專利名稱：纖維集合體變密度力學(xué)性能和密度分布測(cè)量裝置與用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于纖維集合體材料變密度力學(xué)性能及密度分布特征的測(cè)量裝置與用途。
背景技術(shù)：
纖維集合體的密度，以及受力作用時(shí)的狀態(tài)與密度變化直接影響著纖維集合體的使用性能和性狀如透通性、隔絕性、形態(tài)穩(wěn)定性等，其表征對(duì)纖維材料的應(yīng)用和加工均極為重要。目前，除了通過(guò)制取不同密度的試樣來(lái)獲得各種密度的纖維集合體之外，還可通過(guò)壓縮的方式來(lái)改變纖維集合體的密度。而實(shí)際研究中纖維集合體的壓縮，僅僅用于纖維集合體本身壓縮性能的表達(dá)，并不將其與密度特征聯(lián)系起來(lái)同步原位表達(dá)?，F(xiàn)有的測(cè)量方法可以明確地說(shuō)明這一點(diǎn)。目前已有纖維集合體壓縮性能的測(cè)量方法和儀器有多種，如Instron強(qiáng)力試驗(yàn)儀，DCS-500型島津強(qiáng)力機(jī)，東華大學(xué)(原中國(guó)紡織大學(xué))研制的紡織材料壓縮彈性儀(紡織材料壓縮彈性儀的研究及其應(yīng)用。楊如禧.中國(guó)紡織大學(xué)學(xué)報(bào)。1988，14(4)，129-137)，儀征化纖研制的中空纖維膨松特性、回彈測(cè)試儀(ZL專利號(hào)97243296.5)等。國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)有澳大利亞的“抗壓縮性”(AS3535-1988)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；法國(guó)的“壓縮性能”(NF G07-0761993)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；日本的“壓縮彈性”(JIS L 10811998)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；新西蘭的“膨松度”(NZS87161994)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等。但很少有人關(guān)注壓縮過(guò)程中纖維集合體的密度變化及纖維塞的密度分布特征，以及纖維集合體在變密度、變排列條件下的力學(xué)特征測(cè)量，因?yàn)樯袩o(wú)實(shí)現(xiàn)這一要求的組合原位測(cè)量方法與裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述存在問(wèn)題，提供一種纖維集合體變密度力學(xué)性能和密度分布測(cè)量裝置與用途。
本發(fā)明的原理是利用同軸擠壓纖維集合體的同時(shí)，光學(xué)測(cè)量該纖維集合體的密度變化及其密度分布，由此獲得纖維集合體變密度時(shí)的壓縮力學(xué)行為。實(shí)現(xiàn)這一原理的方法是通過(guò)對(duì)纖維集合體的一次擠壓作用，原位測(cè)量纖維集合體的壓縮力—位移曲線和密度—位移曲線和密度分布特征等，導(dǎo)出變密度纖維集合體的壓縮力學(xué)性能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種纖維集合體變密度力學(xué)性能和密度分布的測(cè)量裝置，包括含有數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡、程序控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的計(jì)算機(jī)和分別與該計(jì)算機(jī)相連接的一對(duì)力傳感器、一組光測(cè)量裝置和帶有D/A變頻器和驅(qū)動(dòng)電路的步進(jìn)電機(jī)，以及與力傳感器和步進(jìn)電機(jī)相連的纖維塞擠壓機(jī)構(gòu)和與纖維塞筒相連的腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu)。用于纖維集合體一次擠壓作用下的壓縮力學(xué)行為和纖維塞密度變化及密度分布特征的測(cè)量。
擠壓機(jī)構(gòu)由帶有壓力傳感器3和推筒4，主動(dòng)施力于纖維塞；懸掛于拉力傳感器1上的纖維塞筒5，保持纖維集合體并受力于推筒4通過(guò)纖維塞的作用；位移驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推筒4精確下降實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維塞的擠壓；壓力傳感器3和拉力傳感器1，完成對(duì)纖維集合體的壓縮變密度和兩端力值的測(cè)量。所述的推筒4是一端封閉，一端為可透過(guò)氣體的金屬網(wǎng)隔板41，且筒壁上開(kāi)有與腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu)相連的透氣孔；所述的纖維塞筒5是一端開(kāi)口，一端為可透過(guò)氣體的金屬網(wǎng)隔板41，其與纖維塞筒后氣腔52相連，后氣腔52的筒壁上開(kāi)有與腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu)相連的透氣孔，以便測(cè)量在纖維集合體壓縮時(shí)的腔內(nèi)氣壓值，或控制腔內(nèi)氣壓。
由數(shù)碼攝像裝置6和置于纖維塞筒二側(cè)的狹縫光源與陣列光敏元件構(gòu)成的光測(cè)量裝置7，其數(shù)碼攝像器因裝于纖維塞筒側(cè)面，光軸與纖維塞筒軸垂直相交，可作纖維塞整體堆砌狀態(tài)和纖維塞各段體密度的觀察所述的狹縫光源73長(zhǎng)度與陣列光敏元件長(zhǎng)度一致，狹縫光源73可通過(guò)位置變化位置I與纖塞筒軸和陣列光敏元件71在同一平面，完成光透射密度的測(cè)量；位置II與陣列光敏元件72形成在纖維塞表面的鏡面反射，完成光反射密度的測(cè)量，以及各自密度分布的測(cè)量，見(jiàn)附圖3。
由推筒4或/和纖維塞筒5的放氣孔81和氣阻針閥82之間的U形壓差管83共同組成的腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu)，分別沒(méi)是量纖維塞壓縮時(shí)，纖維塞筒5兩端的氣壓，以排除氣壓對(duì)纖維塞真實(shí)壓力差的影響，完成對(duì)纖維壓縮時(shí)氣阻影響的測(cè)量。同時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)針閥82的通量改變氣阻，分析氣阻對(duì)纖維集合體壓縮的作用。與腔內(nèi)氣壓測(cè)量部分的自身重量平衡，在推筒4/和纖維塞筒5連接腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu)的對(duì)側(cè)可置一平衡重錘84，以保持推筒4或/和纖維塞筒5的垂直下垂。
含有數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡、程序控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的計(jì)算機(jī)，見(jiàn)附圖4，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、圖像采集與處理分析、曲線和特征值的顯示、存儲(chǔ)及打印；由計(jì)算機(jī)、D/A、變頻器、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的數(shù)字控制系統(tǒng)可完成整個(gè)測(cè)量的驅(qū)動(dòng)與控制。
本發(fā)明的特點(diǎn)a.采用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)一次擠壓作用下纖維集合體的壓縮力學(xué)行為、集合體的密度變化及分布各指標(biāo)的原位測(cè)量，測(cè)量指標(biāo)涉及壓縮力—位移曲線，拉、壓力差—位移曲線，密度—位移曲線，氣壓差—密度曲線，纖維塞密度分布及圖像，以及不同排列纖維塞的各特征曲線、密度分布和圖像。
b.采用主施力壓力傳感器和受力拉力傳感器測(cè)量，可表達(dá)纖維集合體的力傳遞性質(zhì)；采用兩端氣阻設(shè)置和測(cè)量，可表達(dá)壓縮時(shí)的氣壓影響；采用數(shù)碼攝像和陣列光敏元件的光測(cè)量，可表達(dá)被測(cè)纖維塞的密度分布及其變化，為真正意義上的原位、動(dòng)態(tài)測(cè)量。
c.裝置測(cè)試精度高、操作簡(jiǎn)便、試樣制備多樣和可測(cè)、自動(dòng)化程度高，適用于各種纖維集合體變密度動(dòng)態(tài)壓縮性能的測(cè)試。


圖1是本發(fā)明裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置的側(cè)視圖和A向視圖；圖3是試樣的制備方法示意圖。
圖4是系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集模塊圖。
圖5是羊毛纖維集合體的擠壓試驗(yàn)的拉、壓力—位移曲線。
圖6是羊毛纖維集合體的擠壓試驗(yàn)的氣壓差—纖維塞密度曲線。
圖7是羊毛纖維集合體的擠壓試驗(yàn)的纖維表面密度—纖維高度曲線。
圖8是豎直羊毛纖維條的擠壓試驗(yàn)的拉、壓力—位移曲線。
圖9是豎直羊毛纖維條的擠壓試驗(yàn)的拉、壓力差—位移曲線。
圖10是豎直羊毛纖維條的擠壓試驗(yàn)的氣壓差—纖維塞密度曲線。
圖11是豎直羊毛纖維條的擠壓試驗(yàn)的纖維塞密度—位移曲線。
圖1和2中1-拉力傳感器 2-掛鉤 3-壓力傳感器4-推筒 41-推筒金屬網(wǎng)隔板5-纖維塞筒 51-纖維塞筒金屬網(wǎng)隔板 52-纖維塞筒后氣腔6-數(shù)碼攝像裝置7-光測(cè)量裝置 71-透射光陣列光敏檢測(cè)元件72-反射光陣列光敏檢測(cè)元件 73-狹縫光源8-腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu) 81-放氣孔 82-氣阻針閥83-U形壓差管 84-平衡重錘。
圖3中的(a)、(b)、(c)、(d)分別對(duì)應(yīng)于纖維集合體不同的填充堆砌方式可隨機(jī)排列放入(a)、可豎直平行放入(纖維束)(b)、可隨機(jī)排列的纖維團(tuán)分層疊置放入(c)、可正交平行纖維層疊置放入(d)，由此制得不同排列狀態(tài)的纖維塞。
具體實(shí)施例方式通過(guò)以下實(shí)施例將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
實(shí)測(cè)例1本發(fā)明的裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其側(cè)視圖和A向視圖如圖2所示。其中含有數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡、程序控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的計(jì)算機(jī)，以及線路等在圖中省略。
按照?qǐng)D3所述的幾種試樣制備方法，取隨機(jī)排列方式將纖維試樣放入纖維塞筒5中，啟動(dòng)下降開(kāi)關(guān)，推筒4勻速下降直至設(shè)定高度，擠壓纖維塞筒5中的纖維試樣，停止20s后啟動(dòng)上升開(kāi)關(guān)，推筒4上升復(fù)位。取下纖維塞簡(jiǎn)5，更換其中的纖維試樣，重新進(jìn)行試驗(yàn)。
擠壓過(guò)程中施加的壓力通過(guò)安裝于推筒4上的高精度壓力傳感器3感應(yīng)測(cè)量；該作用力經(jīng)推筒4下端的金屬網(wǎng)隔板41作用于纖維塞并傳力至纖維塞筒5底部的金屬網(wǎng)隔板51上，由此通過(guò)掛鉤2傳至纖維塞筒上方的高精度拉力傳感器1，進(jìn)行感應(yīng)測(cè)量。記錄D/A變頻器的輸入頻率和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，精確測(cè)量推筒4的下降位移。由此得到兩端壓縮力—位移曲線，如圖5所示。
擠壓纖維塞5的同時(shí)，由數(shù)碼攝像器6實(shí)時(shí)觀察纖維塞整體堆砌狀態(tài)和纖維塞各段體密度與表面密度；光測(cè)量裝置7中，將狹縫光源73調(diào)至位置I完成光透射密度的測(cè)量，調(diào)至位置II完成光反射密度的測(cè)量，由此得到纖維塞不同高度處的相對(duì)密度，即纖維塞的密度分布曲線，如圖7所示。
當(dāng)纖維塞壓縮時(shí)腔內(nèi)氣壓變化，測(cè)量機(jī)構(gòu)8分別通過(guò)推筒4腔和維塞筒5的后氣腔52測(cè)量纖維塞兩端的氣壓，即透過(guò)推筒4和/或纖維塞筒5的金屬網(wǎng)隔板的氣體氣壓，以排除氣壓對(duì)纖維塞真實(shí)壓力差的影響，完成對(duì)纖維塞壓縮時(shí)氣阻影響的測(cè)量和修正。
計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理、圖像實(shí)時(shí)采集與處理分析、曲線和特征值的顯示、存儲(chǔ)及打??；數(shù)字控制系統(tǒng)完成整個(gè)測(cè)量的驅(qū)動(dòng)與控制。
操作結(jié)束后可在計(jì)算機(jī)上直接獲得壓縮力—位移曲線，拉、壓力差—位移曲線，密度—位移曲線，氣壓差—密度曲線，纖維塞密度分布圖像以及不同排列纖維塞的各特征曲線、密度分布與圖像。
按照以上操作，對(duì)羊毛纖維集合體的擠壓試驗(yàn)可得出拉、壓力—位移曲線曲線，如圖5所示；氣壓差—纖維塞密度曲線，如圖6所示；和纖維表面密度—纖維高度曲線，如圖7所示。
實(shí)測(cè)例2按照實(shí)測(cè)例1操作步驟，對(duì)豎直平行放入(纖維束)羊毛纖維集合體的擠壓試驗(yàn)可得出拉、壓力—位移曲線曲線，如圖8所示；拉、壓力差—位移曲線曲線，如圖9所示；氣壓差—纖維塞密度曲線，如圖10所示；和纖維塞密度—位移曲線，如圖11所示。
權(quán)利要求
1.一種纖維集合體變密度力學(xué)性能和密度變化與分布的測(cè)量裝置，其特征在于含有數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡、程序控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的計(jì)算機(jī)和分別與該計(jì)算機(jī)相連接的一對(duì)力傳感器、一組光測(cè)量裝置和帶有D/A變頻器和驅(qū)動(dòng)電路的步進(jìn)電機(jī)，以及與力傳感器和步進(jìn)電機(jī)相連的纖維塞擠壓機(jī)構(gòu)，與纖維塞筒相連的腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu)所構(gòu)成所述的擠壓機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、位移驅(qū)動(dòng)帶有壓力傳感器的推筒和懸掛于拉力傳感器上的纖維塞筒所組成；所述的光測(cè)量裝置由1或2個(gè)置于纖維塞筒側(cè)面或二側(cè)、光軸與纖維塞筒軸垂直相交的數(shù)碼攝像器，置于纖維塞筒二側(cè)的由一個(gè)狹縫光源與兩組光敏感陣列元件組成；所述的狹縫光源長(zhǎng)度與光敏感陣列元件一致，并可通過(guò)狹縫光源位置變化完成光透射和反射的測(cè)量；所述的腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu)，由推筒或/和纖維塞筒的放氣孔、連接放氣孔的氣阻針閥和置于放氣孔及氣阻針閥之間的U形壓差管組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是所述的擠壓機(jī)構(gòu)是質(zhì)量對(duì)稱的，在推筒或/和纖維塞筒連接腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu)的對(duì)側(cè)可置一保持推筒或/和纖維塞筒垂直平衡的可調(diào)位置重錘；推筒和纖維塞筒與纖維塞接觸端均為透孔金屬網(wǎng)隔板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征所述的纖維塞筒是活套在掛鉤上。
4.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置的用途，其特征是用于測(cè)量各種纖維集合體一次擠壓作用下的壓縮力學(xué)行為和纖維塞密度變化及密度分布特征的。
5.如權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量裝置的用途，其特征是用于測(cè)量纖維的壓縮力-位移曲線，拉、壓力差-位移曲線，密度-位移曲線，氣壓差-密度曲線，纖維塞密度分布，纖維塞圖像以及不同排列纖維塞的各特征曲線、密度分布和圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及纖維集合體壓縮時(shí)變密度力學(xué)特征和其密度分布及變化的原位組合測(cè)量裝置與用途。該裝置包括帶數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡、程序控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的計(jì)算機(jī)和與該計(jì)算機(jī)相連的一對(duì)力傳感器、一組光測(cè)量裝置和帶D/A變頻器和驅(qū)動(dòng)電路的步進(jìn)電機(jī)，以及與力傳感器和步進(jìn)電機(jī)相連的擠壓機(jī)構(gòu)，與纖維塞筒相連的腔內(nèi)氣壓測(cè)量機(jī)構(gòu)。可對(duì)纖維塞一端施力壓縮、一端受力不動(dòng)，分別測(cè)施力和受力端的力值，并同步觀察記錄纖維塞的密度及其分布。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)一次擠壓作用下纖維集合體的壓縮力學(xué)行為、集合體密度變化及分布各指標(biāo)的原位測(cè)量。測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便、誤差小、自動(dòng)化程度高，適用于各種纖維材料的動(dòng)態(tài)壓縮性能的測(cè)試。
文檔編號(hào)G01C11/00GK1587966SQ200410053599
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月10日
發(fā)明者于偉東, 劉茜 申請(qǐng)人:東華大學(xué)