CN1587966A - 纤维集合体变密度力学性能和密度分布测量装置与用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纤维集合体压缩时变密度力学特征和其密度分布及变化的原位组合测量装置与用途。该装置包括带数据采集卡、图像采集卡、程序控制模块和数据处理模块的计算机和与该计算机相连的一对力传感器、一组光测量装置和带D/A变频器和驱动电路的步进电机，以及与力传感器和步进电机相连的挤压机构，与纤维塞筒相连的腔内气压测量机构。可对纤维塞一端施力压缩、一端受力不动，分别测施力和受力端的力值，并同步观察记录纤维塞的密度及其分布。本发明可实现一次挤压作用下纤维集合体的压缩力学行为、集合体密度变化及分布各指标的原位测量。测量精度高、操作简便、误差小、自动化程度高，适用于各种纤维材料的动态压缩性能的测试。

Description

纤维集合体变密度力学性能和密度分布测量装置与用途

技术领域：

本发明涉及一种用于纤维集合体材料变密度力学性能及密度分布特征的测量装置与用途。

背景技术：

纤维集合体的密度，以及受力作用时的状态与密度变化直接影响着纤维集合体的使用性能和性状：如透通性、隔绝性、形态稳定性等，其表征对纤维材料的应用和加工均极为重要。目前，除了通过制取不同密度的试样来获得各种密度的纤维集合体之外，还可通过压缩的方式来改变纤维集合体的密度。而实际研究中纤维集合体的压缩，仅仅用于纤维集合体本身压缩性能的表达，并不将其与密度特征联系起来同步原位表达。现有的测量方法可以明确地说明这一点。目前已有纤维集合体压缩性能的测量方法和仪器有多种，如Instron强力试验仪，DCS-500型岛津强力机，东华大学(原中国纺织大学)研制的纺织材料压缩弹性仪(纺织材料压缩弹性仪的研究及其应用。杨如禧.中国纺织大学学报。1988，14(4)，129-137)，仪征化纤研制的中空纤维膨松特性、回弹测试仪(ZL专利号：97243296.5)等。国外的标准有澳大利亚的“抗压缩性”(AS3535-1988)国家标准；法国的“压缩性能”(NF G07-076：1993)国家标准；日本的“压缩弹性”(JIS L 1081：1998)工业标准；新西兰的“膨松度”(NZS8716：1994)国家标准等。但很少有人关注压缩过程中纤维集合体的密度变化及纤维塞的密度分布特征，以及纤维集合体在变密度、变排列条件下的力学特征测量，因为尚无实现这一要求的组合原位测量方法与装置。

发明内容：

本发明的目的是解决上述存在问题，提供一种纤维集合体变密度力学性能和密度分布测量装置与用途。

本发明的原理是利用同轴挤压纤维集合体的同时，光学测量该纤维集合体的密度变化及其密度分布，由此获得纤维集合体变密度时的压缩力学行为。实现这一原理的方法是通过对纤维集合体的一次挤压作用，原位测量纤维集合体的压缩力—位移曲线和密度—位移曲线和密度分布特征等，导出变密度纤维集合体的压缩力学性能。

本发明的技术解决方案如下：

一种纤维集合体变密度力学性能和密度分布的测量装置，包括含有数据采集卡、图像采集卡、程序控制模块和数据处理模块的计算机和分别与该计算机相连接的一对力传感器、一组光测量装置和带有D/A变频器和驱动电路的步进电机，以及与力传感器和步进电机相连的纤维塞挤压机构和与纤维塞筒相连的腔内气压测量机构。用于纤维集合体一次挤压作用下的压缩力学行为和纤维塞密度变化及密度分布特征的测量。

挤压机构由带有压力传感器3和推筒4，主动施力于纤维塞；悬挂于拉力传感器1上的纤维塞筒5，保持纤维集合体并受力于推筒4通过纤维塞的作用；位移驱动步进电机驱动推筒4精确下降实现对纤维塞的挤压；压力传感器3和拉力传感器1，完成对纤维集合体的压缩变密度和两端力值的测量。所述的推筒4是一端封闭，一端为可透过气体的金属网隔板41，且筒壁上开有与腔内气压测量机构相连的透气孔；所述的纤维塞筒5是一端开口，一端为可透过气体的金属网隔板41，其与纤维塞筒后气腔52相连，后气腔52的筒壁上开有与腔内气压测量机构相连的透气孔，以便测量在纤维集合体压缩时的腔内气压值，或控制腔内气压。

由数码摄像装置6和置于纤维塞筒二侧的狭缝光源与阵列光敏元件构成的光测量装置7，其数码摄像器因装于纤维塞筒侧面，光轴与纤维塞筒轴垂直相交，可作纤维塞整体堆砌状态和纤维塞各段体密度的观察：所述的狭缝光源73长度与阵列光敏元件长度一致，狭缝光源73可通过位置变化：位置I与纤塞筒轴和阵列光敏元件71在同一平面，完成光透射密度的测量；位置II与阵列光敏元件72形成在纤维塞表面的镜面反射，完成光反射密度的测量，以及各自密度分布的测量，见附图3。

由推筒4或/和纤维塞筒5的放气孔81和气阻针阀82之间的U形压差管83共同组成的腔内气压测量机构，分别没是量纤维塞压缩时，纤维塞筒5两端的气压，以排除气压对纤维塞真实压力差的影响，完成对纤维压缩时气阻影响的测量。同时，可以通过调节针阀82的通量改变气阻，分析气阻对纤维集合体压缩的作用。与腔内气压测量部分的自身重量平衡，在推筒4/和纤维塞筒5连接腔内气压测量机构的对侧可置一平衡重锤84，以保持推筒4或/和纤维塞筒5的垂直下垂。

含有数据采集卡、图像采集卡、程序控制模块和数据处理模块的计算机，见附图4，可实现数据采集与处理、图像采集与处理分析、曲线和特征值的显示、存储及打印；由计算机、D/A、变频器、驱动电路、步进电机及传动机构组成的数字控制系统可完成整个测量的驱动与控制。

本发明的特点：

a.采用本发明可实现一次挤压作用下纤维集合体的压缩力学行为、集合体的密度变化及分布各指标的原位测量，测量指标涉及压缩力—位移曲线，拉、压力差—位移曲线，密度—位移曲线，气压差—密度曲线，纤维塞密度分布及图像，以及不同排列纤维塞的各特征曲线、密度分布和图像。

b.采用主施力压力传感器和受力拉力传感器测量，可表达纤维集合体的力传递性质；采用两端气阻设置和测量，可表达压缩时的气压影响；采用数码摄像和阵列光敏元件的光测量，可表达被测纤维塞的密度分布及其变化，为真正意义上的原位、动态测量。

c.装置测试精度高、操作简便、试样制备多样和可测、自动化程度高，适用于各种纤维集合体变密度动态压缩性能的测试。

附图说明：

图1是本发明装置的剖面结构示意图；

图2是本发明装置的侧视图和A向视图；

图3是试样的制备方法示意图。

图4是系统控制和数据采集模块图。

图5是羊毛纤维集合体的挤压试验的拉、压力—位移曲线。

图6是羊毛纤维集合体的挤压试验的气压差—纤维塞密度曲线。

图7是羊毛纤维集合体的挤压试验的纤维表面密度—纤维高度曲线。

图8是竖直羊毛纤维条的挤压试验的拉、压力—位移曲线。

图9是竖直羊毛纤维条的挤压试验的拉、压力差—位移曲线。

图10是竖直羊毛纤维条的挤压试验的气压差—纤维塞密度曲线。

图11是竖直羊毛纤维条的挤压试验的纤维塞密度—位移曲线。

图1和2中：

1-拉力传感器  2-挂钩  3-压力传感器

4-推筒  41-推筒金属网隔板

5-纤维塞筒  51-纤维塞筒金属网隔板  52-纤维塞筒后气腔

6-数码摄像装置

7-光测量装置 71-透射光阵列光敏检测元件

72-反射光阵列光敏检测元件  73-狭缝光源

8-腔内气压测量机构  81-放气孔 82-气阻针阀

83-U形压差管  84-平衡重锤。

图3中的(a)、(b)、(c)、(d)分别对应于纤维集合体不同的填充堆砌方式：可随机排列放入(a)、可竖直平行放入(纤维束)(b)、可随机排列的纤维团分层叠置放入(c)、可正交平行纤维层叠置放入(d)，由此制得不同排列状态的纤维塞。

具体实施方式：

通过以下实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

                          实测例1

本发明的装置的剖面结构示意图如图1所示，其侧视图和A向视图如图2所示。其中含有数据采集卡、图像采集卡、程序控制模块和数据处理模块的计算机，以及线路等在图中省略。

按照图3所述的几种试样制备方法，取随机排列方式将纤维试样放入纤维塞筒5中，启动下降开关，推筒4匀速下降直至设定高度，挤压纤维塞筒5中的纤维试样，停止20s后启动上升开关，推筒4上升复位。取下纤维塞简5，更换其中的纤维试样，重新进行试验。

挤压过程中施加的压力通过安装于推筒4上的高精度压力传感器3感应测量；该作用力经推筒4下端的金属网隔板41作用于纤维塞并传力至纤维塞筒5底部的金属网隔板51上，由此通过挂钩2传至纤维塞筒上方的高精度拉力传感器1，进行感应测量。记录D/A变频器的输入频率和步进电机转动时间，精确测量推筒4的下降位移。由此得到两端压缩力—位移曲线，如图5所示。

挤压纤维塞5的同时，由数码摄像器6实时观察纤维塞整体堆砌状态和纤维塞各段体密度与表面密度；光测量装置7中，将狭缝光源73调至位置I完成光透射密度的测量，调至位置II完成光反射密度的测量，由此得到纤维塞不同高度处的相对密度，即纤维塞的密度分布曲线，如图7所示。

当纤维塞压缩时腔内气压变化，测量机构8分别通过推筒4腔和维塞筒5的后气腔52测量纤维塞两端的气压，即透过推筒4和/或纤维塞筒5的金属网隔板的气体气压，以排除气压对纤维塞真实压力差的影响，完成对纤维塞压缩时气阻影响的测量和修正。

计算机完成数据实时采集与处理、图像实时采集与处理分析、曲线和特征值的显示、存储及打印；数字控制系统完成整个测量的驱动与控制。

操作结束后可在计算机上直接获得压缩力—位移曲线，拉、压力差—位移曲线，密度—位移曲线，气压差—密度曲线，纤维塞密度分布图像以及不同排列纤维塞的各特征曲线、密度分布与图像。

按照以上操作，对羊毛纤维集合体的挤压试验可得出拉、压力—位移曲线曲线，如图5所示；气压差—纤维塞密度曲线，如图6所示；和纤维表面密度—纤维高度曲线，如图7所示。

                          实测例2

按照实测例1操作步骤，对竖直平行放入(纤维束)羊毛纤维集合体的挤压试验可得出拉、压力—位移曲线曲线，如图8所示；拉、压力差—位移曲线曲线，如图9所示；气压差—纤维塞密度曲线，如图10所示；和纤维塞密度—位移曲线，如图11所示。

Claims (5)

1、一种纤维集合体变密度力学性能和密度变化与分布的测量装置，其特征在于含有数据采集卡、图像采集卡、程序控制模块和数据处理模块的计算机和分别与该计算机相连接的一对力传感器、一组光测量装置和带有D/A变频器和驱动电路的步进电机，以及与力传感器和步进电机相连的纤维塞挤压机构，与纤维塞筒相连的腔内气压测量机构所构成：

所述的挤压机构由步进电机、位移驱动带有压力传感器的推筒和悬挂于拉力传感器上的纤维塞筒所组成；

所述的光测量装置由1或2个置于纤维塞筒侧面或二侧、光轴与纤维塞筒轴垂直相交的数码摄像器，置于纤维塞筒二侧的由一个狭缝光源与两组光敏感阵列元件组成；所述的狭缝光源长度与光敏感阵列元件一致，并可通过狭缝光源位置变化完成光透射和反射的测量；

所述的腔内气压测量机构，由推筒或/和纤维塞筒的放气孔、连接放气孔的气阻针阀和置于放气孔及气阻针阀之间的U形压差管组成。

2、根据权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的挤压机构是质量对称的，在推筒或/和纤维塞筒连接腔内气压测量机构的对侧可置一保持推筒或/和纤维塞筒垂直平衡的可调位置重锤；推筒和纤维塞筒与纤维塞接触端均为透孔金属网隔板。

3、根据权利要求1所述的测量装置，其特征所述的纤维塞筒是活套在挂钩上。

4、如权利要求1所述的测量装置的用途，其特征是用于测量各种纤维集合体一次挤压作用下的压缩力学行为和纤维塞密度变化及密度分布特征的。

5、如权利要求1或2所述的测量装置的用途，其特征是用于测量纤维的压缩力-位移曲线，拉、压力差-位移曲线，密度-位移曲线，气压差-密度曲线，纤维塞密度分布，纤维塞图像以及不同排列纤维塞的各特征曲线、密度分布和图像。

Images