柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，包括双向移动牵引装置、试样测试平台、控制单元和数据分析处理模块。本发明还公开了一种通过该系统实施的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量方法。本发明柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统及方法快速便捷、可以进行经纬双向综合测量。
【专利说明】柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料物理特性测量【技术领域】，尤其涉及一种柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]手感是消费者在选择材料时的一种非常重要的主观感受。据研究表明，包括澳洲、中国、日本在内的纺织品市场中，服装舒适感，已经成为消费者选购产品最重要的决定因素之一。材料手感的感念在1930年由Peirce首次提出，目前普遍接受的定义为人体与材料接触时发生的一种复杂的主观感受，包含热湿、变形、接触等多方面因素。而学者也对手感所包含的材料特性因素做了相当数量的研究。综合数十篇相关研究报告总结表明，材料的粗糙特性为决定材料整体手感的重要因素之一。
[0003]从1965年开始，众多研究结果表明，材料表面的特性对材料的粗糙感觉起着决定性的影响。最新的研究更将材料学、纺织力学以及神经生理学相结合，研究初步证实材料表面的凹凸几何特性，会显著影响刺激位于人体皮肤表层的粗糙感神经元。柔性材料，特别是应用在纺织服装领域的柔性材料，因其结构特征，其表面特性在经纬双方向上往往有着显著性的差别。因此研究材料表面几何特性以及表面摩擦力特性的快速经纬双方向同步测量方法对产品开发者，以及终端用户对纺织材料、纺织品的选择有着现实的意义。
[0004]材料表面粗糙度的测量是一个传统的研究领域，已经有了很多有先有成果。专利申请号87101225.1报道了一种利用的“核一带比”的方法进行测量的技术；申请号92102709.5介绍了利用电容或容抗来实现传感测量粗糙度的方法；申请号92106604.X更使用了图像处理技术实现零件边缘轮廓坐标点及粗糙度等多个参数。尽管针对材料表面特性的检测方法有如在CN200610027824.3的发明专利中提及的光学测试方法的介绍，也存在如日本织物风格测试仪(KES)等测试织物表面特性的测试仪器。但对比传统的柔性材料表面几何特性以及表面摩擦力特性的测量方法，都是对材料在水平移动的过程中，通过相关的测量装置以及信号采集装置对材料表面特性相关的物理参数(如表面摩擦力平均值，表面几何高度标准差等)进行测量，从而描述材料的表面几何特性和(或)表面摩擦力特性。但是现有的测量方法报道都是对材料在某个单水平方向上的表面几何特性和(或)表面摩擦力特性的测量。缺少一种能够快速对材料的表面几何特性以及表面摩擦力特性同时测量的检测方法。多次重复测量既存在时间、成本、人力上的浪费，又可能因操作的误差而影响测试的准确性。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供一种快速便捷、可以进行经纬双向综合测量的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统及方法。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，包括:[0007]双向移动牵引装置，所述双向移动牵引装置包括用于夹带试样做匀速下降运动的上盘和下盘；所述试样包括方形夹持部及所述方形夹持部至少一边向外延长形成的矩形延长部；所述上盘和下盘夹带所述方形夹持部；
[0008]试样测试平台，每个所述矩形延长部分别置于一个所述试样测试平台上，每个试样测试平台分别设置有用于测量所述试样表面几何高度的表面几何高度测量装置、用于测量所述试样表面摩擦力的表面摩擦力测量装置及用于防止所述试样尾端翘起的滚轴舒展结构，所述滚轴舒展结构对所述矩形延长部的末端进行压平；
[0009]控制单元，所述控制单元分别与所述双向移动牵引装置、表面几何高度测量装置与表面摩擦力测量装置通信连接；以及
[0010]数据分析处理模块。
[0011]在本发明所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统中，所述表面几何高度测量装置包括第一支架、第一探测器及位移传感器，所述第一探测器安装在所述第一支架上，且下端与所述矩形延长部贴合；
[0012]所述位移传感器位于所述第一探测器正上方，所述位移传感器用于检测与所述第一探测器的距离变化。
[0013]在本发明所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统中，所述第一探测器为针型探测器，所述第一探测器下端安装有探头，所述探头为球型或U型。
[0014]在本发明所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统中，所述表面摩擦力测量装置包括第二支架、第二探测器及机械力学传感器，所述第二探测器安装在所述第二支架上，且下端与所述矩形延长部接触，所述第二探测器在水平方向上与所述第二支架转动连接；
[0015]所述机械力学传感器安装在所述第二支架的尾端，用于测量所述第二探头所受的摩擦力。
[0016]在本发明所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统中，所述第二探测器下端安装有探头，所述探头为矩形。
[0017]在本发明所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统中，所述试样为“L”型试样，所述试样包括一个方形夹持部及所述方形夹持部相邻两边分别向外延长形成的两个所述矩形延长部，两个所述矩形延长部分别放在经向设置和纬向设置的两个试样测试平台上。
[0018]在本发明所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统中，所述试样为十字型试样，所述试样包括一个方形夹持部及所述方形夹持部四边分别向外延长形成的四个所述矩形延长部，四个所述矩形延长部分别放在两两相对设置的四个试样测试平台上。
[0019]本发明还提供一种柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量方法，该方法包括:
[0020]S1、将试样的方形夹持部水平置放在下盘上，使试样的矩形延长部放在试样测试平台上，控制上盘逐渐下降，夹带所述试样与下盘一起垂直下降运动，滚轴舒展结构对所述矩形延长部的末端进行压平；
[0021]S2、表面几何高度测量装置对试样表面几何高度进行测量，表面摩擦力测量装置对所述试样表面摩擦力进行测量；
[0022]S3、根据所述表面几何高度测量装置及表面摩擦力测量装置测量的数据计算表面高度凹凸基准值及表面摩擦力平均值。
[0023]在本发明所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量方法中，所述步骤S3还包括以下步骤:所述数据分析处理模块实时绘制试样表面高度及试样表面摩擦力随试样测试位移变化的曲线。
[0024]在本发明所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量方法中，所述步骤S3之后还包括以下步骤:
[0025]S4、根据所述双向移动牵引装置运动的时间获得下降距离，检查下降距离是否达到预设最大下降距离；如果是，双向移动牵引装置就停止向下运动，并回复初始状态，否则继续向下运动。
[0026]本发明的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统及方法具有以下有益效果:本发明的测试快速便捷，能够为制造商和消费者解决业内缺少对材料表面几何特性以及摩擦力特性进行经纬双向综合测量方法的难题。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0028]图1是本发明的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统的结构示意图
[0029]图2是滚轴舒展结构的结构示意图；
[0030]图3是试样测试平台的结构示意图；
[0031]图4是本发明的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量方法一个具体实施例的流程图；
[0032]图5是表面几何特性测试中典型的几何高度曲线图；
[0033]图6是表面摩擦特性测试中典型的摩擦力曲线图；
[0034]图7是实施例1中测试结果表面几何特性曲线图；
[0035]图8是实施例1中测试结果表面摩擦力特性曲线图；
[0036]图9是实施例2中测试结果表面几何特性曲线图；
[0037]图10是实施例2中测试结果表面摩擦力特性曲线图；
[0038]图11是实施例3中测试结果表面几何特性曲线图；
[0039]图12是实施例3中测试结果表面摩擦力特性曲线图；
【具体实施方式】
[0040]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0041]如图1所示是一种柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，该系统包括双向移动牵引装置、试样测试平台、控制单元和数据分析处理模块。
[0042]其中，双向移动牵引装置包括用于夹带试样做匀速下降运动的上盘I和下盘2 ;本发明的双向移动牵引装置受到精密的步进电机的控制使其可以在垂直方向受控移动。
[0043]试样测试平台，每个试样测试平台分别设置有用于测量试样表面几何高度的表面几何高度测量装置9、用于测量试样表面摩擦力的表面摩擦力测量装置7及用于防止试样尾端翘起的滚轴舒展结构3。
[0044]试样包括方形夹持部及方形夹持部相邻两边分别向外延长形成的矩形延长部，中央的方形夹持部的尺寸与双向移动牵引装置的夹盘(即上盘I和下盘2)尺寸相同，夹盘尺寸可以由5X5至20X20cm，优选夹盘尺寸为12cmX12cm，两边延伸形成矩形长度为20cm，宽度当然是与方向夹持部的边长相同。上盘和下盘夹带方形夹持部；每个矩形延长部分别置于一个试样测试平台上，矩形延长部的末端通过滚轴舒展结构3带动。
[0045]如图2所示，滚轴舒展结构3由一个滚轴构成，用于防止在测试过程中，因试样中央的方形夹持部下降而矩形延长部末端上翘或褶皱的情况发生。该结构可有效的确保试样在测试过程中与试样测试平台保持水平。滚轴的直径，重量以及表面螺纹特征可因应测试要求而做出调整，优选为直径为25_，重量为1kg，表面为光滑无螺纹结构的滚轮。
[0046]控制单元分别与双向移动牵引装置、表面几何高度测量装置与表面摩擦力测量装置通信连接，控制这些装置开始或停止工作。
[0047]数据分析处理模块，获取表面几何高度测量装置与表面摩擦力测量装置测得的数据并用于后续的数据分析处理，进一步的，可以根据这些数据绘制相应的曲线。
[0048]此外，系统还应该包括用于开关装置、存储单元、显示单元等，但这些并非本发明的重点，故此不必--详述。
[0049]如图3所示，表面几 何高度测量装置9包括第一支架12、第一探测器11及位移传感器13，第一探测器11安装在第一支架12上，且下端与矩形延长部贴合；位移传感器13位于第一探测器11正上方，位移传感器13用于检测与第一探测器11的距离变化。当试样经过表面几何高度测量装置时，第一探测器11将因试样表面几何高度变化而上下抖动，位移传感器13将监测接收其与第一探测器11顶端的距离变化，从而完成对试样表面几何高度的测量。多种现有的位移传感器13都可以直接引用，在本发明中优选为高精度的激光传感器。
[0050]用于接触试样的第一探测器11为探头可更换设计，第一探测器11为针型探测器，其探头可以是球型探测器、U型探测器等多种结构。优选为球形结构，且球形结构半径可根据试样的表面特性多种选择，在进行精度较高的纺织品测试时，优选为半径0.5mm的球形探头。
[0051]表面摩擦力测量装置7包括第二支架15、第二探测器14及机械力学传感器16，第二探测器14安装在第二支架15上，且下端与矩形延长部接触，第二探测器14在水平方向上与第二支架15转动连接，从而使第二探测器14与试样接触部位在测量过程中可以水平转动，以保持与试样平行；机械力学传感器16安装在第二支架15的尾端，用于测量第二探测器14所受的摩擦力，为了获得高精度压力传感，特殊设计的机械力学传感器具有S型的结构，采用应变片测量技术获得由于受压而造成的变形量。现有的应变片测量技术均可以应用于该机械力学传感器16。
[0052]第二探测器14下端安装有探头，该探头为矩形。探头试样连接端接触面面积大小，接触面表面材质性能，以及所述探头整体质量以及接触端与试样的接触状态可根据试样要求更换。探头与试样连接端接触面面积大小直接影响摩擦力测试时实际接触面积，用于纺织品测试时优选面积为lOmmxlOmm。接触面表面材质性能可为金属，塑料等刚性材质，也可设计为仿真皮肤聚合物等柔性材质，优选为摩擦系数0.15的钢材料。接触面表面纹路亦可更换，优选为多槽纹路设计，探头整体质量优选为实心钢制材料，质量为15g，即对试样表面正压力为15gf。接触端与试样的优选接触状态为无润滑标准环境湿度下干燥接触。
[0053]其中，试样一般是“L”型试样，试样包括一个方形夹持部及方形夹持部相邻两边分别向外延长形成的两个矩形延长部，两个矩形延长部分别放在经向设置和纬向设置的两个试样测试平台5、6上，于是可以同时进行两组经纬向的测量，提高了测量效率。
[0054]此外，试样也可以制作成十字型，试样包括一个方形夹持部及方形夹持部四边分别向外延长形成的四个矩形延长部，四个矩形延长部分别放在两两相对设置的四个试样测试平台上。
[0055]本发明的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量方法基于柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统来实施，该方法包括以下步骤:
[0056]S1、将试样的方形夹持部水平置放在下盘2上，使试样的矩形延长部放在试样测试平台上，控制上盘I逐渐下降，夹带试样与下盘I 一起垂直下降运动，矩形延长部的末端通过滚轴舒展结构3带动向外延伸；
[0057]S2、表面几何高度测量装置9对试样表面几何高度进行测量，表面摩擦力测量装置7对试样表面摩擦力进行测量；
[0058]S3、根据表面几何高度测量装置及表面摩擦力测量装置测量的数据计算表面高度凹凸基准值及表面摩擦力平均值。
[0059]进一步的，步骤S3还可以包括以下步骤:数据分析处理模块实时绘制试样表面高度及试样表面摩擦力随试样测试位移变化的曲线，如图5、图6所示，其中，表面高度随试样测试位移变化的曲线根据计算得到的高度凹凸基准值绘制，试样表面摩擦力随试样测试位移变化的曲线根据计算得到的表面摩擦力平均值。
[0060]其中，数据分析处理模块可单次同时分析试样的经纬双方向特性，其可计算的指标具体包括表面凹凸基准值，表面平均粗糙度，表面平均最大凸度，表面平均最大凹度，表面平均凹凸差异度，表面平均凹凸间隔度；表面静摩擦力，表面静摩擦系数，表面动摩擦力平均值，表面动摩擦力差异度，表面动摩擦功，表面平均动摩擦系数，表面动摩擦系数差异度等十多项指标。
[0061]经纬双方向的试样测试平台5、6边缘与双向移动牵引装置下盘边缘的距离均为恒定值15_。其中试样在测试前水平放置于测试平台以及双向移动牵引装置下盘上。当双向牵引系统下降时，试样在测试平台上的部分也将随之移动，其移动距离由下述公式计算得出:
[0062]X = (vt2+a2)1/2 (I)
[0063]其中V为双向移动牵引装置匀速下降速度；a为双向移动牵引装置边缘与试样测量平台边缘距离为当前测量时间。
[0064]表面几何特性指标:
[0065]1.表面凹凸基准线:在试样位移距离内，表面几何高度测量值平均值；
【权利要求】
1.一种柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，其特征在于，包括: 双向移动牵引装置，所述双向移动牵引装置包括用于夹带试样做匀速下降运动的上盘(1)和下盘(2);所述试样包括方形夹持部及所述方形夹持部相邻两边分别向外延长形成的矩形延长部；所述上盘(1)和下盘(2)夹带所述方形夹持部； 试样测试平台，每个所述矩形延长部分别置于一个所述试样测试平台上，每个试样测试平台分别设置有用于测量所述试样表面几何高度的表面几何高度测量装置(9)、用于测量所述试样表面摩擦力的表面摩擦力测量装置(7)及用于防止所述试样尾端翘起的滚轴舒展结构(3)，所述滚轴舒展结构(3)对所述矩形延长部的末端进行压平； 控制单元，所述控制单元分别与所述双向移动牵引装置、表面几何高度测量装置与表面摩擦力测量装置通信连接；以及 数据分析处理模块。
2.根据权利要求1所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，其特征在于，所述表面几何高度测量装置(9)包括第一支架(12)、第一探测器(11)及位移传感器(13)，所述第一探测器(11)安装在所述第一支架(12)上，且下端与所述矩形延长部贴合； 所述位移传感器(13 )位于所述第一探测器(11)正上方，所述位移传感器(13 )用于检测与所述第一探测器(11)的距离变化。
3.根据权利要求2所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，其特征在于，所述第一探测器(11)为针型探测器，所述第一探测器(11)下端安装有探头，所述探头为球型或U型。
4.根据权利要求1所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，其特征在于，所述表面摩擦力测量装置(7)包括第二支架(15)、第二探测器(14)及机械力学传感器(16)，所述第二探测器(14)安装在所述第二支架(15)上，且下端与所述矩形延长部接触，所述第二探测器(14)在水平方向上与所述第二支架(15)转动连接； 所述机械力学传感器(16)安装在所述第二支架(15)的尾端，用于测量所述第二探头所受的摩擦力。
5.根据权利要求4所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统,其特征在于，所述第二探测器(14)下端安装有探头，所述探头为矩形。
6.根据权利要求1所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，其特征在于，所述试样为“L”型试样，所述试样包括一个方形夹持部及所述方形夹持部相邻两边分别向外延长形成的两个所述矩形延长部，两个所述矩形延长部分别放在经向设置和纬向设置的两个试样测试平台(5、6 )上。
7.根据权利要求1所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，其特征在于，所述试样为十字型试样，所述试样包括一个方形夹持部及所述方形夹持部四边分别向外延长形成的四个所述矩形延长部，四个所述矩形延长部分别放在两两相对设置的四个试样测试平台上。
8.—种柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量方法，其特征在于，采用权利要求1~7任意一项所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量系统，该方法包括: S1、将试样的方形夹持部水平置放在下盘(2)上，使试样的矩形延长部放在试样测试平台上，控制上盘(I)逐渐下降，夹带所述试样与下盘(2)—起垂直下降运动，滚轴舒展结构对所述矩形延长部的末端进行压平；S2、表面几何高度测量装置对试样表面几何高度进行测量，表面摩擦力测量装置对所述试样表面摩擦力进行测量；S3、根据所述表面几何高度测量装置及表面摩擦力测量装置测量的数据计算表面高度凹凸基准值及表面摩擦力平均值。
9.根据权利要求8所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量方法，其特征在于，所述步骤S3还包括以下步骤:所述数据分析处理模块实时绘制试样表面高度及试样表面摩擦力随试样测试位移变化的曲线。
10.根据权利要求8所述的柔性材料的表面几何特性及表面摩擦力的测量方法，其特征在于，所述步骤S3之后还包括以下步骤:S4、根据所述双向移动牵引装置运动的时间获得下降距离，检查下降距离是否达到预设最大下降距离；如果是，双向移动牵引装置就停止向下运动，并回复初始状态，否则继续向下运动。
【文档编号】G01L5/00GK103575243SQ201210275485
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2012年8月3日
【发明者】李翼, 胡军岩, 廖骁, 吴新星, 李全海 申请人:香港纺织及成衣研发中心有限公司