CN1587964A - 一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割的组合测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于包括纤维、纱线、织物、膜和其复合材料在内的纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量方法及装置。通过对试样的不同夹持方式和不同施力作用形式，以及对应施力移动端和受力端的力测量，获得组合力—位移曲线和应力—应变曲线及各相关特征值的测量。测量装置是由适于纺织材料的多功能夹持器，可安装传感器和夹持器的机架上梁、中梁和底板，中梁数控驱动机构，力、位移信号采集卡，带有程序控制和数据处理模块的计算机构成。本发明的特点是在上梁、中梁和底板上均可安装力传感器，同时测量移动端和固定端的力值，且机构简单，操作简便，夹持器更换方便、快速。

Description

一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割的组合测量方法及装置

技术领域：

本发明属于纺织精密计量仪器技术领域，涉及纺织材料(纤维、纱线、织物、膜和其复合材料)的拉伸、压缩、顶破和刺割的组合式力—位移测量方法及装置，适用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割力学性能的同机、组合测量与评价。

背景技术：

纺织材料(纤维、纱线、织物、膜和其复合材料)的拉伸、压缩、顶破和刺割等力学性能对纺织品的成形加工，服用和工业用起着至关重要的作用，既影响非制造布(包括纸业、过滤布、土工布及医疗卫生用布等)的拉、压性能，又决定着机织物和针织物(包括宇航用布、降落伞、防弹服、轮胎用布、船帆、内衣、手套及袜类等)的顶、刺割性能。因此，为了满足纺织品的多种需求，必须选择相应拉伸、压缩、顶破和刺割等力学性能的纺织材料来生产加工所需纺织品。

现有的拉伸仪、压缩仪的形式均为单端检测，甚至包括组合式的测量(张洪峰，雷大伟，孙梅.组合式多束生丝强伸力机电脑测试仪.中国专利：ZL92220556.6，1993)，这仅适于金属或小变形材料。要进行多形式的测量，都需通过改变机构或更换夹头来完成，而夹头适应刚性或大夹力的材料，最通用的Instron强力仪，只是更换夹头大小和力传感器的量程，国内有报道多功能夹头(邱廷骅，宋湛华.台式全自动单纱强力仪.中国专利：91223685.X，1992；张志坚.夹持器.中国专利：93112447.6，1994；何志贵，徐革玲.单纤维强力仪隔距定位块.中国专利：01230615.0，2003；George，McLean，Glee；Rose L.Holdingfor tensile testing fabrics.U.S.Patent：629479，1975)，但仪器的功能有限制。而且现有的拉伸仪和压缩仪均为步进电机计算位移，忽略了传动梁和传感器间的间隙和梁的变形。因此，本发明采用多端力传感器和直接位移的测量，可有效反映大变形纺织材料的力传递行为，避免受力时机构间隙和梁变形的影响，尤其在高速、大负荷时测量，本发明尤为准确。

另外，现用于拉伸、压缩、顶破和刺割力学性能的测量方法，均为分仪器进行；测量对象：纤维、纱线、织物、膜和其复合材料，亦按类别，分仪器进行。而且测量指标单一、测量模式单一，如现有的国家标准中规定的弹子式顶破实验机只是单一的测试纺织材料的顶破强度(GB/T8878-2002《弹子顶破强力试验》)，无法进行拉伸、压缩和刺割测量。

因此有必要为研究一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割的组合测量方法及装置，能集纺织材料(纤维、纱线、织物、膜和其复合材料)的拉伸、压缩、顶破和刺割测量于同一台仪器上的测量，以便于实用测量，以便于有效研究纤维、纱线、织物、膜和其复合材料之间的力学性能关系。同时降低仪器成本、提高仪器精度、增加仪器功能、强化仪器的适用性。

发明内容：

本发明的目的在于发明一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割的组合测量方法及装置，可对纺织材料(纤维、纱线、织物、膜和其复合材料)的拉伸、压缩、顶破和刺割等力学性能进行同机组合测量。

本发明的测量原理是指通过试样的不同夹持方式和不同施力作用形式，以及试样一握持端可移动构成施力移动端和试样另一握持端固定构成受力端，进行施力移动端和受力端的力值和力学行为的测量，并获得组合力—位移曲线和应力—应变曲线及各相关特征值的测量。试样的夹持采用多功能可换夹持器，试样的受力采用中梁的移动施加，力学和位移信号由力和位移传感器感应输出，并经计算机中相应的程序与处理模块获得试样的拉伸、压缩、顶破或刺割作用下双端的组合力—位移曲线，并在此基础上提取相应的特征参数。

本发明的测量装置主要包括多功能系列夹持器、力测量单元、位移驱动与测量单元、信号采集与预处理单元和软件驱程与计算机单元五大部分。其基本结构和原理是：

a.多功能系列夹持器：本系列包括由圆头顶杆、圆端顶杆、菱形锥杆、圆形锥杆或刀形杆、顶刺杆固定底座和顶刺破试样夹座等构成的顶、刺组合件，可完成顶破和刺割测量；包括由大负荷悬夹和小负荷悬夹组成的拉、压夹持器，可完成拉伸和压缩测量。

b.力测量机构：主要由高精度力传感器、多功能可换夹持器，机架，中梁，底板，支座和位移驱动系统构成，可完成力测量。依据拉伸、压缩、顶破或刺割实验选择拉压夹持器或刺、割组件夹持试样，微电机驱动中梁垂直方向移动，整个测试过程中的力信号通过安装在上梁、中梁或底板上的力传感器感应受力，完成力测量。

c.位移测量机构：是一与上梁、中梁和底板相连接的、或直接与各力传感器相连接的、或直接与夹持器相连接的高精度位移传感器，随中梁的垂直上下移动，完成力传感器或夹持器的真实位移测量。位移传感器作用端在较小负荷或较大伸长作用时，采用与安装在上梁、中梁和底板上的力传感器直接相连的方法，以回避梁和传动机械的间隙影响；在较大负荷和较小伸长作用时，采用与夹持器直接相连的方式，以回避各种变形和间隙的影响。

d.位移驱动与测量单元：本系统主要由数模转换卡、电压/频率变频器、驱动器、步进电机组成。首先启动计算机驱动系统软件，进行仪器自检、标准置零、设定好各参数(包括中梁定位和移动速度、作用模式及测量形式等)。根据设定的参数值，步进电机将根据设定的速度和运行模式等驱动中梁在竖直方向作上下运动。

e.信号采集与数据处理系统中，由高精度力传感器、高精度位移传感器和带有模数转换卡和界面操作、数据处理及显示与存储功能模块的计算机组成。传感器的测量信号通过模数转换器换成数字信号输入计算机，然后由数据处理模块完成信号预处理、数据实时显示、存储及打印输出，由此获得力—位移曲线、应力—应变曲线和由曲线提取的特征值。界面操作模块可进行各种设置和作用模式选择。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割的组合测量方法及装置，如图1所示，包括由机架1、中梁2、底板3、力传感器4、夹头5、位移传感器组件6，以及组合力—位移信号采集、控制和处理系统组成。

上述测量方法的实现是通过其测量装置完成的，该测量装置的构成与作用如下：

a.机架1由上梁11和两内置螺杆的刚性支架12构成。上梁11上有一槽孔，在槽孔上可安装力传感器4或夹头5，其结构如图1-1和图1-2所示。

b.中梁2上、下各有一槽孔，在槽孔上下均可安装力传感器4或夹头5，通过中梁移动施力于试样，实施拉、压、顶、刺作用，其结构如图1-1所示。

c.底板3上由一水平泡31、一制样台32和支座33构成。水平泡可以校验底板的水平状态；制样台便于夹持顶、刺试样的制备；底板支座共有4个，装在底板下面，用于支持底板，其中1～4个为带有螺纹升降功能的底板支座，用于调节底板的水平高度，其结构如图1所示。

d.力传感器4根据测量形式不同，由拉力传感器、压力传感器或拉压复合式传感器构成，其安装结构位置如图1所示。

e.夹头5包括用于拉、压测量用的小负荷悬夹51和大负荷悬夹52；用于顶、刺破试样测量下的顶、刺组件53和顶刺试样夹座54。小负荷悬夹51由挂钩511、弹簧512、锁定夹片513和夹块514构成，用于小负荷条件下试样的夹持；大负荷悬夹52由偏心凸轮521、夹块522、提架523、驱动柄524和提框525构成，用于大负荷条件下试样的夹持，其结构如图2。大、小悬夹可以通过夹头座55悬挂或固定于力传感器上。夹头5还包括顶、刺组件53和顶刺试样夹座54，所述的顶、刺组件53由圆头顶杆531、圆端顶杆532、长菱形锥杆533、短菱形锥杆534、长圆形锥杆535、短圆形锥杆536、刀形杆537和固定底座538组成，作为顶、刺部件；所述的顶刺破夹座54由固紧盖541、固紧螺孔542、底盘543和被夹持片状试样544组成，作为顶、刺试样夹持部件，均可通过夹头座55与传感器相连，实现试样的顶、刺破实验，其结构如图3所示。

f.位移传感器组件6由位移传感器61、位移上限位62和位移下限位63构成。位移传感器用于获取位移信号，位移上限位62和位移下限位63分别限定中梁移动的位移上下界，其结构如图1所示。

实现一种用于拉伸、压缩、顶破和刺割的组合测量方法是通过下述具体过程完成的：

a.通过底板3上的水平泡31校验底板3是否处于水平状态和支座33调整底板3的水平状态；在中梁2和上梁11、或中梁2和底板3上，单端或双端安装力传感器4和双端安装夹头5；

b.拉、压测量时，将织物试样裁成一定长、宽的矩形试样，或一定长度的纤维、纱线试样，依据测试负荷条件，分别选择小负荷悬夹51、大负荷悬夹52夹持试样。所选择的一对小负荷悬夹51或一对大负荷悬夹52，分别挂于或固接于中梁2和上梁11、或中梁2和底板3上，进行拉伸或压缩测量，其安装结构示意如图4和图5所示。顶、刺测量时，将织物试样裁成圆形试样，用顶刺破试样夹座54夹紧并安装于上梁11或中梁2或底板3上；选择一种顶、刺杆(如圆头顶杆531、圆端顶杆532、长菱形锥杆533、短菱形锥杆534、长圆形锥杆535、短圆形锥杆536、或刀形杆537)，插入固定底座538中固紧，并安装到所剩的中梁2或底板或上梁上，进行顶破或刺割测量，其安装结构示意如图6和图7所示。

c.整个装置的控制、数据采集与处理、界面操作和参数设置由计算机及其各软件模块完成，所述的软件模块为数据采集与处理模块、作用模式与控制模块、界面操作与参数设置模块、数据和曲线的显示与打印及存储模块等构成，为计算、控制、处理、显示、存储和分析的基本功能模块，其结构与流程示意图如图8所示，其计算机操作界面如图9所示；

d.通过中梁2垂直移动，可完成试样的拉伸、压缩、顶破或刺割的施力或变形，以及力学作用过程的测量及其特征参数测量，其基本原理如图1所示。

与现有技术相比，本发明包括如下优点：

a.多功能可换夹持器，适于片状物和纤维状物的夹持，可方便、快速地夹持纺织材料(纤维、纱线、织物、膜和其复合材料)，且更换方便。

b.实现在同一台仪器上和同一测量模式下进行纺织材料(纤维、纱线、织物、膜和其复合材料)的拉伸、压缩、顶破和刺割性能测试。

c.上梁、中梁和底板上均可简易安装传感器和试样夹持器，可以同时测量移动端(施力或形变处)和固定端(受力或非形变处)的力学行为；并采用中梁滑移式位移传感器，可以获得真实的中梁位移值。

d.本发明机构简单，操作简便，可方便、快速地更换夹持器及安装各类力测量传感器进行测量。

本发明不但通过数字化控制进行精密控制实验和自编软件快速完成信号采集、处理及提取织物或纱线的力学性能指标，而且操作简便、成本低，可广泛用于科研机构及工厂快速评价纱线的可纺性能，纺织生产中工艺参数的优化、质量控制及纺织品的服用性能和织物风格等进行评价。

附图说明：

图1组合式测力系统机构示意图

图2多功能夹头的拉、压组合夹持器结构示意图

图3多功能夹头的顶、刺破组合夹持器结构示意图图

图4小负荷拉伸测量下的装置结构示意图

图5大负荷压缩测量下的装置结构示意图

图6顶破测量下的装置结构示意图

图7刺割测量下的装置结构示意图

图8传感器信号采集及驱动电路与数控系统流程图

图9微机驱动系统软件参数设定界面图

图10拉伸作用下的双端传感器感应受力—位移曲线

图11压缩作用下的双端传感器感应受力—位移曲线

图12刺割作用下的单端传感器感应受力—位移曲线

图13顶破作用下的单端传感器感应受力—位移曲线

图中：1—机架、11—上梁、12—内置螺杆的刚性支架，2—中梁，3—底板、31—水平泡、32—制样台、33—支座，4—力传感器，5—夹头、51—小负荷悬夹、511—挂钩、512—弹簧、513—锁定夹片、514—夹块、52—大负荷悬夹、521—偏心凸轮、522—夹块、523—提架、524—驱动柄、525—提框、53—顶、刺组件、531—圆头顶杆、532—圆端顶杆、533—长菱形锥杆、534—短菱形锥杆、535—长圆形锥杆、536—短圆形锥杆、537—刀形杆、538—固定底座、54—顶刺试样夹座、541—固紧盖、542—固紧螺孔、543—底盘、544—片状试样、55—夹头座、6—位移传感器组件、61—位移传感器、62—位移上限位、63—位移下限位。

附图1中，1—1是主视图，1—2是左视图，1—3是俯视图。附图2中，2—1是小负荷悬夹，2—2是大负荷悬夹主视图，2—3是大负荷悬夹侧视图。附图3中，3—1是圆头顶杆和圆端顶杆，3—2是长、短菱形锥杆，3—3是长、短圆形锥杆，3—4是刀形杆，3—5是固定底座，3—6是顶刺破试样夹座。装置结构附图1～3中没画出电压/频率变频器、驱动器、步进电机，带有信号采集卡、程序控制和数据处理模块的计算机，这在附图8中给出。

具体实施方式：

通过以下的基本实施方式和实施例有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

首先检查本发明装置底板3上的水平泡31是否处于中央，不处于中央则调节支座33使水平泡位于中央，确保底板3水平，见附图1；取纤维试样或裁剪一定长×宽的，或直径为5cm的织物试样；用小负荷悬夹51夹持纤维，或在底板3上的制样台32上夹持织物试样，然后挂于或固接于上梁11，见附图4和附图5；根据测量要求设定中梁2的位置，通过驱动机构驱动中梁2至设定位置；在微机驱动软件参数设置界面中选择运行速度、作用模式，其界面如图9所示，点击启动按钮，开始测试。

实施例1，拉伸作用下的双端传感器感应受力—位移曲线。

采用本发明装置和方法，在上梁11和中梁2上均安装力传感器4与小负荷悬夹51，并驱动中梁11至设定位移处；在底板3上制备一定长度的碳纤维样，用中梁2和上梁11上的小负荷悬夹51分别夹持试样的两端；由计算机操作选定夹持距(20mm)、拉伸速度(10mm/min)和一次拉断模式，启动程序软件驱动中梁2竖直向下移动，完成拉伸实验。由于上梁11和中梁2上均安装了力传感器4，因此可相应获取两条力—位移曲线。碳纤维拉伸断裂后微电机驱动中梁2恢复至原位，整个测试完毕，其拉伸装置结构示意图见附图4。采用30次测量实验求其均值获得力—位移特征曲线，特征曲线见图10。并由此特征曲线从中提取碳纤维力学性能的特征指标，其测量结果见表1。

             表1碳纤维试样的测量结果

序号	断裂强度(GPa)	断裂伸长(％)	断裂功(GPa)	拉伸模量(GPa)
					1#	6.2446	1.376	4.296	4.538

实施例2，压缩作用下的双端传感器感应受力—位移曲线。

采用本发明装置和方法，在中梁2和底板3上均安装力传感器4与大负荷悬夹52，并驱动中梁2至设定位移处；裁剪长×宽为8cm×4cm的精纺毛织物试样；用中梁2和底板3上的大负荷悬夹52分别夹持试样两端；由计算机操作选定夹持距(3mm)、压缩移动速度(1mm/min)和定负荷一次往复模式，由程序软件驱动中梁2竖直向下移动，完成压缩实验，其压缩装置结构示意图见图5所示。由于中梁2和底板3上均安装力传感器4，故可相应获取两条力—位移循环曲线。采用测量5次的实验曲线求其均值获得两条力—位移特征曲线，特征曲线见图11。

实施例3，顶破作用下的单端传感器感应受力—位移曲线。

采用本发明装置和方法，在中梁2上安装力传感器4并驱动中梁2至设定位移处；在上梁11上的固定底座538中插入圆端顶杆531并固定；裁剪直径为5cm的精纺毛织物试样，在底板3上的制样台32上用顶刺试样夹座54固定该织物试样，然后将顶刺试样夹座54固定在中梁2上；由计算机操作选定移动速度(10mm/min)和一次顶破模式，由程序软件驱动中梁2竖直向上移动，完成顶破实验。织物试样顶破后，微电机驱动中梁2恢复至原位，测试完毕。其顶破装置结构示意图如图6。所得顶破试验的力—位移特征曲线见图12。

实施例4，刺割作用下的单端传感器感应受力—位移曲线。

采用本发明装置和方法，在上梁11上安装力传感器4，并驱动中梁2至设定位移处；在中梁2的固定底座538上插入长菱形锥杆533并固定；裁剪直径为5cm的芳纶织物试样，在底板3上的制样台32上用顶刺试样夹座54固定该芳纶织物试样，然后将顶刺试样夹座54固定在上梁11上；由计算机操作选定移动速度(10mm/min)和一次刺割模式，由程序软件驱动中梁2竖直向上移动，完成刺割实验，织物试样达一定刺入距离后，微电机驱动中梁2恢复至原位，测试完毕，其刺割装置结构示意图如图7。所得刺割破试验的力—位移特征曲线见图13。

上述4个实施例其测试过程中的力信号通过安装于中梁2、上梁11或底板3上的1～2个力传感器4感应受力，再通过力传感器4输出可获取力值信号，位移信号由中梁滑移式位移传感器6感应位移，并经数据采集卡将拉力传感器4位移传感器6的感应电信号转换成数字信号，从而获得整个测试过程的实时力—位移曲线。其传感器信号采集及驱动电路与数控系统流程图见图8。

Claims (10)

1.一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量装置，包括电压/频率变频器、驱动器、步进电机，带有信号采集卡、程序控制和数据处理模块的计算机构成，其特征在于由底板、固定于底板上的制样台和带有中梁的机架、1～4个分别安装或同时装于机架的上梁、中梁或底板上的并与计算机相连接的可方便地更换力单端或双端的传感器，2～4个夹持试样的多功能可换夹持器组成。

2.如权利要求1所述的一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量装置，其特征在于所述的传感器是力传感器为拉力或压力传感器，或复合拉压式力传感器，中梁带有滑移式位移传感器机构。

3.如权利要求1所述的一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量装置，其特征在于所述的多功能可换夹持器由用于拉伸或压缩的拉、压夹持器和用于顶破或刺割的顶、刺组合件组成；所述的小负荷悬夹由夹块、通过锁定夹片连接挂钩、夹块和锁定夹片连有弹簧构成；所述的大负荷悬夹由连接提架的提框、提框内有二个各自分别受控于连接驱动柄的偏心凸轮和夹块构成；所述的顶、刺组件由圆头顶杆、圆端顶杆、菱形锥杆、圆形锥杆或刀形杆、顶刺杆固定底座和顶刺破试样夹座构成；顶、刺破试样加夹座由固紧盖和固紧螺钉构成，以及与传感器相连的可通用夹头底座。

4.如权利要求1所述的一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量装置，其特征在于所述的底板上有由一校验底板的水平状态水平泡、一制样台架和用于支持底板的4个支座构成，所述的支座中有1～4个支座可调节底板的水平高度。

5.如权利要求1所述的一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量装置，其特征在于所述的多功能可换夹持器安装于上梁、中梁或底板上。

6.如权利要求1所述的一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量装置，其特征在于所述的顶、刺组合件，即安装顶、刺破杆的固定底座和夹持片状物的顶刺试样夹座，分别安装于上梁、中梁或底板上。

7.一种如权利要求1所述的用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量方法，其特征是用一对分别安装于移动梁和上梁或底板上的拉压夹持器夹持试样，用小负荷悬夹夹持纤维，或用大负荷悬夹夹持片状或纤维状物，通过移动梁的位移实施对夹持物的拉伸或压缩，通过力和位移传感器分别测量拉伸或压缩过程中的力值和位移值。

8.如权利要求7所述的用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量方法，其特征是用一顶或刺组件，即一顶杆或刺杆和一顶刺试样夹座，分别安装于移动梁和上梁或底板上，通过移动梁的位移使顶杆或刺杆对夹持在顶刺试样夹座上的片状试样实施顶或刺作用，力和位移传感器分别测量顶或刺过程中的力值和位移值。

9.如权利要求7和8所述的用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割组合力和位移的测量方法，其特征在于所得的双端或单端的力值信号和位移值信号，通过数据采集卡和A/D转换器输入计算机进行数据处理，得到力—位移曲线，或应力—应变曲线和力学特征值；所述的特征值为断裂最大力值和相对值、断裂最大伸长值和相对值、断裂功值和断裂比功、斜率和模量值、屈服点值、初始力值；所述的双端或单端测量是通过在上梁、移动梁或底板上安装的与夹持器组件相连的力传感器，测量施力或位移处的移动端和/或受力或非位移处的固定端的力值。

10.一种如权利要求1所述的装置的用途，其特征在于用于纺织材料中的纤维、纱线、织物、膜和其复合材料的测量。

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