CN103713179A - 一种纤维集合体电流动态测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维集合体电流动态测试系统，包括用于对需要测试的散纤维、纱线和织物进行选择，通过采用多档分压电路来改变测试量程，提供散纤维压缩、纱线和织物夹持以及测试电极系统；用于对多档分压电路的标准电阻器上的电压信号进行滤波和放大的信号滤波和放大系统；用于利用LabVIEW程序控制数据采集卡将电压信号采集入计算机，将采集的电压信号进行存储、处理并将纤维的电流数据实时显示的系统。本发明通过设置不同纤维聚集形态的测试装置并利用计算机数据采集系统，能够反映不同纤维集合体的电流变化。此外，本发明结构简单，操作方便，提高了工作效率。

Description

一种纤维集合体电流动态测试系统

技术领域

本发明属于材料电学技术领域，尤其涉及一种纤维集合体电流动态测试系统。

背景技术

材料电学性质测试中电阻是一项重要的测试指标，我国《原棉回潮率实验方法电测器法》（GB6102.2-2009）、《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》（GB/T1410-2006）规定了测试装置、测试方法和被测试样形态，在国外，英国BSEN1149-2-1997标准、美国ASTMD4238-1990标准也规定了相应的测试装置、测试方法和形态，我国现有的测试纺织纤维电阻仪器如YG321纤维比电阻测试仪、原棉电测湿仪如Y412系列原棉回潮率测试仪其测试对象都是压缩到一定体积密度的无规纤维集合体，国外相关测试仪器所用试样与国内类似，而绝缘材料电阻测试仪如ZC36型高阻计测试的是薄型绝缘材料的表面电阻和体积电阻，通常在测试时它们都是读取较为稳定时的测试读数，而严格来讲纤维高聚物在外电压作用下电流都随着时间有不同程度的变化；影响纤维的因素除了自身结构外，其纤维的聚集形式、外界环境对纤维的电流都有很大的影响而目前的测试手段存在以下方面的不足之处；其一，纤维的聚集形态多样：散纤维、纱线、织物，而目前的纤维电阻测试仪器未能实现在一台测试仪上实现对不同纤维聚集形态的测量；其二，作用于纤维的电压较高，在较高电压作用下纤维材料极化现象比较严重，甚至会出现纤维局部的电击穿，影响纤维的直流电阻测量；其三，测试读数一般是在较为稳定时读数，而不同材料因结构等内外因读数时间长短不一致，因此，如果测试过程中能反映纤维电流的实时变化情况，这对于纤维电学性质的研究和电阻的准确测量都更具意义。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种纤维集合体电流动态测试系统，旨在解决现有的测试方法存在的纤维电阻测试仪器测试纤维聚集形态单一；在较高电压作用下纤维材料极化现象比较严重，影响纤维的直流电阻测量，同时电压根据测试需要可调；测试读数一般是在较为稳定时读数，而不同材料因结构等内外因素读数时间长短不一致的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种纤维集合体电流动态测试系统，该纤维集合体电流动态测试系统包括：散纤维压缩装置、纱线夹持装置、织物夹持装置以及测试电极系统、多档分压电路、信号滤波和放大系统、数据采集和实时显示系统；

用于对需要测试的散纤维、纱线和织物进行选择，通过采用多档分压电路来改变测试量程，提供包括散纤维压缩装置与测试电极、纱线夹持装置与测试电极和织物夹持装置及测试电极；

与多档分压电路相连接，用于对多档分压电路的标准电阻器上的电压信号进行滤波和放大的信号滤波和放大系统；

与信号滤波和放大系统连接，用于通过数据采集卡将电压信号采集入计算机，将采集的电压信号进行存储和处理，同时将纤维电流信号实时显示系统。

进一步，该纤维集合体电流动态测试系统包括：散纤维压缩装置及测试电极、纱线夹持装置及测试电极、织物夹持装置及测试电极、直流稳压电源、量程选择开关、试样选择开关、电路开关、表面/体积电流选择开关、数据采集卡、计算机；散纤维压缩装置、纱线夹持装置中测试电极的一端连接直流稳压电源的负极，另一端连接试样选择开关，织物夹持装置中测试电极通过表面/体积电流选择开关分别与直流电源负极和试样选择开关相连接，量程选择连接多档分压路的电阻器R1，电路开关的一端连接直流稳压电源的正极，另一端连接多档分压电路的电阻器R1，多档分压电路连接信号滤波和放大电路，在LabVIE程序控制下，经滤波放大的电压信号经数据采集卡输入计算机，电压信号存储、转换将电流实时数据显示在显示器上。

进一步，信号滤波和放大系统的信号滤波和放大电路的具体连接为：

电阻R1连接电阻R2和R3，电阻R3连接电容C3，电容C3接地（GND），电阻R2连接电容C1，电阻R3连接运算放大器OP1的同相输入端，电容C1连接运算放大器OP1的反相输入端，电容C1和运算放大器OP1的输出端连接电阻R4和R5，电阻R5连接运算放大器OP2的同相输入端和电容C4电容C4接地（GND），电阻R4连接电容C2，电容C2连接运算放大器OP2的反相输入端，电容C2和运算放大器OP2的输出端连接运算放大器OP3的同相输入端，运算放大器OP3的反相输入端连接电阻R9，运算放大器OP3的输出端连接电阻R7、电阻R6和电阻R8，电阻R7连接运算放大器OP5的反相输入端，电阻R6连接运算放大器OP5的输出端，电阻R8连接电阻R9，电阻R9连接电阻R10和运算放大器OP4的同相输入端，运算放大器OP4的反相输入端接地（GND端），电阻R10和电阻R11连接运算放大器OP4的输出端，电阻R11连接电阻R12和运算放大器OP5的同相输入端，电阻R12接地（GND），运算放大器OP5的输出端连接数据采集卡模拟量输入端口，数据采集接地端子接地（GND）。

进一步，散纤维压缩装置与测试电极包括：上底板、下底板、支撑杆、压板、侧墙板、下墙板、聚四氟乙烯侧墙板、聚四氟乙烯下墙板、平板电极、千斤顶；

上底板和下底板连接支撑杆，压板固定在上底板上，侧墙板和下墙板内部设置聚四氟乙烯侧墙板和聚四氟乙烯下墙板，下底板的上面设置千斤顶，千斤顶的活塞上面设置下墙板。

进一步，纱线夹持装置与测试电极包括：不锈钢夹头、聚四氟乙烯托架、聚四氟乙烯纱线支撑板；

纱线均匀的缠绕在聚四氟乙烯支撑板上，不锈钢夹头夹住两端并相距10mm。聚四氟乙烯支撑板固定在聚四氟乙烯托架上。

进一步，织物夹持装置及测试电极包括：不锈钢圆环电极、不锈钢圆柱电极、不锈钢圆盘电极；

圆形的织物平铺在不锈钢圆盘电极上，织物上放置不锈钢圆环电极和不锈钢圆柱电极。

本发明提供的纤维集合体电流动态测试系统，通过设置不同纤维聚集形态的测试装置，测试电极相互并联并且其都跟一个试样选择开关相连接，需要测试哪种聚集形态的纤维集合体时将开关拨到该档位，能够反映不同纤维集合体聚集形态（散纤维、纱线、织物）的电流变化的检测装置。本发明将散纤维、纱线、织物这三种不同纤维聚集形态的测试集成在一个系统中，测试装置机构简单；散纤维在测试时其压缩密度可调；测试量程较广，测试电压较低可调0～100V，测试精度较高，能生动的反映测试电流随时间的变化。本发明不但可以测试不同聚集形态纤维的电流，还可以通过进行简单地修改，来反映与纤维电阻相关的其它指标并将其显示出来，而且对其功能可以扩展，极大的节省了设备的成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的纤维集合体电流动态测试系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的散纤维压缩装置与测试电极示意图；

图3是本发明实施例提供的纱线夹持装置与测试电极结构示意图；

图4是本发明实施例提供的织物夹持装置及测试电极结构示意图；

图中：1、散纤维；2、纱线；3、织物；4、直流稳压电源；5、量程选择开关；6、试样选择开关；7、电路开关；8、表面/体积电流选择开关；9、数据采集卡；10、计算机；11、上底板；12、下底板；13、支撑杆；14、压板；15、侧墙板；16、下墙板；17、聚四氟乙烯侧墙板；18、聚四氟乙烯下墙板；19、平板电极；20、活塞；21、千斤顶；22、不锈钢夹头；23、聚四氟乙烯托架；24、聚四氟乙烯支撑板；25、不锈钢圆环电极；26、不锈钢圆柱电极；27、不锈钢圆盘电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的纤维集合体电流动态测试系统的结构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

本发明的纤维集合体电流动态测试系统，该纤维集合体电流动态测试系统包括：散纤维压缩装置、纱线和织物夹持装置和测试电极系统、多档分压电路、信号滤波和放大系统、数据采集和实时显示系统；

用于对需要测试的散纤维、纱线和织物进行选择，通过采用多档分压电路来改变测试量程，提供包括散纤维压缩装置与测试电极、纱线夹持装置与测试电极和织物夹持装置及测试电极；

为扩大测试量程，并联10个不同阻值的标准电阻器构成的多档分压电路，与多档分压电路相连接，用于减少外界信号干扰需要对标准电阻器上的电压信号进行滤波和放大的信号滤波和放大系统；

与信号滤波和放大系统连接，用于通过数据采集卡将电压信号采集入计算机，将采集的电压信号进行存储、处理，同时将纤维的电流数据存储并实时显示系统。

作为本发明实施例的一优化方案，该纤维集合体电流动态测试系统包括：散纤维压缩装置及测试电极、纱线夹持装置及测试电极、织物夹持装置及测试电极、直流稳压电源、电路开关、量程选择开关、试样选择开关、表面/体积电流选择开关、多档分压电路、数据采集卡、计算机、LabVIEW程序；

散纤维压缩装置中、纱线夹持装置中的测试电极的一端连接直流稳压电源的负极，另一端连接试样选择开关，织物夹持装置中的测试电极通过表面/体积电流选择开关分别连接直流稳压电源负极和试样选择开关，量程选择开关连接多档分压电路的电阻器R1，电路开关的一端连接直流稳压电源的正极，另一端连接多档分压电路的电阻器R1，多档分压电路连接信号滤波和放大电路，在LabVIEW程序控制下经滤波放大的电压信号经数据采集卡输入计算机，电压信号存储、转换将电流实时数据显示在显示器上。

作为本发明实施例的一优化方案，信号滤波和放大系统的信号滤波和放大电路的具体连接为：

电阻R1连接电阻R2和R3，电阻R3连接电容C3，电容C3连地（GND），电阻R2连接电容C1，电阻R3连接运算放大器OP1的同相输入端，电容C1连接运算放大器OP1的反相输入端，电容C1和运算放大器OP1的输出端连接电阻R4和R5，电阻R5连接运算放大器OP2的同相输入端和电容C4电容C4连地（GND），电阻R4连接电容C2，电容C2连接运算放大器OP2的反相输入端，电容C2和运算放大器OP2的输出端连接运算放大器OP3的同相输入端，运算放大器OP3的反相输入端连接电阻R9，运算放大器OP3的输出端连接电阻R7、电阻R6和电阻R8，电阻R7连接运算放大器OP5的反相输入端，电阻R6连接运算放大器OP5的输出端，电阻R8连接电阻R9，电阻R9连接电阻R10和运算放大器OP4的同相输入端，运算放大器OP4的反相输入端接地（GND），电阻R10和电阻R11连接运算放大器OP4的输出端，电阻R11连接电阻R12和运算放大器OP5的同相输入端，电阻R12接地（GND），运算放大器OP5的输出端连接数据采集卡模拟量输入端口，其接地端子接地（GND）。

作为本发明实施例的一优化方案，散纤维压缩装置与测试电极包括：上底板、下底板、支撑杆、压板、侧墙板、下墙板、聚四氟乙烯侧墙板、聚四氟乙烯下墙板、平板电极、千斤顶；

上底板和下底板连接支撑杆，压板固定在上底板上，侧墙板和下墙板内部设置聚四氟乙烯侧墙板和聚四氟乙烯下墙板，下底板的上面设置千斤顶，千斤顶的活塞的上面设置下墙板。

作为本发明实施例的一优化方案，纱线夹持装置与测试电极包括：不锈钢夹头、聚四氟乙烯托架、聚四氟乙烯支撑板；

纱线均匀的缠绕在聚四氟乙烯支撑板上，不锈钢夹头夹住两端并相距10mm。聚四氟乙烯支撑板固定在聚四氟乙烯托架上。

作为本发明实施例的一优化方案，织物夹持装置及测试电极包括：不锈钢圆环电极、不锈钢圆柱电极、不锈钢圆盘电极；

圆形的织物平铺在不锈钢圆盘电极上，织物上放置不锈钢圆环电极和不锈钢圆柱电极。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明的纤维集合体电流动态测试系统主要由：散纤维压缩装置、纱线和织物夹持装置和测试电极系统、多档分压电路、信号滤波和放大系统、数据采集和实时显示系统组成；

如图1-图4所示，散纤维压缩装置的测试电极19一端、纱线夹持装置的测试电极22的一端与直流稳压电源负极端子相连接，织物夹持装置的不锈钢圆环电极25以及不锈钢圆柱电极26和不锈钢圆盘电极27通过表面/体积电流选择开关8分别连接直流稳压电源4负极端子和试样选择开关6相连接，直流稳压电源4正极端子与电路开关7连接，控制量程的一系列不同阻值的标准电阻器R1与电路开关7连接，测试时量程由量程选择开关5控制，量程选择开关5与试样选择开关6相连接，散纤维压缩装置的测试电极19另一端、纱线夹持装置的不锈钢夹头22的另一端与试样选择开关6相连接；在测试时，标准电阻器上的电压信号经由R2、R3、C1、C3、OP1、R4、R5、C2、C4、OP2形成的四阶低通滤波电路滤波，滤波处理后的电压信号经由R8、R9、R10、OP3、OP4、R6、R7、R11、R12、OP5组成的二阶差动放大电路放大，滤波放大后的电压信号通过数据采集卡9输入计算机10；使用LabVIEW控制数据采集、数据处理以及电流数据实时显示。

信号滤波和放大系统电路的具体连接为：电阻R1连接电阻R2和R3，电阻R3连接电容C3，电容C3接地（GND），电阻R2连接电容C1，电阻R3连接运算放大器OP1的同相输入端，电容C1连接运算放大器OP1的反相输入端，电容C1和运算放大器OP1的输出端连接电阻R4和R5，电阻R5连接运算放大器OP2的同相输入端和电容C4电容C4接地（GND），电阻R4连接电容C2，电容C2连接运算放大器OP2的反相输入端，电容C2和运算放大器OP2的输出端连接运算放大器OP3的同相输入端，运算放大器OP3的反相输入端连接电阻R9，运算放大器OP3的输出端连接电阻R7、电阻R6和电阻R8，电阻R7连接运算放大器OP5的反相输入端，电阻R6连接运算放大器OP5的输出端，电阻R8连接电阻R9，电阻R9连接电阻R10和运算放大器OP4的同相输入端，运算放大器OP4的反相输入端接地（GND），电阻R10和电阻R11连接运算放大器OP4的输出端，电阻R11连接电阻R12和运算放大器OP5的同相输入端，电阻R12接地（GND），运算放大器OP5的输出端接数据采集卡9模拟量输入端口，其数据采集卡接地端子接地（GND）。

如图2所示，上底板11、下底板12与四根支撑杆13相连接，压板14固定在上底板11上，四个侧墙板15与下墙板16组成长方体容器，容器内壁紧贴聚四氟乙烯侧墙板17和聚四氟乙烯下墙板18，两块平板电极19紧贴聚四氟乙烯侧墙板17，下墙板16由千斤顶21的活塞20稳定托持，通过活塞20的动程来控制容器中散纤维的体积密度，在测试时将容器取出放入散纤维1，再将容器放入，摇动千斤顶21的手柄，千斤顶的活塞20推动下墙板16上移，实现对散纤维集合体体积密度的控制；

如图3所示，在测试时将纱线2均匀的缠绕在聚四氟乙烯支撑板24上，将不锈钢夹头22夹持并两端相距10mm，再将支撑板24固定在聚四氟乙烯托架23上；

如图4所示，圆形的织物3平铺在不锈钢圆盘电极27上，织物3上放置不锈钢圆环电极25和不锈钢圆柱电极26，三个电极圆心保持同轴，测试时，需要测试织物3的表面电流或者体积电流可将开关拨至相应的测试档位，测试体积电流时，不锈钢圆盘电极27接高压端，不锈钢圆柱电极26接低压端，不锈钢圆环电极25接地；测表面电流时，不锈钢圆盘电极27接地，不锈钢圆柱电极26接高压端，不锈钢圆环电极25接低压端。

本发明的工作原理

本发明在测试时打开直流稳压电源4，接通电路开关7，将量程选择开关5拨到合适的量程，运行数据采集程序，然后根据试样（散纤维、纱线、织物）将试样选择开关6拨到相应的档位进行测试，同时根据LabVIEW程序指令计算机对电流数据进行后台存储，并将测试结果动态的显示在计算机上，如果量程不合适可重新拨动量程选择开关5到合适的档位。

本发明的测试系统由四大部分组成，第一部分为纤维集合体控制和测试电极系统，第二部分为多档分压电路，第三部分为信号滤波和放大系统，第四部分为数据采集和实时显示系统，纤维的聚集形态包括散纤维、纱线、织物，因此需要设计不同纤维聚集形态的测试装置，其包括以下三个方面：（1）散纤维压缩装置和测试电极；（2）纱线夹持装置和测试电极；（3）织物夹持装置及测试电极。这三个测试装置的测试电极相互并联并且其都跟一个试样选择开关相连接，需要测试哪种聚集形态的纤维集合体时将开关拨到该档位，由于在不同相对湿度时纤维的电阻会相差好几个数量级，因此需要采用多档分压电路来改变测试量程，其就是将待测纤维的电极与一个标准电阻器串联，同时在标准电阻器上串接若干电阻值不等的电阻，相互并联的电阻由一个量程选择开相连接，测试时根据串联的标准电阻器来选择合适的量程，由于纤维电流很小，因此标准电阻器上的电压降也很小，同时为了减少外界信号干扰需要对标准电阻器上的电压信号进行滤波和放大。由于采用的是直流稳压电源供电，因此滤波要减少大于工频的电信号对标准电阻器上的电压信号的干扰，这里采用四阶低通滤波电路，电路的增益为1，而后采用二阶差动放大电路对滤波后的电压信号放大1000倍，利用LabVIEW程序来控制数据采集卡采集电压信号，控制计算机存储、处理电压数据，同时将电流数据存储以及将其实时显示在显示器上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种纤维集合体电流动态测试系统，其特征在于，该纤维集合体电流动态测试系统包括：

用于对需要测试的散纤维、纱线和织物进行选择，通过采用多档分压电路来改变测试量程，提供不同纤维集合体约束装置和测试电极系统，包括散纤维压缩装置与测试电极、纱线夹持装置与测试电极和织物夹持装置与测试电极；

与纤维集合体约束装置和测试电极系统连接，用于扩大量程的多档分压电路，与多档分压电路相连接，用于需要对多档分压电路中的标准电阻器上的电压信号进行滤波和放大的信号滤波和放大系统；

与信号滤波和放大系统连接，用于使用LabVIEW程序通过数据采集卡将电压信号采集入计算机，将采集的电压信号进行存储、处理，同时将纤维集合体的电流信号实时地反映在显示器上的数据采集，处理和实时显示系统。

2.如权利要求1所述的纤维集合体电流动态测试系统，其特征在于，该纤维集合体电流动态测试系统包括：散纤维压缩装置与测试电极、纱线夹持装置与测试电极、织物夹持装置与测试电极、直流稳压电源、电路开关、量程选择开关、试样选择开关、表面/体积电流选择开关、多档分压电路、滤波和放大电路、LabVIEW程序、数据采集卡、计算机；

散纤维压缩装置中电极、纱线夹持装置中电极的一端连接直流稳压电源的负极，另一端连接试样选择开关，织物夹持装置中的电极通过表面/体积电流选择开关分别连接直流稳压电源负极和试样选择开关，量程选择开关连接多档分压电路的电阻器R1，电路开关的一端连接直流稳压电源的正极，另一端连接多档分压电路的电阻器R1，量程选择开关连接试样选择开关，多档分压电路连接信号滤波和放大电路，数据采集卡的信号输入端口接放大电路的信号输出端口，计算机与数据采集卡相连接。

3.如权利要求1所述的纤维集合体电流动态测试系统，其特征在于，多档分压电路、信号滤波和放大系统的电路的具体连接为：

10个不同阻值的标准电阻器R1并联组成多档分压电路，多档分压电路的电阻R1连接电阻R2和R3，电阻R3连接电容C3，电容C3接地（GND），电阻R2连接电容C1，电阻R3连接运算放大器OP1的同相输入端，电容C1连接运算放大器OP1的反相输入端，电容C1和运算放大器OP1的输出端连接电阻R4和R5，电阻R5连接运算放大器OP2的同相输入端和电容C4电容C4接地（GND），电阻R4连接电容C2，电容C2连接运算放大器OP2的反相输入端，电容C2和运算放大器OP2的输出端连接运算放大器OP3的同相输入端，运算放大器OP3的连接电阻R9，运算放大器OP3的输出端连接电阻R7、电阻R6和电阻R8，电阻R7连接运算放大器OP5的反相输入端，电阻R6连接运算放大器OP5的输出端，电阻R8连接电阻R9，电阻R9连接电阻R10和运算放大器OP4的同相输入端，运算放大器OP4的反相输入端接地（GND），电阻R10和电阻R11连接运算放大器OP4的输出端，电阻R11连接电阻R12和运算放大器OP5的同相输入端，电阻R12接地（GND），运算放大器OP5的输出端连接数据采集卡信号输入端，数据采集卡接地端接地（GND）。

4.如权利要求1所述的纤维集合体电流动态测试系统，其特征在于，散纤维压缩装置与测试电极包括：上底板、下底板、支撑杆、压板、侧墙板、下墙板、聚四氟乙烯侧墙板、聚四氟乙烯下墙板、平板电极、千斤顶；

上底板和下底板连接支撑杆，压板固定在上底板上，侧墙板和下墙板内部设置聚四氟乙烯侧墙板和聚四氟乙烯下墙板，下底板的上面设置千斤顶，千斤顶的活塞的上面设置下墙板。

5.如权利要求1所述的纤维集合体电流动态测试系统，其特征在于，纱线夹持装置与测试电极包括：不锈钢夹头、聚四氟乙烯托架、聚四氟乙烯纱线支撑板；

纱线均匀的缠绕在在聚四氟乙烯支撑板上并由不锈钢夹头夹持两端，并相聚10mm，聚四氟乙烯支撑板固定在聚四氟乙烯托架上。

6.如权利要求1所述的纤维集合体电流动态测试系统，其特征在于，织物夹持装置及测试电极包括：不锈钢圆环电极、不锈钢圆柱电极、不锈钢圆盘电极；

圆形的织物平铺在不锈钢圆盘电极上，织物上放置不锈钢圆环电极和不锈钢圆柱电极、这三个电极保持同心同轴。

Images