CN103454201A - 变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于变密度纤维塞的瞬态湿汽传递性的测量方法与装置及其用途，该装置包括新增的、直接对纤维塞筒提供稳定可调湿汽的湿汽源和精确测量纤维塞两端瞬态湿度的测湿装置，以及推筒测量腔、纤维塞筒、下测量腔、力测试装置、定位装置、与测量端相连的数据采集卡、驱动控制电路、数据采集处理模块和计算机。其测量方法是由湿汽源送出稳定湿度的湿汽，进入推筒测量腔，测得初始相对湿度，再经纤维塞筒进入下测量腔，得终态相对湿度，从而测得纤维塞密度变化时所通过气体的相对湿度的变化，并求得湿汽扩散系数和湿阻。该方法和装置测量快速、精度高、重复性和再现性高、操作简便、可用于变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量。

Description

变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置与方法

技术领域

本发明涉及用于变密度纤维塞的瞬态湿汽传递性的测量技术，可用于各种纤维塞的湿汽扩散系数和湿阻的测量。

背景技术

目前，对于纤维塞湿汽传递性质的测试方法主要有稳态法和瞬态法。

稳态法主要有杯法(ASTM-1999)，蒸发杯法(BS7209)，吸湿剂倒杯法(ASTME96-80)、出汗热法(IS011092)和出汗铜人法(ASTMF F1291)。除了这些标准方法之外，还有该造的DSC方法(R.Indushekar et al.Studies on test methodsused to measure water vapor transmission of fabrics by DSC and conventional dishtechniques.Journal of industrial textiles.2005，34(4)，223-242.)，武汉纺织大学研制的新型织物透湿仪(织物透湿性测试新方法.黄建华.2007，10(28)，30-37)。这些方法的原理都是基于Fick定律，即经过相当一段时间使纤维塞两侧湿汽浓度差达到稳定，计算湿汽蒸发率或者是湿汽扩散系数以衡量纤维塞的湿汽传递性能。稳态法的缺陷之一是测试时间长，如实验室常用的蒸发杯法需要数天的时间才能完成一次测试。缺陷之二是该方法只局限于纤维塞处于固定环境的湿汽传递测试。在实际使用中，纤维塞所处的环境是通常是变化的，如人体运动过程中的出汗或者外界环境的突然变化等，所以研究纤维塞的瞬态湿汽传递性质有重要的意义。

瞬态测试方法较少，目前检索到的仅有动态透湿箱法(USP6119506)，由于测试装置复杂，并未在实验室普及，另外此方法只能测试特定纤维塞(织物)的湿汽传递性质，而不能纤维塞瞬态湿汽传递性质的测量，更加无法测量纤维塞在实际使用过程中，由于密度变化引起的瞬态湿汽传递性质的变化。

由此可见，目前缺少一种简易装置能够快速准确的测试纤维塞在变密度条件下的瞬态湿汽传递性质。

发明内容

本发明的目的是提供一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置、方法及应用，能够测试纤维塞在变密度条件下的瞬态湿汽传递性质。

为了达到上述目的，本发明的原理是：在纤维塞的一端施加某一特定相对湿度的湿汽，这时会在纤维塞的两端会产生湿汽浓度差，从而会产生湿汽通过纤维塞的扩散，通过获得纤维塞两端湿汽随时间的变化曲线可以提取参数以表达纤维塞的瞬态湿汽传递性质。若同时不断改变纤维塞的密度，可进行纤维塞密度变化的瞬态湿汽传递性质的测量，并借助于CCD摄像和图像处理与分析技术同步实时观测纤维塞密度及密度分布的变化。

本发明的一个具体技术方案是提供了一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置，包括纤维塞筒、主施力装置、受力定位装置、成像机构、光测量机构、腔内气压测量机构，内设有纤维塞的纤维塞筒卡套在下测量腔上，下测量腔设于受力定位装置上，在纤维塞筒的外侧设有成像机构及光测量机构，其特征在于：还包括悬挂于主施力装置上的推筒测量腔及直接对推筒测量腔提供稳定、可调湿度的湿汽源，由主施力装置在数据采集与驱动控制电路的控制下驱动推筒测量腔上升及下降，推筒测量腔在下降过程中形成对纤维塞的压力，该压力经由下测量腔传递至受力定位装置，测湿装置及腔内气压测量机构均连接推筒测量腔及下测量腔，由腔内气压测量机构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，由测湿装置精确测量纤维塞在受推筒测量腔压缩过程中两端的瞬态湿度变化，由置于主施力装置和受力定位装置内的力传感器感应纤维塞在受力压缩的过程中其两端力值的变化。

优选地，所述湿汽源包括气泵，气泵经由进气管连通带有刻度的玻璃容器，在玻璃容器内盛有水溶液，气泵以一定的速度向水溶液吹气，水溶液液面蒸发的水蒸汽通过出气管以及腔内进气管通入所述推筒测量腔，再由腔内出气管释出，腔内进气管及腔内出气管置于所述推筒测量腔内，补水器经由阀门与玻璃容器相连通；

补水器通过阀门的微调向玻璃容器内提供水溶液；水溶液为蒸馏水，或为添加有微孔胶囊颗粒的蒸馏水；腔内进气管的头端靠近所述推筒测量腔体的底部；腔内出气管的头端处于所述推筒测量腔的中部；

所述测湿装置包括置于所述推筒测量腔内的上温湿度传感器、置于所述下测量腔内的下温湿度传感器、与所述推筒测量腔相连通的上气压传感器及与所述下测量腔相连通的下气压传感器。

优选地，所述下温湿度传感器置于靠近所述下测量腔内的上方位置，以测试下测量腔内相对湿度的变化。

优选地，所述上温湿度传感器、所述下温湿度传感器、所述上气压传感器及所述下气压传感器通过数据采集卡连接计算机，由计算机通过数据采集处理与界面模块实现湿度与气压数据采集与处理、曲线和特征值的显示、存储及打印。

优选地，所述推筒测量腔，包括上半腔及与上半腔密封配合的下半腔，在上半腔的顶部设有孔槽，在上半腔的侧边设有用于调节推筒测量腔平衡的平衡杆，在平衡杆上设有可移动调节的平衡重锤，上半腔的底部为保持密封的凸头端，在上半腔的圆周面上开有内圆周气孔，在上半腔开有内圆周气孔的部分外圈套有气窗孔，在气窗孔的圆周面上开有外圆周气孔，在上半腔位于气窗孔稍下的部位上开有进气孔与出气孔，进气孔与所述出气管以及所述腔内进气管连接，出气孔与所述腔内出气管连接，在上半腔位于气窗孔稍上的部位上开有与所述上气压传感器相连的测压气孔，由上气压传感器测试推筒测量腔气压的变化；所述的气窗孔的外圆周气孔和上半腔的内圆周气孔在同一部位的圆周上，通过旋转气窗孔可使外圆周气孔与内圆周气孔产生不同程度的重合，从而控制开闭。

优选地，所述推筒测量腔具有多孔金属底板，所述上温湿度传感器置于靠近多孔金属底板上方中心位置，由上温湿度传感器测试推筒测量腔内相对湿度的变化。

优选地，所述下测量腔包括用于稳定下测量腔的呈凹卡槽的开口端，在下测量腔的下测量腔腔壁上开有与所述下气压传感器相连的测量孔、与所述腔内气压测量机构相连的下测量腔进气孔及用于维持下测量腔气压稳定和调节并与外界相通的调节孔，在下测量腔腔壁上还设有下测量腔平衡重锤；

所述纤维塞筒包括纤维塞筒筒壁及位于其下方的纤维塞筒多孔金属板；

所述主施力装置包括与用于悬挂所述推筒测量腔的下凸块，下凸块设于压力传感器的下表面，压力传感器通过螺钉与固定块固定连接，移动梁通过上凸块与固定块卡套，主施力装置滑块连接移动梁，主施力装置滑块卡套在固定架上，由步进电机驱动主施力装置滑块在固定架上移动；

所述受力定位装置包括位于上板块和下板块之间的受力传感器，受力传感器通过螺钉固定，由基座稳定托住下板块，在基座上设有防止受力传感器水平移位的固定块，基座由位于其底部的水平螺栓支撑在实验台上，通过水平螺栓调节基座水平；

所述成像机构包括导轨，在导轨上设有与其配合的成像机构滑块，CCD数码摄像器固定在成像机构滑块上，由摄像器步进电机通过摄像器位移机构驱动CCD数码摄像器上下移动；

所述光测量装置包括测量狭缝光源、位于测量狭缝光源对侧的透射测量光敏元件及位于测量狭缝光源同侧的反射测量光敏原件，测量狭缝光源在第一个位置配合透射测量光敏元件完成透射测量，并在第二个位置配合反射测量光敏原件完成反射测量；

所述的腔内气压测量机构包括U型压差管及设于U型压差管上的气阻针阀，U型压差管分别连接所述推筒测量腔及所述下测量腔。

本发明的另一个技术方案是提供了一种应用上述的变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置的测量方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、先将纤维塞放置在温度为20±0.2℃、相对湿度为65±5％的恒温恒湿条件下预置24h，从中取一定质量的纤维塞以均匀、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；接着将纤维塞筒卡套在下测量腔上，并将二者置于受力定位装置上，然后，旋转推筒测量腔上的气窗孔使其处于开启状态，这时推筒测量腔内的气压和外界气压相等；之后将推筒测量腔悬挂于主施力装置上，步进电机驱动推筒测量腔至最高位置，使推筒测量腔和纤维塞筒分离；

步骤二、在推筒测量腔和纤维塞筒之间放置一块不透气的塑料膜；打开补水器，往玻璃容器中注入水溶液至一定高度，待玻璃容器内空气的湿度达到稳定状态后，打开气泵，水溶液受到由气泵吹出的气流的干扰而蒸发，产生的湿汽通过出气管、进气孔和腔内进气管进入推筒测量腔体，由于推筒测量腔和纤维塞筒中间不透气塑料膜的存在，能够防止湿汽进入纤维塞筒；待推筒测量腔内的上温湿度传感器显示的相对湿度值在一个恒定值附近波动时，即表示推筒测量腔的相对湿度达到稳定状态，同时观察上气压传感器的气压值；其中，推筒测量腔内的相对湿度值的改变，可以通过往水溶液里添加微孔胶囊颗粒，增大水溶液的表面积，产生更大的相对湿度通入推筒测量腔来实现；

步骤三，启动步进电机，将塑料膜抽掉，推筒测量腔迅速下降压缩纤维塞至设定高度h0后停止，快速响应的上温湿度传感器、下温湿度传感器、上气压传感器和下气压传感器将采集到的相对湿度和气压信号通过A／D转换器后送到计算机处理系统；启动CCD数码摄像器下降至纤维塞高度h0所在的范围内，观察纤维塞的密度分布图像，结果输入计算机经图像特征提取与分析得到密度分布；通过光测量装置测试纤维塞的透射光密度及反射光密度；

步骤四，测试一段时间后，关闭气泵，启动步进电机带动推筒测量腔上升到最高位置，将纤维塞筒和下测量腔分离，两者置于实验台上，静置至少1分钟；

步骤五、取出步骤四的纤维塞更换新的相同质量的纤维塞进行测试或者保留步骤四的纤维塞作为继续测试试样；重复步骤二、步骤三和步骤四，所述的重复步骤三时，启动电机带动推筒测量腔体迅速下降压缩纤维塞至设定高度h1后停止，h1<h0；不断重复此过程，测试纤维塞在变测试高度或变密度时的瞬态湿汽传递性质；

步骤六、将采集到的相对湿度的实验数据和理论模型得到的数据进行拟合，将得到表达纤维塞湿汽传递能力的参数一湿汽扩散系数、湿阻随时间的变化曲线以及湿汽扩散系数、湿阻随纤维塞密度的变化曲线。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置的应用，其特征在于：用于变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的测量方法的应用，其特征在于：用于变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明实现了纤维塞瞬态湿汽传递性质的快速测试，更加接近纤维塞的实际使用状态，也大大缩短了测试时间；

(2)能够较好的测试纤维塞在使用情况下由于密度变化而引起的瞬态湿汽传递性质的变化，符合纤维塞的实际使用状态；

(3)装置简单，在原有装置上做简单设计，只需要增加简易的湿汽源和温湿度传感器以及气压传感器；

(4)适用于各种纤维塞(织物、纤维塞)瞬态湿汽传递性质的测量；

(5)操作简单，重复性和再现性优良。

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是图2A的A-A向视图；

图3A至图3C是推筒测量腔的气窗孔的结构及其作用原理示意图；

图4是本发明的湿汽源示意图；

图5是本发明的系统控制和数据采集模块图；

图6是测试羊毛纤维塞时，推筒测量腔和下测量腔相对湿度-时间变化曲线；

图7是测试羊绒纤维塞时，推筒测量腔和下测量腔气压变化图；

图8A及图8B是测试羊毛纤维塞时，湿汽扩散系数与湿阻和时间的关系图；

图9是测试羊毛纤维塞时，湿汽扩散系数与湿阻和密度的关系图；

图10A和图10B分别是测试涤纶、棉和丝织物时，推筒测量腔和下测量腔相对湿度-时间变化曲线；

图11A、图11B和图11C分别是测试涤纶(1号)、棉(2号)和丝(3号)织物时，汽扩散系数和湿阻随时间的变化图。

图中：

1-湿汽源、其包括11-气泵、12-玻璃容器、13-补水器、14-水溶液、15-阀门、16-进气管、17-出气管、18-腔内进气管、19-腔内出气管；

测湿装置、其包括21-上温湿度传感器、22-下温湿度传感器、23-上气压传感器、24-下气压传感器；

3-推筒测量腔、其包括31-上半腔、313-平衡重锤、314-凸头端、315-内圆周气孔，32-下半腔、及其中的321-推筒多孔金属板，33-推筒测量腔腔壁、34-气窗孔、及其中的341-外圆周气孔，35-进气孔、36-出气孔、37-测压气孔；

4-下测量腔、其包括41-凹卡槽开口端、42-下测量腔腔壁、43-下测量腔进气孔、44-下测量腔平衡重锤、45-测量孔、46-调节孔；

5-纤维塞筒、其包括51-纤维塞筒筒壁、52-纤维塞筒多孔金属板、53-纤维塞；

6-主施力装置、其包括61-下凸块、62-压力传感器、63-螺钉、64-固定块、65-上凸块、66-移动梁、67-主施力装置滑块、68-固定架、69-步进电机；

7-受力定位装置、71-受力传感器、72-上板块、73-下板块、74-螺钉、75-基座、76-固定块、77-水平螺栓、78-实验台；

8-成像机构、其包括81-导轨、82-CCD数码摄像器、83-成像机构滑块、84-摄像器位移机构、85-摄像器步进电机；

9-光测量装置、其包括91-狭缝光源(位置I透射，位置II反射)、92-透射测量光敏元件、93-反射测量光敏原件；

腔内气压测量机构、其包括101-U型压差管、102-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。

以下实施列均使用了如图1至图4所示的一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置，包括纤维塞筒5、主施力装置6、受力定位装置7、成像机构8、光测量机构9、腔内气压测量机构，内设有纤维塞53的纤维塞筒5卡套在下测量腔4上，下测量腔4设于受力定位装置7上，在纤维塞筒5的外侧设有成像机构8及光测量机构9，其特征在于：还包括悬挂于主施力装置6上的推筒测量腔3及直接对推筒测量腔3提供稳定、可调湿度的湿汽源1，由主施力装置6在数据采集与驱动控制电路的控制下驱动推筒测量腔3上升及下降，推筒测量腔3在下降过程中形成对纤维塞53的压力，该压力经由下测量腔4传递至受力定位装置7，测湿装置及腔内气压测量机构均连接推筒测量腔3及下测量腔4，由腔内气压测量机构测量纤维塞53在受推筒测量腔3压缩过程中的两端气压的变化，由测湿装置精确测量纤维塞53在受推筒测量腔3压缩过程中两端的瞬态湿度变化，由置于主施力装置6和受力定位装置7内的力传感器感应纤维塞53在受力压缩的过程中其两端力值的变化。

所述湿汽源1包括气泵11，气泵11经由进气管16连通带有刻度的玻璃容器12，在玻璃容器12内盛有水溶液14，气泵11以一定的速度向水溶液14吹气，水溶液14液面蒸发的水蒸汽通过出气管17以及腔内进气管18通入所述推筒测量腔3，再由腔内出气管19释出，腔内进气管18及腔内出气管19置于所述推筒测量腔3内，补水器13经由阀门15与玻璃容器12相连通；

补水器13通过阀门15的微调向玻璃容器12内提供水溶液14；水溶液14为蒸馏水，或为添加有微孔胶囊颗粒的蒸馏水；腔内进气管18的头端靠近所述推筒测量腔体3的底部；腔内出气管19的头端处于所述推筒测量腔3的中部；

所述测湿装置2包括置于所述推筒测量腔3内的上温湿度传感器21、置于所述下测量腔4内的下温湿度传感器22、与所述推筒测量腔3相连通的上气压传感器23及与所述下测量腔4相连通的下气压传感器24。

所述下温湿度传感器22置于靠近所述下测量腔4内的上方位置，以测试下测量腔4内相对湿度的变化。

所述上温湿度传感器21、所述下温湿度传感器22、所述上气压传感器23及所述下气压传感器24通过数据采集卡连接计算机，由计算机通过数据采集处理与界面模块实现湿度与气压数据采集与处理、曲线和特征值的显示、存储及打印。

所述推筒测量腔3，包括上半腔31及与上半腔31密封配合的下半腔32，在上半腔31的顶部设有孔槽，在上半腔31的侧边设有用于调节推筒测量腔3平衡的平衡杆，在平衡杆上设有可移动调节的平衡重锤313，上半腔31的底部为保持密封的凸头端314，在上半腔31的圆周面上开有内圆周气孔315，在上半腔31开有内圆周气孔315的部分外圈套有气窗孔34，在气窗孔34的圆周面上开有外圆周气孔341，在上半腔31位于气窗孔34稍下的部位上开有进气孔35与出气孔36，进气孔35与所述出气管17以及所述腔内进气管18连接，出气孔36与所述腔内出气管19连接，在上半腔31位于气窗孔34稍上的部位上开有与所述上气压传感器23相连的测压气孔37，由上气压传感器23测试推筒测量腔3气压的变化；所述的气窗孔34的外圆周气孔341和上半腔31的内圆周气孔315在同一部位的圆周上，通过旋转气窗孔34可使外圆周气孔341与内圆周气孔315产生不同程度的重合，从而控制开闭。

所述推筒测量腔3具有多孔金属底板321，所述上温湿度传感器21置于靠近多孔金属底板321上方中心位置，由上温湿度传感器21测试推筒测量腔3内相对湿度的变化。

所述下测量腔4包括用于稳定下测量腔4的呈凹卡槽的开口端41，在下测量腔4的下测量腔腔壁42上开有与所述下气压传感器24相连的测量孔45、与所述腔内气压测量机构相连的下测量腔进气孔43及用于维持下测量腔4气压稳定和调节并与外界相通的调节孔46，在下测量腔腔壁42上还设有下测量腔平衡重锤44；

所述纤维塞筒5包括纤维塞筒筒壁51及位于其下方的纤维塞筒多孔金属板52；

所述主施力装置包括与用于悬挂所述推筒测量腔3的下凸块61，下凸块61设于压力传感器62的下表面，压力传感器62通过螺钉63与固定块64固定连接，移动梁66通过上凸块65与固定块64卡套，主施力装置滑块67连接移动梁66，主施力装置滑块67卡套在固定架68上，由步进电机69驱动主施力装置滑块67在固定架68上移动；

所述受力定位装置7包括位于上板块72和下板块73之间的受力传感器71，受力传感器71通过螺钉74固定，由基座75稳定托住下板块73，在基座75上设有防止受力传感器71水平移位的固定块76，基座75由位于其底部的水平螺栓77支撑在实验台78上，通过水平螺栓77调节基座水平；

所述成像机构8包括导轨81，在导轨81上设有与其配合的成像机构滑块83，CCD数码摄像器82固定在成像机构滑块83上，由摄像器步进电机85通过摄像器位移机构84驱动CCD数码摄像器82上下移动；

所述光测量装置9包括测量狭缝光源91、位于测量狭缝光源91对侧的透射测量光敏元件92及位于测量狭缝光源91同侧的反射测量光敏原件93，测量狭缝光源91在第一个位置I配合透射测量光敏元件92完成透射测量，并在第二个位置II配合反射测量光敏原件93完成反射测量；

所述的腔内气压测量机构包括U型压差管101及设于U型压差管101上的气阻针阀102，U型压差管101分别连接所述推筒测量腔3及所述下测量腔4。

本发明的电连接框图如图5所示，在图5中，压力传感器62及受力传感器71经由各自的滤波传感器连接A／D转换单元。光测量装置9则与滤波传感器连接后又连接一个A／D转换单元。成像机构8中的CCD数码摄像器82则连接图像采集卡。上温湿度传感器21、下温湿度传感器22、上气压传感器23及下气压传感器24连接各自的滤波传感器又连接一个A／D转换单元。所有A／D转换单元均连接计算机系统中的图像采集与处理模块，又都受到参数设置与控制模块的控制，参数设置与控制模块还控制步进电机69。

应用变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置的测量原理与方法的实现步骤是：

步骤一、先将纤维塞53放置在温度为20±0.2℃、相对湿度为65±5％的恒温恒湿条件下预置24h，从中取一定质量的纤维塞53以均匀、自然状态地放入纤维塞筒5内(规格为内径为3.0cm，外径为3.3cm，高度为7cm)，或按一定排列方式及高度置入纤维塞筒5内；接着将纤维塞筒5卡套在下测量腔4上，并将二者置于受力定位装置7上，然后，旋转推筒测量腔3上的气窗孔34使其处于开启状态，这时推筒测量腔3内的气压和外界气压相等；之后将推筒测量腔3悬挂于主施力装置6上，步进电机69驱动推筒测量腔3至最高位置，使推筒测量腔3和纤维塞筒5分离。

步骤二，在推筒测量腔3和纤维塞筒5之间放置一块不透气的塑料膜；打开补水器13，往玻璃容器12中注入水溶液14至一定高度，静置一分钟，待玻璃容器12内空气的湿度达到稳定状态，打开气泵11，水溶液14受到由气泵11吹出的气流的干扰而蒸发，产生的湿汽通过出气管17、进气孔35和腔内进气管18进入推筒测量腔体3，由于推筒测量腔3和纤维塞筒5中间不透气塑料膜的存在，能够防止水汽进入纤维塞筒5；待推筒测量腔3内的上温湿度传感器21显示的相对湿度值在一个恒定值附近波动时，此恒定值为79±0.5％，即表示推筒测量腔3的相对湿度达到稳定状态，同时可观测气压值和外界气压值一致，见图7；其中推筒测量腔3内的相对湿度值的改变，可以通过往水溶液14里添加微孔胶囊颗粒，增大水溶液的表面积，产生更大的相对湿度通入推筒测量腔3。

步骤三，启动步进电机69，将塑料膜抽掉，推筒测量腔3迅速下降压缩纤维塞53至设定高度h0后停止，快速响应的上温湿度传感器21、下温湿度传感器22、上气压传感器23和下气压传感器24将采集到的相对湿度和气压信号通过A／D转换器送到计算机处理系统，参见图6和图7；启动CCD数码摄像器81下降至纤维塞高度h0所在的范围内，观察纤维塞53的密度分布图像，结果输入计算机经图像；通过光测量装置9测试纤维塞53的透射光密度及反射光密度，特征提取与分析得到密度分布。

步骤四，测试一段时间后，关闭气泵11，启动步进电机69带动推筒测量腔3上升到最高位置，将纤维塞筒5和下测量腔4分离，两者置于实验台上，静置1分钟；所述的测试时间根据试样而定，一般不超过400s。

步骤五、取出步骤4的纤维试样更换新的相同质量的纤维试样进行测试或者保留步骤4的纤维试样作为继续测试试样，重复步骤二，三，四，所述的重复步骤三时，启动电机带动推筒测量腔体3迅速下降压缩至纤维塞至设定高度h1后停止，所述的h1<h0；不断重复此过程，测试纤维塞在变测试高度或变密度时的瞬态湿汽传递性质。

步骤六、将采集到的相对湿度的实验数据和理论模型得到的数据进行拟合，将得到表达纤维塞湿汽传递能力的参数一湿汽扩散系数、湿阻随时间的变化曲线以及湿汽扩散系数、湿阻随纤维塞密度的变化曲线，参见图8和图9。

所述的湿汽扩散系数和湿阻在某时间区间的计算可采用将采集到的相对湿度的实验数据和理论模型得到的数据进行拟合的方法得到：

$c_{\mathrm{theo}}=c_0-(c_0-c_{\mathrm{start}})e^{-\frac{\mathrm{DA}\&times;{10}^6}{d{V}_0}t}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{mt}}=\frac{d}{D}---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{ma}}=\frac{d-h}{D_a}---\left(4\right)$

R_mf=R_mt-R_ma               (5)

$R_{\mathrm{mf}}=\frac{h}{D_f}---\left(6\right)$

其中：

为下测量腔的相对湿度；P_sw-推筒测量腔饱和蒸汽压；T-温度，R-气体常数；c_exp-下测量的湿汽腔摩尔浓度实验值；c₀-推筒测量腔的湿汽摩尔浓度；c_start-下测量腔初始湿汽摩尔浓度；D-湿度传感器之间总湿汽扩散系数；S-材料的横截面积；d-材料的厚度；V₀-下测量腔的体积；t-时间区间；c_theo-下测量腔的湿汽摩尔浓度理论值；R_mt-湿阻；D_f和R_mf分别为纤维塞的湿汽扩散系数和湿阻；h为纤维塞的厚度；D_a和R_ma分别为纤维塞两端与湿度传感器之间空气的湿汽扩散系数和湿阻。

所述的湿汽扩散系数和湿阻随时间的变化的计算如下：首先获得纤维塞两端相对湿度随时间的变化曲线，选取合理的拟合时间区间长度(视纤维塞的湿汽传递能力而定)，选取的相邻时间区间间隔3s，如拟合区间长度为10，则拟合区间依次为[0，10]、[3，13]、[6、16].....；根据公式1和公式2，测量装置的计算机数据处理系统在每一个区间进行数据拟合：选取合理的拟合时间区间(视纤维塞的湿汽传递能力而定)和相邻时间窗口起始位置间隔3s，根据采集到的下测量腔的相对湿度-时间数据，以最小二乘法原理拟合得到每个时间窗口对应的湿汽扩散系数，取每个时间区间的中间时间，即可得到湿汽扩散系数和湿阻随时间的变化曲线。要获得纤维塞的湿汽扩散系数和湿阻随其密度的变化，可取整个测试时间上的湿气扩散系数和湿阻的平均值。

实施例1

选取羊毛纤维塞进行测试，羊毛的直径为21μm，卷曲度为4.68个／cm。测试前，羊毛纤维试样在温度为20±0.2℃、相对湿度为65±5％的恒温恒湿条件下预置24h。将0.3g随机排列的纤维塞放入纤维塞筒5内，接着将纤维塞筒5和下测量腔4卡套在一起，置于受力定位装置7的凹槽上，然后将推筒测量腔3上的气窗孔34打开，并且悬挂在主施力装置6上，启动电机带动推筒测量腔3上升到最高位置，使推筒测量腔3和纤维塞筒5分离，在推筒测量腔和纤维塞筒之间放一不透气的塑料膜，防止水汽进入纤维塞筒；开启湿汽发生装置1，待推筒测量腔3内相对湿度达到稳定，相对湿度值在79±0.5％范围内波动，启动电机下降，迅速抽掉塑料膜，推筒测量腔3迅速下降至纤维塞高度6cm停止，温湿度传感器21、22和气压传感器23、24将测试湿汽传递过程中，纤维塞两端的相对湿度与气压值，如图6和图7所示；启动CCD数码摄像器81下降至纤维塞高度6cm所在的范围内，观察纤维塞的密度分布图像，结果输入计算机经图像启动CCD数码摄像器81下降至纤维塞高度6cm所在的范围内，观察纤维塞的密度分布图像，结果输入计算机经图像特征提取与分析得到密度分布；测试120s后，启动电机上升，推筒测量腔3上升复位；从主施力装置6上取下推筒测量腔3，旋转纤维塞筒5使其和下测量腔4分离，取下纤维塞筒3，将三者置于实验台上静置一分钟；更换纤维塞筒3内的试样为相同的质量进行第二次重复实验，对应纤维塞的高度为5cm；不断重复实验，对应不同纤维塞高度的实验；计算机完成数据实时采集与处理，曲线和特征值的显示、存储及打印；数字控制系统完成整个测量的驱动与控制。操作结束后，计算机上将显示相对湿度-时间曲线，气压-时间曲线。对计算机拟合的结果，选取的时间区间长度为30s，相邻时间区间间隔10s，可以得到纤维塞湿汽扩散系数和湿阻随时间的变化，如图8所示；纤维塞湿汽扩散系数和湿阻随密度的变化，如图9所示。结果的高精度和准确，证明本发明装置及方法的客观与实用。

实施例2

选取几种有代表性的不同重量不同类型的织物，如表1所示。测试前，织物试样在温度为20±0.2℃、相对湿度为65±5％的恒温恒湿条件下预置24h。将将织物剪裁成直径为3cm的圆形，放入纤维塞筒5底板上，接着将纤维塞筒5和下测量腔4卡套在一起，置于受力定位装置7的凹槽上，然后将推筒测量腔3上的气窗孔34打开使其处于开启状态，并且悬挂在主施力装置6上，启动电机带动推筒测量腔3上升到最高位置，使推筒测量腔3和纤维塞筒5分离，在推筒测量腔和纤维塞筒之间放一不透气的塑料膜，防止水汽进入纤维塞筒；开启湿汽发生装置1，待推筒测量腔3内相对湿度达到稳定，相对湿度值在79±0.5％范围内波动，启动电机下降，迅速抽掉塑料膜，推筒测量腔3迅速下降至织物表面后停止，温湿度传感器21、22和气压传感器23、24将测试湿汽传递过程中，纤维塞两端的相对湿度与气压值；测试400s后，启动电机上升，推筒测量腔3上升复位；从主施力装置6上取下推筒测量腔3，旋转纤维塞筒5使其和下测量腔4分离，取下纤维塞筒3，将三者置于实验台上静置一分钟；更换纤维塞筒3内的试样为下个织物试样，进行相同的测试。计算机完成数据实时采集与处理，曲线和特征值的显示、存储及打印；数字控制系统完成整个测量的驱动与控制。操作结束后，计算机上将显示相对湿度-时间曲线，如图10所示。选取的时间区间长度为50s，相邻时间区间间隔10s，可以得到纤维塞湿汽扩散系数和湿阻随时间的变化，如图11所示。结果为实时动态、且精度高，说明本发明装置及方法有效。

织物的结构参数

Claims (10)

1.一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置，包括纤维塞筒(5)、主施力装置(6)、受力定位装置(7)、成像机构(8)、光测量机构(9)、腔内气压测量机构，内设有纤维塞(53)的纤维塞筒(5)卡套在下测量腔(4)上，下测量腔(4)设于受力定位装置(7)上，在纤维塞筒(5)的外侧设有成像机构(8)及光测量机构(9)，其特征在于：还包括悬挂于主施力装置(6)上的推筒测量腔(3)及直接对推筒测量腔(3)提供稳定、可调湿度的湿汽源(1)，由主施力装置(6)在数据采集与驱动控制电路的控制下驱动推筒测量腔(3)上升及下降，推筒测量腔(3)在下降过程中形成对纤维塞(53)的压力，该压力经由下测量腔(4)传递至受力定位装置(7)，测湿装置及腔内气压测量机构均连接推筒测量腔(3)及下测量腔(4)，由腔内气压测量机构测量纤维塞(53)在受推筒测量腔(3)压缩过程中的两端气压的变化，由测湿装置精确测量纤维塞(53)在受推筒测量腔(3)压缩过程中两端的瞬态湿度变化，由置于主施力装置(6)和受力定位装置(7)内的力传感器感应纤维塞(53)在受力压缩的过程中其两端力值的变化。

2.如权利要求1所述的一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置，其特征在于：所述湿汽源(1)包括气泵(11)，气泵(11)经由进气管(16)连通带有刻度的玻璃容器(12)，在玻璃容器(12)内盛有水溶液(14)，气泵(11)以一定的速度向水溶液(14)吹气，水溶液(14)液面蒸发的水蒸汽通过出气管(17)以及腔内进气管(18)通入所述推筒测量腔(3)，再由腔内出气管(19)释出，腔内进气管(18)及腔内出气管(19)置于所述推筒测量腔(3)内，补水器(13)经由阀门(15)与玻璃容器(12)相连通；

补水器(13)通过阀门(15)的微调向玻璃容器(12)内提供水溶液(14)；水溶液(14)为蒸馏水，或为添加有微孔胶囊颗粒的蒸馏水；腔内进气管(18)的头端靠近所述推筒测量腔体(3)的底部；腔内出气管(19)的头端处于所述推筒测量腔(3)的中部；

所述测湿装置(2)包括置于所述推筒测量腔(3)内的上温湿度传感器(21)、置于所述下测量腔(4)内的下温湿度传感器(22)、与所述推筒测量腔(3)相连通的上气压传感器(23)及与所述下测量腔(4)相连通的下气压传感器(24)。

3.如权利要求2所述一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置，其特征在于：所述下温湿度传感器(22)置于靠近所述下测量腔(4)内的上方位置，以测试下测量腔(4)内相对湿度的变化。

4.如权利要求2所述一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置，其特征在于：听述上温湿度传感器(21)、所述下温湿度传感器(22)、所述上气压传感器(23)及所述下气压传感器(24)通过数据采集卡连接计算机，由计算机通过数据采集处理与界面模块实现湿度与气压数据采集与处理、曲线和特征值的显示、存储及打印。

5.如权利要求2所述一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置，其特征在于：听述推筒测量腔(3)，包括上半腔(31)及与上半腔(31)密封配合的下半腔(32)，在上半腔(31)的顶部设有孔槽，在上半腔(31)的侧边设有用于调节推筒测量腔(3)平衡的平衡杆，在平衡杆上设有可移动调节的平衡重锤(313)，上半腔(31)的底部为保持密封的凸头端(314)，在上半腔(31)的圆周面上开有内圆周气孔(315)，在上半腔(31)开有内圆周气孔(315)的部分外圈套有气窗孔(34)，在气窗孔(34)的圆周面上开有外圆周气孔(341)，在上半腔(31)位于气窗孔(34)稍下的部位上开有进气孔(35)与出气孔(36)，进气孔(35)与所述出气管(17)以及所述腔内进气管(18)连接，出气孔(36)与所述腔内出气管(19)连接，在上半腔(31)位于气窗孔(34)稍上的部位上开有与所述上气压传感器(23)相连的测压气孔(37)，由上气压传感器(23)测试推筒测量腔(3)气压的变化；所述的气窗孔(34)的外圆周气孔(341)和上半腔(31)的内圆周气孔(315)在同一部位的圆周上，通过旋转气窗孔(34)可使外圆周气孔(341)与内圆周气孔(315)产生不同程度的重合，从而控制开闭。

6.如权利要求2所述一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置，其特征在于：所述推筒测量腔(3)具有多孔金属底板(321)，所述上温湿度传感器(21)置于靠近多孔金属底板(321)上方中心位置，由上温湿度传感器(21)测试推筒测量腔(3)内相对湿度的变化。

7.如权利要求2所述一种变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置，其特征在于：所述下测量腔(4)包括用于稳定下测量腔(4)的呈凹卡槽的开口端(41)，在下测量腔(4)的下测量腔腔壁(42)上开有与所述下气压传感器(24)相连的测量孔(45)、与所述腔内气压测量机构相连的下测量腔进气孔(43)及用于维持下测量腔(4)气压稳定和调节并与外界相通的调节孔(46)，在下测量腔腔壁(42)上还设有下测量腔平衡重锤(44)；

所述纤维塞筒(5)包括纤维塞筒筒壁(51)及位于其下方的纤维塞筒多孔金属板(52)；

所述主施力装置包括与用于悬挂所述推筒测量腔(3)的下凸块(61)，下凸块(61)设于压力传感器(62)的下表面，压力传感器(62)通过螺钉(63)与固定块(64)固定连接，移动梁(66)通过上凸块(65)与固定块(64)卡套，主施力装置滑块(67)连接移动梁(66)，主施力装置滑块(67)卡套在固定架(68)上，由步进电机(69)驱动主施力装置滑块(67)在固定架(68)上移动；

所述受力定位装置(7)包括位于上板块(72)和下板块(73)之间的受力传感器(71)，受力传感器(71)通过螺钉(74)固定，由基座(75)稳定托住下板块(73)，在基座(75)上设有防止受力传感器(71)水平移位的固定块(76)，基座(75)由位于其底部的水平螺栓(77)支撑在实验台(78)上，通过水平螺栓(77)调节基座水平；

所述成像机构(8)包括导轨(81)，在导轨(81)上设有与其配合的成像机构滑块(83)，CCD数码摄像器(82)固定在成像机构滑块(83)上，由摄像器步进电机(85)通过摄像器位移机构(84)驱动CCD数码摄像器(82)上下移动；

所述光测量装置(9)包括测量狭缝光源(91)、位于测量狭缝光源(91)对侧的透射测量光敏元件(92)及位于测量狭缝光源(91)同侧的反射测量光敏原件(93)，测量狭缝光源(91)在第一个位置(I)，配合透射测量光敏元件(92)完成透射测量，并在第二个位置(II)配合反射测量光敏原件(93)完成反射测量；

所述的腔内气压测量机构包括U型压差管(101)及设于U型压差管(101)上的气阻针阀(102)，U型压差管(101)分别连接所述推筒测量腔(3)及所述下测量腔(4)。

8.一种应用如权利要求1所述的变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置的测量方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、先将纤维塞放置在温度为20±0.2℃、相对湿度为65±5％的恒温恒湿条件下预置24h，从中取一定质量的纤维塞(53)以均匀、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(5)内；接着将纤维塞筒(5)卡套在下测量腔(4)上，并将二者置于受力定位装置(7)上，然后，旋转推筒测量腔(3)上的气窗孔(34)使其处于开启状态，这时推筒测量腔(3)内的气压和外界气压相等；之后将推筒测量腔(3)悬挂于主施力装置(6)上，步进电机(69)驱动推筒测量腔(3)至最高位置，使推筒测量腔(3)和纤维塞筒(5)分离；

步骤二、在推筒测量腔(3)和纤维塞筒(5)之间放置一块不透气的塑料膜；打开补水器(13)，往玻璃容器(12)中注入水溶液(14)至一定高度，待玻璃容器(12)内空气的湿度达到稳定状态后，打开气泵(11)，水溶液(14)受到由气泵(11)吹出的气流的干扰而蒸发，产生的湿汽通过出气管(17)、进气孔(35)和腔内进气管(18)进入推筒测量腔体(3)，由于推筒测量腔(3)和纤维塞筒(5)中间不透气塑料膜的存在，能够防止湿汽进入纤维塞筒(5)；待推筒测量腔(3)内的上温湿度传感器(21)显示的相对湿度值在一个恒定值附近波动时，即表示推筒测量腔(3)的相对湿度达到稳定状态，同时观察上气压传感器(23)的气压值；其中，推筒测量腔(3)内的相对湿度值的改变，可以通过往水溶液(14)里添加微孔胶囊颗粒，增大水溶液的表面积，产生更大的相对湿度通入推筒测量腔(3)来实现；

步骤三，启动步进电机(69)，将塑料膜抽掉，推筒测量腔(3)迅速下降压缩纤维塞(53)至设定高度h0后停止，快速响应的上温湿度传感器(21)、下温湿度传感器(22)、上气压传感器(23)和下气压传感器(24)将采集到的相对湿度和气压信号通过A／D转换器后送到计算机处理系统；启动CCD数码摄像器(81)下降至纤维塞高度h0所在的范围内，观察纤维塞(53)的密度分布图像，结果输入计算机经图像特征提取与分析得到密度分布；通过光测量装置(9)测试纤维塞(53)的透射光密度及反射光密度；

步骤四，测试一段时间后，关闭气泵，启动步进电机(69)带动推筒测量腔(3)上升到最高位置，将纤维塞筒(5)和下测量腔(4)分离，两者置于实验台上，静置至少1分钟；

步骤五、取出步骤四的纤维塞(53)更换新的相同质量的纤维塞(53)进行测试或者保留步骤四的纤维塞(53)作为继续测试试样；重复步骤二、步骤三和步骤四，所述的重复步骤三时，启动电机带动推筒测量腔体(3)迅速下降压缩纤维塞(53)至设定高度h1后停止，h1<h0；不断重复此过程，测试纤维塞(53)在变测试高度或变密度时的瞬态湿汽传递性质；

步骤六、将采集到的相对湿度的实验数据和理论模型得到的数据进行拟合，将得到表达纤维塞湿汽传递能力的参数-湿汽扩散系数、湿阻随时间的变化曲线以及湿汽扩散系数、湿阻随纤维塞密度的变化曲线。

9.一种如权利要求1所述的变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量装置的应用，其特征在于：用于变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量。

10.一种如权利要求8所述的测量方法的应用，其特征在于：用于变密度纤维塞瞬态湿汽传递性测量。

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