CN100561176C - 纤维材料横向压缩性能的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纤维材料横向压缩性能的测量方法及装置。设有纤维横向压缩部件，利用悬臂梁上的压头对多角盘中单纤维或交叠纤维试样进行横向压缩；纤维变形观测部件，利用两个方向的物镜设置，对压缩纤维进行立体观察测量；带有偏转修正的压缩应力测量部件把压缩过程中压头应力变化实时输入计算计处理，所述的偏转修正是通过激光小角度反射测量压缩时悬臂梁微小的偏转角位移来修正垂直压缩位移量。由于本发明压缩测量方法采用应力、形态变化的组合原位测量和紧凑巧妙机构设计，使纤维横向压缩形状测量快速、准确、全面，测量误差极大减小，适用于各种纤维材料。

Description

纤维材料横向压缩性能的测量方法及装置

技术领域：

本发明涉及纤维状材料和管状材料横向压缩特性的一种测量方法和装置。更具体地，本发明涉及柔性纤维材料横向压缩特性的测量方法和装置，属于微测量领域。

背景技术：

在纤维材料的研究中，纤维横向压缩性能的测量，特别是交叠纤维的压缩性能，对于纤维制品实际使用安全以及结构设计均有重要实际意义，该问题在复合材料和人体血管、导管材料中显得尤为突出。

纤维、纤维束的轴向拉伸性能研究较多，轴向压缩也有些研究(于伟东，刘宇清，韩露，纤维压缩弯曲性能测量的方法及装置，中国发明专利，申请号200310109512.3)而同样重要的纤维横向压缩性能则研究较少，在市场上用来测量纤维横向压缩性能仪器几乎没有。

日本Kawabata曾设计了测量单纤维横向压缩性能的测量装置(S.Kawabata，J.Textile Inst.81：432(1990))，然而该装置无纤维横向压缩变形观察与测量，其变形量只是通过压头的位移量来推算。由于不同纤维性能差异较大，其横截面在压缩作用下变化复杂，因此该测量方法并不可靠。对于交叠纤维的压缩性能测量，由于纤维接触面不断变化，使得该方法的测量准确性大大降低。

纤维横向压缩性能测量有几个难点：第一，纤维横向压缩位移较小，一般纤维直径为10～30μm如何精确控制测量微小压缩量；第二，压缩过程中不仅纤维层厚度减小，同时纤维间接触面积增大，如何同时双轴向(厚度与宽度)观察；第三，实际应用中纤维交叠排列成一定角度，因此在性能测量上需设计和控制不同交叠角度的试样，如何准确交叠排列与观察。这些均是目前未能解决和表征的问题。

发明内容：

本发明旨在克服难点，其目的是提供一种符合实际应用条件基础上的用以测量纤维或交叠多层纤维横向压缩性能的测量方法及装置。

本发明对所述目的实现是利用下述方法来解决的包括：

把待测量纤维横向水平伸直放置在多角盘上，所述的多角盘可为四角形、六角形、八角形、其他多角形等，利用多角盘定位作用，纤维根据不同测量需要成单根或一定角度(0～90°)交叠放置或多层放置；

根据不同试样情况，选用可更换的上压头，上压头有方锥台形、圆锥台形和楔形，利用悬臂梁作用，通过步进电机驱动丝杆对单纤维、多纤维、单层或多层纤维进行横向压缩，装于悬臂梁上的压力传感器输出压力值；

在压缩同时，利用激光点光源、反射镜和感光杆测量压头的竖直位移变化和悬臂梁弯曲时的位移修正；

通过两个方向的物镜和CCD摄像器观察纤维横向形态，并变化结合压头应力变化，反映纤维横向压缩性状。

本发明是一种纤维横向压缩性能的测量方法的装置，该装置包括含有与压力传感器的信号输出接口依次连接的放大滤波电路、A/D转换器和数字信号处理、计算、存储的模块、控制升降驱动模块、完成纤维层变形图像实时捕捉、处理和存储的图像采集卡和图像采集处理模块，以及测量纤维层压缩微移的图像采集卡模块的一个计算机，其特征在于：该装置还含有压缩部件、多角盘、操作平台、纤维变形观测部件和悬臂梁偏转修正测量部件：

所述的压缩部件是悬在机架上的步进电机、驱动丝杆经过压力传感器带动悬臂梁，该悬臂梁另一端连接压头；

上述压头顶部装有能反射机架上的激光点光源至机架上的感光杆的反射镜，共同构成悬臂梁偏转修正测量部件；

所述的操作平台置在机架下，由透明载物台嵌在可360°自由旋转的圆筒形旋转台上，该旋转台与在弹簧和旋钮作用下可做XY方向移动的移动台套接，上述部件置于可垂直移动的托架上，该托架连接另一个步进电机驱动的驱动丝杆上；

所述的多角盘置于上述的操作平台上，被卡槽固定在旋转台上，是一带圆孔和刻度尺的多角金属片；

所述的纤维变形观测部件是在压缩部件和操作平台之间的右侧一可上下左右位移的移动架及该移动架上的物镜和摄像器，透明载物台下的另一物镜和摄像器组成；

所述计算机分别与上述的激光点光源、感光杆、压力传感器、二台步进电机、摄像器、旋转台连接。

所述的装置的整个测量部分置于一透明保护罩中。

所述的摄像器是CCD数码摄像器。

所述的压头是方锥、圆锥或楔形压头。

所述的多角盘为带圆孔和刻度尺的多角金属片，该多角盘可为4，6，8，……，16等多角形。

所述的透明载物台由透明(石英或其他)玻片52、旋转台53、移动台54、托架55、XY移动弹簧与旋钮56和卡槽57构成。

所述的纤维变形观测部件由两套光源、两套可1～3轴向移动调整的光学物镜和CCD数码摄像器构成。其中一个为竖直方向纤维压缩宽度的观察，另一个为水平方向纤维压缩厚度的观察。

所述的悬臂梁偏转修正测量部件，又称压缩微位移测量单元，由悬架31、激光点光源32、反射镜33和感光杆34构成，当受力悬臂梁偏转时，激光反射点偏移，由此修正偏转位移误差；当正常微位移下降时，依据反光镜反射的激光点移动，精确测得压缩部件的位移值。

所述的数据采集与控制系统由由四部分系统模块组成：

力处理单元包括由压力力传感器的信号输出接口、放大滤波电路、A/D转换器和数字信号处理、计算、存储模块构成，完成信号的处理、存储和输出等功能；位移信号处理单元主要由计算机处理模块完成角速度和位移的输入换算；

机构控制单元由精密升降驱动控制模块，完成压头垂直上升、下降和停止的精确控制。以及调节移动速度，达到有效地控制纤维层变形量和纤维加负荷与减负荷的速度；

图像信号采集与处理单元由图像采集卡和图像采集处理模块构成，完成纤维层变形图像的实时捕捉、处理和存储。并能直接通过计算机实时显示或手工抓图与存储；

压缩微位移测量单元由图像采集卡模块构成，利用它们之间的位置关系求出放大倍数，从而折算出压头位移量，计算出纤维层的压缩量。

所述力、位移、图像、机构驱动、模块控制等信号的输入与输出均通过数据接口与计算机相连，并由计算机软件程序控制。

按照本发明的方法与装置可排除已有技术的缺陷，创造性地解决了单纤维、交叠纤维和多层纤维横向压缩性能的精确测量。

本发明的特点：

a)利用多角盘边和角的定位作用，快速制作单根、角度交叠和多层纤维的横向压缩试样，纤维试样伸直、整齐和均匀排列，有利于其横向压缩测量进行。

b)利用激光点光源、反射镜和感光杆测量压头的竖直位移变化和悬臂梁弯曲时的位移修正，完成纤维横向压缩下微小形变的准确微测量。

c)在透明载物板下侧与右侧，各设置一物镜，图像信号经CCD摄像器输入图像采集卡，经计算机处理，在屏幕上显示，使被测纤维层的宽度、厚度和接触面变化均能被观察到。

d)纤维横向压缩过程中，透明试样台上移和压头下移分开，并利用步进电机和丝杆配合以不同速度进行，便于放置试样、缩短压缩测量时间和提高位移准确性。

e)整个装置结构设计紧凑，调节准确方便，纤维横向压缩测量快速、准确、全面，测量误差极大减小。

附图说明：

下面参照附图介绍本发明的一个优选实施例，其中：

图1为实施例本发明方法的装置概略图；

图2多角盘图；

图3单纤维制样图；

图4交叠纤维制样图；

图5多根纤维制样图；

图6多层交叠纤维制样图；

图7移动台俯视图；

图8旋转台俯视图；

图9光源俯视图；

图10压头图；

图11数据采集及控制系统框图；

图12压力-位移曲线；

图13压缩厚度-位移曲线；

图14纤维投影宽度与纤维厚度-位移曲线；

图中：

11-保护罩     12-背板       13-机架

21-压力传感器 22-悬臂梁     23-压头(方锥台、圆锥台和楔形)；

31-悬架  32-激光点光源 33-反射镜 34-感光杆

41-光源  42-移动架  43-物镜头  44-微调旋钮

45-CCD摄像器  46-Y方向移动旋钮 47-X方向移动旋钮

51-多角盘  52-透明玻片   53-旋转台  54-移动台

55-托架  56-XY移动弹簧(561)与旋钮(562) 57-卡槽

61-丝杆  62-步进电机 71-纤维 72-双面胶。

具体实施方式：

通过以下实际操作和和实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

a)典型测量操作，首先准备纤维层试样，从纤维束中取出单纤维，缠绕在多角盘上51上，多角盘中心孔是直径为2～3cm的空心圆，如图2所示可为四角盘、六角盘、八角盘等，纤维沿对角或对边拉直，贴上双面胶72固定，沿图3中虚线处剪取得一定角度纤维，利用八角盘的角度定位作用，可完成精确角度交叠纤维定位如图4，纤维呈θ角(0°～90°)交叠角试样73，多根纤维间隔排列试样74如图5，多层交叠排列纤维试样75如图6。

b)根据纤维直径、纤维排列间隔和纤维排列根数，选取不同压缩接触面的压头23，如图10所示，方锥台、圆锥台和楔形压头，下端表面分别是5mm×5mm、50μm×50μm、5mm×1mm不等，压头表面进行镜面处理，压头长20mm的锥体，上端为5mm×5mm的平面或直径为5mm的圆，通过螺钉与悬臂梁22相连。

c)八角盘51被卡槽57固定在旋转台上如图8所示，调节如图1中旋转台53和移动台54的位置使被测纤维与压头中心线对中，调节XY方向移动旋钮46、47如图7，使物镜与压头中心线对中，最终使压头、纤维、物镜在一条直线上。纤维经物镜通过CCD在屏幕上显示，反复校验纤维的排列和交叠角，直至符合测量需要。

d)调整光源位置如图9和物镜位置，使纤维、光源和物镜在水平方向上也在一条直线上，调节物镜上微调旋钮44使得成像清晰。

e)调节悬架31竖直位置和角度，设定激光点光源32与反射镜33的入射压缩的微小位移量通过反射点在感光杆34上的位移进行放大折算，并根据需要调整入射角以改变放大倍数。

f)测量前计算机设定参数，进行调零和补偿控制。开始测量托架55由微型步进电机61通过丝杆61驱动开始作上升运动，当压头接触到纤维时停止运动。悬臂梁22利用在机架上悬挂的丝杆和步进电机作用使压头24向下运动，压头的微小位移通过小角反射放大测量计算得到，纤维压力变化经传感器输出模拟电压值，由A/D转换成数字电压信号输入计算机；同时CCD显微摄像器把纤维层受力下的形变，转化为数字图像输入计算机进行数据处理与计算，如图11所示。

g)数据传人计算机，进行特征量提取，获取纤维直径、纤维接触面积和纤维横截面形态变化等变量，结合压缩过程中的压力变化绘出压力-位移曲线如图12所示，压缩厚度-位移曲线如图13所示，纤维投影宽度与纤维厚度-位移曲线如图14所示等特征曲线，计算纤维层压缩模量，压缩厚度等基本指标。

Claims (7)

1、一种纤维横向压缩性能的测量装置，该装置包括含有与压力传感器的信号输出接口依次连接的放大滤波电路、A/D转换器和数字信号处理、计算、存储的模块、控制升降驱动模块、完成纤维层变形图像实时捕捉、处理和存储的图像采集卡和图像采集处理模块，以及测量纤维层压缩微移的图像采集卡模块的一个计算机，其特征在于：该装置还含有压缩部件、多角盘、操作平台、纤维变形观测部件和悬臂梁偏转修正测量部件：

所述的压缩部件是由悬在机架上的步进电机、驱动丝杆、装于悬臂梁的压力传感器、悬臂梁以及与该悬臂梁另一端连接的压头组成；

上述压头的顶部装有能反射机架上的激光点光源至机架上的感光杆的反射镜；激光点光源、感光杆、反射镜和悬架共同构成悬臂梁偏转修正测量部件；

所述的操作平台置在机架下，由透明载物台嵌在可360°自由旋转的圆筒形旋转台上，该旋转台与在弹簧和旋钮作用下可做XY方向移动的移动台套接，上述部件置于可垂直移动的托架上，该托架连接在另一个步进电机驱动的驱动丝杆上；

所述的多角盘置于上述的操作平台上，是一带圆孔和刻度尺的多角金属片；

所述的纤维变形观测部件是由在压缩部件和操作平台之间的右侧一可上下左右位移的移动架、及该移动架上的物镜和摄像器以及透明载物台下的另一物镜和摄像器组成；

所述计算机分别与上述的激光点光源、感光杆、压力传感器、二台步进电机、摄像器、旋转台连接。

2、如权利要求1所述的装置，其特征是所述的摄像器是CCD数码摄像器。

3、如权利要求1所述的装置，其特征是所述的压头是方锥、圆锥或楔形压头。

4、一种采用如权利要求1的纤维横向压缩性能的测量装置的测量方法，其特征在于包括下述步骤：

a)把待测量纤维横向水平方向伸直成单根或0～90°交叠放置粘贴在多角盘上；

b)选用可更换的压头，利用悬臂梁作用，通过步进电机驱动丝杆对a)的单层或多层纤维进行横向压缩，在装于悬臂梁上的压力传感器输出压力值；

c)在压缩同时，利用激光点光源、反射镜和感光杆测量压头的竖直位移变化和悬臂梁弯曲时的位移进行修正；

d)通过压缩部件和操作平台之间的右侧和透明载物台下的两个方向的物镜和摄像器观察纤维横向形态，并结合压头应力变化，测得纤维横向压缩的性状。

5、根据权利要求4所述的一种纤维横向压缩性能的测量方法，其特征在于其中d)所述的方法是在压缩部件和操作平台之间的右侧和透明载物台下各设置一物镜观察被测纤维层的宽度和厚度，并通过摄像器输入图像采集卡，经计算机处理，在屏幕上显示。

6、根据权利要求4所述的一种纤维横向压缩性能的测量方法，其特征在于其中c)所述的位移修正是利用激光点光源与反射镜成1°～10°的小角，光线反射至感光杆的放大作用，通过反射光线照射点变化，折算出压头压缩过程中微小位移量，及悬臂梁受力变形的微小角位移变化，并作修正。

7、根据权利要求4、5或6所述的一种纤维横向压缩性能的测量方法，其特征在于利用小角激光反射完成纤维压缩微小变形的精确测量，通过从下测观察纤维或纤维层投影宽度变化；通过从右侧观察纤维或纤维层的厚度变化，获得纤维截面的形态变化和纤维间接触面积的变化。

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