CN103454305B - 一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置与方法，包括原专利的主施力装置、受力定位装置、数码摄像装置、光测量装置、腔内气压测量装置、数据采集卡、驱动与控制电路以及数据采集处理与界面控制模块与计算机，还包括改进的推筒测量腔、纤维塞筒、下测量腔、加热控制装置、热测试装置及与此相连的数据采集卡和数据采集处理模块组成。该装置的测试方法是对纤维体施加力的作用，使其密度及密度分布产生变化，同时对纤维体施加热作用，使其两端产生一定的温度差，测试通过纤维体两端的温差及热流，并求得纤维体的导热系数和热阻。该方法和装置测量精度高、制样方便、测试时间短、适用范围广、可适用纤维体变密度条件下的稳态传热性质的原位测量。

Description

一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种纤维体传热性质的稳态原位测量技术，该技术可用于测试各种纤维体在变密度条件下的导热系数和热阻。

背景技术

纤维体即纤维状物质的集合体通常用作服用保暖材料、建筑隔热层、航天飞机及运载火箭的隔热防护层等，在实际使用中，低密度的填充絮状纤维集合体通常受到外界作用力而产生密度与密度分布的变化，从而引起其传热性质的变化；另外，在设计纤维体时，通常需要选取佳密度值获得最佳隔热效果，而获得不同密度的试样进行测试时程序非常复杂。因此，研究变密度纤维体的传热性质是非常有必要的。

目前对纤维材料传热性质测试最常用的方法是稳态法。测试热传递性质常用的标准有ASTMD1518-85、ISO8302和GB11048-89，除了这些标准的方法之外，还有静态平板法(O.Jirsaketal.comparingdynamicandstaticmethodsformeasuringthermalconductivepropertiesoftextiles.TextileResearchJournal.1998，68(1)47-56.)和保护热板法(GuardHotPlateInstrument(ModelGHP-200)，Holometric，25WigginsAvenue，Bedford，MA01730-2323，U.S.A.)等。

这些方法主要有几个问题：第一，对纤维材料的测试往往是静态的，无法测试外力作用下纤维材料变密度条件下的传热性质；第二，不同密度的纤维材料是通过制取各种密度的试样获得，这样制样一致性差、可比性差；第三，原有装置一般是针对成型的纺织品(织物或毛毡)进行测试，无法直接测得填充絮料的传热性质，这需要复杂的制样程序。

由此可见，目前缺少一台装置能够原位测试各种纤维体变密度条件下的稳态传热性质。

发明内容

本发明的目的是提供一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置与方法，该装置和方法能够测试实际使用中，外力作用下纤维体变密度条件下的传热性质，另外可以方便地对各种类型的纤维体进行测试。

为了达到上述目的，本发明的原理是：对纤维体施加力的作用，使其密度及密度分布产生变化，同时对纤维体施加热作用，使其两端产生一定的温度差，测试通过纤维体两端的温差及热流，并求得纤维体的导热系数和热阻。

本发明的技术方案是对原专利(ZL200510024967.4)进行原理性的改进，实现能平稳施压实时跟踪测纤维塞压缩力及密度分布的装置及测量方法，具体是提供了一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置，主施力装置、受力定位装置、数码摄像装置、光测量装置，其特征在于：还包括推筒测量腔、纤维塞筒、下测量腔、加热控制装置及热测试装置，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数码摄像装置及光测量装置，推筒测量腔悬挂于主施力装置上，由主施力装置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，由加热控制装置从上、下两端以设定温度对纤维塞加热，使纤维塞的两端产生一定的温度差，再通过热测试装置获取纤维塞两端的的温度与热流信号，腔内气压测量机构连接推筒测量腔及下测量腔，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，所述推筒测量腔的底板包括位于中心的主加热板、位于主加热板外围的辅助加热板及处于主加热板与辅助加热板之间的橡胶垫片；主加热板与辅助加热板的材料均为金属铜。

优选地，所述纤维塞筒具有呈凸卡槽的底板，其凸卡槽中心部位开有圆形凹孔槽；圆形凹孔槽的直径与所述主加热板的直径相同；底板的材料为金属铜。

优选地，在所述下测量腔的下测量腔腔壁上开有入水口与出水口。

优选地，所述加热控制装置包括固定于所述主加热板上表面的主加热丝、置于所述主加热板上表面的中心温度传感器、与主加热丝和中心温度传感器连接的第一温度控制器、固定于所述辅助加热板上表面的辅助加热丝、置于所述辅助加热板上表面的外环温度传感器、与辅助加热丝和外环温度传感器连接的第二温度控制器、向下测量腔提供恒温循环水浴以控制所述纤维塞筒的底板温度的恒温水浴槽；

主加热丝、辅助加热丝、中心温度传感器、外环温度传感器与主加热板和辅助加热板的接触面间存在导热硅胶，保证两者之间的良好接触；第一温度控制器控制主加热丝对主加热板进行加热，中心温度传感器将测得的主加热板的温度送到温度控制器，由温度控制器控制主加热丝是否加热；第二温度控制器控制辅助加热丝对辅助加热板进行加热，外环温度传感器将测得的辅助加热板的温度送到第二温度控制器，由第二温度控制器控制辅助加热丝是否加热；恒温水浴槽内的循环水泵控制通入下测量腔的循环水浴的流速。

优选地，所述温度测试装置包括置于所述主加热板内的推筒底中心温度传感器、置于所述辅助加热板内的推筒底外环温度传感器、置于所述纤维塞筒的底板的圆形凹孔槽内的热流传感器；推筒底中心温度传感器及推筒底外环温度传感器分别置于主加热板与辅助加热板的内部中心位置，并与主加热板及辅助加热板底部平面接近；热流传感器的上表面和所述纤维塞筒的底板上表面平齐，其直径和圆形凹孔槽凹孔槽直径相同；热流传感器内部有和推筒底中心温度传感器、推筒底外环温度传感器相同类型的下温度传感器；推筒底中心温度传感器、推筒底外环温度传感器与热流传感器和主加热板、辅助加热板与底板接触的表面都涂有导热硅胶，以保持良好的接触。

优选地，所述推筒底中心温度传感器、推筒底外环温度传感器、热流传感器均连接数据采集卡，数据采集卡连接数据采集处理与界面模块，可实现温度与热流数据的采集与处理、曲线和特征值的显示、存储及打印。

本发明的另一个具体技术方案是提供了一种应用上述的变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置的测量方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、先将纤维集合体放置在温度为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，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、通过第一温度控制器及第二温度控制器设置主加热板和辅助加热板的温度，所设置的辅助加热板温度略高于主加热板0.2℃左右；打开电源，由主加热丝和辅助加热丝对主加热板与辅助加热板进行加热；通过水浴槽设置循环水浴的温度并以一定的流速通入下测量腔；待推筒底中心温度传感器、推筒底外环温度传感器与热流传感器、热流传感器内的下温度传感器显示的温度与热流信号在某一固定值附近波动时，即表明传热进入稳定状态；

步骤三、由主施力装置驱动推筒测量腔下降压缩纤维塞至设定高度h0后停止，待推筒底中心温度传感器、推筒底外环温度传感器与热流传感器、热流传感器内的下温度传感器显示的温度与热流信号在某一固定值附近波动时，即表明纤维塞的传热进入稳定状态，记录此时的温度与热流信号；启动数码摄像装置的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，由光测量装置的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，得到纤维塞在高度h0时的透射光密度及反射光密度；

步骤四、由主施力装置驱动推筒测量腔继续下降压缩纤维塞至高度h1，重复步骤三，将得到纤维体高度为h1时的温度与热流数据；纤维塞在高度h1时的密度分布图像；纤维塞在高度h1时的透射光密度及反射光密度；不断重复步骤四，从而将得到纤维塞在不同压缩高度时的温度与热流数据、密度分布图像；

步骤五、关闭加热电源及水浴槽开关，由主施力装置带动推筒测量腔上升到最高位置，旋下推筒测量腔，同时将纤维塞筒和下测量腔旋开分离，并取出纤维塞筒中的纤维塞，将三者置于水平试验台上，实验结束；

步骤六、根据测得的温度与热流数据，计算表达纤维塞传热性质的参数-导热系数和热阻，获得纤维塞在不同高度下的导热系数和热阻；通过密度分布图像，获得纤维塞在不同高度下的密度以及密度分布。

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体稳态传热性质原位测量的装置的应用，其特征在于：用于变密度纤维体的稳态传热性质的原位测量。

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：用于变密度纤维体的稳态传热性质的原位测量。

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)本发明实现了变密度纤维体稳态传热性质的原位测量，能够较好的测试纤维体在使用情况下由于密度变化而引起的传热性质的变化，符合纤维塞的实际使用状态；(2)该装置适用范围广，可以测试各种类型纤维体的稳态传热性质，如絮状纤维体、织物等；(3)通过将纤维体按照一定的排列方式(如随机、竖直、成团、分层等)放入纤维塞筒制成不同高度或密度的纤维试样，所以不同纤维试样的获得较为方便；(4)测试时间短，仅需几分钟的时间；测试精度高，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是图2A的A-A向视图；

图3A是本发明推筒测量腔的底板图；

图3B是本发明纤维塞筒的底板图；

图4是本发明的电路框图；

图5是木棉、涤纶和羽绒纤维体的导热系数与其高度的关系图；

图6是木棉、涤纶和羽绒纤维体的热阻与其高度的关系图；

图7是木棉、涤纶和羽绒纤维体的导热系数与其密度的关系图；

图8是木棉、涤纶和羽绒纤维体的热阻与其密度的关系图；

图中：

1、推筒测量腔，其包括11-上半腔、111-顶部孔槽、112-可调节平衡重锤、113-平衡杆、114-凸头端、12-下半腔、141-主加热板、142-辅助加热板、143-橡胶垫片；

2-纤维塞筒、其包括22-带有凸卡槽的底板、221-圆形凹孔槽、23-纤维塞；

3-下测量腔、其包括31-凹卡槽开口端、32-下测量腔腔壁、33-进水孔、34-出水孔；

加热控制模块、其包括41-主加热丝、42-中心温度传感器、43-第一温度控制器、44-辅助加热丝、45-外环温度传感器、46-第二温度控制器；

温度测试装置、其包括51-推筒底中心温度传感器、52-推筒底外环温度传感器、53-热流传感器、54-下温度传感器；

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-定位螺栓、78-实验台；

8-数码摄像装置、其包括81-导轨、82-CCD数码摄像器、83-数码摄像滑块、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体稳态传热性质原位测量的装置，主施力装置6、受力定位装置7、数码摄像装置8、光测量装置9、推筒测量腔1、纤维塞筒2、下测量腔3、腔内气压测量机构、加热控制装置及热测试装置。内设有纤维塞23的纤维塞筒2卡套在下测量腔3上，下测量腔3设于受力定位装置7上，在纤维塞筒5的外侧设有数码摄像装置8及光测量装置9，推筒测量腔1悬挂于主施力装置6上，由主施力装置6驱动推筒测量腔1上升及下降，推筒测量腔1在下降过程中形成对纤维塞23的压力，该压力经由下测量腔3传递至受力定位装置7，由加热控制装置从上、下两端以设定温度对纤维塞23加热，使纤维塞23的两端产生一定的温度差，再通过热测试装置获取纤维塞23两端的的温度与热流信号，腔内气压测量机构连接推筒测量腔1及下测量腔3，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，主要包括U型压差管101及气阻针阀102的腔内气压测量机构连接推筒测量腔1。

推筒测量腔1，其外径为5.4cm，内径为5.2cm，高度为9cm，包括上半腔11及与上半腔11密封配合的下半腔12，在上半腔11的顶部设有顶部孔槽111，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113，在平衡杆113上设有可移动调节的平衡重锤112，上半腔11的底部为保持密封的凸头端114。结合图3A，其与原专利的区别在于：推筒测量腔1的底板，直径为9cm，厚度为1cm，其包括位于中心的主加热板141(直径为1.2cm)、位于主加热板141外围的辅助加热板142(径向厚度为4cm)及处于主加热板141与辅助加热板142之间的橡胶垫片143(径向厚度为0.2cm)；主加热板141与辅助加热板142的材料均为金属铜。

结合图3B，纤维塞筒2具有带有凸卡槽的底板22，其凸卡槽中心部位开有圆形凹孔槽221；圆形凹孔槽221的直径与所述主加热板141的直径相同；纤维塞筒2的底板22的材料为金属铜。

在下测量腔3的下测量腔腔壁32上开有入水口33与出水口34。

加热控制模块包括固定于主加热板141上表面的主加热丝41、置于主加热板141上表面的中心温度传感器42、与主加热丝41和中心温度传感器42连接的温度控制器43、固定于辅助加热板142上表面的辅助加热丝44、置于辅助加热板142上表面的外环温度传感器45、与辅助加热丝44和外环温度传感器45连接的温度控制器46、向下测量腔3提供恒温循环水浴48的控制凸卡槽22温度的恒温水浴槽(水浴槽温度控制范围为5℃～100℃，温度波动范围为±0.03℃)；所述的主加热丝41、辅助加热丝44(两种加热丝均为铁铬铬高电阻电热合金加热丝，功率为10W)、中心温度传感器42、外环温度传感器45(两种温度传感器均为点接触式K型热电偶，接触点为0.1mm，测试温度范围为-50+250℃，精度为±0.1℃，响应时间小于0.2s)与主加热板141和辅助加热板142的接触面间存在导热硅胶，保证两者之间的良好接触；所述的温度控制器43控制主加热丝41对主加热板141进行加热，中心温度传感器42将测得的主加热板141的温度送到温度控制器43，由温度控制器43控制主加热丝41是否加热；所述的温度控制器46控制辅助加热丝44对辅助加热板142进行加热，外环温度传感器45将测得的辅助加热板142的温度送到温度控制器46，由温度控制器45控制辅助加热丝44是否加热(温度控制器采用单片机控制，控制方式采用人工智能调节PID控制算法，温度控制器的测量精度为量程的±0.2％，响应时间为0.5s)；所述的水浴槽内的循环水泵控制通入下测量腔3的循环水浴的流量，循环泵流速为15L/min。

所述的温度测试装置5，其主要包括置于主加热板141内的推筒底中心温度传感器51、置于辅助加热板142内的推筒底外环温度传感器52(两种温度传感器和42与45类型相同，均为点接触式K型热电偶)、置于纤维塞筒2凸卡槽底板22的圆形凹孔槽221内的热流传感器53(法国进口的热电堆式热流传感器，其直径为1.2cm，厚度为0.4mm，响应时间为0.3s。)；所述的推筒底中心温度传感器51、推筒底外环温度传感器52分别置于主加热板141与辅助加热板142的内部中心位置，其与加热板底部平面接近；所述的热流传感器53的上表面和凸卡槽底板22上表面平齐，其直径和凹孔槽221直径相同；所述的热流传感器53内部有和推筒底中心温度传感器51、推筒底外环温度传感器52相同类型的下温度传感器54(和上面提到的温度传感器类型相同)；所述的推筒底中心温度传感器51、推筒底外环温度传感器52与热流传感器53和主加热板141、辅助加热板142与凸卡槽底板22接触的表面都涂有导热硅胶，以保持良好的接触。

主施力装置6包括与用于悬挂推筒测量腔1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。

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。

数码摄像装置8包括导轨81，在导轨81上设有与其配合的数码摄像滑块83，CCD数码摄像器82固定在数码摄像滑块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。

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。

本发明的电连接框图如图4所示，在图4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。数码摄像装置8中的CCD数码摄像器82则连接图像采集卡。推筒底中心温度传感器51、推筒底外环温度传感器52、热流传感器53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。

应用变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置的测量原理与方法的实现步骤是：

步骤一、先将纤维塞23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23以均匀、自然状态地放入纤维塞筒2内，或按一定排列方式及高度置入纤维塞筒2内；接着将纤维塞筒2卡套在下测量腔3上，并将二者置于受力定位装置7上，推筒测量腔1悬挂于主施力装置6上，步进电机驱动推筒测量腔1至最高位置，使推筒测量腔1和纤维塞筒2分离。

步骤二、通过第一温度控制器43及第二温度控制器46设置主加热板141和辅助加热板142的温度，所设置的辅助加热板142温度略高于主加热板0.2℃左右；打开电源，主加热丝41和辅助加热丝44对主加热板141与辅助加热板142进行加热；通过水浴槽设置循环水浴48的温度并以15L/min的流速通入下测量腔3；一分钟后，待推筒底中心温度传感器51、推筒底外环温度传感器52与热流传感器53、热流传感器53内的下温度传感器54显示的温度与热流信号在某一固定值附近波动时，即表明传热进入稳定状态。

步骤三、启动步进电机69，推筒测量腔1下降压缩纤维塞23至设定高度h0后停止，待推筒底中心温度传感器51、推筒底外环温度传感器52与热流传感器53、热流传感器53内的下温度传感器54，显示的温度与热流信号在某一固定值附近波动时，即表明纤维塞23的传热进入稳定状态，通过计算机操作界面，记录此时的温度与热流信号；启动CCD数码摄像器81下降至纤维体高度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。由光测量装置9的测量狭缝光源9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，得到纤维塞23在高度h0时的透射光密度及反射光密度。

步骤四、启动电机，推筒测量腔1继续下降压缩纤维塞23至高度h1，重复步骤三，将得到纤维塞23高度为h1时的温度与热流数据；纤维体在高度h1时的密度分布图像；纤维体在高度h1时的透射光密度及反射光密度；不断重复步骤四，从而将得到纤维塞23在不同压缩高度时的温度与热流数据、密度分布图像。

步骤五、关闭加热电源及水浴槽开关，启动电机带动推筒测量腔1上升到最高位置，旋下推筒测量腔1，同时将纤维塞筒2和下测量腔3旋开分离，并取出纤维塞筒2中的纤维塞23，将三者置于水平试验台上，实验结束。

步骤六、根据测得的温度与热流数据，计算表达纤维体23传热性质的参数-导热系数和热阻，获得纤维塞23在不同高度下的导热系数和热阻；通过密度分布图像，获得纤维塞23在不同高度下的密度以及密度分布。

表达纤维体传热性质的参数-导热系数和热阻的计算公式如下：

$k=\frac{\mathrm{q\Δx}}{T_1-T_2}---\left(1\right)$

$R=\frac{\mathrm{\Δx}}{k}---\left(2\right)$

其中：q-为通过纤维体的热流密度，T₁-纤维体加热端的温度，T₂-纤维体制冷端的温度，Δx-纤维体高度，k-纤维体的导热系数，R-纤维体的热阻。

以木棉、羽绒和涤纶三种纤维材料为例按照上述方法进行测试，纤维的基本参数如表1所示。

表1木棉、羽绒和涤纶纤维的参数

首先将三种纤维体放置在温度为20±0.2℃、相对湿度为65±5％的恒温恒湿条件下预置24h，将0.5g纤维体23以均匀、自然状态放入纤维塞筒2内；通过温度控制器43、45分别设置主加热板141和辅助加热板142的温度为30℃和30.2℃；通过水浴槽47设置循环水浴48的温度为20℃，并以15L/min的流速通入下测量腔3；启动电机，推筒测量腔1下降压缩纤维体23至设定高度1.5cm后停止，待推筒底中心温度传感器51、推筒底外环温度传感器52与热流传感器53、热流传感器53内的下温度传感器54，显示的温度与热流信号在某一固定值附近波动时，即表明纤维体23的传热进入稳定状态，通过计算机操作界面，记录此时的温度与热流信号；启动CCD数码摄像器81下降至纤维体高度1.5cm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；启动电机，推筒测量腔1继续下降压缩纤维体23至高度1.3cm，重复步骤三，将得到纤维体23高度为1.3cm时的温度与热流数据；纤维体在高度1.3cm时的密度分布图像；不断压缩纤维体，将得到纤维体23在不同高度时的温度与热流数据、密度分布图像；实验结束后，经计算所得到的三种纤维体的导热系数——高度、热阻-高度、导热系数-密度、热阻-密度曲线分别如图5、6、7和8所示。

Claims (10)

1.一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置，包括主施力装置（6）、受力定位装置（7）、数码摄像装置（8）、光测量装置（9），其特征在于：还包括推筒测量腔（1）、纤维塞筒（2）、下测量腔（3）、加热控制装置及热测试装置，内设有纤维塞（23）的纤维塞筒（2）卡套在下测量腔（3）上，下测量腔（3）设于受力定位装置（7）上，在纤维塞筒（2）的外侧设有数码摄像装置（8）及光测量装置（9），推筒测量腔（1）悬挂于主施力装置（6）上，由主施力装置（6）驱动推筒测量腔（1）上升及下降，推筒测量腔（1）在下降过程中形成对纤维塞（23）的压力，该压力经由下测量腔（3）传递至受力定位装置（7），由加热控制装置从上、下两端以设定温度对纤维塞（23）加热，使纤维塞（23）的两端产生一定的温度差，再通过热测试装置获取纤维塞（23）两端的温度与热流信号，腔内气压测量机构连接推筒测量腔（1）及下测量腔（3），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（23）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体稳态传热性质原位测量的装置，其特征在于：所述推筒测量腔（1）的底板包括位于中心的主加热板（141）、位于主加热板（141）外围的辅助加热板（142）及处于主加热板（141）与辅助加热板（142）之间的橡胶垫片（143）；主加热板（141）与辅助加热板（142）的材料均为金属铜。

3.如权利要求2所述一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置，其特征在于：所述纤维塞筒（2）具有带有凸卡槽的底板（22），其凸卡槽中心部位开有圆形凹孔槽（221）；圆形凹孔槽（221）的直径与所述主加热板（141）的直径相同；纤维塞筒（2）的底板（22）的材料为金属铜。

4.如权利要求2所述一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置，其特征在于：在所述下测量腔（3）的下测量腔腔壁（32）上开有入水口（33）与出水口（34）。

5.如权利要求4所述一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置，其特征在于：所述加热控制装置包括固定于所述主加热板（141）上表面的主加热丝（41）、置于所述主加热板（141）上表面的中心温度传感器（42）、与主加热丝（41）和中心温度传感器（42）连接的第一温度控制器（43）、固定于所述辅助加热板（142）上表面的辅助加热丝（44）、置于所述辅助加热板（142）上表面的外环温度传感器（45）、与辅助加热丝（44）和外环温度传感器（45）连接的第二温度控制器（46）、向下测量腔（3）提供恒温循环水浴（48）以控制所述纤维塞筒（2）的底板（22）温度的恒温水浴槽；

主加热丝（41）、辅助加热丝（44）、中心温度传感器（42）、外环温度传感器（45）与主加热板（141）和辅助加热板（142）的接触面间存在导热硅胶，保证两者之间的良好接触；第一温度控制器（43）控制主加热丝（41）对主加热板（141）进行加热，中心温度传感器（42）将测得的主加热板（141）的温度送到第一温度控制器（43），由第一温度控制器（43）控制主加热丝（41）是否加热；第二温度控制器（46）控制辅助加热丝（44）对辅助加热板（142）进行加热，外环温度传感器（45）将测得的辅助加热板（142）的温度送到第二温度控制器（46），由第二温度控制器（46）控制辅助加热丝（44）是否加热；恒温水浴槽内的循环水泵控制通入下测量腔（3）的循环水浴（48）的流速。

6.如权利要求4所述一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置，其特征在于：温度测试装置（5）包括置于所述主加热板（141）内的推筒底中心温度传感器（51）、置于所述辅助加热板（142）内的推筒底外环温度传感器（52）、置于所述纤维塞筒（2）的底板（22）的圆形凹孔槽（221）内的热流传感器（53）；推筒底中心温度传感器（51）及推筒底外环温度传感器（52）分别置于主加热板（141）与辅助加热板（142）的内部中心位置，并与主加热板（141）及辅助加热板（142）底部平面接近；热流传感器（53）的上表面和所述纤维塞筒（2）的底板（22）上表面平齐，其直径和圆形凹孔槽（221）直径相同；热流传感器（53）内部有和推筒底中心温度传感器（51）、推筒底外环温度传感器（52）相同类型的下温度传感器（54）；推筒底中心温度传感器（51）、推筒底外环温度传感器（52）与热流传感器（53）和主加热板（141）、辅助加热板（142）与底板（22）接触的表面都涂有导热硅胶，以保持良好的接触。

7.如权利要求6所述一种变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置，其特征在于：所述推筒底中心温度传感器（51）、推筒底外环温度传感器（52）、热流传感器（53）均连接数据采集卡，数据采集卡连接数据采集处理与界面模块，可实现温度与热流数据的采集与处理、曲线和特征值的显示、存储及打印。

8.一种应用如权利要求2所述的变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置的测量方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、先将纤维集合体放置在温度为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（23）以均匀、自然状态地放入纤维塞筒（2）内，或按一定排列方式及高度置入纤维塞筒（2）内；接着将纤维塞筒（2）卡套在下测量腔（3）上，并将二者置于受力定位装置（7）上，推筒测量腔（1）悬挂于主施力装置（6）上，步进电机驱动推筒测量腔（1）至最高位置，使推筒测量腔（1）和纤维塞筒（2）分离；

步骤二、通过第一温度控制器（43）及第二温度控制器（46）设置主加热板（141）和辅助加热板（142）的温度，所设置的辅助加热板（142）温度高于主加热板0.2℃；打开电源，由主加热丝（41）和辅助加热丝（44）对主加热板（141）与辅助加热板（142）进行加热；通过水浴槽设置循环水浴（48）的温度并以一定的流速通入下测量腔（3）；待推筒底中心温度传感器（51）、推筒底外环温度传感器（52）与热流传感器（53）、热流传感器（53）内的下温度传感器（54）显示的温度与热流信号在某一固定值附近波动时，即表明传热进入稳定状态；

步骤三、由主施力装置（6）驱动推筒测量腔（1）下降压缩纤维塞（23）至设定高度h0后停止，待推筒底中心温度传感器（51）、推筒底外环温度传感器（52）与热流传感器（53）、热流传感器（53）内的下温度传感器（54）显示的温度与热流信号在某一固定值附近波动时，即表明纤维塞（23）的传热进入稳定状态，记录此时的温度与热流信号；启动数码摄像装置（8）的CCD数码摄像器（81）下降至纤维塞（23）高度h0所在的范围内，观察纤维塞（23）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，由光测量装置（9）的测量狭缝光源（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，得到纤维塞（23）在高度h0时的透射光密度及反射光密度；

步骤四、由主施力装置（6）驱动推筒测量腔（1）继续下降压缩纤维塞（23）至高度h1，重复步骤三，将得到纤维塞（23）高度为h1时的温度与热流数据；纤维塞（23）在高度h1时的密度分布图像；纤维塞（23）在高度h1时的透射光密度及反射光密度；不断重复步骤四，从而将得到纤维塞（23）在不同压缩高度时的温度与热流数据、密度分布图像；

步骤五、关闭加热电源及水浴槽开关，由主施力装置（6）带动推筒测量腔（1）上升到最高位置，旋下推筒测量腔（1），同时将纤维塞筒（2）和下测量腔（3）旋开分离，并取出纤维塞筒（2）中的纤维塞（23），将三者置于水平试验台上，实验结束；

步骤六、根据测得的温度与热流数据，计算表达纤维塞（23）传热性质的参数—导热系数和热阻，获得纤维塞（23）在不同高度下的导热系数和热阻；通过密度分布图像，获得纤维塞（23）在不同高度下的密度以及密度分布。

9.一种如权利要求1所述的变密度纤维体稳态传热性质原位测量的装置的应用，其特征在于：用于变密度纤维体的稳态传热性质的原位测量。

10.一种如权利要求8所述的测量方法的应用，其特征在于：用于变密度纤维体的稳态传热性质的原位测量。