CN103900909A - 一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置及方法。所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，包括夹持机构、压缩机构和位移机构，其特征在于，所述的压缩机构包括滑行杆，滑行杆的一端可由位移机构带动上下移动，滑行杆的另一端连接压力传感器，压力传感器连接固接杆，固接杆连接盖板，盖板与内半球和外半球固定连接形成半球，内半球设于外半球内侧，所述的半球内置有力感应机构。本发明可动态获得纺织材料压缩时的接触区域和接触力，有助于表征纺织材料在球压作用下的压力分布。
Description
技术领域
本发明涉及纺织精密测量仪器技术领域，尤其是涉及纺织材料球压下接触形态的测量装置及方法，尤其是应用了一定的力感应原理技术，得到了织物表面在球形压缩时球体与织物表面接触的形态及其接触力值的在线测量装置和方法，适于间隔织物、层合织物、三维机织物、三维针织物、非织物或复合织物的球压下接触形态和接触力的力感应式测量。
背景技术
由于纺织科学与技术的快速发展，纺织材料已在生物医用领域发挥着重要的作用，尤其是作为医用的床垫和坐垫青睐的间隔织物，乃间隔丝连接上、下表面层织物构成的三维结构织物，中间空隙大，赋予床垫和坐垫等材料具有极好的透气性和压迫舒适性。使用过程中，对老人、婴儿和不能自理的病人而言，人-椅间的接触压迫舒适性的关键性能就是所选用的人-间隔织物-椅间的间隔织物压缩性能(韦锡南赵琳张建芬，基于3D经编间隔织物的轮椅坐垫，实用新型专利，申请号：201220680074.0申请日：2012-12-11；韦锡南乔惠珍张建芬李美娟，基于3D经编间隔织物的婴儿透气防水垫，实用新型专利，申请号：201220680578.2申请日：2012-12-11；许金升，一种经编间隔织物及其构成的汽车座垫，实用新型专利，申请号：201220656876.8申请日：2012-12-03；李少玲陈红霞，婴儿护理床垫，实用新型专利，申请号：200620007163.3申请日：2006-04-29；韦锡南韦春燕韦薇张建芬，基于3D经编间隔织物的插片枕，实用新型专利，申请号：201220680579.7申请日：2012-12-11；韦锡南孟俊洪邓新伟，基于3D经编间隔织物的保健坐垫，实用新型专利，申请号：201220682284.3申请日：2012-12-11)。
但是现有的纺织材料的压缩性能测试国家标准(GB/T24442.2-2009，纺织品压缩性能的测定第2部分：等速法；GB/T24442.1-2009，纺织品压缩性能的测定第1部分：恒定法)，是将试样直接放在压缩仪下进行平板压缩性能测试；而人与间隔织物间的交互作用是近似球形的身体部位与间隔织物的接触作用，采用平板压缩性能测试，显然有些不合理。而且，传统的纺织结构材料压缩过程厚度方向的抗压缩性能弱，在压缩过程未产生明显的滑动现象。但医用领域所选用的间隔织物的间隔丝抗压缩性能强，由于压缩夹头表面光滑，当间隔织物压缩时会在压缩夹头表面水平滑移，另外，由于间隔丝的压缩刚度大，间隔织物边缘明显翘起，严重影响间隔织物的压缩性能试验结果。
因此，为了指导和设计用于医用领域的间隔织物结构，优化间隔织物产品，极为必要获得稳定和精准的球形压缩接触性能试验，并极为必要研制间隔织物球形压缩测试时的平稳测量装置和方法。目前还未见有纺织材料球形压缩时的专门测量装置，以及球压过程中与间隔织物间接触形态的测量方法，还有压缩过程中如何防止滑动的测量装置，目前国内外无相关报道。
本发明针对间隔织物的压缩性能试验出现的问题，采用上、下夹持器束缚间隔织物的垂直移动，尤其是间隔织物边缘的翘起，并采用固定针在间隔织物边缘插入，从而固定间隔织物的边缘，完成间隔织物的边界条件的固定，避免压缩过程中间隔织物的边界条件不可控的测量问题；为了获得球-间隔织物的压缩交互作用时的接触形态，采用球表面植入力传感器单元感应压力的方法获得接触形态，从而更优地明晰间隔织物的结构与压缩性能的关系，更好指导间隔织物的结构设计，开发新的功能产品，故需要发明适宜间隔织物球形压缩接触形态的装置和方法，实现平稳、高重现性、精准、客观的有效测量。
发明内容
本发明目的是在于提供一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置及方法，可对纺织材料在球形压缩作用下的纺织材料与球接触区域及其接触力进行稳定的测量，在于明晰纺织材料的球形压缩交互作用机制，建立纺织材料更全面的有效压缩性能测试方法，尤其是球形压缩的在线测量装置和方法，指导功能纺织材料的结构设计与研发。
为了达到上述目的，本发明提供了一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，包括夹持机构、压缩机构和位移机构，其特征在于，所述的压缩机构包括滑行杆，滑行杆的一端可由位移机构带动上下移动，滑行杆的另一端连接压力传感器，压力传感器连接固接杆，固接杆连接盖板，盖板与内半球和外半球固定连接形成半球，内半球设于外半球内侧，所述的半球内置有力感应机构；所述的外半球上设有圆柱形孔；所述的力感应机构包括压力传感器、压杆和压脚，压杆一端连接压力传感器，另一端连接压脚；所述的压力传感器固定于内半球表面，压杆设于外半球的圆柱形孔中，压脚凸出在外半球的表面。
优选地，所述的夹持机构包括下夹持器、上夹持器以及固定针；所述的下夹持器包括下夹持器本体，下夹持器本体上设有第二圆孔；所述的上夹持器包括上夹持器本体，上夹持器本体上设有第一圆孔和第一螺丝孔；上夹持器本体上还设有通孔，固定针的两端分别耦合第一圆孔和第二圆孔，螺丝的下部固定连接下夹持器本体，螺丝的上部通过下螺帽和上螺帽固定于第一螺丝孔中；所述的半球可设于通孔中。
更优选地，所述的位移机构包括支架、步进电机、涡轮、齿轮和丝杆，步进电机(固定在支架上，涡轮固定在步进电机上，齿轮固定在丝杆上，涡轮可带动齿轮转动，丝杆固定在支架上；所述的夹持机构的下夹持器耦合在位移机构的支架上；所述的压缩机构的滑行杆套接在位移机构的丝杆上。
优选地，所述的盖板上设有第三圆孔和第四圆孔。
优选地，所述的压脚的曲率半径与外半球的曲率半径相等；且所述的压脚在外半球的表面均匀分布，相邻压脚所在曲面的中心的距离为1mm-20mm；所述的外半球的曲率半径可调范围为4cm-20cm；所述的上夹持器为环形，其内环直径大于外半球的直径。
优选地，所述的压脚在外半球的表面均匀分布是指压脚沿着外半球上与其球心共面的数根圆弧进行均匀分布，所述的数根范围为1根-16根。所述的数根是依据压脚和外半球的几何结构，确保压脚可在外半球上进行分布。
优选地，所述的压脚凸出在外半球的表面，压脚所在曲面的中心与外半球的表面的最短距离d1为0.1-2mm；所述的压杆的延伸线通过所述的外半球的球心；所述的压力传感器的感应压力的量程为0-100N，精度为万分之一，且感应压力至量程时，所述的压脚仍未接触外半球的表面。
优选地，所述的固定针为不锈钢材料制成的圆柱形针，直径范围为0.1mm-1mm。
优选地，所述的第一圆孔在上夹持器本体上呈圆周分布，第一圆孔的数量为4个-36个，所述的第二圆孔在下夹持器本体上呈圆周分布，第二圆孔的数量为4个-36个。
优选地，所述的纺织材料为间隔织物、层合织物、三维机织物、三维针织物、非织物或复合织物。
本发明还提供了一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量方法，其特征在于，采用上述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，具体步骤包括：
第一步：旋转下螺帽至螺丝上一定位置停止；螺丝再穿过上夹持器的第一螺丝孔，接着旋转上螺帽至螺丝上一定位置停止；将纺织材料从上夹持器和下夹持器中间穿过，并放置于下夹持器上，调节下螺帽至上夹持器靠自重压在纺织材料上；再调节下螺帽上移至恰好接触上夹持器，并调节上螺帽下移至恰好接触上夹持器；
第二步：将固定针由上夹持器的圆孔上插入，穿过纺织材料后插入下夹持器的圆孔，实现纺织材料的边界固定，避免压缩过程中纺织材料的边缘翘起和滑移；
第三步：启动位移机构的步进电机带动涡轮转动齿轮，进而驱动丝杆转动；丝杆带动滑行杆、压力传感器、固接杆和半球垂直向下移动，外半球对纺织材料进行球形压缩；
第四步：压缩过程中压脚与纺织材料表面产生相互压缩，压脚的压缩力通过压杆传递至压力传感器，压力传感器感知压力即表明该压脚所在的外半球的表面与纺织材料发生接触；统计外半球表面上所有感应压缩压力的压脚，即可获得纺织材料与外半球的接触形态与接触力值。本发明可以实现动态获得纺织材料压缩时的接触形态和接触力的测量，有助于表征纺织材料在球压作用下的压力分布。
本发明的实施原理在于采用力感应机构感应纺织材料与外半球间的交互压缩力，若受压的纺织材料与外半球接触而压缩时，突出于外半球表面的压脚通过压所杆传递至压力传感器，表明纺织材料在外半球表面的此点位置与外半球接触；若外半球未与纺织材料接触，力感应机构未感知压力，则外半球表面的此点位置未与外半球接触。因此，随着外半球与纺织材料间的压缩作用，即可通过力感应机构感知与纺织材料接触的外半球的接触区域和接触压力。而且，通过夹持机构夹持纺织材料，避免纺织材料在压缩过程中边缘翘起，防止球形压缩过程中纺织材料的滑动，获得上、下垂直边界和左、右水平边界固定及其实现稳定的接触区域与接触力的测试。具体步骤在于通过夹持机构夹持纺织材料，由位移机构驱动压缩机构垂直向下压缩纺织材料，当纺织材料与压缩机构的力感应机构有接触压缩时，力感应机构压力传感器根据感应的力值判断纺织材料与压缩机构的外半球表面的接触位置和接触位置处的压缩力，实现纺织材料整个压缩过程中，动态获得纺织材料压缩时与压缩机构的接触区域和接触力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明创新地实现了纺织材料球形压缩过程中的表面接触区域与表面压缩力的在线测量装置和方法，解决了压缩过程中仅仅分析整体压缩力-位移曲线而忽略表面形态和局部区域压力的测量技术问题，可获得接触区域的局部压缩力以及对应的接触区域，为表征纺织材料的压缩性能建立了科学的表征手段。
2.本发明创新地采用力感应式原理，得到了纺织材料球压下球体与纺织材料表面的接触形态与接触压力分布，尤其是提供了适宜座垫和床垫类等间隔织物材料在使用过程中的接触区域和接触压缩力的分布测量，实现了快速、客观、有效的间隔织物的纺织材料的在线压缩性能测试装置和方法。
3.整个装置结构精巧，可实现简易、便捷、稳定的纺织材料，尤其是间隔织物球压试验的精准测试和缓压评价。
附图说明
图1为纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置示意图；
图2为压缩机构示意图；
图3为压缩机构对称的中间剖面图以及相邻压脚所在曲面的中心距离d示意图；
图4为压缩机构的俯视图；
图5为外半球表面的压脚线性分布示意图；
图6为外半球表面的压脚十字交叉分布示意图
图7为外半球表面的压脚环形分布图
图8为夹持机构斜视图
图9为夹持机构夹持纺织材料的示意图
图10为夹持机构示意图
图11为上夹持器示意图
图12为下夹持器示意图
图13为接触区域轮廓的圆半径-压缩应变曲线图
图14为对应接触区域的力感应机构上5个压脚的接触压力-时间曲线图
图15为基于压力传感器感应压力的纺织材料整体压缩力-应变曲线图
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。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。为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。
实施例1 18mm厚间隔织物球压下的接触轮廓、接触形态和压缩性能测量
如图1所示，为纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置示意图，所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置包括夹持机构1、压缩机构3和位移机构4，如图2所示，所述的压缩机构3，由滑行杆31、压力传感器32、固接杆33、盖板34、力感应机构35、外半球36、内半球37和螺钉38组成；滑行杆31的一端可由位移机构4带动上下移动，滑行杆31的另一端连接压力传感器32，压力传感器32连接固接杆33，固接杆33连接盖板34，如图3所示，盖板34与内半球37和外半球36通过螺钉38固定连接形成半球，内半球37设于外半球36内侧，所述的半球内置有力感应机构35；所述的外半球36上设有圆柱形孔361；所述的力感应机构35包括压力传感器351、压杆352和压脚353，压杆352一端连接压力传感器351，另一端连接压脚353；所述的压力传感器351固定于内半球37表面，压杆352设于外半球36的圆柱形孔361中，压脚353凸出在外半球36的表面。如图4所示，所述的盖板34上设有第三圆孔341和第四圆孔342，便于引出连接压力传感器351的引线。如图8所示，所述的夹持机构1包括下夹持器11、上夹持器12以及固定针13；所述的下夹持器11包括下夹持器本体113，下夹持器本体113上设有第二圆孔111；所述的上夹持器12包括上夹持器本体123，上夹持器本体123上设有第一圆孔121和第一螺丝孔122；上夹持器本体123上还设有通孔124，如图10所示，固定针13的两端分别耦合第一圆孔121和第二圆孔111，螺丝14的下部固定连接下夹持器本体113，螺丝14的上部通过下螺帽141和上螺帽142固定于第一螺丝孔122中；所述的半球可设于通孔124中。所述的位移机构4包括支架41、步进电机42、涡轮43、齿轮44和丝杆45，步进电机42固定在支架41上，涡轮43固定在步进电机42上，齿轮44固定在丝杆45上，涡轮43可带动齿轮44转动，丝杆45固定在支架41上；所述的夹持机构1的下夹持器11耦合在位移机构4的支架41上；所述的压缩机构3的滑行杆31套接在位移机构4的丝杆45上。
所述的压脚353的曲率半径与外半球36的曲率半径相等；如图5所示，所述的压脚353沿着外半球36上与其球心共面的数根圆弧进行均匀分布，所述的数根范围为1根。相邻压脚353所在曲面的中心的距离d为10mm；所述的外半球36的曲率半径可调范围为5cm；所述的上夹持器12为环形，其内环直径大于外半球36的直径。所述的压脚353凸出在外半球36的表面，压脚353所在曲面的中心与外半球36的表面的最短距离d1为1mm；所述的压杆352的延伸线通过所述的外半球36的球心；所述的压力传感器351的感应压力的量程为0-5N，精度为万分之一，且感应压力至量程时，所述的压脚353仍未接触外半球36的表面。所述的固定针13为不锈钢材料制成的圆柱形针，直径范围为0.4mm。所述的第一圆孔121在上夹持器本体123上呈圆周分布，第一圆孔121的数量为6个，所述的第二圆孔111在下夹持器本体113上呈圆周分布，第二圆孔111的数量为6个。
一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量方法，采用上述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，具体步骤为：(1)取18mm厚间隔织物作为纺织材料2，旋转下螺帽141至螺丝14上一定位置停止；螺丝14再穿过上夹持器12的第一螺丝孔122，接着旋转上螺帽142至螺丝14上一定位置停止；将纺织材料2从上夹持器12和下夹持器11中间穿过，并放置于下夹持器11上，调节下螺帽141至上夹持器12靠自重压在纺织材料2上；再调节下螺帽141上移至恰好接触上夹持器12，并调节上螺帽142下移至恰好接触上夹持器12；(2)如图9所示，将固定针13由上夹持器12的圆孔121上插入，穿过纺织材料2后插入下夹持器11的圆孔111，实现纺织材料2的边界固定，避免压缩过程中纺织材料2的边缘翘起和滑移；(3)启动位移机构4的步进电机42带动涡轮43转动齿轮44，进而驱动丝杆45转动；丝杆45带动滑行杆31、压力传感器32、固接杆33和半球垂直向下移动，外半球36对纺织材料2进行球形压缩；(4)压缩过程中压脚353与纺织材料2表面产生相互压缩，压脚353的压缩力通过压杆352传递至压力传感器351，压力传感器351感知压力即表明该压脚353所在的外半球36的表面与纺织材料2发生接触；统计外半球36表面上所有感应压缩压力的压脚351，即可获得纺织材料2与外半球36的接触形态与接触力值，接触形态如图13所示即间隔织物2与外半球36分离/接触点位置的接触轮廓圆的半径随压缩应变变化的形态图，接触区域的局部力值示意图如图14所示，整体压缩力值-位移曲线如图15所示。
实施例2 50mm厚层合织物球压下的接触轮廓、接触形态和压缩性能测量
如图1所示，为纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置示意图，所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置包括夹持机构1、压缩机构3和位移机构4，如图2所示，所述的压缩机构3，由滑行杆31、压力传感器32、固接杆33、盖板34、力感应机构35、外半球36、内半球37和螺钉38组成；滑行杆31的一端可由位移机构4带动上下移动，滑行杆31的另一端连接压力传感器32，压力传感器32连接固接杆33，固接杆33连接盖板34，如图3所示，盖板34与内半球37和外半球36通过螺钉38固定连接形成半球，内半球37设于外半球36内侧，所述的半球内置有力感应机构35；所述的外半球36上设有圆柱形孔361；所述的力感应机构35包括压力传感器351、压杆352和压脚353，压杆352一端连接压力传感器351，另一端连接压脚353；所述的压力传感器351固定于内半球37表面，压杆352设于外半球36的圆柱形孔361中，压脚353凸出在外半球36的表面。如图4所示，所述的盖板34上设有第三圆孔341和第四圆孔342，便于引出连接压力传感器351的引线。如图8所示，所述的夹持机构1包括下夹持器11、上夹持器12以及固定针13；所述的下夹持器11包括下夹持器本体113，下夹持器本体113上设有第二圆孔111；所述的上夹持器12包括上夹持器本体123，上夹持器本体123上设有第一圆孔121和第一螺丝孔122；上夹持器本体123上还设有通孔124，如图10所示，固定针13的两端分别耦合第一圆孔121和第二圆孔111，螺丝14的下部固定连接下夹持器本体113，螺丝14的上部通过下螺帽141和上螺帽142固定于第一螺丝孔122中；所述的半球可设于通孔124中。所述的位移机构4包括支架41、步进电机42、涡轮43、齿轮44和丝杆45，步进电机42固定在支架41上，涡轮43固定在步进电机42上，齿轮44固定在丝杆45上，涡轮43可带动齿轮44转动，丝杆45固定在支架41上；所述的夹持机构1的下夹持器11耦合在位移机构4的支架41上；所述的压缩机构3的滑行杆31套接在位移机构4的丝杆45上。
所述的压脚353的曲率半径与外半球36的曲率半径相等；如图6所示，所述的压脚353沿着外半球36上与其球心共面的数根圆弧进行均匀分布，所述的数根范围为2根。相邻压脚353所在曲面的中心的距离d为20mm；所述的外半球36的曲率半径可调范围为10cm；所述的上夹持器12为环形，其内环直径大于外半球36的直径。所述的压脚353凸出在外半球36的表面，压脚353所在曲面的中心与外半球36的表面的最短距离d1为0.1mm；所述的压杆352的延伸线通过所述的外半球36的球心；所述的压力传感器351的感应压力的量程为0-8NN，精度为万分之一，且感应压力至量程时，所述的压脚353仍未接触外半球36的表面。所述的固定针13为不锈钢材料制成的圆柱形针，直径范围为0.1mm。所述的第一圆孔121在上夹持器本体123上呈圆周分布，第一圆孔121的数量为8个，所述的第二圆孔111在下夹持器本体113上呈圆周分布，第二圆孔111的数量为8个。
一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量方法，采用上述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，具体步骤为：(1)取50mm厚层合织物作为纺织材料2，旋转下螺帽141至螺丝14上一定位置停止；螺丝14再穿过上夹持器12的第一螺丝孔122，接着旋转上螺帽142至螺丝14上一定位置停止；将纺织材料2从上夹持器12和下夹持器11中间穿过，并放置于下夹持器11上，调节下螺帽141至上夹持器12靠自重压在纺织材料2上；再调节下螺帽141上移至恰好接触上夹持器12，并调节上螺帽142下移至恰好接触上夹持器12；(2)如图9所示，将固定针13由上夹持器12的圆孔121上插入，穿过纺织材料2后插入下夹持器11的圆孔111，实现纺织材料2的边界固定，避免压缩过程中纺织材料2的边缘翘起和滑移；(3)启动位移机构4的步进电机42带动涡轮43转动齿轮44，进而驱动丝杆45转动；丝杆45带动滑行杆31、压力传感器32、固接杆33和半球垂直向下移动，外半球36对纺织材料2进行球形压缩；(4)压缩过程中压脚353与纺织材料2表面产生相互压缩，压脚353的压缩力通过压杆352传递至压力传感器351，压力传感器351感知压力即表明该压脚353所在的外半球36的表面与纺织材料2发生接触；统计外半球36表面上所有感应压缩压力的压脚351，即可获得纺织材料2与外半球36的接触形态与接触力值与压缩力-应变曲线。
实施例3 40mm厚非织物球压下的接触轮廓、接触形态和压缩性能测量
如图1所示，为纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置示意图，所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置包括夹持机构1、压缩机构3和位移机构4，如图2所示，所述的压缩机构3，由滑行杆31、压力传感器32、固接杆33、盖板34、力感应机构35、外半球36、内半球37和螺钉38组成；滑行杆31的一端可由位移机构4带动上下移动，滑行杆31的另一端连接压力传感器32，压力传感器32连接固接杆33，固接杆33连接盖板34，如图3所示，盖板34与内半球37和外半球36通过螺钉38固定连接形成半球，内半球37设于外半球36内侧，所述的芈球内置有力感应机构35；所述的外半球36上设有圆柱形孔361；所述的力感应机构35包括压力传感器351、压杆352和压脚353，压杆352一端连接压力传感器351，另一端连接压脚353；所述的压力传感器351固定于内半球37表面，压杆352设于外半球36的圆柱形孔361中，压脚353凸出在外半球36的表面。如图4所示，所述的盖板34上设有第三圆孔341和第四圆孔342，便于引出连接压力传感器351的引线。如图8所示，所述的夹持机构1包括下夹持器11、上夹持器12以及固定针13；所述的下夹持器11包括下夹持器本体113，下夹持器本体113上设有第二圆孔111；所述的上夹持器12包括上夹持器本体123，上夹持器本体123上设有第一圆孔121和第一螺丝孔122；上夹持器本体123上还设有通孔124，如图10所示，固定针13的两端分别耦合第一圆孔121和第二圆孔111，螺丝14的下部固定连接下夹持器本体113，螺丝14的上部通过下螺帽141和上螺帽142固定于第一螺丝孔122中；所述的半球可设于通孔124中。所述的位移机构4包括支架41、步进电机42、涡轮43、齿轮44和丝杆45，步进电机42固定在支架41上，涡轮43固定在步进电机42上，齿轮44固定在丝杆45上，涡轮43可带动齿轮44转动，丝杆45固定在支架41上；所述的夹持机构1的下夹持器11耦合在位移机构4的支架41上；所述的压缩机构3的滑行杆31套接在位移机构4的丝杆45上。
所述的压脚353的曲率半径与外半球36的曲率半径相等；如图5所示，所述的压脚353沿着外半球36上与其球心共面的数根圆弧进行均匀分布，所述的数根范围为1根。相邻压脚353所在曲面的中心的距离d为20mm；所述的外半球36的曲率半径可调范围为15cm；所述的上夹持器12为环形，其内环直径大于外半球36的直径。所述的压脚353凸出在外半球36的表面，压脚353所在曲面的中心与外半球36的表面的最短距离d1为0.8mm；所述的压杆352的延伸线通过所述的外半球36的球心；所述的压力传感器351的感应压力的量程为0-6N，精度为万分之一，且感应压力至量程时，所述的压脚353仍未接触外半球36的表面。所述的固定针13为不锈钢材料制成的圆柱形针，直径范围为0.2mm。所述的第一圆孔121在上夹持器本体123上呈圆周分布，第一圆孔121的数量为12个，所述的第二圆孔111在下夹持器本体113上呈圆周分布，第二圆孔111的数量为12个。
一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量方法，采用上述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，具体步骤为：(1)取40mm厚涤纶非织物作为纺织材料2，旋转下螺帽141至螺丝14上一定位置停止；螺丝14再穿过上夹持器12的第一螺丝孔122，接着旋转上螺帽142至螺丝14上一定位置停止；将纺织材料2从上夹持器12和下夹持器11中间穿过，并放置于下夹持器11上，调节下螺帽141至上夹持器12靠自重压在纺织材料2上；再调节下螺帽141上移至恰好接触上夹持器12，并调节上螺帽142下移至恰好接触上夹持器12；(2)如图9所示，将固定针13由上夹持器12的圆孔121上插入，穿过纺织材料2后插入下夹持器11的圆孔111，实现纺织材料2的边界固定，避免压缩过程中纺织材料2的边缘翘起和滑移；(3)启动位移机构4的步进电机42带动涡轮43转动齿轮44，进而驱动丝杆45转动；丝杆45带动滑行杆31、压力传感器32、固接杆33和半球垂直向下移动，外半球36对纺织材料2进行球形压缩；(4)压缩过程中压脚353与纺织材料2表面产生相互压缩，压脚353的压缩力通过压杆352传递至压力传感器351，压力传感器351感知压力即表明该压脚353所在的外半球36的表面与纺织材料2发生接触；统计外半球36表面上所有感应压缩压力的压脚351，即可获得纺织材料2与外半球36的接触形态与接触力值及其整体压缩力-位移曲线。
实施例4 20mm厚三维机织物球压下的接触轮廓、接触形态和压缩性能测量
如图1所示，为纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置示意图，所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置包括夹持机构1、压缩机构3和位移机构4，如图2所示，所述的压缩机构3，由滑行杆31、压力传感器32、固接杆33、盖板34、力感应机构35、外半球36、内半球37和螺钉38组成；滑行杆31的一端可由位移机构4带动上下移动，滑行杆31的另一端连接压力传感器32，压力传感器32连接固接杆33，固接杆33连接盖板34，如图3所示，盖板34与内半球37和外半球36通过螺钉38固定连接形成半球，内半球37设于外半球36内侧，所述的半球内置有力感应机构35；所述的外半球36上设有圆柱形孔361；所述的力感应机构35包括压力传感器351、压杆352和压脚353，压杆352一端连接压力传感器351，另一端连接压脚353；所述的压力传感器351固定于内半球37表面，压杆352设于外半球36的圆柱形孔361中，压脚353凸出在外半球36的表面。如图4所示，所述的盖板34上设有第三圆孔341和第四圆孔342，便于引出连接压力传感器351的引线。如图8所示，所述的夹持机构1包括下夹持器11、上夹持器12以及固定针13；所述的下夹持器11包括下夹持器本体113，下夹持器本体113上设有第二圆孔111；所述的上夹持器12包括上夹持器本体123，上夹持器本体123上设有第一圆孔121和第一螺丝孔122；上夹持器本体123上还设有通孔124，如图10所示，固定针13的两端分别耦合第一圆孔121和第二圆孔111，螺丝14的下部固定连接下夹持器本体113，螺丝14的上部通过下螺帽141和上螺帽142固定于第一螺丝孔122中；所述的半球可设于通孔124中。所述的位移机构4包括支架41、步进电机42、涡轮43、齿轮44和丝杆45，步进电机42固定在支架41上，涡轮43固定在步进电机42上，齿轮44固定在丝杆45上，涡轮43可带动齿轮44转动，丝杆45固定在支架41上；所述的夹持机构1的下夹持器11耦合在位移机构4的支架41上；所述的压缩机构3的滑行杆31套接在位移机构4的丝杆45上。
所述的压脚353的曲率半径与外半球36的曲率半径相等；所述的压脚353沿着外半球36上与其球心共面的数根圆弧进行均匀分布，所述的数根范围为4根。相邻压脚353所在曲面的中心的距离d为5mm；所述的外半球36的曲率半径可调范围为7cm；所述的上夹持器12为环形，其内环直径大于外半球36的直径。所述的压脚353凸出在外半球36的表面，压脚353所在曲面的中心与外半球36的表面的最短距离d1为0.5mm；所述的压杆352的延伸线通过所述的外半球36的球心；所述的压力传感器351的感应压力的量程为0-10N，精度为万分之一，且感应压力至量程时，所述的压脚353仍未接触外半球36的表面。所述的固定针13为不锈钢材料制成的圆柱形针，直径范围为0.2mm。所述的第一圆孔121在上夹持器本体123上呈圆周分布，第一圆孔121的数量为24个，所述的第二圆孔111在下夹持器本体113上呈圆周分布，第二圆孔111的数量为24个。
一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量方法，采用上述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，具体步骤为：(1)取20mm厚三维机织物作为纺织材料2，旋转下螺帽141至螺丝14上一定位置停止；螺丝14再穿过上夹持器12的第一螺丝孔122，接着旋转上螺帽142至螺丝14上一定位置停止；将纺织材料2从上夹持器12和下夹持器11中间穿过，并放置于下夹持器11上，调节下螺帽141至上夹持器12靠自重压在纺织材料2上；再调节下螺帽141上移至恰好接触上夹持器12，并调节上螺帽142下移至恰好接触上夹持器12；(2)如图9所示，将固定针13由上夹持器12的圆孔121上插入，穿过纺织材料2后插入下夹持器11的圆孔111，实现纺织材料2的边界固定，避免压缩过程中纺织材料2的边缘翘起和滑移；(3)启动位移机构4的步进电机42带动涡轮43转动齿轮44，进而驱动丝杆45转动；丝杆45带动滑行杆31、压力传感器32、固接杆33和半球垂直向下移动，外半球36对纺织材料2进行球形压缩；(4)压缩过程中压脚353与纺织材料2表面产生相互压缩，压脚353的压缩力通过压杆352传递至压力传感器351，压力传感器351感知压力即表明该压脚353所在的外半球36的表面与纺织材料2发生接触；统计外半球36表面上所有感应压缩压力的压脚351，即可获得纺织材料2与外半球36的接触形态与接触力值及其整体压缩力-位移曲线。
实施例52块20mm厚间隔织物的复合的球压下接触轮廓、接触形态和压缩性能测量
如图1所示，为纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置示意图，所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置包括夹持机构1、压缩机构3和位移机构4，如图2所示，所述的压缩机构3，由滑行杆31、压力传感器32、固接杆33、盖板34、力感应机构35、外半球36、内半球37和螺钉38组成；滑行杆31的一端可由位移机构4带动上下移动，滑行杆31的另一端连接压力传感器32，压力传感器32连接固接杆33，固接杆33连接盖板34，如图3所示，盖板34与内半球37和外半球36通过螺钉38固定连接形成半球，内半球37设于外半球36内侧，所述的半球内置有力感应机构35；所述的外半球36上设有圆柱形孔361；所述的力感应机构35包括压力传感器351、压杆352和压脚353，压杆352一端连接压力传感器351，另一端连接压脚353；所述的压力传感器351固定于内半球37表面，压杆352设于外半球36的圆柱形孔361中，压脚353凸出在外半球36的表面。如图4所示，所述的盖板34上设有第三圆孔341和第四圆孔342，便于引出连接压力传感器351的引线。如图8所示，所述的夹持机构1包括下夹持器11、上夹持器12以及固定针13；如图12所示，所述的下夹持器11包括下夹持器本体113，下夹持器本体113上设有第二圆孔111；如图11所示，所述的上夹持器12包括上夹持器本体123，上夹持器本体123上设有第一圆孔121和第一螺丝孔122；上夹持器本体123上还设有通孔124，如图10所示，固定针13的两端分别耦合第一圆孔121和第二圆孔111，螺丝14的下部固定连接下夹持器本体113，螺丝14的上部通过下螺帽141和上螺帽142固定于第一螺丝孔122中；所述的半球可设于通孔124中。所述的位移机构4包括支架41、步进电机42、涡轮43、齿轮44和丝杆45，步进电机42固定在支架41上，涡轮43固定在步进电机42上，齿轮44固定在丝杆45上，涡轮43可带动齿轮44转动，丝杆45固定在支架41上；所述的夹持机构1的下夹持器11耦合在位移机构4的支架41上；所述的压缩机构3的滑行杆31套接在位移机构4的丝杆45上。
所述的压脚353的曲率半径与外半球36的曲率半径相等；如图7所示，所述的压脚353沿着外半球36上与其球心共面的数根圆弧进行均匀分布，所述的数根范围为16根。相邻压脚353所在曲面的中心的距离d为1mm；所述的外半球36的曲率半径可调范围为20cm；所述的上夹持器12为环形，其内环直径大于外半球36的直径。所述的压脚353凸出在外半球36的表面，压脚353所在曲面的中心与外半球36的表面的最短距离d1为1mm；所述的压杆352的延伸线通过所述的外半球36的球心；所述的压力传感器351的感应压力的量程为0-60N，精度为万分之一，且感应压力至量程时，所述的压脚353仍未接触外半球36的表面。所述的固定针13为不锈钢材料制成的圆柱形针，直径范围为0.5mm。所述的第一圆孔121在上夹持器本体123上呈圆周分布，第一圆孔121的数量为36个，所述的第二圆孔111在下夹持器本体113上呈圆周分布，第二圆孔111的数量为36个。
一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量方法，采用上述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，具体步骤为：(1)取2块20mm厚间隔织物叠层设置作为纺织材料2，旋转下螺帽141至螺丝14上一定位置停止；螺丝14再穿过上夹持器12的第一螺丝孔122，接着旋转上螺帽142至螺丝14上一定位置停止；将纺织材料2从上夹持器12和下夹持器11中间穿过，并放置于下夹持器11上，调节下螺帽141至上夹持器12靠自重压在纺织材料2上；再调节下螺帽141上移至恰好接触上夹持器12，并调节上螺帽142下移至恰好接触上夹持器12；(2)如图9所示，将固定针13由上夹持器12的圆孔121上插入，穿过纺织材料2后插入下夹持器11的圆孔111，实现纺织材料2的边界固定，避免压缩过程中纺织材料2的边缘翘起和滑移；(3)启动位移机构4的步进电机42带动涡轮43转动齿轮44，进而驱动丝杆45转动；丝杆45带动滑行杆31、压力传感器32、固接杆33和半球垂直向下移动，外半球36对纺织材料2进行球形压缩；(4)压缩过程中压脚353与纺织材料2表面产生相互压缩，压脚353的压缩力通过压杆352传递至压力传感器351，压力传感器351感知压力即表明该压脚353所在的外半球36的表面与纺织材料2发生接触；统计外半球36表面上所有感应压缩压力的压脚351，即可获得纺织材料2与外半球36的接触形态与接触力值及其整体压缩力-位移曲线。
Claims (10)
1.一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，包括夹持机构(1)、压缩机构(3)和位移机构(4)，其特征在于，所述的压缩机构(3)包括滑行杆(31)，滑行杆(31)的一端可由位移机构(4)带动上下移动，滑行杆(31)的另一端连接压力传感器(32)，压力传感器(32)连接固接杆(33)，固接杆(33)连接盖板(34)，盖板(34)与内半球(37)和外半球(36)固定连接形成半球，内半球(37)设于外半球(36)内侧，所述的半球内置有力感应机构(35)；所述的外半球(36)上设有圆柱形孔(361)；所述的力感应机构(35)包括压力传感器(351)、压杆(352)和压脚(353)，压杆(352)一端连接压力传感器(351)，另一端连接压脚(353)；所述的压力传感器(351)固定于内半球(37)表面，压杆(352)设于外半球(36)的圆柱形孔(361)中，压脚(353)凸出在外半球(36)的表面。
2.如权利要求1所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，其特征在于，所述的夹持机构(1)包括下夹持器(11)、上夹持器(12)以及固定针(13)；所述的下夹持器(11)包括下夹持器本体(113)，下夹持器本体(113)上设有第二圆孔(111)；所述的上夹持器(12)包括上夹持器本体(123)，上夹持器本体(123)上设有第一圆孔(121)和第一螺丝孔(122)；上夹持器本体(123)上还设有通孔(124)，固定针(13)的两端分别耦合第一圆孔(121)和第二圆孔(111)，螺丝(14)的下部固定连接下夹持器本体(113)，螺丝(14)的上部通过下螺帽(141)和上螺帽(142)固定于第一螺丝孔(122)中；所述的半球可设于通孔(124)中。
3.如权利要求2所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，其特征在于，所述的位移机构(4)包括支架(41)、步进电机(42)、涡轮(43)、齿轮(44)和丝杆(45)，步进电机(42)固定在支架(41)上，涡轮(43)固定在步进电机(42)上，齿轮(44)固定在丝杆(45)上，涡轮(43)可带动齿轮(44)转动，丝杆(45)固定在支架(41)上；所述的夹持机构(1)的下夹持器(11)耦合在位移机构(4)的支架(41)上；所述的压缩机构(3)的滑行杆(31)套接在位移机构(4)的丝杆(45)上。
4.如权利要求1-3中任一项所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，其特征在于，所述的盖板(34)上设有第三圆孔(341)和第四圆孔(342)。
5.如权利要求1-3中任一项所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，其特征在于，所述的压脚(353)的曲率半径与外半球(36)的曲率半径相等；且所述的压脚(353)在外半球(36)的表面均匀分布，相邻压脚(353)所在曲面的中心的距离(d)为1mm-20mm；所述的外半球(36)的曲率半径可调范围为4cm-20cm；所述的上夹持器(12)为环形，其内环直径大于外半球(36)的直径。
6.如权利要求5所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，其特征在于，所述的压脚(353)在外半球(36)的表面均匀分布是指压脚(353)沿着外半球(36)上与其球心共面的数根圆弧进行均匀分布，所述的数根范围为1根-16根。所述的数根是依据压脚(353)和外半球(36)的几何结构，确保压脚(353)可在外半球(36)上进行分布。
7.如权利要求1-3中任一项所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，其特征在于，所述的压脚(353)凸出在外半球(36)的表面，压脚(353)所在曲面的中心与外半球(36)的表面的最短距离(d1)为0.1-2mm；所述的压杆(352)的延伸线通过所述的外半球(36)的球心；所述的压力传感器(351)的感应压力的量程为0-100N，精度为万分之一，且感应压力至量程时，所述的压脚(353)仍未接触外半球(36)的表面。
8.如权利要求1-3中任一项所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，其特征在于，所述的固定针(13)为不锈钢材料制成的圆柱形针，直径范围为0.1mm-1mm。
9.如权利要求1-3中任一项所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，其特征在于，所述的第一圆孔(121)在上夹持器本体(123)上呈圆周分布，第一圆孔(121)的数量为4个-36个，所述的第二圆孔(111)在下夹持器本体(113)上呈圆周分布，第二圆孔(111)的数量为4个-36个。
10.一种纺织材料球压下接触形态的力感应式测量方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的纺织材料球压下接触形态的力感应式测量装置，具体步骤包括：
第一步：旋转下螺帽(141)至螺丝(14)上一定位置停止；螺丝(14)再穿过上夹持器(12)的第一螺丝孔(122)，接着旋转上螺帽(142)至螺丝(14)上一定位置停止；将纺织材料(2)从上夹持器(12)和下夹持器(11)中间穿过，并放置于下夹持器(11)上，调节下螺帽(141)至上夹持器(12)靠自重压在纺织材料(2)上；再调节下螺帽(141)上移至恰好接触上夹持器(12)，并调节上螺帽(142)下移至恰好接触上夹持器(12)；
第二步：将固定针(13)由上夹持器(12)的圆孔(121)上插入，穿过纺织材料(2)后插入下夹持器(11)的圆孔(111)，实现纺织材料(2)的边界固定，避免压缩过程中纺织材料(2)的边缘翘起和滑移；
第三步：启动位移机构(4)的步进电机(42)带动涡轮(43)转动齿轮(44)，进而驱动丝杆(45)转动；丝杆(45)带动滑行杆(31)、压力传感器(32)、固接杆(33)和半球垂直向下移动，外半球(36)对纺织材料(2)进行球形压缩；
第四步：压缩过程中压脚(353)与纺织材料(2)表面产生相互压缩，压脚(353)的压缩力通过压杆(352)传递至压力传感器(351)，压力传感器(351)感知压力即表明该压脚(353)所在的外半球(36)的表面与纺织材料(2)发生接触；统计外半球(36)表面上所有感应压缩压力的压脚(351)，即可获得纺织材料(2)与外半球(36)的接触形态与接触力值。本发明可以实现动态获得纺织材料压缩时的接触形态和接触力的测量，有助于表征纺织材料在球压作用下的压力分布。
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