感器、懸臂梁、多功能上夾頭和下夾持器構(gòu)成的微力測量機構(gòu)，完成微力測量。多功能上夾頭可更換。下夾持器可作水平、垂直移動和轉(zhuǎn)動，獲取纖維軸向壓縮力值和位移等數(shù)據(jù)。
(3)通過由光源、聚光鏡、光闌、物鏡和CCD攝像頭及點光源組成的形狀測量機構(gòu)，完成照明、成象纖維的對中、對焦和測量，獲取單纖維軸向壓力下纖維彎曲靜態(tài)圖象和纖維平動變形動態(tài)圖象，以及手工測量和自動計算纖維細度、握持長度、撓度和各點曲率等變化參量。
(4)信號處理系統(tǒng)中，測力系統(tǒng)由力傳感器和位移傳感器(即角位移或時間記錄器)輸出信號及其相應(yīng)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、存儲、輸出部件和功能塊組成；通過由圖象采集卡和基本圖象處理單元構(gòu)成的成象系統(tǒng)，完成壓力—位移曲線和撓度—位移曲線的數(shù)據(jù)傳輸與計算機連接。
(5)通過由數(shù)據(jù)采集與計算模塊、參數(shù)設(shè)置與控制模塊及控制與傳動模塊組成的計算機處理系統(tǒng)，完成測量動作過程的控制、調(diào)節(jié)和壓力—位移曲線和撓度—位移曲線的處理、顯示與保存，圖象觀察處理和圖象保存，點、線、距離的測量與分析。
本發(fā)明的一種纖維壓縮彎曲性能測量的方法及裝置的主要構(gòu)成一是制樣為了便于裝樣和測量，采用開窗式紙質(zhì)制樣模板。根據(jù)所需纖維針的長度，用雙面膠粘貼與模板的橫檔上，再將纖維平行伸直地粘貼于雙面膠上，按平行于雙面膠方向沿虛線剪開，得長度相等的一組纖維針；或與雙面膠成一定角度剪開，得長度梯度變化的一組纖維針；也可分兩次剪開，得長度臺階變化的一組纖維針；或再沿與纖維軸平行方向虛線剪開，即可獲得單纖維針。采用這種方法也可在長度一定的條件下，用以比較不同細度的纖維的壓縮。
二是纖維握持端設(shè)計單纖維的下端采用插入方式豎直握持的方法，其小螺絲作固定用；上夾頭表面膜可以更換不同材料，以模擬皮膚表面微孔作用，如選用高聚物或砂紙。
三是精密試樣臺升降系統(tǒng)通過計算機的設(shè)定程序和驅(qū)動電路，控制微電機及傳動機構(gòu)，確保試樣臺作垂直和水平的精確移動，以及變化移動速度，達到有效控制纖維變形量和纖維加負荷與減負荷的速度。
四是光學(xué)成象及圖象采集測量系統(tǒng)包括光源、聚光鏡、光闌、物鏡、CCD攝像頭和輔助點光源及帶有圖象處理軟件的計算機。通過數(shù)字攝像頭直接將放大的纖維頭端模擬形態(tài)圖象轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖象，最大限度地減少圖象信號的失真；采用IEEE1394接口用于數(shù)字式CCD信號和計算機的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字圖象；通過計算機對獲取圖象進行處理，并進行纖維頭端形態(tài)測量和計算。
五是力測量系統(tǒng)力傳感器因受力所得緩慢變化的電信號，十分微弱(包括對靜態(tài)作用力)以及變化緩慢的作用力所產(chǎn)生的電信號，須經(jīng)過溫度補償、濾波放大電路進行放大后才能利用A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號。在模擬量與數(shù)字信號進行轉(zhuǎn)換過程中需把數(shù)字信號讀入計算機軟件，此前，首先需要設(shè)定輸入電壓的范圍和數(shù)字輸出的關(guān)系，然后指定選擇輸入端口，給出A/D轉(zhuǎn)換開始的命令，確認信號轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字讀入計算機內(nèi)存。
六是臨界強力計算根據(jù)Euler壓桿模型，當(dāng)載荷P接近一個確定值的臨界值時，撓度無限增大。因此纖維軸向作用力時，如果纖維長度與直徑相比很大則極易失穩(wěn)，纖維只會因彎曲而不是直接壓縮。通常纖維軸向壓縮形式，必然導(dǎo)致刺癢刺激。其保持壓縮形式與刺針的長度、粗細和剛度相關(guān)。而纖維刺扎的絕大多數(shù)形式為彎曲。
上述方法的裝置作用原理首先計算機設(shè)定參數(shù)，進行調(diào)零和補償控制，下夾持器由微電機驅(qū)動開始作上升運動，微力變化經(jīng)傳感器輸出模擬電壓值，由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號輸入計算機；同時CCD顯微攝像頭把單纖維受力下的形變轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖象輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理與計算。通過上述流程，由此獲取纖維撓度、長度和細度等變量，以及壓力—位移曲線和撓度—位移曲線。計算機控制驅(qū)動電路使微電機驅(qū)動試樣平臺升降系統(tǒng)的垂直和水平的精確移動，以及調(diào)節(jié)移動速度，達到有效地控制纖維變形量和纖維加負荷與減負荷的速度。
本發(fā)明的一種用于纖維壓縮彎曲性能測量的方法及裝置，其所建的理論模型的參數(shù)計算如下
纖維的一端被固定在下夾頭(或上夾頭)上，另一端成自由伸直狀態(tài)，隨著下夾頭不斷向上的運動，纖維接觸上(或下)夾頭，受到壓縮作用。由于被測纖維的突出長度較短，或纖維本身剛性較大(如苧麻纖維)，因此，受壓縮作用的纖維針可以認為是一端固定，另一端自由的壓桿模型，其相應(yīng)的臨界載荷為Pcr=(kL)2EIL2=20.19EIL2---(1)]]>正圓形的最小慣性矩為I＝πr4/4，由于麻纖維的橫斷面不是正圓形，在纖維彎曲時總是向它最容易彎曲的方向彎折，因此計算纖維的臨界載荷時，需引入截面形狀系數(shù)ηf，因此Pcr=20.19EηfI0L2=20.19πr4Eηf4L2=5.05EηfS2πL2=5.05×10-5EηfNt2πρ2L2---(2)]]>式中E-壓桿彈性模量；I-壓桿橫截面最小慣性矩；M-彎矩；L-壓桿長度；S-壓桿截面面積；Nt-纖維的線密度；ηf-截面形狀系數(shù)在公式(2)中，設(shè)K=5.05×10-5Eηfπρ,]]>則Pcr=KNt2L2·]]>如附圖9中擬合直線斜率K，可求得纖維彎曲模量E=πKρ5.05×10-5ηf---(3)]]>當(dāng)壓縮纖維針時，纖維針在軸向壓力的作用下，開始為純壓縮，因為纖維未發(fā)生失衡彎曲。因此，由附圖7中的壓縮彎曲曲線開始上升部分(ab段)的斜率可求得壓縮模量Ec，即Ec=L0Nt·(dPdZ)max=L0A(dPdZ)max---(4)]]>式中，dP/dZ-壓縮力值相對于位移的導(dǎo)數(shù)，(dP/dZ)max為最大斜率值；L0-纖維針的突出長度；Nt-纖維針的線密度；A-纖維針的橫截面積曲線最高點為臨界壓力點，即最大刺扎力點，其值為臨界壓力Pmax。當(dāng)壓力超過此臨界壓力時，壓桿彎曲失效。
實驗1如附圖8所示，通過線性擬合方程求得該直線的斜率值，K＝0.0209；由麻纖維截面形態(tài)分析得纖維的截面形狀系數(shù)值，ηf≈0.8；纖維的密度值ρ＝1.85，將其代入式(3)，計算得苧麻纖維平均彎曲E模量為2469.1cN/cm2。
實驗2如附圖9中的a、b、c、d分別是平均細度(公支)為1432、1618、1866、2072的麻纖維，其臨界壓力Pmax值分別為0.0823、0.0774、0.0731、0.0728mN；平均壓縮模量Ec為2209.3cN/cm2。同時，其壓縮曲線驗證了纖維針軸向壓縮強力與纖維細度的正比關(guān)系。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的①通過制樣模板獲取纖維試樣——纖維針；②為減小空氣流動和振動對測量的影響，纖維軸向壓縮性能整個測量過程是在一個測量腔中完成的，其步驟a、選取多功能壓縮用上夾頭及其夾頭膜表面模擬材料和調(diào)整夾持方式；下夾持器完成纖維針握持。
b、通過測量腔正面可開啟的面板上鑲有的放大鏡的觀察，粗略估計纖維針X軸的中心位置。
c、通過計算機處理控制微電機經(jīng)傳動機構(gòu)帶動位于試樣平臺上的下夾持器沿垂直方向作上升、下降運動，完成纖維針軸向彎曲；通過下夾持器水平方向的左、右移動，完成纖維針彎曲狀態(tài)下的滑移摩擦。
d、通過手動下夾持器上的轉(zhuǎn)動盤及通過手動微調(diào)下夾持器上的X軸向?qū)к壥瓜聤A持器沿X軸方向水平移動和手動微調(diào)下夾持器上的Y軸向?qū)к壥瓜聤A持器沿Y軸方向水平移動，使纖維針軸線對中并與彎曲平面垂直于光路；同時使光線由光源經(jīng)聚光鏡、光闌、纖維針、物鏡或直接至CCD攝像頭在同一個軸線上完成光路和試樣纖維針的對中；通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將所成纖維針壓縮彎曲模擬圖象轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖象，經(jīng)計算機處理測量、計算彎曲變形和撓度。
e、通過力傳感器，動態(tài)測量纖維針自由接觸端的微小力值變化的模擬信號經(jīng)溫度補償、濾波和放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入計算機處理作數(shù)據(jù)處理。
f、計算機處理依據(jù)給定的理論模型和算法進行數(shù)據(jù)處理，繪出纖維針壓縮變形的壓力—位移曲線和撓度—位移曲線；結(jié)合纖維針壓縮過程中圖象處理和上述曲線數(shù)值解出纖維針細度、握持長度、撓度、壓縮、彎曲模量、臨界壓縮力值和應(yīng)力分布。
以下是進行纖維拉伸測量的方法為減小空氣振動對測量的影響，纖維拉伸測量的整個測量過程是在一個測量腔中完成的，其步驟a、設(shè)定微力傳感器的高低位置，更換拉伸用上夾頭，調(diào)整夾持方式，下夾持器完成纖維針豎直握持，進行纖維針拉伸測量。
其余b～f部分與纖維壓縮彎曲性能測量步驟相同。


圖1本發(fā)明的一種用于纖維壓縮、彎曲、拉伸裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2試樣平臺升降平動控制傳動系統(tǒng)框圖。
圖3點光源與X、Y軸相交位置示意圖。
圖4制樣模板和試樣制備示意圖。
圖5數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)框圖。
圖6測量控制流程圖。
圖7纖維軸向壓縮理論曲線圖。
圖8最大壓縮強力P與Nt2/L2關(guān)系圖。
圖9不同長度不同細度纖維壓縮曲線圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
本發(fā)明一種用于纖維壓縮彎曲性能測量的方法①通過制樣模板43獲取纖維試樣——纖維針41；②為減小空氣流動和振動對測量的影響，纖維軸向壓縮性能整個測量過程是在一個測量腔1中完成的，其步驟a、選取多功能壓縮用上夾頭32及其夾頭膜表面模擬材料33和調(diào)整夾持方式；下夾持器5完成纖維針41豎直握持。
b、通過測量腔1正面可開啟的透明面板上鑲有的放大鏡13的觀察，粗略估計纖維針41X軸的中心位置。
c、通過計算機處理9控制微電機61經(jīng)傳動機構(gòu)帶動位于試樣平臺6上的下夾持器5沿垂直方向作上升、下降運動，完成纖維針41軸向彎曲；通過下夾持器5水平方向的左、右移動，完成纖維針41彎曲狀態(tài)下的滑移摩擦。
d、通過手動下夾持器5上的轉(zhuǎn)動盤54及通過手動微調(diào)下夾持器5上的X軸向?qū)к?2使下夾持器5沿X軸方向水平移動和手動微調(diào)下夾持器5上的Y軸向?qū)к?3使下夾持器5沿Y軸方向水平移動，使纖維針41軸線對中并與彎曲平面垂直于光路；同時使光線由光源71經(jīng)聚光鏡72、光闌73、纖維針41、物鏡74或直接至CCD攝像頭75在同一個軸線上完成光路和試樣纖維針41的對中；通過模數(shù)轉(zhuǎn)換82將所成纖維針41壓縮彎曲模擬圖象轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖象，經(jīng)計算機處理9測量、計算彎曲變形和撓度。
e、通過力傳感器21，動態(tài)測量纖維針41自由接觸端的微小力值變化的模擬信號經(jīng)溫度補償、濾波和放大電路81以及模數(shù)轉(zhuǎn)換82，輸入計算機處理9作數(shù)據(jù)處理。
f、計算機處理9依據(jù)給定的理論模型和算法進行數(shù)據(jù)處理，繪出纖維針41壓縮變形的壓力—位移曲線和撓度—位移曲線；結(jié)合纖維針41壓縮過程中圖象處理和上述曲線數(shù)值解出纖維針41細度、握持長度、撓度、壓縮、彎曲模量、臨界壓縮力值和應(yīng)力分布。
為減小空氣流動和振動對測量的影響，纖維拉伸測量性能整個測量過程是在一個測量腔1中完成的，其步驟設(shè)定力傳感器21的高低位置，更換多功能拉伸用上夾頭22，調(diào)整夾持方式，下夾持器5完成纖維針41豎直握持，進行纖維針41拉伸測量。其后續(xù)操作與壓縮彎曲性能測量方法步驟相同。
一種用于纖維壓縮彎曲性能測量的裝置在一個為減小空氣流動和振動對測量影響的測量腔1的正面可開啟的透明面板上鑲有可觀察的放大鏡13；測量腔1內(nèi)設(shè)置由主要包括力測量機構(gòu)2、多功能上夾頭3、下夾持器5、光學(xué)成象系統(tǒng)7、模擬信號處理8和計算機處理9及一個由計算機控制通過微電機61傳動機構(gòu)帶動的試樣平臺6部分組成。
a、力測量機構(gòu)2由力傳感器21及與其活動連接的多功能上夾頭3和位于試樣平臺6上可轉(zhuǎn)動、移動的下夾持器5構(gòu)成。
b、光學(xué)成象系統(tǒng)7由光源71、聚光鏡72、光闌73、物鏡74、CCD攝像頭75及在與X、Y軸夾角處設(shè)置的點光源76構(gòu)成。
c、模擬信號處理8由經(jīng)測力系統(tǒng)的力傳感器21、位移傳感器20輸出的模擬信號經(jīng)采集和溫度補償、濾波、放大電路81、模數(shù)轉(zhuǎn)換82及預(yù)處理、存儲、輸出部件和功能模塊83組成。
d、計算機處理9由數(shù)據(jù)采集與計算模塊(91)、參數(shù)設(shè)置與控制模塊(92)及控制與傳動模塊(93)組成。
一種用于纖維壓縮性能測量的裝置，其在測量腔1內(nèi)壁涂有與被測纖針41互補的顏色；力傳感器21是一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的高精度微力傳感器；多功能上夾頭3包括可更換的拉伸用上夾頭31和壓縮用上夾頭32及其夾頭膜33；下夾持器5由下夾頭51和與其聯(lián)動的手動微調(diào)機構(gòu)X軸向?qū)к?2和Y軸向?qū)к?3及轉(zhuǎn)動盤54組成；位移傳感器20功能是通過微電機61運轉(zhuǎn)數(shù)與計算機時鐘控制器的配合實現(xiàn)的；點光源76與X、Y軸夾角為30～60°。
一種纖維壓縮性能測量的裝置，其在測量腔1內(nèi)壁涂有與被測纖維針41互補的顏色為黑色；點光源76與X、Y軸夾角為45°。
一種纖維壓縮性能測量的裝置，其夾頭膜33采用高聚物、砂紙。
本發(fā)明裝置的主要性能指標(biāo)

本發(fā)明的纖維壓縮、彎曲、拉伸性能測量的方法及裝置，適用于棉、毛、絲、麻、化纖及其它高性能纖維或纖維狀物質(zhì)的測量?？蓱?yīng)用于紡織品舒適性能評價、纖維壓、彎、拉特性的測量和生產(chǎn)中的質(zhì)量控制。
通過所建理論模型和算法軟件可快速提供實時壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線；撓度—應(yīng)變曲線；纖維彎曲形態(tài)和相關(guān)特征參數(shù)。該系統(tǒng)功能強，可測纖維拉、壓、彎性能和形態(tài)變形特征；應(yīng)用范圍廣，可用于纖維力學(xué)性能測量，織物毛羽和織物觸覺舒適評價，以及纖維加工質(zhì)量控制等；測量精度高，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。由于本系統(tǒng)采用計算機控制傳動、圖像和數(shù)據(jù)采集，以及備有所建模型和軟件，因此本發(fā)明不僅具有操作簡便、自動化程度高、界面友好和一機一測多指標(biāo)的優(yōu)點，而且具有數(shù)值化程度高、數(shù)據(jù)處理快的特點。能對直徑5～200μm、突出長度為1～25mm纖維的軸向壓縮與彎曲性能進行快速測量。并能在更換上夾頭夾持形式和位置后，完成短距(0～25mm)夾持拉伸測量和長距(0～150mm)夾持拉伸測量。
權(quán)利要求
1.一種纖維壓縮彎曲性能測量的方法，其特征在于①通過制樣模板(43)獲取纖維試樣-纖維針(41)；②在一個測量腔(1)里完成下列操作a、選取壓縮用上夾頭(32)、夾頭膜(33)表面模擬材料和調(diào)整夾持方式；下夾持器(5)完成纖維針(41)握持；b、通過測量腔(1)正面可開啟的面板上鑲有的放大鏡(13)的觀察，粗略估計纖維針(41)X軸的中心位置；c、通過計算機處理(9)控制微電機(61)，經(jīng)傳動機構(gòu)帶動位于試樣平臺(6)上的下夾持器(5)，沿垂直方向作上升、下降運動，完成纖維針(41)軸向彎曲；通過下夾持器(5)水平方向的左、右移動，完成纖維針(41)彎曲狀態(tài)下的滑移摩擦；d、通過手動轉(zhuǎn)動和微調(diào)平移下夾持器(5)，使纖維針(41)軸線對中并與彎曲平面垂直于光路；同時，使光線由光源(71)、纖維針(41)、物鏡(74)或直接至CCD攝像頭(75)在同一個軸線上，完成光路和試樣纖維針(41)的對中；通過模數(shù)轉(zhuǎn)換(82)將所成的纖維針(41)壓縮彎曲模擬圖象轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖象，經(jīng)計算機處理(9)測量、計算彎曲變形和撓度；e、通過力傳感器(21)，動態(tài)測量纖維針(41)自由接觸端的微力值變化的模擬信號經(jīng)采集和溫度補償、濾波和放大電路(81)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換(82)，輸入計算機處理(9)作數(shù)據(jù)處理；f、計算機處理(9)依據(jù)給定的理論模型和算法進行數(shù)據(jù)處理，繪出纖維針(41)壓縮變形的壓力-位移曲線和撓度-位移曲線；結(jié)合纖維針(41)壓縮過程中圖象處理和上述曲線數(shù)值解出纖維針(41)細度、握持長度、撓度、壓縮、彎曲模量、臨界壓縮力值和應(yīng)力分布。
2.如權(quán)利要求1所述的纖維壓縮彎曲性能測量的方法，其特征在于設(shè)定力傳感器(21)的高低位置，更換拉伸用上夾頭(31)，調(diào)整夾持方式，下夾持器(5)完成纖維針(41)握持，進行纖維針(41)拉伸測量。
3.如權(quán)利要求1、2所述的纖維壓縮彎曲性能測量的方法，其特征在于通過開窗式紙質(zhì)制樣模板(43)，根據(jù)所需纖維針(41)長度，用雙面膠(42)粘貼在模板(43)的橫檔上，再將纖維平行伸直粘貼于雙面膠(42)上，沿虛線剪開，得纖維針(41)。
4.如權(quán)利要求1、2所述的一種纖維壓縮彎曲性能測量的裝置，其特征在于在一個為減小空氣流動和振動對測量影響的測量腔(1)正面可開啟的透明面板上鑲有可觀察的放大鏡(13)；測量腔(1)內(nèi)設(shè)置由主要包括力測量機構(gòu)(2)、多功能可更換上夾頭(3)、下夾持器(5)、光學(xué)成象系統(tǒng)(7)、模擬信號處理(8)和計算機處理(9)及一個由計算機控制通過微電機(61)傳動機構(gòu)帶動的試樣平臺(6)部分組成；a、力測量機構(gòu)(2)由力傳感器(21)及與其活動連接的多功能可更換上夾頭(3)和位于試樣平臺(6)上可轉(zhuǎn)動、移動的下夾持器(5)構(gòu)成；b、光學(xué)成象系統(tǒng)(7)由光源(71)、物鏡(74)、CCD攝像頭(75)及在與X、Y軸夾角處設(shè)置的點光源(76)構(gòu)成；c、模擬信號處理(8)由經(jīng)力傳感器(21)、位移傳感器(20)輸出模擬信號的采集和溫度補償、濾波、放大電路(81)、模數(shù)轉(zhuǎn)換(82)組成；d、計算機處理(9)由數(shù)據(jù)采集與計算模塊(91)、參數(shù)設(shè)置與控制模塊(92)及控制與傳動模塊(93)組成。
5.如權(quán)利要求4所述的纖維壓縮彎曲性能測量的裝置，其特征在于在測量腔(1)內(nèi)壁涂有與被測纖維針(41)互補的顏色；力傳感器(21)是一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的高精度微力傳感器；多功能可更換上夾頭(3)包括拉伸用上夾頭(31)和壓縮用上夾頭(32)及其夾頭膜(33)；下夾持器(5)由下夾頭(51)和與其聯(lián)動的手動微調(diào)機構(gòu)X軸向?qū)к?52)和Y軸向?qū)к?53)及轉(zhuǎn)動盤(54)組成；位移傳感器(20)功能是通過微電機(61)運轉(zhuǎn)數(shù)與計算機時鐘控制器的配合實現(xiàn)的；點光源(76)與X、Y軸夾角為30～60°。
6.如權(quán)利要求4、5所述的纖維壓縮彎曲性能測量的裝置，其特征在于在測量腔(1)內(nèi)壁涂有與被測纖維針(41)互補的顏色為黑色；點光源(76)與X、Y軸夾角為45°。
7.如權(quán)利要求4、5所述的纖維壓縮彎曲性能測量的裝置，其特征在于夾頭膜(33)采用高聚物、砂紙。
全文摘要
纖維壓縮彎曲性能測量的方法及裝置，涉及包括棉、毛、絲、麻、化纖及其它高性能纖維或纖維狀物質(zhì)的測量。本發(fā)明由采用高精度微力傳感器、多功上夾頭和能作水平與垂直運動的下夾持器組成的力—位移測量機構(gòu)，可獲取纖維頭端應(yīng)力和纖維軸向應(yīng)變等數(shù)據(jù)及模擬人體皮膚的刺扎效果。采用光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)同步把纖維軸向壓力下的變形轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖象輸入計算處理，獲取纖維細度、握持長度、撓度和各點曲率與位移等變量并經(jīng)計算機實時采集數(shù)據(jù)對測量參數(shù)進行控制，通過理論模型和算法軟件快速測定實時壓力、撓度、纖維彎曲形態(tài)等應(yīng)變曲線和相關(guān)特征參數(shù)等。其適用于直徑5～200μm、長度為1～25mm突出纖維的軸向壓縮彎曲性能測量和長度為0～150mm纖維的拉伸測量。
文檔編號G01N3/08GK1546979SQ20031010951
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月17日
發(fā)明者于偉東, 劉宇清, 韓露 申請人:東華大學(xué)