CN113063658A - 一种单纤维热形变的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单纤维热形变的检测装置及方法，能够对纤维材料，特别是单纤维受热时的形变参数进行检测，装置利用固定夹固定纤维试样，纤维试样的下端连接延长线，延长线的下端设置自发光标志，从而纤维试样可以在恒张力条件下，即自然配重下被拉直，固定夹固定在架体上，架体通过升降杆和驱动机构实现上下运动，以在固样位置和检测位置之间切换，从而形成一个具有升降功能的固样架，在位于检测位置时，利用加热器能够对纤维试样进行加热，纤维试样受热产生热变形，从而带动延长线产生位移，自发光标志与摄像头相对，摄像头采集自发光标志的位移信息，即对应纤维试样的热变形，并反馈给控制显示部经过数据处理获取纤维试样的热形变实时数据。

Description

一种单纤维热形变的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及纤维材料热形变参数的检测技术领域，具体涉及一种单纤维热形变的检测装置及方法。

背景技术

纤维受热时的形变是其主要的物理特性之一，实时准确检测各种单纤维的热形变参数对于其深入研究探讨以及制作、处理定型等应用有着重要的指导意义。

目前由于科学发展水平的限制，在国内外仅能够检测单纤维在一定温度区间受热后的形状尺寸的总变化值，仍然无法实时检测其随着温度逐步变化对应的形状变化数据或者相应的热形变曲线，即统称的TMA检测方式，所以对于其内在规律的深入研究以及精准指导纤维制作、处理工艺和应用也就缺少了分析手段和技术支持。这里的单纤维既包括羊毛、蚕丝类动物纤维和棉花等组成的天然纤维，还有尼龙，涤纶等人造纤维。实时提供单纤维热形变数据组或者曲线的主要困难就是单纤维本身过于细小所带来的固定以及恒拉力条件难以实施，特别是在此条件下纤维试样形变信号采集更为困难等关键技术问题在现有技术条件下无法实施。如畅销国内外(如美国、欧洲和俄罗斯)的全自动单纤维热收缩仪YG369型作为其典型代表，仅能够一次检测若干(36)个单纤维试样在温度按照要求逐步升高到设定温度后(如20～180℃)总的形变值，而根本无法知道随着温度逐步升高过程中纤维长度的相应变换尺寸和形变关键节点的相应温度参数值，所以直接影响了进一步来揭显示其内部化学结构与热力学机理，并对纤维制作以及热处理工艺的优化有针对性的精确指导。

所以利用现代科学技术发展成果，研制TMA型单纤维热形变分析仪，不但为单纤维类材料的热形变分析研究提供一个理想的基础平台，而且为其制造和热处理工艺优化指导提供了有力的技术支持，将使得纤维热形变检测水平出现一个里程碑式的提升。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种单纤维热形变的检测装置及方法，能够对纤维材料，特别是单纤维受热时的形变参数进行检测。

为了实现以上目的，本发明提供了一种单纤维热形变的检测装置，包括数据采集部和控制显示部，所述数据采集部包括固样架、加热器和图像采集盒，所述固样架包括升降杆以及设置于所述升降杆的架体，所述升降杆传动连接有驱动机构，所述架体具有沿上下方向的固样位置和检测位置，所述驱动机构被配置为能够通过所述升降杆驱动所述架体沿上下方向垂直运动，以在固样位置和检测位置之间切换，所述架体的下端固定设置有固定夹，所述固定夹用于固定纤维试样的上端，所述数据采集部还包括能够与纤维试样的下端连接的延长线，所述延长线的下端设置有自发光标志，所述加热器具有沿上下方向贯穿的加热腔，所述图像采集盒设置于所述加热器的下方，所述图像采集盒包括摄像头，当所述架体位于检测位置时，纤维试样能够位于所述加热腔内进行加热，且所述延长线的下端从所述加热腔的下端伸出，所述自发光标志始终处于所述摄像头的视野范围内；所述驱动机构、所述加热器和所述摄像头均通信连接至所述控制显示部。

进一步地，所述架体的上端与所述升降杆的上端之间连接有第一弹簧，当所述架体位于检测位置时，所述第一弹簧被配置为使所述架体具有以恒定压力抵接于所述加热器的上端的运动趋势，且所述架体封闭所述加热腔的上端。

进一步地，所述固定夹活动设置有手柄，所述手柄的一端贯穿所述固定夹且固定设置有后动片，所述后动片与所述固定夹相对设置，所述手柄的另一端与所述固定夹之间设置有第二弹簧，所述第二弹簧被配置为通过所述手柄使所述后动片始终具有靠近所述固定夹的运动趋势，以使纤维试样能够以恒定压力夹持于所述后动片和所述固定夹之间。

进一步地，所述后动片与所述固定夹沿水平方向相对设置，且所述后动片和所述固定夹的下端相对面均设置有高温橡胶垫片，所述高温橡胶垫片的相对表面设置防滑结构，纤维试样能够夹持于两个所述高温橡胶垫片之间。

进一步地，所述加热器包括外壳，所述外壳内填充有保温层，所述外壳的中间通孔设置有内圈，所述内圈的中间通孔形成所述加热腔，所述内圈设置有电热丝；所述架体还设置有温度传感器，当所述架体位于检测位置时，所述温度传感器伸入所述加热腔，所述温度传感器通信连接至所述控制显示部。

进一步地，所述加热腔的下端设置有封闭板，且所述封闭板具有从上往下尺寸逐渐圆滑变小的孔，所述延长线的下端能够从所述孔伸出；所述加热器还设置有保护气体入口，所述保护气体入口贯穿所述外壳、所述保温层和所述内圈与所述加热腔连通。

进一步地，所述图像采集盒还包括激励光源和背景板，所述激励光源覆盖所述发光标志的视野范围，用于激励所述自发光标志发光，所述背景板与所述摄像头相对，且所述自发光标志位于所述背景板和所述摄像头之间。

进一步地，所述背景板为黑色哑光金属板，所述激励光源为紫外线光源，所述自发光标志为单颜色可见荧光材料，且所述激励光源位于所述摄像头的视野范围外，所述延长线为碳纤维。

进一步地，所述控制显示部包括主机箱，所述主机箱的表面设置有触摸屏，所述主机箱内设置有控制系统和数据处理显示系统，所述控制系统能够控制电器件，所述数据处理显示系统能够实时获取所述摄像头采集的所述自发光标志的位移信息以进行处理得到纤维试样的热变形数据，并通过所述触摸屏显示或发送给上位机。

本发明还提供了一种采用上述的一种单纤维热形变的检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)使架体位于固样位置，将纤维试样固定于固定夹，并在纤维试样的下端连接延长线，在延长线的下端设置自发光标志；

2)使架体位于检测位置，使纤维试样位于加热器的加热腔内，延长线的下端从加热腔的下端伸出使自发光标志与摄像头相对；

3)启动加热器对纤维试样进行加热，同时摄像头采集自发光标志的位移信息并反馈给控制显示部，控制显示部根据自发光标志的位移信息得到纤维试样的热形变数据。

与现有技术相比，本发明装置利用固定夹固定纤维试样，纤维试样的下端连接延长线，延长线的下端设置自发光标志，从而纤维试样可以在延长线的恒张力条件下，即自然配重下被拉直，固定夹固定在架体上，架体通过升降杆和驱动机构实现上下运动，以在固样位置和检测位置之间切换，从而形成一个具有升降功能的固样架，在位于检测位置时，利用加热器能够对纤维试样进行加热，纤维试样受热产生热变形，从而带动延长线产生位移，自发光标志与摄像头相对，摄像头采集自发光标志的位移信息，即对应纤维试样的热变形，并反馈给控制显示部经过数据处理获取纤维试样的热变形数据，实现了将非接触式位移检测技术应用于纤维热形变检测，提升了纤维热形变检测水平，为纤维制造和热处理工艺优化提供了有力的技术支持，本发明装置能够对纤维材料，特别是单纤维受热时的形变参数进行检测，能够实时准确检测各种单纤维的热形变参数，对纤维的深入研究探讨以及制作、处理定型等应用有着重要的指导意义。

进一步地，通过在架体和升降杆之间设置第一弹簧，使架体位于检测位置时，第一弹簧的弹力作用于架体，以使架体能够抵接加热器的上端以封闭加热腔的上端，实现更好的密封保温效果。

进一步地，通过固定夹、后动片、手柄和第二弹簧组成的固定夹持机构，利用固定夹和后动片之间夹持纤维试样，利用第二弹簧提供足够的夹持力，使纤维试样固定的更加可靠。

进一步地，在架体设置温度传感器，在架体位于检测位置时，温度传感器伸入加热腔能够实时监测纤维试样的加热温度并反馈给控制显示部。

进一步地，加热腔的下部设置封闭板，且封闭板上设置孔，在保证延长线顺利穿过同时，保证加热腔的半封闭性，提高保温效果，且孔从上往下尺寸逐渐圆滑变小，这样的设置便于延长线在晃动产生偏斜时通过碰触圆滑的孔壁面能够顺利的从孔伸出，并且在加热时通过从保护气体入口向加热腔输送保护气体，以保证纤维试样不会在氧气中被碳化。

进一步地，利用激励光源能够激励自发光标志发光，便于摄像头采集自发光标志的位移信息，通过背景板降低摄像头采集的图像信息中信噪比，利于后续的数据处理，提高检测数据的准确度。

附图说明

图1是本发明实施例装置的第一种设置方式结构示意图；

图2是本发明实施例装置的第二种设置方式结构示意图；

图3是本发明实施例装置的第三种设置方式结构示意图；

图4是本发明实施例装置的固样架的结构示意图一；

图5是本发明实施例装置的固样架的结构示意图二；

图6是本发明实施例装置的固定夹的结构示意图；

图7是本发明实施例采用高温胶带固定试样的示意图；

图8是本发明实施例的延长线组合示意图；

图9是本发明实施例装置的加热器的结构示意图；

图10a是本发明实施例装置的加热器的孔结构示意图一；图10b是本发明实施例装置的加热器的孔结构示意图二；

图11是本发明实施例装置的图像采集盒的结构示意图；

图12a是本发明实施例装置的图像采集盒检测单个纤维试样的示意图；图12b是本发明实施例装置的图像采集盒检测多个纤维试样的示意图；

图13是本发明实施例装置的控制显示部的原理框图；

图14是本发明实施例装置在检测纤维试样状态下的结构示意图；

其中，1是数据采集部、2是固样架、3是架体、31是第一弹簧、4是固定夹、41是后动片、42是第二弹簧、43是手柄、44是高温橡胶垫片、5是纤维试样、6是连接胶带、61是胶面、62是剪开口、7是延长线、8是自发光标志、9是升降杆、10是温度传感器、11是加热器、111是外壳、112是内圈、113是电热丝、114是保温层、115是加热腔、116是孔、117是保护气体入口、118是封闭板、12是图像采集盒、121是摄像头、122是激励光源、123是背景板、13是控制显示部、14是主机箱、15是电源开关、16是开始开关、17是下降按钮、18是上升按钮、19是触摸屏。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明实施例提供了一种单纤维热形变的检测装置，适用于对纤维材料，特别是单纤维进行热形变参数的检测，可以单根纤维检测，也可以同时多根纤维检测，也可以一束纤维进行检测，参见图1、图2和图3，其包括数据采集部1和控制显示部13，本实施例的数据采集部1和控制显示部13可以上下设置、左右设置或前后设置，具有多种设置方式，可以根据具体工况进行灵活布置。

具体地，数据采集部1包括固样架2、加热器11和图像采集盒12，参见图4和图5，固样架2包括升降杆9以及设置于升降杆9的架体3，升降杆9传动连接有驱动机构，架体3具有沿上下方向的固样位置和检测位置，固样位置即架体3的高位，检测位置即架体3的低位，驱动机构被配置为能够通过升降杆9驱动架体3沿上下方向垂直运动，以在固样位置和检测位置之间切换，架体3的下端固定设置有固定夹4，固定夹4用于固定纤维试样5的上端，数据采集部1还包括能够与纤维试样5的下端连接的延长线7，延长线7的下端设置有自发光标志8，加热器11具有沿上下方向贯穿的加热腔115，图像采集盒12设置于加热器11的下方，图像采集盒12包括摄像头121，当架体3位于检测位置时，纤维试样5能够位于加热腔115内按照技术要求进行加热，且延长线7的下端从加热腔115的下端伸出，自发光标志8与摄像头121相对，始终处于摄像头121的视野范围内；驱动机构、加热器11和摄像头121均通信连接至控制显示部13。

本实施例的控制显示部13包括主机箱14，主机箱14的表面设置有触摸屏19、电源开关15、开始开关16、下降按钮17和上升按钮18，主机箱14内设置有控制系统和数据处理显示系统，控制系统能够控制电器件，数据处理显示系统能够获取摄像头121采集的自发光标志8的位移信息以进行处理得到纤维试样5的热形变数据，并通过触摸屏19显示或发送给上位机。

本实施例的数据采集部1主要由数据采集盒12、加热器11以及设置升降机构的固样架2三部分组成，数据采集盒12处于最下面，安装于加热器11的正下方，固样架2的架体3可以作为加热11的密封上盖，利用固定夹4固定纤维试样5，纤维试样5的下端连接延长线7，延长线7的下端设置自发光标志8，从而纤维试样5可以在恒张力条件下，即自然配重下被拉直，固定夹4固定在架体3上，架体3通过升降杆9和驱动机构实现上下运动，以在固样位置和检测位置之间切换，从而形成一个具有升降功能的固样架2，在位于检测位置时，利用加热器11能够对纤维试样5进行加热，纤维试样5受热产生热变形，从而带动延长线7产生位移，自发光标志8与摄像头121相对，摄像头121采集自发光标志8的位移信息，即对应纤维试样5的热变形，并反馈给控制显示部13经过数据处理获取纤维试样5的热变形数据，实现了将非接触式位移检测技术应用于纤维热形变检测，提升了纤维热形变检测水平，为纤维制造和热处理工艺优化提供了有力的技术支持，本发明实施例装置能够对纤维材料，特别是单纤维受热时的形变参数进行检测，能够实时准确检测各种单纤维的热形变参数，对纤维的深入研究探讨以及制作、处理定型等应用有着重要的指导意义。

优选地，架体3的上端与升降杆9的上端之间连接有第一弹簧31，当架体3位于检测位置时，第一弹簧31被配置为使架体3具有以恒定压力抵接于加热器11的上端的运动趋势，且架体3封闭加热腔115的上端，实现更好的密封保温效果，架体3可以由金属与保温材料组成，架体3的底部还可以设置隔热橡胶圈，利用隔热橡胶圈封闭加热器11的上口，更加保证保温效果。本实施例中架体3的上端可以设置容置槽，升降杆9的上端设置中心轴，第一弹簧31为压簧，压簧套设于中心轴且位于容置槽内，压簧的一端固定于升降杆9，另一端固定于架体3，架体3的上端与中心轴可以限位活动连接，这样在架体3下落到位时即可挤压压簧提供压力，密封加热腔115的上端。

优选地，架体3还设置有温度传感器10，当架体3位于检测位置时，温度传感器10伸入加热腔115，温度传感器10通信连接至控制显示部13，实时监测纤维试样5的加热温度并反馈给控制显示部13。本实施例中温度传感器10处于纤维试样5的后面位置，其安装高度处于纤维试样5垂直方向的中心位置；固定夹4设置在固样架2的圆中心线上且距离固样架2下端一定距离，如20mm，来保证限位试样5处于温度场均匀的中间区域，架体3上可以设置一个固定夹4，还可以设置多个固定夹4，架体3的底端面周围至少设置二道同心圆结构的高温橡胶密封圈。

本实施例的驱动机构为步进电机，升降杆9通过步进电机驱动，可以通过面板上的上升按钮18和下降按钮17手工操作实施其升降功能，利用步进电机控制程序和限位开关同时控制其高度，且程序软件优先，限位开关硬件相对于二次位置保险功能；更好的实现固样架2方便的根据需要，在简单操作下分别二种工作状态的高度定位功能。

优选地，参见图6，固定夹4活动设置有手柄43，手柄43的一端贯穿固定夹4且固定设置有后动片41，后动片41与固定夹4相对设置，手柄43的另一端与固定夹4之间设置有第二弹簧42，第二弹簧42被配置为通过手柄43使后动片41始终具有靠近固定夹4的运动趋势，以使纤维试样5能够以恒定压力夹持于后动片41和固定夹4之间，使纤维试样5固定的更加可靠。安装于固定夹4前侧的手柄43与第二弹簧42组合，再与固定夹4后侧的后动片41构成半自动固样夹，手柄43上可以设置调节螺栓，从而可以根据纤维特点手动旋转螺栓调节第二弹簧42的压力大小。

更加优选地，后动片41与固定夹4沿前后水平方向相对设置，且后动片41和固定夹4的下端相对面均设置有高温橡胶垫片44，纤维试样5能够夹持于两个高温橡胶垫片44之间，高温橡胶垫片44的截面为三角形，高温橡胶垫片44的相对表面设置防滑结构，例如：细锯齿状、多个凸起状等，以提高夹持纤维试样5的稳固性，避免脱落。

参见图7，本实施例的纤维试样5的下端与延长线7通过连接胶带6连接，连接胶带6为高温胶带，如耐400度的铁氟龙胶带本实施例中对于直径比较大的纤维试样5，如人造纤维等，且检测单根纤维试样5时，可以直接手工操作把上端固定在固定夹4中，下端通过高温胶带与延长线7固定后即可；检测多根纤维试样5或直径比较小纤维试样5，如蚕丝等，在操作时，高温胶带的两端有涂胶的胶面61，伸展的纤维试样5的两端分别粘于两端胶面61，纤维试样5的下端直接与延长线7粘连一起，纤维试样5的上端通过增加接触面积被夹紧固定，使用剪刀在靠近上、下端连接处的剪开口62把高温胶带剪断，实现纤维试样5处于恒定张力作用之下。

本实施例的延长线7通常为耐高温无形变且比重小又具有一定强度的线材，以满足0.02克恒定张力的技术要求，这里选择碳纤维作为延长线7，其比重仅1.7，耐高温且强度好，在300℃检测温度范围无形变现象；同时考虑检测过程中纤维试样5实际尺寸情况，参见图8，延长线7的长度L适应性的调整，如人造纤维长度通常取30mm，其有效长度20mm，取延长线7的长度L，长度小于30mm的纤维试样5，延长线7的长度可以适配L+△L或L+2△L等；动物纤维如桑蚕丝以及羊毛等也可以如此选择试样纤维的长度；但是有些天然纤维本身长度有限，如造纸过程中的植物纤维长度通常仅10mm左右，此时必须配套L+20mm的延长线，才能够保障检测状态下的自发光标志仍然处于摄像头视野之中。碳纤维上端通过高温胶带与纤维试样5的下端连在一起，碳纤维下端设置有自发光标志8，以使延长线7作为被检测纤维试样5的自然配重。

具体地，参见图9，加热器11包括外壳111，外壳111内填充有保温层114，外壳111的中间通孔设置有内圈112，内圈112的中间通孔形成加热腔115，内圈112设置有电热丝113；优选地，加热腔115的下端设置有封闭板118，且封闭板118具有从上往下尺寸逐渐圆滑变小的孔116，延长线7的下端能够从孔116伸出；加热器11还设置有保护气体入口117，保护气体入口117贯穿外壳111、保温层114和内圈112与加热腔115连通。

本实施例的加热器11为铸铝式电热结构，即内圈112为铸铝圈，主要由铸铝的内圈112、保温层114及外壳111以及保护气体输入管形成保护气体入口117组成，设置有电热丝113的铸铝内圈112外面配置保温层114，侧面设置保护气体入口管作为保护气体入口117，加热空间上下二端分别由固样架2的架体3作为上盖，封闭板118作为下盖加以封闭，使其处于半封闭保温状态。加热器11的内孔直径35mm；保温层114为气凝胶保温棉，外壳111为不锈钢外壳，封闭板118为中间留有延长线7穿过的孔116；而上盖为架体3以塞子结构封住上口，同时要求电热丝113工作状态始终为“轻载”状态以延长其使用寿命，即正常工作在70％额定功率状态下；通入保护气体保护纤维试样加热过程中不被氧化，保护气体为氮气或惰性气体等但是要求比重比空气小且纤维在设置温度区间不被氧化，加热腔115上下二端分别由架体3和封闭板118封闭，使其处于半封闭状态。以此结构保证加热空间常压状态下能够具有好的保温功能并具有满足温度均匀技术要求的空间长度。当然更重要的是通过温度自动控制系统控制电热丝115使得加热空间的温度按照设定速度恒定升高到上限温度的自动控制功能。

优选地，参见图10a，孔116可以是圆锥孔，由圆锥角α为一定角度，如40度的镜面不锈钢板的封闭板118绕成，底部为直径r为2mm的小孔，顶部直径R为35mm。其功能有三：1、纤维试样5自动下落过程中不可避免的晃动接触光滑倾斜面后自动滑入孔116中并伸下去；2、小孔直径既保证自发光标志8与延长线7一起顺利穿过去，而且对于自发光标志8在水平面晃动有一定定位功能；3、比较好的保温功能。参见图10b，如果一次检测多根纤维试样5，则孔116是一夹角为40度的镜面不锈钢板的封闭板118折成，且在棱线处设置尺寸为L₁＝8mm、L₂＝2mm的槽作为出口。

具体地，参见图11，图像采集盒12还包括激励光源122和背景板123，激励光源122与自发光标志8相对，覆盖发光标志8的视野范围，用于激励自发光标志8发光，背景板123与摄像头121相对，且自发光标志8位于背景板123和摄像头121之间。优选地，背景板123为黑色哑光金属板，激励光源122为紫外线光源，自发光标志8为单颜色荧光材料，且激励光源122位于摄像头121的采集范围外，延长线7为碳纤维。

本实施例的图像采集盒12主要由摄像头121、激励光源122和背景板123几部分组成，其中设置在所有延长线7下端的自发光标志8的上下移动范围始终应该处于摄像头121的视野之内，而且倾斜安装的紫外激励光源122的照射区域必须覆盖摄像头121的视野范围；黑色的背景板123紧挨着延长线7设置且其面积必须大于摄像头121的视野区域。摄像头121为高分辨率自动对焦彩色显微摄像头，自发光标志8为某一单颜色荧光材料，如红、绿、蓝等，激励光源122为紫外线光源，背景板123为黑色哑光金属板，延长线7为碳纤维，这种设计的目的是提高图像信号的信噪比，即抗干扰能力，如通过软件设置摄像头视野里仅选择红颜色图像为有效图像，那么仅有红颜色荧光粉的自发光标志8在紫外线光源激励下自发红光，其余包括激励光源122在内全部在摄像头121中为黑色背景。参见图12a，本实施例的图像采集盒12可以检测单个纤维试样5，此时延长线7可以位于正中位置，参见图12b，通常为了提高检测效率和方便进行工艺对比试验，一次同时可以检测多根纤维试样5，这里以二个试样为例，还需要通过软件设置把摄像头121视野按照水平方向平均分为左右二个区域，每一个区域仅一个自发光标志8，即可由一个摄像头121同时完成二根纤维试样5的热形变的数据采集工作，二根以上的纤维试样5的检测相类似，将摄像头121视野按照水平方向平均分为多个对应的区域即可。

本实施例的控制显示部13包括主机箱14，主机箱14的表面设置有触摸屏19，主机箱14内设置有控制系统和数据处理显示系统，控制系统能够控制电器件，数据处理显示系统能够实时获取摄像头121采集的自发光标志8的位移信息以进行处理得到纤维试样5的热形变数据，并通过触摸屏19以时域曲线，关键节点数据或者图形等三种方式显示，或根据需要无线WIFI方式发送给上位机，上位机软件及窗口中不但能够实时以曲线、关键节点数据和图形显示试样的热形变，而且以数据组的方式记录恒速加热过程中所有试样长度和温度随着时间变化的数据，为进一步利用数学手段分析研究及高层次论文发表中提供热形变曲线图形支持。

参见图13，本实施例的控制显示部13为控制系统与数据处理和显示系统二部分组成，为了装置的操作方便和保证使用寿命以及不同层次需求，控制系统又分为硬件控制和软件控制二种；数据处理和显示也分为主机界面曲线及关键节点数据实时显示和上位机中数据组与曲线及分析处理显示处理打印等功能。

控制系统的主要内容包括加热空间恒速升温的闭环控制，固样架2的升降控制以及作为分析仪器对于升温速度选择，关键节点相关数据的显示以及摄像头121采集图像信号时的颜色选择和视野区域划分，还有整个系统中检测过程中各个环节的相互连接和安全保障措施实施等，

主要特点如下：

1.主机界面中的功能选择区域中的“参数选择”虚拟按钮下有相关检测条件，如升温速率、温度范围等的自行设定功能；

2.控制中心与温度控制器和摄像头121之间的通信以及通过WIFI无线上传上位机信息等功能；

3.硬件方面：主机箱14、温度控制系统和图像信号控制系统以及配套的电源，还有为提高操作可靠性并延长主机触摸屏寿命，专门安装于控制面板上的电源开关15、开始开关16、上升按钮18和下降按钮17和等四个控制开关的相应四个按扭开关实施；

4.升降杆9为步进电机驱动的滑轨机构，并且专门设置当自发光标志8下降到接近滑斜槽时进一步降低速度，固定纤维试样和正常检测二种稳定状态对应的二个固定高度还设置有限位开关，从软硬件二方面保证升降杆运行可靠性。

数据处理和显示系统内容包括对于整个纤维试样热形变检测过程中所有试样随着温度变化的相应长度，并且实时的以曲线图形以及数据组形式显示和存储，为深入研究对比提供数据支持。

1.主机界面除了实时以曲线、图形和关键节点数据三种方式提供显示外，还可以实现曲线的缩小和放大以及存储和取出等功能，并且点击过程曲线区域任意一点，就会自动弹出来一个小框，自动显示此时刻相对应的温度以及四个试样的热形变数据。从而为高层次研究既提供了整个工程纤维试样热形变的变化概况及趋势，又详细的局部提供了检测过程中任一时刻的对应一组参数。

2.考虑到SCI论文等高层次论文对于热形变曲线的要求是相应的数据组而非原始曲线以及进一步采用数学工具进行分析计算，寻找纤维内部的规律或者动力学原理，随时根据需要把所有数据及曲线等实时的通过无线WIFI上传上位机，利用上位机专用软件实现对于数据的显示、进一步处理好打印等功能。

3.上位机直接打印检测报告等功能。专门设置的上位机软件及窗口中不但能够实时以曲线、关键节点数据和图形显示试样的热形变，而且以数据组的方式记录恒速加热过程中所有试样长度和温度随着时间变化的数据，为进一步利用数学手段分析研究及高层次论文发表中提供热形变曲线图形支持。

本实施例装置的检测过程分为二种状态，分别为固样状态和检测状态，即通过手工分别操作控制箱面板上的上升和下降按钮，固样架2在升降杆9拖动下将上升到高点位置，即固样状态；同样在升降杆9拖动下将下降到如图14所示位置为检测状态。

本实施例利用高温胶带增加接触面积和可调节弹簧压力配合高温橡胶垫片44完成纤维试样5上端固定，再通过高温连接胶带6连接下端与碳纤维的延长线7在一起，实现纤维试样5在恒张力条件下，即自然配重被拉直并同时完成单色自发光标志8的设置。闭环自动控制系统通过温度传感器10实现加热空间的恒速升温功能，并利用半封闭状态实现常压状态下加热区域中间部分的温度均匀性；而根据需要通入比空气比重轻的气体，如氮气等保护气体到加热空间保障纤维试样5避免试样受热炭化现象。处于常温区的单颜色自发光标志8和黑色背景板123为高精度摄像头121提取可靠稳定的一维位移信号，即试样长度方向热形变，实现非接触式位移检测技术应用于纤维热形变创造了条件。触摸屏19具有数据曲线及模拟试样图形显示功能以及无线上传上位机的数据组和完整曲线，为进一步进行数据处理的高端研究与打印等功能创造了条件。配置放大光学镜头的高精度摄像头121实现um级热形变检测精度，即5mm视野区域，4608*3456点像素，5000um/(4000有效像素)＝1.25um。

本实施例还提供了一种采用上述的一种单纤维热形变的检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)使架体3位于固样位置，将纤维试样5固定于固定夹4，并在纤维试样5的下端连接延长线7，在延长线7的下端设置自发光标志8；

2)使架体3位于检测位置，使纤维试样5位于加热器11的加热腔115内，延长线7的下端从加热腔115的下端伸出使自发光标志8与摄像头121相对；

3)启动加热器11对纤维试样5进行加热，同时摄像头121采集自发光标志8的位移信息并反馈给控制显示部13，控制显示部13根据自发光标志8的位移信息得到纤维试样5的热形变数据。

具体包括以下步骤：

1.试样固定：利用调节第二弹簧42获得恒压力的固定夹4且接触面设置为三角棱线的高温橡胶垫片44等构成半自动夹具，对于直径比较大一些单纤维，如人造纤维等，纤维试样5的上端直接通过手工操作拉开夹口后放入，手松开后依靠第二弹簧42设定压力予以恒压力固定，防止手工操作力量过大被夹断太小夹不住问题；对于直径细的纤维试样5，首先利用专用胶带粘结纤维试样5的上端以增加固定面积，然后再通过半自动夹对其进行固定，方法同上；下端与带有自发光标志8的延长线7连接起来，这里带有自发光标志8的延长线7本身对于纤维试样5来说，又是以自然配重方式实现恒定张力条件下并拉展试样；从而完成一组若干根纤维试样5的有效固定以及使其始终处于恒定张力的检测条件；

2.加热设置：利用半封闭状态的加热器11实现纤维试样5始终处于均匀性满足要求的中间区域中而被干加热状态，其温差小于设定值；并利用闭环自动控制系统完成温度按照技术要求选择设定后恒速升温；

3.试样保护：给加热腔115内通入氮气或其它惰性气体保障纤维试样5在试验温度区间避免在氧气中被碳化；

4.试样热形变信号采集：基于视觉技术的非接触式位移检测技术原理，专用摄像头121在视野范围内通过采集处于加热器11下方穿过的延长线7上的标志信号8，实时完成纤维试样5受热后的一维长度形变信号的非接触式位移信号采集并上传控制中心提供处理和显示等；

5.数据显示处理：主机箱14的触摸屏19直接实时显示恒速升温全过程纤维试样5的长度与温度随着时间的变化曲线和相应图形，以及开始、快速和停止形变等关键节点的相应温度值；并根据需要将以数据组和曲线等形式无线WIFI发给上位机，为专业理论分析和高层次论文发表提供支持。

本实施例中单纤维热形变检测的整个过程除了纤维试样5的准备和固定，以及固样架2下落前面三步骤为手工操作完成外，其余所有检测过程全部自动完成，即手工操作“开始”按钮后系统将按照技术条件和设定参数自动完成所有数据采集、处理、显示和存储，包括系统工作过程中相应的安全应急措施和关键节点语音提醒操作者功能和根据需要上传数据到上位机，为进一步研究处理提供支持。

具体制样包括：

1)对于长度大于30mm的试样，剪取30mm长度作为标准纤维试样5；

2)对于长度小于30mm的天然纤维，根据其长度可制作20mm或者10mm的标准纤维试样5，以便配套相应带有自发光标志8的延长线7；

3)做好纤维试样5编号并记录。

具体固样包括：

1)手工操作控制箱面板上的“上升”按钮，使装置处于固样状态，并准备好专用高温胶带；

2)若一次固定多根纤维时，对于直径比较大的纤维试样，如人造纤维等，直接利用胶带从顶端弯折后一次等距离粘住纤维试样上端，并把下端与配套的延长线从侧面分别粘在一起；对于直径比较小纤维试样，如蚕丝等，则采用统一放置在平铺的二端有胶的专用胶带上，纤维试样上端通过胶带顶端弯折一次性粘好二根试样，下端直接上压胶带把其与配套的延长线粘在一起，然后再用剪刀先把二根下端连接点剪开，再从背后剪开胶带；

3)若一次仅检测一根纤维试样时，对于直径比较大的纤维，直接手工操作把上端固定在半自动夹中，下端仍然通过高温胶带与延长线固定后即可，但是对于细纤维，还得参考上述多根纤维的固定方法，即仅把纤维二端用高温胶带粘住，然后上端固定在固样夹的中间位置即可。

具体落样包括：

单根纤维试样5全部固定好并稍等末端自发光标志8基本稳定，晃动幅度小于5mm,后，手工操作下降按钮17，固样架2在升降杆9拖动下，先快后慢非匀速的下降到检测位置后自动停止，期间自发光标志8不可避免的晃动状态将在倾斜的封闭板118上以滑动方式穿过孔116后进入摄像头121的视野范围，且处于三分之一高度处，这是因为部分纤维还存在热形变后伸长的情况；而此时纤维试样5正好处于加热腔115的温度均匀区域，20mm垂直距离检测空间范围内温差≤1℃，温度传感器10的检测点处于试样长度的中间位置，从而为热形变检测做好了准备。

具体测样包括：

1)纤维试样进入检测状态后，点击触摸屏19的功能选择区的“参数设置”按钮，输入密码打开页面，选择并设置好相应的温度区间及升温速度等参数后关闭；

2)手工操作控制箱面板上的“开始/停止”自锁按钮，主机将按照技术要求设置的程序自动完成纤维试样热形变的检测全过程，包括在主机触摸屏上实时以曲线、关键节点数据和模拟图形显示其温度与形变的对应关系外，还能够根据需要实时以无线WIFI形式传送所有数据组和曲线等到上位机，通过配套的上位机专用软件进行进一步的分析研究以及利用数据组发表高层次论文(SCI图形曲线要求数据组而非原始曲线)等。

3)检测过程中还设置有“检测开始”、“开始形变”以及“检测结束”等语音提醒功能，以及检测结束后自动停止加热功能等安全措施，并自动保存相关数据和曲线。

数据处理：检测结束后，用户根据需要在主机触摸屏上保存曲线或者操录数据，还可以在上位机上进行打印或者存储数据组留着后使用。

卸样：检测数据处理结束以后，手工操作按动上升按钮18，固样架2将自动上升到固样位置，卸下纤维试样5，擦干净固定夹4和延长线7连接处等，保存好延长线7以备再次使用；

关机：手工操作按动控制箱面板下降按钮17将固样架2落下，再手工操作面板上的电源开关15关断总电压，检测结束。

本发明的试样固定及非接触式形变检测等方法与相应装置，首次把单纤维热形变参数检测的全过程以曲线，数据组以及图形等三种方式完整的显示和存储或者发给上位机进行进一步深入研究提供技术支持，为各种纤维内部规律探讨和制作与热处理工艺制定提供精准的指导。这里仅以单纤维为例，实际上并不限于此，还能够根据需要把若干纤维作为一束固定后获得统计值等，方法与单纤维检测方法相类似，本发明实施例提供的单纤维热形变的检测装置，能够对多种类型的纤维材料进行热形变检测，能够实时准确检测各种纤维材料的热形变参数，对纤维的深入研究探讨以及制作、处理定型等应用有着重要的指导意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种单纤维热形变的检测装置，其特征在于，包括数据采集部(1)和控制显示部(13)，所述数据采集部(1)包括固样架(2)、加热器(11)和图像采集盒(12)，所述固样架(2)包括升降杆(9)以及设置于所述升降杆(9)的架体(3)，所述升降杆(9)传动连接有驱动机构，所述架体(3)具有沿上下方向的固样位置和检测位置，所述驱动机构被配置为能够通过所述升降杆(9)驱动所述架体(3)沿上下方向垂直运动，以在固样位置和检测位置之间切换，所述架体(3)的下端固定设置有固定夹(4)，所述固定夹(4)用于固定纤维试样(5)的上端，所述数据采集部(1)还包括能够与纤维试样(5)的下端连接的延长线(7)，所述延长线(7)的下端设置有自发光标志(8)，所述加热器(11)具有沿上下方向贯穿的加热腔(115)，所述图像采集盒(12)设置于所述加热器(11)的下方，所述图像采集盒(12)包括摄像头(121)，当所述架体(3)位于检测位置时，纤维试样(5)能够位于所述加热腔(115)内进行加热，且所述延长线(7)的下端从所述加热腔(115)的下端伸出，所述自发光标志(8)始终处于所述摄像头(121)的视野范围内；所述驱动机构、所述加热器(11)和所述摄像头(121)均通信连接至所述控制显示部(13)。

2.根据权利要求1所述的一种单纤维热形变的检测装置，其特征在于，所述架体(3)的上端与所述升降杆(9)的上端之间连接有第一弹簧(31)，当所述架体(3)位于检测位置时，所述第一弹簧(31)被配置为使所述架体(3)具有以恒定压力抵接于所述加热器(11)的上端的运动趋势，且所述架体(3)封闭所述加热腔(115)的上端。

3.根据权利要求1所述的一种单纤维热形变的检测装置，其特征在于，所述固定夹(4)活动设置有手柄(43)，所述手柄(43)的一端贯穿所述固定夹(4)且固定设置有后动片(41)，所述后动片(41)与所述固定夹(4)相对设置，所述手柄(43)的另一端与所述固定夹(4)之间设置有第二弹簧(42)，所述第二弹簧(42)被配置为通过所述手柄(43)使所述后动片(41)始终具有靠近所述固定夹(4)的运动趋势，以使纤维试样(5)能够以恒定压力夹持于所述后动片(41)和所述固定夹(4)之间。

4.根据权利要求3所述的一种单纤维热形变的检测装置，其特征在于，所述后动片(41)与所述固定夹(4)沿水平方向相对设置，且所述后动片(41)和所述固定夹(4)的下端相对面均设置有高温橡胶垫片(44)，所述高温橡胶垫片(44)的相对表面设置防滑结构，纤维试样(5)能够夹持于两个所述高温橡胶垫片(44)之间。

5.根据权利要求1所述的一种单纤维热形变的检测装置，其特征在于，所述加热器(11)包括外壳(111)，所述外壳(111)内填充有保温层(114)，所述外壳(111)的中间通孔设置有内圈(112)，所述内圈(112)的中间通孔形成所述加热腔(115)，所述内圈(112)设置有电热丝(113)；所述架体(3)还设置有温度传感器(10)，当所述架体(3)位于检测位置时，所述温度传感器(10)伸入所述加热腔(115)，所述温度传感器(10)通信连接至所述控制显示部(13)。

6.根据权利要求5所述的一种单纤维热形变的检测装置，其特征在于，所述加热腔(115)的下端设置有封闭板(118)，且所述封闭板(118)具有从上往下尺寸逐渐圆滑变小的孔(116)，所述延长线(7)的下端能够从所述孔(116)伸出；所述加热器(11)还设置有保护气体入口(117)，所述保护气体入口(117)贯穿所述外壳(111)、所述保温层(114)和所述内圈(112)与所述加热腔(115)连通。

7.根据权利要求1所述的一种单纤维热形变的检测装置，其特征在于，所述图像采集盒(12)还包括激励光源(122)和背景板(123)，所述激励光源(122)覆盖所述发光标志(8)的视野范围，用于激励所述自发光标志(8)发光，所述背景板(123)与所述摄像头(121)相对，且所述自发光标志(8)位于所述背景板(123)和所述摄像头(121)之间。

8.根据权利要求7所述的一种单纤维热形变的检测装置，其特征在于，所述背景板(123)为黑色哑光金属板，所述激励光源(122)为紫外线光源，所述自发光标志(8)为单颜色可见荧光材料，且所述激励光源(122)位于所述摄像头(121)的视野范围外，所述延长线(7)为碳纤维。

9.根据权利要求1所述的一种单纤维热形变的检测装置，其特征在于，所述控制显示部(13)包括主机箱(14)，所述主机箱(14)的表面设置有触摸屏(19)，所述主机箱(14)内设置有控制系统和数据处理显示系统，所述控制系统能够控制电器件，所述数据处理显示系统能够实时获取所述摄像头(121)采集的所述自发光标志(8)的位移信息以进行处理得到纤维试样(5)的热变形数据，并通过所述触摸屏(19)显示或发送给上位机。

10.一种采用权利要求1至9中任一项所述的一种单纤维热形变的检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使架体(3)位于固样位置，将纤维试样(5)固定于固定夹(4)，并在纤维试样(5)的下端连接延长线(7)，在延长线(7)的下端设置自发光标志(8)；

2)使架体(3)位于检测位置，使纤维试样(5)位于加热器(11)的加热腔(115)内，延长线(7)的下端从加热腔(115)的下端伸出使自发光标志(8)与摄像头(121)相对；

3)启动加热器(11)对纤维试样(5)进行加热，同时摄像头(121)采集自发光标志(8)的位移信息并反馈给控制显示部(13)，控制显示部(13)根据自发光标志(8)的位移信息得到纤维试样(5)的热形变数据。

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