CN103454152B - 平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可平稳施压、实时跟踪测量纤维塞的压缩性能及其密度分布与变化的装置及方法。该装置包括原专利的光测量装置、腔内气压测量装置、数据采集卡、驱动与控制电路、数据采集处理与界面控制模块与计算机，还包括改进的主施力装置、受力定位装置、数码摄像装置以及推筒测量腔、纤维塞筒和下测量腔。此改进解决了施力和受力测量中的易晃动及不稳定和测量量程不易更换及后续测量模块增加的局限性。其测量方法是增加可移动、多点定位和实时捕捉微区纤维排列形态变化的数码摄像装置；通过在某一压缩状态下、对纤维塞不同高度位置的观测及追踪锁定选定微区的密度变化观测，以实现对纤维塞密度、面密度比和纤维取向度分布及变化的精准测量。

Description

平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可平稳施压、实时跟踪测量纤维塞的压缩性能及其密度分布与变化的装置及方法。

背景技术

在本发明专利之前，发明人申请了专利号为ZL200410053599.1，名称为纤维集合体变密度力学性能和密度分布测量装置与用途的发明专利(发明人:于伟东、刘茜)，该专利主要用于研究纤维塞在压缩过程中密度与密度分布的变化以及在变密度条件下的力学特征测量。该装置主要包括:挤压机构、数码摄像装置和光测量装置、推筒测量腔、纤维塞筒、下测量腔、腔内气压测量机构、数据采集卡、驱动与控制电路、数据采集处理和界面控制模块与计算机，其中挤压机构由上梁、受力传感器、悬挂架、压力传感器、移动梁、驱动双螺杆和传动步进电机与控制电路组成。测量前，纤维塞置于纤维塞筒内，纤维塞筒和下测量腔密闭卡套，挂于悬挂架上，悬挂架挂于和上梁固定的受力传感器，测量时，由带有压力传感器的推筒测量腔挤压纤维塞，压力通过纤维塞传至下测量腔，最后由拉力传感器感应传递来的力，同时数码摄像装置观测纤维塞密度的变化，而光测量装置测量纤维塞的光透射及反射性质。

该测量装置由于采用纤维塞筒和下测量腔悬挂的方式会产生几个问题:第一，受周围环境及电机的震动，悬挂方式在测量过程中容易产生晃动，给测量带来较大误差；第二，力传感器在仪器上是固定的，不容易更换力的量程以适应不同的测量要求；第三，在增加其它测量模块(于伟东、刘茜，变密度纤维集合体传导性的原位综合测量方法与装置，发明专利，ZL200510024967.4)时，需要在推筒测量腔和下测量腔内添加众多测量元件，这种悬挂方式显然不适合负重过大；第四，数码摄像装置观测纤维塞密度变化时，受视野的局限，无法实时跟踪单根纤维的运动，从而无法推算纤维塞密度的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置及方法，减少测量过程中由于晃动带来的误差，提高力测量的稳定性及增加后续模块添加的负重能力。

本发明更进一步的目的是提供的装置能够实时跟踪纤维的运动，更加真实的表达纤维集合体密度的变化。

为了达到上述目的，本发明的原理是:其一、将原专利纤维塞筒和下测量腔悬挂于受力传感器上的不稳定方式，改成两者置于受力定位装置上的稳定方式；其二、将原专利的压力传感器置于移动梁内、受力传感器固定在上梁的不易更换力传感器的方式，改成容易更换力传感器的独立的主施力装置和受力定位装置，以增加后续模块添加的负重能力；和其三、通过可同步移动的数码摄像器可测量纤维塞在定压力下的密度分布测量、追踪纤维塞定区域的密度变化以及实时捕捉单纤维的运动。

本发明的一个具体技术方案是提供了一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置，包括光测量装置、腔内气压测量装置、数据采集单元、驱动与控制电路、数据处理及控制单元，其特征在于，还包括:主施力装置、受力定位装置、可同步上下移动的数码摄像装置、推筒测量腔、纤维塞筒及下测量腔；主施力装置由驱动与控制电路带动驱动卡套在其上的推筒测量腔下降或上升，推筒测量腔在下降过程中施力于位于纤维塞筒中的纤维塞，纤维塞筒设于下测量腔上，下测量腔设于受力定位装置上，由推筒测量腔下降形成的压力经纤维塞及下测量腔后传递于受力定位装置上，由置于主施力装置和受力定位装置内的力传感器感应在纤维塞受压力后压缩的过程中其两端力值的变化，可同步上下移动的数码摄像装置及光测量装置置于纤维塞筒的外侧，由驱动与控制电路带动数码摄像装置实时捕捉纤维筒内纤维塞在受推筒测量腔压缩过程中的运动图像，由光测量装置测量纤维塞的透射光密度及反射光密度，腔内气压测量装置分别连接推筒测量腔及下测量腔，由腔内气压测量装置测量纤维塞在受推筒测量腔压缩过程中的两端气压的变化，主施力装置内的力传感器、受力定位装置内的力传感器及腔内气压测量装置连接数据采集单元，数据采集单元、数码摄像装置、光测量装置及驱动与控制电路连接计算机。

优选地，所述主施力装置包括压力传感器，压力传感器通过螺钉连接在位于其上方的固定块上，移动梁通过上凸块与固定块卡套，滑块连接移动梁，滑块卡套在固定架上，由步进电机驱动滑块在固定架上移动，在压力传感器的下端设有下凸块，所述推筒测量腔悬挂在下凸块上；

上凸块与固定块卡套后，通过螺钉将两部分旋紧固定；移动步进电机通过驱动滑块带动移动梁上升或下降，从而带动压力传感器上升或下降，进而驱动悬挂卡套于压力传感器上的推筒测量腔的运动。

优选地，所述推筒测量腔包括上半腔、下半腔和推筒测量腔腔壁；所述的上半腔包括上半腔体，在上半腔体的顶部设有与所述下凸块卡套在一起的顶部孔槽，在上半腔体的两侧设有气孔，在上半腔体上和气孔轴对称位置处设有可调节平衡重锤，在上半腔体的底部设有和下半腔卡套连接的底部凸头端；所述下半腔的底部为多孔结构的金属板；下半腔的上端与上半腔或旋紧卡套在一起，或分离；推筒测量腔腔壁为隔声保温的聚四氟乙烯材料；所述推筒测量腔套入所述纤维塞筒中挤压所述纤维塞。

优选地，所述受力定位装置包括受力传感器，受力传感器的上端及下端分别通过螺钉与中心带有凹槽的上板块及下板块相连，下板块通过固定块固定在基座上，该固定下板块用于保证受力装置在受力过程中不会产生水平移动对测量造成误差，基座通过设于底部的定位螺栓支撑在试验台上，通过定位螺栓将基座调平。

优选地，所述下测量腔放置于中心带有凹槽的上板块的凹槽内；上板块凹槽的上表面和所述下测量腔体高度的一半位置平行。

优选地，所述数码摄像装置包括导轨，在导轨上设有可在其上平稳滑动的滑块，CCD数码摄像器固接滑块上，摄像器位移机构与滑块固接从而推动CCD数码摄像器上下移动，由与所述驱动与控制电路相连的摄像器步进电机驱动摄像器位移机构使CCD数码摄像器实时同步捕捉纤维塞在受推筒测量腔压缩过程中的运动图像。

优选地，所述纤维塞筒包括纤维塞筒筒壁，纤维塞筒筒壁的底部设有带有凸卡槽的多孔金属板；纤维塞筒筒壁为透明耐磨的石英玻璃材料；纤维塞筒筒壁上端开口，推筒测量腔部分插入纤维塞筒筒壁内，推筒测量腔与纤维塞筒筒壁之间形成接近密闭并可移动的嵌套配合；纤维塞筒通过凸卡槽的多孔金属板与所述下测量腔嵌套在一起。

优选地，所述下测量腔包括下测量腔腔壁，下测量腔腔壁的顶部为呈凹卡槽的开口端，在下测量腔腔壁上开有的进气孔，在下测量腔腔壁位于进气孔对面侧的部分上设有可调节平衡重锤；呈凹卡槽的开口端与所述带有凸卡槽的多孔金属板卡套在一起，实现下测量腔和纤维塞筒的嵌套；所述的下测量腔腔壁为隔声保温的聚四氟乙烯材料。

本发明的另一个技术方案是提供了一种应用上述测量装置的测量方法，其特征在于，步骤为:

步骤一、将一定质量的纤维塞或在将纤维塞中部分纤维进行颜色标记后均匀、自然状态地放入纤维塞筒内，或按一定排列方式及高度置入纤维塞筒内，纤维塞筒和下测量腔卡套在一起，置于受力定位装置内，调整定位螺栓和固定块，使主施力装置、推筒测量腔、纤维塞筒、下测量腔及受力定位装置的中轴线在一条直线上；

步骤二、通过计算机的界面模块设置力测量量程及电机的运行速度，将推筒测量腔悬挂于主施力装置上，启动步进电机带动推筒测量腔上升至最高位置，将腔内气压测量机构连接到推筒测量腔和下测量腔体上；启动步进电机的下降开关，推筒测量腔匀速下降至初始高度h0后，启动摄像器步进电机使CCD数码摄像器下移到纤维塞所在的高度内，对纤维塞作n点的定位观测，所得结果输入计算机作为参照样，所述的n大于等于3；然后将CCD数码摄像器移动到设定的观测位置；

步骤三、启动步进电机的下降开关，由推筒测量腔挤压纤维塞筒中的纤维塞，压力传感器和受力传感器分别感应压缩过程中纤维塞两端力的变化，得到压缩力-时间和受力-时间曲线或/以及压缩力-位移和受力-位移曲线；CCD数码摄像器在原设定位置不动或同步启动摄像器步进电机使CCD数码摄像器可实时同步捕捉纤维塞筒内纤维塞的纤维移动、变形和堆砌形态的图像，结果输入计算机经图像特征提取与分析得到被测点的纤维塞的堆砌密度变化；通过光测量装置测量纤维塞的透射光密度及反射光密度；腔内气压测量机构测量纤维集合体在压缩过程中的两端气压的变化，直至压缩高度h1；然后，启动摄像器步进电机使CCD数码摄像器移动到纤维塞所在的高度h1内，对纤维塞作n点的定位观测，所得结果输入计算机作为压缩样；然后将CCD数码摄像器移动到设定的观测位置；

步骤四、启动步进电机的上升开关，推筒测量腔匀速上升回复至初始高度h0，压力传感器和受力传感器分别纤维塞两端力的变化，得到压缩力-时间和受力-时间曲线或/以及压缩力-位移和受力-位移曲线；CCD数码摄像器在原设定位置不动或同步启动摄像器步进电机使CCD数码摄像器可实时同步捕捉纤维塞筒内纤维塞的纤维移动、变形和堆砌形态的图像，结果输入计算机经图像特征提取与分析得到被测点的纤维塞的堆砌密度变化；通过光测量装置测量纤维集合体的投射光密度及反射光密度；腔内气压测量机构测量纤维塞两端气压的变化；推筒测量腔到达初始高度h0停止后，启动摄像器步进电机使CCD数码摄像器移动到纤维塞所在的高度h0内，对纤维塞作n点的定位观测，所得结果输入计算机作为回复样；

步骤五、或将步骤三和步骤四循环多次进行，以得到变密度纤维塞的反复压缩、松弛的力学性能和密度特征及变化，或直接进入步骤六；

步骤六、启动步进电机和摄像器步进电机上升开关，使推筒测量腔匀速上升与纤维塞筒分离复位和使CCD数码摄像器复位；然后将纤维塞筒和下测量腔从受力定位装置取下并分离，取出已测的纤维塞，进行后续更换纤维塞后继续测量，或空置于试验台上；同时，计算机依据步骤二到步骤四的测量结果，分析计算给出压缩与回复的压应力-应变曲线，密度-气压差曲线，面密度比和纤维取向度分布图。

和原专利相比，本专利有以下优点:

1、由于对原专利ZL200510024967.1的挤压机构进行了改进，使纤维塞筒和下测量腔悬挂于受力传感器的不稳定方式备改为前两者放置于受力定位装置上的稳定方式，有效减少、甚至消除了由于晃动带来的误差提高力测量的精度，尤其是纤维塞表观密度比和纤维取向度的显微摄像观察时的不抖动及焦平面准确、稳定和显微图像的清晰。使本发明所述的各精密测量与显微观察更为精准与快速。

2、由于采用独立的主施力装置和受力定位装置放置压力传感器和受力传感器，可方便地进行力传感器量程的更换，使本发明能够适应不同的力测量要求以及后续测量模块的添加带来的负重的增加。

3、由于CCD数码摄像器由电机驱动并可近焦的动态和高放大倍率观察，可方便、准确地测量纤维塞在定压力下的密度分布；追踪纤维塞定微区域的密度变化和实时捕捉单纤维的运动；以及能够更有效更全面地分析表达纤维塞的密度在压缩和回复过程中的变化。

4、本发明装置结构合理、精巧，测量快捷、精度高，适用范围广、操作简单。

附图说明

图1是本发明装置的正视剖面结构示意图；

图2A是本发明装置的侧视图；

图2B为图2A的A-A向视图；

图3是应用本发明装置压缩过程的力、密度和透气率变化实测图；

图4是应用本发明装置压缩与回复循环作用力变化实测图；

图5是应用本发明装置压缩过程中堆砌密度分布和纤维取向度分布实测图。

图中:

1-主施力装置、其包括11-压力传感器、12-螺钉、13-固定块、14-下凸块、15-上凸块、16-移动梁、17-滑块、18-固定架、19-步进电机；

2-受力定位装置、其包括21-受力传感器、22-上板块、23-下板块、24-螺钉、25-基座、26-固定块、27-定位螺栓、28-实验台；

3-数码摄像装置、其包括31-导轨、32-CCD数码摄像器、33-滑块、34-摄像器位移机构、35-摄像器步进电机；

4-推筒测量腔、其包括41-上半腔、411-顶部孔槽、412-气孔、413-可调节平衡重锤、414-凸头端、42-下半腔、421-多孔结构的金属板、43-推筒测量腔腔壁；

5-纤维塞筒、其包括51-纤维塞筒筒壁、52-带有凸卡槽的多孔金属板、53-纤维集合体；

6-下测量腔、其包括61-凹卡槽开口端、62-下测量腔腔壁、63-进气孔、64-可调节平衡重锤；

7-光测量装置、其包括71-狭缝光源(位置I投射，位置II反射)、72-投射测量光敏元件、73-反射测量光敏原件；

腔内气压测量机构、其包括81-U型压差管、82-气阻针阀。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以下实施例均采用了如图1及图2所示的一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置，包括光测量装置7、腔内气压测量装置、数据采集单元、驱动与控制电路、数据处理及控制单元，还包括:主施力装置1、受力定位装置2、可同步上下移动的数码摄像装置3、推筒测量腔4、纤维塞筒5及下测量腔6；主施力装置1由驱动与控制电路带动驱动卡套在其上的推筒测量腔4下降或上升，推筒测量腔4在下降过程中施力于位于纤维塞筒5中的纤维塞53，纤维塞筒5设于下测量腔6上，下测量腔6设于受力定位装置2上，由推筒测量腔4下降形成的压力经纤维塞53及下测量腔6后传递于受力定位装置2上，由置于主施力装置1和受力定位装置2内的力传感器感应在纤维塞53受压力后压缩的过程中其两端力值的变化，可同步上下移动的数码摄像装置3及光测量装置7置于纤维塞筒5的外侧，其中，光测量装置7包括狭缝光源71、透射测量光敏元件72及反射测量光敏原件73，狭缝光源71在位置I配合透射测量光敏元件72完成透视，在位置II配合反射测量光敏原件73完成反射。由驱动与控制电路带动数码摄像装置3实时捕捉纤维筒5内纤维塞53在受推筒测量腔4压缩过程中的运动图像，由光测量装置7测量纤维塞53的透射光密度及反射光密度，腔内气压测量装置分别连接推筒测量腔4及下测量腔6，由腔内气压测量装置测量纤维塞53在受推筒测量腔4压缩过程中的两端气压的变化，主施力装置1内的力传感器、受力定位装置2内的力传感器及腔内气压测量装置连接数据采集单元，数据采集单元、数码摄像装置3、光测量装置7及驱动与控制电路连接计算机。

所述主施力装置1包括压力传感器11，压力传感器11通过螺钉12连接在位于其上方的固定块13上，移动梁16通过上凸块15与固定块13卡套，滑块17连接移动梁16，滑块17卡套在固定架18上，由步进电机19驱动滑块12在固定架18上移动，在压力传感器11的下端设有下凸块14，所述推筒测量腔4悬挂在下凸块14上；

上凸块15与固定块13卡套后，通过螺钉将两部分旋紧固定；移动步进电机19通过驱动滑块17带动移动梁16上升或下降，从而带动压力传感器11上升或下降，进而驱动悬挂卡套于压力传感器11上的推筒测量腔4的运动。

所述推筒测量腔4包括上半腔41、下半腔42和推筒测量腔腔壁43；所述的上半腔41包括上半腔体，在上半腔体的顶部设有与所述下凸块14卡套在一起的顶部孔槽411，在上半腔体的两侧设有气孔412，在上半腔体上和气孔412轴对称位置处设有可调节平衡重锤413，在上半腔体的底部设有和下半腔42卡套连接的底部凸头端414；所述下半腔42的底部为多孔结构的金属板421；下半腔42的上端与上半腔41或旋紧卡套在一起，或分离；推筒测量腔腔壁43为隔声保温的聚四氟乙烯材料；所述推筒测量腔4套入所述纤维塞筒5中挤压所述纤维塞53。

所述受力定位装置2包括受力传感器21，受力传感器21的上端及下端分别通过螺钉24与中心带有凹槽的上板块22及下板块23相连，下板块23通过固定块26固定在基座25上，该固定下板块23用于保证受力装置2在受力过程中不会产生水平移动对测量造成误差，基座25通过设于底部的定位螺栓27支撑在试验台28上，通过定位螺栓27将基座25调平。

所述下测量腔6放置于中心带有凹糟的上板块22的凹槽内；上板块22凹槽的上表面和所述下测量腔体6高度的一半位置平行。

所述数码摄像装置3包括导轨31，在导轨31上设有可在其上平稳滑动的滑块33，CCD数码摄像器32固接滑块33上，摄像器位移机构34与滑块33固接从而推动CCD数码摄像器32上下移动，由与所述驱动与控制电路相连的摄像器步进电机35驱动摄像器位移机构34使CCD数码摄像器32实时同步捕捉纤维塞53在受推筒测量腔4.压缩过程中的运动图像。

所述纤维塞筒5包括纤维塞筒筒壁51，纤维塞筒筒壁51的底部设有带有凸卡槽的多孔金属板52；纤维塞筒筒壁51为透明耐磨的石英玻璃材料；纤维塞筒筒壁51上端开口，推筒测量腔4部分插入纤维塞筒筒壁51内，推筒测量腔4与纤维塞筒筒壁51之间形成接近密闭并可移动的嵌套配合；纤维塞筒5通过凸卡槽的多孔金属板52与所述下测量腔6嵌套在一起。

所述下测量腔6包括下测量腔腔壁62，下测量腔腔壁62的顶部为呈凹卡槽的开口端61，在下测量腔腔壁62上开有的进气孔63，在下测量腔腔壁62位于进气孔63对面侧的部分上设有可调节平衡重锤64；呈凹卡槽的开口端61与所述带有凸卡槽的多孔金属板52卡套在一起，实现下测量腔6和纤维塞筒5的嵌套；所述的下测量腔腔壁62为隔声保温的聚四氟乙烯材料。

应用该装置测量方法的具体步骤为:

步骤一、将一定质量的纤维塞53或在该纤维塞53中部分纤维进行颜色标记后均匀、自然状态地放入纤维塞筒5内，或按一定排列方式(随机、竖直、纤维团随机排列)及高度置入纤维塞筒内5，纤维塞筒5和下测量腔6卡套在一起，置于受力定位装置2的凹槽内，调整定位螺栓27和固定块26，使主施力装置1、推筒测量腔4、纤维塞筒5、下测量腔6及受力定位装置2的中轴线在一条直线上。

步骤二、通过计算机的界面模块设置力测量量程(0～0.1kg、0～0.5kg及0～2kg三种量程)及步进电机19的运行速度(范围在0.0256～2.13mm/s之间)，将推筒测量腔4悬挂于主施力装置1上，启动步进电机19带动推筒测量腔4上升至最高位置，将腔内气压测量机构8连接到推筒测量腔4和下测量腔体6上；启动步进电机19下降开关，推筒测量腔4匀速下降至初始高度h0后，启动摄像器步进电机35(运行速度在0～2.13mm/s内)使CCD数码摄像器32下移到纤维塞53所在的高度内，对纤维塞53作n点的定位观测，所得结果输入计算机作为参照样，n大于等于3；然后将CCD数码摄像器32移动到设定的观测位置。

步骤三、启动步进电机19下降开关，挤压纤维塞筒5中的纤维塞53，压力传感器11和受力传感器21分别感应压缩过程中的纤维塞53两端力的变化，得到压缩力-时间和受力-时间曲线或/以及压缩力-位移和受力-位移曲线；CCD数码摄像器32在原设定位置不动或同步启动摄像器步进电机35使CCD数码摄像器32可实时同步捕捉纤维塞筒5内纤维塞53的纤维移动、变形和堆砌形态的图像，结果输入计算机经图像特征提取与分析得到被测点的纤维塞53的堆砌密度变化；通过光测量装置7测量纤维塞53的透射光密度及反射光密度；腔内气压测量机构(包括U型压差管81及气阻针阀82)测量纤维塞53在压缩过程中的两端气压的变化，直至压缩高度h1；然后，启动摄像器步进电机35使CCD数码摄像器32移动到纤维塞所在的高度h1内，对纤维塞53作n点的定位观测，所得结果输入计算机作为压缩样；然后将CCD数码摄像器32移动到设定的观测位置；

步骤四、启动步进电机19上升开关，推筒测量腔4匀速上升回复至初始高度h0，压力传感器11和受力传感器21分别感应压缩过程中的纤维塞53两端力的变化，得到压缩力-时间和受力-时间曲线或/以及压缩力-位移和受力-位移曲线；CCD数码摄像器32在原设定位置不动或同步启动摄像器步进电机35使CCD数码摄像器32可实时同步捕捉纤维塞筒5内纤维塞53的纤维移动、变形和堆砌形态的图像，结果输入计算机经图像特征提取与分析得到被测点的纤维塞53的堆砌密度变化；通过光测量装置7测量纤维塞53的投射光密度及反射光密度；腔内气压测量机构测量纤维塞53在压缩过程中的两端气压的变化；到达初始高度h0、或设定高度或设定压力的高度h2、停止后，启动摄像器步进电机35使CCD数码摄像器32移动到纤维塞53所在的高度h0内，对纤维塞53作n点的定位观测，所得结果输入计算机作为回复样。

所述的步骤三和步骤四可循环多次进行，以得到变密度纤维塞的反复压缩、松弛的力学性能和密度特征及变化。

步骤五、启动步进电机19和摄像器步进电机35上升开关，使推筒测量腔4匀速上升与纤维塞筒5分离复位和使CCD数码摄像器32复位；然后将纤维塞筒5和下测量腔6从受力定位装置2取下并分离，取出已测纤维塞53，进行后续更换纤维塞53的继续测量，或空置于试验台57上；同时，计算机依据步骤二到步骤四的测量结果，分析计算给出压缩与回复的压应力-应变曲线，密度-气压差曲线，面密度比和纤维取向度分布图。

下述具体实施例1～3是对不同纤维和不同集合方式的纤维塞，在不同试验方式和不同的测量条件下，所测得的纤维集合体(纤维塞)的性质和结构的结果。其中:

不同纤维和不同集合方式主要是指:纤维塞所用纤维的种类，包括天然纤维、化学纤维和再生与回用纤维；和所选纤维的填充方式，包括随机排列、平行排列、小纤维团粒的随机排列填充方式。

不同试验方式主要是指:单次压缩、单次压缩与回复和压缩与回复循环

不同的测量条件主要是指:压力传感器11和受力传感器21的量程(kg)，主施力装置1步进电机19运行速度，摄像器步进电机35运行速度(mm/5)；压缩位移Δhc=h1-h0和回复位移Δhr=h2-h0(mm)，其中h0为初始高度、h1为压缩高度和h2为压缩力为零时的回复高度(mm)；对纤维塞的观测点数n为等间隔，定点与定区域跟踪观测；定高度或定位移(mm)，或定压力测量(g)；循环次数与频率(Hz)；纤维塞的初始质量m(g)。

纤维塞性质和结构的测量结果有两类:基本特征参数值和压缩与分布曲线。

基本特征参数值主要是指:定高度h的压应力(Pa|hmm)，定压力p的高度值(mm|PPa)，定高度h或定压力p的平均密度值ρ(g/cm³|hmmorpPa)。

压缩与分布曲线主要是指:压缩与回复的压应力σ-应变ε曲线；密度ρ-气压差Δp曲线，密度ρs和纤维取向度f分布图。

压缩(c)与回复(r)的压应力σ-应变ε曲线的实测曲线为:压缩(c)或回复(r)的压缩力P-时间t和受力F-时间t曲线或/以及压缩力P-位移Δh和受力F-位移Δh曲线，其本身为计算曲线，因为σ=P/A；ε=Δh/h。其他还有压缩与回复循环曲线；压缩力p与受力F差值-位移Δh或-时间曲线等。

密度ρ-气压差Δp曲线的的实测曲线为:压缩(c)或回复(r)的平均密度ρ-时间t或位移Δh曲线，因为平均密度ρ=m/(A.h)；和压缩(c)或回复(r)的气压差Δp-时间t或位移Δh曲线，受力F-位移Δh曲线等。

面密度比ρs和纤维取向度f分和图是表观面密度比ρs-纤维塞高度H的分布曲线图和表观纤维取向度f-纤维塞高度H的分布曲线图。面密度比ρs是表观单位面积中可见纤维的面积比；纤维取向度f是表观单位面积中可见纤维与纤维塞筒5截面方向的一致度，采用最经典的取向因子的计算，θ为纤维轴与纤维塞筒5截面方向的夹角。

实施例1

取质量m=3.24g的羊毛纤维团，无丢失纤维地、呈自然状态地均匀放入纤维塞筒5中，制成纤维塞。其测量条件参数和实测结果见下表实施例1栏所列。羊毛纤维塞在纤维塞筒5中的初始高度h0为90mm，是纤维塞的自然高度。然后作一次压缩与回复测量，推筒测量腔4位移30mm压缩到h1=50mm，在同速恢复到h0，其实在h2=85.2mm回复的压缩力就为零，其小于90mm说明纤维塞有滞后，这从图3的可以清楚地看出。其中，压力p-位移Δh曲线为非线性单调上升(对应压缩c)和下降(对应回复r)，且pc-Δhc曲线始终在pr-Δhr曲线之上，证明纤维塞回复有滞后性。这一滞后性显然是由于压缩的密度不能及时和完全回复的原因所致，即非线性压缩曲线ρc-Δhc始终在回复曲线ρr-Δhr之下所致，见图3。同样，在这一结构因素变化的影响下，反映透气性的、在压缩时的气压差Δpc-位移Δhc和在回复时的气压差Δpr-位移Δhr曲线，也为非线性单调上升和单调下降，且pr-Δhr曲线始终在pc-Δhc曲线之上。即同样纤维塞高度时，回复时的透气率小于压缩时的透气率。这再次说明了纤维塞回复有滞后性。该结果证明，本发明装置的准确性与高精度。由于初始高度h0和压缩高度h1的差异，观测点数n=8不变(两端各留10mm，各点间隔10mm)，CCD数码摄像器32的中轴线必须与纤维塞的1/2高度(h0/2和h1/2)的位置相一致，即需要跟踪。本发明装置测得了8点的所有参数数据，并在表中给出纤维塞两端与中间的了密度ρ、面密度比ρs和纤维取向度f，且平均密度ρ、平均面密度比ρs和取向度f与中间密度ρm、平均面密度比ρsm和取向度fm相近；而纤维塞上端密度ρ_a、平均面密度比ρs_a和取向度f_a均要大于上端密度ρ_b、平均面密度比ρs_b和取向度f_b，就是这一动态实时跟踪能力的体现。这些观察、采样、测量和计算机数据与图像快速处理与分析的结果，均为本发明测量系统完成，故本发明装置和方法实效、精确和快速。

实施例2

取质量m=2.08g的木棉纤维团，无丢失纤维地、先成大小相近的小颗粒团状，然后呈自然状态地均匀放入纤维塞筒5中，制成纤维塞。其测量条件参数和实测结果见下表实施例2栏所列。成颗粒堆砌的木棉纤维塞在纤维塞筒5中的初始高度h0为60mm，是纤维塞的自然高度。然后作循环80次的压缩与回复测量，推筒测量腔4在定压力(120g)第一次压缩到32.6mm、回复到59.91mm；接着逐次循环到80次的压缩高度h1=30.1mm、回复高度h2=52.9mm，见下表和图4。说明h1和h2随着循环压缩的进行，都在作指数衰减下降，因为其回归趋势线为指数规律，见图4。此结果不仅更有说服力地证明了纤维塞压缩循环存在滞后性，而且证明本发明装置能动态、准确与高精度的测量。由于初始高度h0和各压缩高度h1及各零压力时的回复高度h2是不同的、并动态变化，故要满足CCD数码摄像器32的中轴线必须与纤维塞的1/2高度h(h0/2、h1/2、h2/2)的位置相一致，必须作实时跟踪，此由摄像器位移机构34和摄像器步进电机35完成。下表中还给出纤维塞中间点的密度ρm、面密度比ρsm和取向度fm及平均密度ρ、平均面密度比ρs和平均取向度f，可以看出两者为一一对应地相近，这都是观察、采样、测量和计算机数据与图像快速处理与分析的结果。因此，实测结果体现了本发明动态实时跟踪的能力和测量的实效、精确和快速。

实施例3

取质量m=5.45g的涤纶/回用棉纤维团，无丢失纤维地、呈自然状态地均匀放入纤维塞筒5中，制成纤维塞。其测量条件参数和实测结果见下表实施例3栏所列。涤纶/回用棉纤维塞在纤维塞筒5中的初始高度h0为120mm，是纤维塞的自然高度。然后作一次压缩与回复测量，推筒测量腔4位移35mm压缩到h1=85mm，在同速恢复到h0，其实在h2=103.3mm时，回复的压缩力就为零，其明显小于120mm说明纤维塞的滞后性严重，这从图5的可以清楚地看出。其中，表观面密度比ρs-纤维塞高度h(即由上到下的观察点数n)分布曲线为非线性单调下降，且末压缩表观面密度比ρs-观察点数n分布曲线和压缩后表观面密度比ρs-观察点数n分布曲线均是如此趋势，而差异大的压缩后ρs-n分布曲线的非线性单调下降明显，尤其在起始段。而对于纤维取向度f与来说，末压缩的纤维取向度f分布是逐渐增大，但极微弱，见图5对应曲线末端的箭头所示，因为这是填充加压、纤维体重力原理和纤维塞的滞后性所造成；压缩后的纤维取向度f分布是非线性单调下降的，这从纤维塞上端密度ρ_a、平均面密度比ρs_a和取向度f_a均要大于上端密度ρ_b、平均面密度比ρs_b和取向度f_b的结果也可证明。这种的纤维取向度f分布特征的原因在于，压缩主动端易于压紧纤维体而造成纤维沿纤维塞筒5截面方向的取向变大，而远离主动端的纤维塞筒5筒底，压力传递较小而纤维取向变小，详见图5的分布图。这都证明，本发明装置的准确性与高精度。由于初始高度h0和压缩高度h1的差异，观测点数n=15不变(两端各留4mm，各点间隔8mm)，CCD数码摄像器32的中轴线必须与纤维塞的1/2高度(h0/2和h1/2)的位置相一致，即需要跟踪。本发明装置测得了15点的所有参数数据，并在表中给出纤维塞两端与中间的密度ρ、面密度比ρs和纤维取向度f，且平均密度ρ、平均面密度比ρs和取向度f与中间密度ρm、平均面密度比ρsm和取向度fm相近；而纤维塞上端密度ρ_a、平均面密度比ρs_a和取向度f_a均要大于上端密度ρ_b、平均面密度比ρs_b和取向度f_b，就是这一动态实时跟踪能力的体现。这些观察、采样、测量和计算机数据与图像快速处理与分析的结果，均为本发明测量系统完成。因此，有力地证明了本发明装置和方法的实效、精确和快速。

不同纤维和不同集合方式的纤维塞在不同试验条件参数下的测量结果

Claims (8)

1.一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置，包括光测量装置（7）、腔内气压测量装置、数据采集单元、驱动与控制电路、数据处理及控制单元，其特征在于，还包括：主施力装置（1）、受力定位装置（2）、可同步上下移动的数码摄像装置（3）、推筒测量腔（4）、纤维塞筒（5）及下测量腔（6）；主施力装置（1）由驱动与控制电路带动驱动卡套在其上的推筒测量腔（4）下降或上升，推筒测量腔（4）在下降过程中施力于位于纤维塞筒（5）中的纤维塞（53），纤维塞筒（5）设于下测量腔（6）上，下测量腔（6）设于受力定位装置（2）上，由推筒测量腔（4）下降形成的压力经纤维塞（53）及下测量腔（6）后传递于受力定位装置（2）上，由置于主施力装置（1）和受力定位装置（2）内的力传感器感应在纤维塞（53）受压力后压缩的过程中其两端力值的变化，可同步上下移动的数码摄像装置（3）及光测量装置（7）置于纤维塞筒（5）的外侧，由驱动与控制电路带动数码摄像装置（3）实时捕捉纤维筒（5）内纤维塞（53）在受推筒测量腔（4）压缩过程中的运动图像，由光测量装置（7）测量纤维塞（53）的透射光密度及反射光密度，腔内气压测量装置分别连接推筒测量腔（4）及下测量腔（6），由腔内气压测量装置测量纤维塞（53）在受推筒测量腔（4）压缩过程中的两端气压的变化，主施力装置（1）内的力传感器、受力定位装置（2）内的力传感器及腔内气压测量装置连接数据采集单元，数据采集单元、数码摄像装置（3）、光测量装置（7）及驱动与控制电路连接计算机；

所述主施力装置（1）包括压力传感器（11），压力传感器（11）通过螺钉（12）连接在位于其上方的固定块（13）上，移动梁（16）通过上凸块（15）与固定块（13）卡套，滑块（17）连接移动梁（16），滑块（17）卡套在固定架（18）上，由步进电机（19）驱动滑块（12）在固定架（18）上移动，在压力传感器（11）的下端设有下凸块（14），所述推筒测量腔（4）悬挂在下凸块（14）上；

上凸块（15）与固定块（13）卡套后，通过螺钉将两部分旋紧固定；移动步进电机（19）通过驱动滑块（17）带动移动梁（16）上升或下降，从而带动压力传感器（11）上升或下降，进而驱动悬挂卡套于压力传感器（11）上的推筒测量腔（4）的运动。

2.如权利要求1所述的一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置，其特征在于：所述推筒测量腔（4）包括上半腔（41）、下半腔（42）和推筒测量腔腔壁（43）；所述的上半腔（41）包括上半腔体，在上半腔体的顶部设有与所述下凸块（14）卡套在一起的顶部孔槽（411），在上半腔体的两侧设有气孔（412），在上半腔体上和气孔（412）轴对称位置处设有可调节平衡重锤（413），在上半腔体的底部设有和下半腔（42）卡套连接的底部凸头端（414）；所述下半腔（42）的底部为多孔结构的金属板（421）；下半腔（42）的上端与上半腔（41）或旋紧卡套在一起，或分离；推筒测量腔腔壁（43）为隔声保温的聚四氟乙烯材料；所述推筒测量腔（4）套入所述纤维塞筒（5）中挤压所述纤维塞（53）。

3.如权利要求1所述的一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置，其特征在于：所述受力定位装置（2）包括受力传感器（21），受力传感器（21）的上端及下端分别通过螺钉（24）与中心带有凹槽的上板块（22）及下板块（23）相连，下板块（23）通过固定块（26）固定在基座（25）上，该下板块（23）用于保证受力装置（2）在受力过程中不会产生水平移动对测量造成误差，基座（25）通过设于底部的定位螺栓（27）支撑在试验台（28）上，通过定位螺栓（27）将基座（25）调平。

4.如权利要求3所述的一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置，其特征在于：所述下测量腔（6）放置于中心带有凹槽的上板块（22）的凹槽内；上板块（22）凹槽的上表面和所述下测量腔体（6）高度的一半位置平行。

5.如权利要求1所述的一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置，其特征在于：所述数码摄像装置（3）包括导轨（31），在导轨（31）上设有可在其上平稳滑动的滑块（33），CCD数码摄像器（32）固接滑块（33）上，摄像器位移机构（34）与滑块（33）固接从而推动CCD数码摄像器（32）上下移动，由与所述驱动与控制电路相连的摄像器步进电机（35）驱动摄像器位移机构（34）使CCD数码摄像器（32）实时同步捕捉纤维塞（53）在受推筒测量腔（4）压缩过程中的运动图像。

6.如权利要求1所述的一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置，其特征在于：所述纤维塞筒（5）包括纤维塞筒筒壁（51），纤维塞筒筒壁（51）的底部设有带有凸卡槽的多孔金属板（52）；纤维塞筒筒壁（51）为透明耐磨的石英玻璃材料；纤维塞筒筒壁（51）上端开口，推筒测量腔（4）部分插入纤维塞筒筒壁（51）内，推筒测量腔（4）与纤维塞筒筒壁（51）之间形成接近密闭并可移动的嵌套配合；纤维塞筒（5）通过凸卡槽的多孔金属板（52）与所述下测量腔（6）嵌套在一起。

7.如权利要求6所述的一种平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置，其特征在于：所述下测量腔（6）包括下测量腔腔壁（62），下测量腔腔壁（62）的顶部为呈凹卡槽的开口端（61），在下测量腔腔壁（62）上开有的进气孔（63），在下测量腔腔壁（62）位于进气孔（63）对面侧的部分上设有可调节平衡重锤（64）；呈凹卡槽的开口端（61）与所述带有凸卡槽的多孔金属板（52）卡套在一起，实现下测量腔（6）和纤维塞筒（5）的嵌套；所述的下测量腔腔壁（62）为隔声保温的聚四氟乙烯材料。

8.一种应用如权利要求1所述平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置的测量方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、将一定质量的纤维塞（53）或在将纤维塞（53）中部分纤维进行颜色标记后均匀、自然状态地放入纤维塞筒（5）内，或按一定排列方式及高度置入纤维塞筒内（5），纤维塞筒（5）和下测量腔（6）卡套在一起，置于受力定位装置（2）内，调整定位螺栓（27）和固定块（26），使主施力装置（1）、推筒测量腔（4）、纤维塞筒（5）、下测量腔（6）及受力定位装置（2）的中轴线在一条直线上；

步骤二、通过计算机的界面模块设置力测量量程及电机的运行速度，将推筒测量腔（4）悬挂于主施力装置（1）上，启动步进电机（19）带动推筒测量腔（4）上升至最高位置，将腔内气压测量机构连接到推筒测量腔（4）和下测量腔体（6）上；启动步进电机（19）的下降开关，推筒测量腔（4）匀速下降至初始高度h0后，启动摄像器步进电机（35）使CCD数码摄像器（32）下移到纤维塞（53）所在的高度内，对纤维塞（53）作n点的定位观测，所得结果输入计算机作为参照样，所述的n大于等于3；然后将CCD数码摄像器（32）移动到设定的观测位置；

步骤三、启动步进电机（19）的下降开关，由推筒测量腔（4）挤压纤维塞筒（5）中的纤维塞（53），压力传感器（11）和受力传感器（21）分别感应压缩过程中纤维塞（53）两端力的变化，得到压缩力-时间和受力-时间曲线或/以及压缩力-位移和受力-位移曲线；CCD数码摄像器（32）在原设定位置不动或同步启动摄像器步进电机（35）使CCD数码摄像器（32）可实时同步捕捉纤维塞筒（5）内纤维塞（53）的纤维移动、变形和堆砌形态的图像，结果输入计算机经图像特征提取与分析得到被测点的纤维塞（53）的堆砌密度变化；通过光测量装置（7）测量纤维塞（53）的透射光密度及反射光密度；腔内气压测量机构（8）测量纤维集合体在压缩过程中的两端气压的变化，直至压缩高度h1；然后，启动摄像器步进电机（35）使CCD数码摄像器（32）移动到纤维塞（53）所在的高度h1内，对纤维塞（53）作n点的定位观测，所得结果输入计算机作为压缩样；然后将CCD数码摄像器（32）移动到设定的观测位置；

步骤四、启动步进电机（19）的上升开关，推筒测量腔（4）匀速上升回复至初始高度h0，压力传感器（11）和受力传感器（21）分别测量纤维塞（53）两端力的变化，得到压缩力-时间和受力-时间曲线或/以及压缩力-位移和受力-位移曲线；CCD数码摄像器（32）在原设定位置不动或同步启动摄像器步进电机（35）使CCD数码摄像器（32）可实时同步捕捉纤维塞筒（5）内纤维塞（53）的纤维移动、变形和堆砌形态的图像，结果输入计算机经图像特征提取与分析得到被测点的纤维塞（53）的堆砌密度变化；通过光测量装置（7）测量纤维集合体的投射光密度及反射光密度；腔内气压测量机构（8）测量纤维塞（53）两端气压的变化；推筒测量腔（4）到达初始高度h0停止后，启动摄像器步进电机（35）使CCD数码摄像器（32）移动到纤维塞（53）所在的高度h0内，对纤维塞（53）作n点的定位观测，所得结果输入计算机作为回复样；

步骤五、或将步骤三和步骤四循环多次进行，以得到变密度纤维塞的反复压缩、松弛的力学性能和密度特征及变化，或直接进入步骤六；

步骤六、启动步进电机（19）和摄像器步进电机（35）上升开关，使推筒测量腔（4）匀速上升与纤维塞筒（5）分离复位和使CCD数码摄像器（32）复位；然后将纤维塞筒（5）和下测量腔（6）从受力定位装置（2）取下并分离，取出已测的纤维塞（53），进行后续更换纤维塞（53）后继续测量，或空置于试验台（57）上；同时，计算机依据步骤二到步骤四的测量结果，分析计算给出压缩与回复的压应力-应变曲线，密度-气压差曲线，面密度比和纤维取向度分布图。