CN109470571A - 一种束纤维拉伸微应变的测量机构及用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种束纤维拉伸微应变的测量机构及用途，包括用于夹持或松开束纤维的夹持机构，夹持机构的两个夹头分别设置于固定的受力架和可移动的移动架上，测力机构连接受力架，拉伸机构连接移动架，还包括用于测量受力架上的微位移的微测量机构，和用于数据采集与控制机构运行的测量控制系统。通过一对气缸完成对左右夹头的夹持和松开控制，通过拉伸机构驱动移动架，使束纤维被拉伸，并由步进电机和激光反射的微测量机构测得位移量；通过支点轴和简支梁组成的杠杆将力值缩小后传递到测力机构的力传感器上。本发明可用于束纤维、膜、织物等片状材料的拉伸测试，具有测试精度高、工作性能稳定、实用性广等特点。

Description

一种束纤维拉伸微应变的测量机构及用途

技术领域

本发明涉及一种束纤维拉伸微应变的测量机构及用途，属于束纤维拉伸性能测试技术领域。

背景技术

由于当今世界经济的飞速发展和科学技术的飞跃进步，各个行业对材料的各种力学性能要求越来越高，相应的提高了对实验仪器性能的要求。特别是对纺织行业，每年纤维总需求量为5000万吨。如何对这些纤维的力学性能进行简单、快速而准确的测量成为重要课题。之前对纤维力学性能的测量仪器大都是针对单根纤维，但对单根纤维测量不仅费时费力、比较繁琐，而且测试结果不能准确全面的反映整个纤维集合体的性能。尤其是对天然纤维，其单纤维强力的离散系数一般比较大，为了得到有意义的平均强力必须测量数百根以上。束纤维强力测试是纤维力学性质测量的一种重要方法，其制样方便，测试快速可以满足工业化生产中的快速测量的要求，而且它比单纤维强力测试更加方便、快速，可以准确的表征纤维的力学性质。对束纤维进行力学测量，可以从束强曲线上提取相应的特征值，从而可以对纤维的整体性能进行表征，也可以用束强测试来反推单纤维的性质。所以束纤维强力在表征纤维力学性质时比单纤维强力更具优势。

1942年，Pressley发表了关于平行纤维束法强力测试仪的一篇文章标志着束纤维强力测试装置的研究和应用的开始。之后Brown研制了Clemson束强仪和Hertel研制了Stelometer来测量束纤维的断裂强力和断裂伸长，两种仪器都是等负荷拉伸型，被广泛应用在棉纤维和羊毛纤维的强力测试中，但是其缺点是手工操作。

美国农业部和棉花生产者在二十世纪六十年代研制了棉纤维大容量测试系统(HVI)，但是此系统只能应用到棉纤维上。与此同时澳大利亚联邦科学院研制(CSIRO)研制了一种应用到羊毛纤维的强力装置Sirolan-TENSOR，Sirolan-TENSOR比传统的测试方法更快，实现了对羊毛纤维或者一些其他纤维的束纤维强力测试，但只能用于毛纤维。最近几年，德国的Textechno公司研制了一种更先进的棉束纤维纤维长度分布及强力测试仪FIBROTEST，其测量更快速、方便。国内也由长岭纺机研制了棉纤维大容量测试系统，但在普通束纤维强力仪方面很少有研究。而且这些测试仪器价格比较昂贵，对使用环境、操作维护人员的要求相当高，不适合一般企业的大量使用。

对于测力机构，目前测试纤维拉伸性能的测试仪器的测力机构主要是摆锤式(如Y161型单纤维强力仪)、杠杆式(或秤杆式，如Pressley强力仪)和电子强力仪(如XQ-1型纤维强伸度仪)，测试精度低且只能用于单纤维的测量。电子式强力仪的测力机构是在固定梁上装有电阻应变丝，通过应变仪检测电阻应变丝微小变形产生的电阻值来显示出拉伸力的大小。应变丝可以进行拉伸、拉伸、弯曲等力学性能的测试，但是只能用于单纤维强力的测量，数据代表性差。

在束纤维拉伸时，简支梁会产生微位移，特别是在进行刚性束纤维(如碳纤维，玻璃纤维等)拉伸时，由于其拉应变很小(一般＜1％)，且强度很高，易于引起简支梁的变形和产生位移，故简支梁的微位移必须计入在内；同时由于拉伸力值较大，较易超出传感器的测试量程，故亟需将拉伸力经缩小后再通过传感器检测，现有技术中还没有满足上述要求的测量装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何对束纤维轴向拉伸性能进行高精度、准确的测试。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种束纤维拉伸微应变的测量机构及用途，其特征在于：包括用于夹持或松开束纤维的夹持机构，夹持机构的两个夹头分别设置于固定的受力架和可移动的移动架上，测力机构连接受力架，拉伸机构连接移动架，还包括用于测量受力架的微位移的微测量机构，和用于数据采集与控制机构运行的测量控制系统。

优选地，所述受力架包括简支梁，简支梁中上部穿设支点轴，平衡杆固接在简支梁上，平衡重锤设于平衡杆上且可在平衡杆上作水平移动调节简支梁随遇平稳；简支梁底部设有用于与测力机构相连的固定孔；

支点轴和简支梁组成杠杆将束纤维的拉伸力缩小后传递到测力机构，束纤维的受力使简支梁上端受力传递到底端的固定孔处受力，通过测力机构进行测量。

优选地，所述移动架包括右支架，右支架底部设有可螺旋穿入拉伸机构的移动螺孔。

优选地，所述夹持机构包括固定嵌装在简支梁上的左夹头、固定嵌装在右支架上的右夹头、用于控制左夹头开启与关闭的左气缸、用于控制右夹头开启与关闭的右气缸，左夹头与右夹头相对设置，左气缸通过左气缸架安装在简支梁上，右气缸通过右气缸架安装在右支架上；

所述左夹头和右夹头都是由上夹块和下夹块组成，下夹块固定，上夹块可在对应的气缸的控制下上下移动来实现松开和夹紧束纤维的目的；左气缸和右气缸均与测量控制系统相连。

优选地，所述测力机构包括力传感器，连接螺钉一端通过固定螺母与力传感器连接，连接螺钉另一端插入简支梁底部的固定孔并通过支梁固定螺母固定；力传感器的输出端与测量控制系统相连。

优选地，所述微测量机构包括用于发射单束激光的激光笔、安装在远离移动架的一侧且用于反射激光的反射镜、用于接收激光的感光杆；

激光笔发射单束激光至反射镜，反射镜反射所述激光至感光杆；感光杆由半导体材料制成，能把光线转变成电荷信号，并发生至测量控制系统；则有

Δl＝Δh×cosθ (5)

其中，Δl为简支梁的微位移量；Δh为反射光前进的距离；θ为激光笔发射激光的入射角度；

且有，

Δh＝Δx×cosθ (6)

其中，Δx为激光反射后在感光杆上移动的距离；

则，公式(5)和公式(6)联立得：

Δl＝Δx×cos²θ (7)

由于cos²θ<1，故微测量机构实现了将简支梁的微位移放大的目的。

优选地，所述拉伸机构包括用于推动移动架拉伸或复位的移动螺杆，和用于驱动移动螺杆反转拉伸或复位的步进电机，移动螺杆螺旋穿入右支架底部的移动螺孔内，移动螺杆连接步进电机，步进电机控制端与测量控制系统相连。

优选地，所述测量控制系统包括用于控制气缸运动的气缸控制单元、用于力采集与分析的力信号采集单元、用于采集电荷信号并将电荷信号转变为数字信号的模数转换单元、用于控制步进电机运动的平移控制单元和计算机组成；气缸控制单元连接左气缸、右气缸，力信号采集单元连接力传感器，模数转换单元连接感光杆，平移控制单元连接步进电机，计算机连接气缸控制单元、力信号采集单元、模数转换单元、平移控制单元。

优选地，利用杠杆原理，则有

Pa＝Fb (1)

式中，P为左夹头所受的拉伸力；F为力传感器所受力；a为束纤维与支点轴的垂直距离；b为支点轴到连接螺钉轴线的垂直距离；

即，

取力臂比α小于1；

本发明还提供了一种束纤维拉伸微应变的测量机构的用途，其特征在于：用于片状材料的拉伸性质的测试，尤其是在拉伸力较大的拉伸测试中，所述片状材料包括但不限于束纤维、膜、织物。

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：

(a)测试材料可以是纤维、膜材料以及其他片状材料，测试范围更广；

(b)通过支点轴和简支梁组成的杠杆机构将拉伸力值缩小后传递到测力机构的力传感器上，同时通过激光反射的微测量机构测量测试过程中简支梁的微位移，不仅测试安全平稳，而且测试精确度高；

(c)该测试机构对实验材料进行客观、快速、原位测量，不仅能准确反映纤维平均力学性能指标，而且通过计算机数据处理可以获得单根纤维的力学性能指标。

附图说明

图1为束纤维拉伸微应变的测量机构示意图；

图2为测量控制系统示意图；

图3为束纤维拉伸微应变的测量机构原理图；

图4为微测量机构原理图；

图5为强力-伸长曲线图；

附图标记说明：

1-夹持机构，其包括11-左夹头；12-右夹头；13-左气缸架；14-左气缸；15-右气缸；16-右气缸架；

2-受力架，其包括21-简支梁；22-支点轴；23-平衡杆；24-平衡重锤；25-固定孔；

3-测力机构，其包括31-力传感器；32-连接螺钉；33-支梁固定螺母；34-固定螺母；

4-微测量机构，其包括41-激光笔；42-反射镜；43-感光杆；

5-移动架，其包括51-右支架；52-移动螺孔；

6-拉伸机构，其包括61-移动螺杆；62-步进电机；

7-测量控制系统，其包括71-气缸控制单元；72-力信号采集单元；73-模数转换单元；74-平移控制单元；75-计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

一种束纤维拉伸微应变的测量机构，如图1和图2所示，包括夹持机构1、受力架2、测力机构3、微测量机构4、移动架5、拉伸机构6和测量控制系统7。受力架2和移动架5相对设置，夹持机构1的两个夹头分别设置于受力架2和移动架5上，测力机构3连接受力架2，拉伸机构6连接移动架5，微测量机构4用于测量受力架2上的夹头的微应变，测量控制系统7连接测力机构3、微测量机构4、夹持机构1和拉伸机构6。

所述的受力架2是由简支梁21、穿过简支梁21中上部的支点轴22、固接在简支梁21上的平衡杆23、可在平衡杆23上作水平移动调节所述的简支梁21随遇平稳的平衡重锤24和简支梁21底部的用于与测力机构3相连的固定孔25组成，其中束纤维的受力使简支梁21上端受力传递到底端固定孔25处的受力。

所述的移动架5是由右支架51和设于右支架51底部的可螺旋穿入拉伸机构6的移动螺孔52组成。

所述的夹持机构1包括固定嵌装在简支梁21上的左夹头11、固定嵌装在右支架51上的右夹头12、用于控制左夹头11开启与关闭的左气缸14、用于控制右夹头12开启与关闭的右气缸15，左夹头11与右夹头12相对设置，左气缸架13安装在简支梁21上，左气缸14安装在左气缸架13上；右气缸架16安装在右支架51上，右气缸15固接在右气缸架16上。

所述的左夹头11和右夹头12都是由上夹块和下夹块组成，下夹块固定，上夹块可以在气缸的控制下上下移动来实现松开和夹紧束纤维的目的。左气缸14连接左夹头11的上夹块，右气缸15连接右夹头12的上夹块，左气缸14和右气缸15还与测量控制系统7相连。

所述的测力机构3是由力传感器31、与该传感器固接的连接螺钉32、用于固定简支梁21位置的支梁固定螺母33和用于要受力固定连接螺钉32于力传感器31上的固定螺母34组成。连接螺钉32一端通过固定螺母34与力传感器31连接，连接螺钉32另一端插入简支梁21底部的固定孔25并通过支梁固定螺母33固定。力传感器31的输出端与测量控制系统相连。束纤维的受力使简支梁21上端受力传递到底端的固定孔25处受力，通过力传感器31进行测量。

所述的微测量机构4是由发射单束激光的激光笔41、安装在简支梁21左侧面(远离移动架5的一面表面)用于反射激光的反射镜42和用于接收激光的感光杆43组成。所述的感光杆43由一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷信号，并与测量控制系统7相连，通过测量控制系统7转换成数字信号。

所述的拉伸机构6是由用于推动移动架5向右拉伸或复位的移动螺杆51和用于驱动移动螺杆51反转拉伸或复位的步进电机62所组成，所述的步进电机62控制端与测量控制系统7相连。

所述的测量控制系统7是由用于控制左气缸14、右气缸15运动的气缸控制单元71、用于力采集与分析的力信号采集单元72、用于采集电荷信号并将电荷信号转变为数字信号的模数转换单元73、用于控制步进电机62运动的平移控制单元74和计算机75组成；气缸控制单元71连接左气缸14、右气缸15，力信号采集单元72连接力传感器31，模数转换单元73连接感光杆43，平移控制单元74连接步进电机62，计算机75连接气缸控制单元71、力信号采集单元72、模数转换单元73、平移控制单元74。所述的平移控制模块74所需要的控制信号通过计算机75产生，控制信号包括：驱动脉冲、方向控制、全/半角控制，利用计算机75上的对外输出数据线可方便的产生。

简支梁21尺寸为：长×宽×高＝4cm×2cm×40cm，支点轴22距离左夹头11中线垂直距离为3cm，支点轴22距离连接螺钉32轴线垂直距离为30cm。

平衡杆23尺寸为：长×宽×高＝10cm×2cm×2cm，上面刻有刻度。平衡重锤24为铅质，重量为10kg。

激光笔41位于简支梁21的上方且与简支梁21左侧面角度为5°。感光杆43由CCD感光材料制成。

右支架51尺寸为：长×宽×高＝2cm×2cm×40cm，左、右气缸最大压强为10MPa。步进电机62的默认转速为10r/min，螺杆、螺母型号为M16，螺距为0.1mm。

本发明束纤维拉伸微应变的测量机构，可用于束纤维、膜、织物等片状材料的测试。该机构的测试步骤如下：

[1]打开计算机75，并输入将要测试样品的信息，根据实验材料的实验标准来设定左右夹头的间距和拉伸速度，并复位；

[2]用夹子夹取一束纤维，用梳子梳理平行，并将纤维束放置在左夹头11的下夹块上；左夹头闭合，将纤维束送到右夹头12的下夹块上，拉直纤维束，并关闭右夹头12，调节平衡重锤24的位置，使得简支梁21随遇稳态，开启激光笔41，开始测试；

[3]右夹头12通过步进电机62驱动转动对纤维束进行拉伸，通过力传感器31检测纤维的断裂力，可以屏显纤维逐步的断裂状态及断裂点分布状态。。

[4]计算机75将采集的数据曲线进行处理给出拉伸指标，并分不同选定格式打印和屏显数据曲线与数据，同时按要求进行拉伸指标及分布的计算与显示，得到拉伸曲线、特征值等数据。

本发明的测力原理是利用杠杆原理，其受力分析如图3所示，则有

Pa＝Fb (1)

式中，P为左夹头11所受的拉伸力；F为力传感器31所受力；a为束纤维与支点轴22的垂直距离；b为支点轴22到连接螺钉32轴线的垂直距离。

即，

取力臂比若α＝0.1，故可以将拉伸力缩小十倍则传感器所需要的量程可以缩小十倍。

实验时，在夹持机构1夹紧束纤维之后，通过调节平衡重锤24在平衡杆23上的位置，来对该机构进行复位，保证简支梁21两侧随遇稳态，受力分析如图3所示，具体力矩平衡关系式如公式3和公式4所示。

W₀c＝Wd (3)

即，

式中，W₀为简支梁21左侧机构的重力产生的作用力；W为简支梁21右侧机构的重力产生的作用力；c为简支梁21左侧质心到支点轴22的水平距离；d为简支梁21右侧质心到支点轴22的水平距离。

微测量机构的测试原理如图4所示，则由几何关系有：

Δl＝Δh×cosθ (5)

式中，Δl为简支梁21的微位移量；Δh为反射光前进的距离；θ为激光笔41入射角度。

且有，

Δh＝Δx×cosθ (6)

式中，Δx为激光反射后在感光杆43上移动的距离。

则，公式(5)和公式(6)联立得：

Δl＝Δx×cos²θ (7)

由于cos²θ<1，故微测量机构4实现了将简支梁21的微位移放大的目的。其偏差的微应变Δε为Δε＝Δl/l₀，式中l₀为夹头隔距(左、右夹头的间距)。

下面通过几个具体的应用实例进行说明。

实施例1

以2.2K碳纤维为例，测试其拉伸性能。设定夹头隔距为10cm，拉伸速度为100mm/min，则测试结果如图5所示。而其微应变量，断裂应变ε(％)＝5.6，微偏差应变Δε(％)＝0.12，所以偏差率为2.14％。

实施例2

以新疆羊毛66s为例，测试其拉伸性能。设定夹头隔距为10mm，拉伸速度为10mm/min，则测试结果图5所示。而其微应变量，断裂应变ε(％)＝34.2，微偏差应变Δε(％)＝0.04，所以偏差率为0.11％。

实施例3

以粘胶纤维0.67dtex为例，测试其拉伸性能。设定夹头隔距10mm，拉伸速度为10mm/min，拉伸10mm/min，则测试结果如图5所示。而其微应变量，断裂应变ε(％)＝41.3，微偏差应变Δε(％)＝0.075，所以偏差率为0.18％。

应当理解的是，在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种束纤维拉伸微应变的测量机构，其特征在于：包括用于夹持或松开束纤维的夹持机构(1)，夹持机构(1)的两个夹头分别设置于固定的受力架(2)和可移动的移动架(5)上，测力机构(3)连接受力架(2)，拉伸机构(6)连接移动架(5)，还包括用于测量受力架(2)的微位移的微测量机构(4)，和用于数据采集与控制机构运行的测量控制系统。

2.如权利要求1所述的一种束纤维拉伸微应变的测量机构，其特征在于：所述受力架(2)包括简支梁(21)，简支梁(21)中上部穿设支点轴(22)，平衡杆(23)固接在简支梁(21)上，平衡重锤(24)设于平衡杆(23)上且可在平衡杆(23)上作水平移动调节简支梁(21)随遇平稳；简支梁(21)底部设有用于与测力机构(3)相连的固定孔(25)；

支点轴(22)和简支梁(21)组成杠杆将束纤维的拉伸力缩小后传递到测力机构(3)，束纤维的受力使简支梁(21)上端受力传递到底端的固定孔(25)处受力，通过测力机构(3)进行测量。

3.如权利要求2所述的一种束纤维拉伸微应变的测量机构，其特征在于：所述移动架(5)包括右支架(51)，右支架(51)底部设有可螺旋穿入拉伸机构(6)的移动螺孔(52)。

4.如权利要求3所述的一种束纤维拉伸微应变的测量机构，其特征在于：所述夹持机构(1)包括固定嵌装在简支梁(21)上的左夹头(11)、固定嵌装在右支架(51)上的右夹头(12)、用于控制左夹头(11)开启与关闭的左气缸(14)、用于控制右夹头(12)开启与关闭的右气缸(15)，左夹头(11)与右夹头(12)相对设置，左气缸(14)通过左气缸架(13)安装在简支梁(21)上，右气缸(15)通过右气缸架(16)安装在右支架(51)上；

所述左夹头(11)和右夹头(12)都是由上夹块和下夹块组成，下夹块固定，上夹块可在对应的气缸的控制下上下移动来实现松开和夹紧束纤维的目的；左气缸(14)和右气缸(15)均与测量控制系统(7)相连。

5.如权利要求4所述的一种束纤维拉伸微应变的测量机构，其特征在于：所述测力机构(3)包括力传感器(31)，连接螺钉(32)一端通过固定螺母(34)与力传感器(31)连接，连接螺钉(32)另一端插入简支梁(21)底部的固定孔(25) 并通过支梁固定螺母(33)固定；力传感器(31)的输出端与测量控制系统(7)相连。

6.如权利要求5所述的一种束纤维拉伸微应变的测量机构，其特征在于：所述微测量机构(4)包括用于发射单束激光的激光笔(41)、安装在简支梁(21)远离移动架(5)的一侧且用于反射激光的反射镜(42)、用于接收激光的感光杆(43)；

激光笔(41)发射单束激光至反射镜(42)，反射镜(42)反射所述激光至感光杆(43)；感光杆(43)由半导体材料制成，能把光线转变成电荷信号，并发生至测量控制系统(7)；则有

Δl＝Δh×cosθ (5)

其中，Δl为简支梁(21)的微位移量；Δh为反射光前进的距离；θ为激光笔(41)发射激光的入射角度；

且有，

Δh＝Δx×cosθ (6)

其中，Δx为激光反射后在感光杆(43)上移动的距离；

则，公式(5)和公式(6)联立得：

Δl＝Δx×cos²θ (7)

由于cos²θ<1，故微测量机构(4)实现了将简支梁(21)的微位移放大的目的。

7.如权利要求6所述的一种束纤维拉伸微应变的测量机构，其特征在于：所述拉伸机构(6)包括用于推动移动架(5)拉伸或复位的移动螺杆(61)，和用于驱动移动螺杆(61)反转拉伸或复位的步进电机(62)，移动螺杆(61)螺旋穿入右支架(51)底部的移动螺孔(52)内，移动螺杆(61)连接步进电机(62)，步进电机(62)控制端与测量控制系统(7)相连。

8.如权利要求7所述的一种束纤维拉伸微应变的测量机构，其特征在于：所述测量控制系统(7)包括用于控制气缸运动的气缸控制单元(71)、用于力采集与分析的力信号采集单元(72)、用于采集电荷信号并将电荷信号转变为数字信号的模数转换单元(73)、用于控制步进电机(62)运动的平移控制单元(74)和计算机(75)组成；气缸控制单元(71)连接左气缸(14)、右气缸(15)，力信号采集单元(72)连接力传感器(31)，模数转换单元(73)连接感光杆(43)，平移控制单元(74)连接步进电机(62)，计算机(75)连接气缸控制单元(71)、力信号采集单元(72)、模数转换单元(73)、平移控制单元(74)。

9.如权利要求1所述的一种束纤维拉伸微应变的测量机构，其特征在于：利用杠杆原理，则有

Pa＝Fb (1)

式中，P为左夹头(11)所受的拉伸力；F为力传感器(31)所受力；a为束纤维与支点轴(22)的垂直距离；b为支点轴(22)到连接螺钉(32)轴线的垂直距离；

即，

取力臂比α大于1。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的束纤维拉伸微应变的测量机构的用途，其特征在于：用于片状材料的拉伸性质的测试，所述片状材料包括但不限于束纤维、膜、织物。