一种多功能智能化束纤维强力仪及其测量方法与用途与流程

本发明涉及一种多功能智能化束纤维强力仪及其测量方法与用途，属于纺织精密计量仪器技术领域。

背景技术：

纤维强力更为确切的说是纤维的拉伸行为，一直是考核纤维实用性和可靠性的重要指标，也是决定纤维制品最终强度的重要依据之一，在工业生产、科学研究和商业检验方面都要测试纤维强力。与单纤维强力测试相比，束纤维强力测试是一种快速、方便的纤维强力测试方法。它具有离散度小、试验次数少、提供信息量多、更接近最终纺织品特征等优点，而且依据束纤维强伸性曲线，可以求出单纤维的拉伸性质和断裂分布特征，因此，其在纤维强力测试方面具有不可忽视的重要意义。

尽管相对单纤维而言，束纤维在拉伸测量中要快速简单，但是平行、伸直、均匀层厚的束纤维试样的制备是手工进行的，束纤维是否被平行、伸直、有效地夹持是无保障的，拉伸断裂时单纤维强度分布的测量是无法完成的。就连单纤维的断裂伸长率分布也仅是理论上的求解，没有实测，因此这三点成为束纤维测量所回避的难题。

目前，国内外的束纤维强力仪主要有两大类：一类是机械式的，另一类是电子式的。机械式的主要有卜氏束强仪、stelometer束强仪、y162束强仪，其主要存在的问题是制样较为麻烦，因测力为机械式原理，存在摩擦误差和惯性误差，测试结果偏差较大不够精确的问题，而且器容易使合成纤维打滑，不适用于合成纤维束的测试。电子式的束纤维强力仪主要有澳大利亚csiro上世纪80年代研制的sirolan-tensor、美国的hvi系统、textechno公司的fibrotest系统、长岭纺机的xj120快速棉纤维性能测试仪四种，其中sirolan-tensor因器和制样方式只适用于羊毛；其他三种都仅适用于棉纤维。但这些方法和装置或仪器与本发明在结构、原理、功能上均不同。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于各类纤维，能够快速、准确、多指标地评价纤维的力学性能的仪器，采用该仪器的测试方法及用途。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种多功能智能化束纤维强力仪，其特征在于，包括执行实际测量的硬件系统、对硬件系统进行实测控制和数据采集的控制主机、向硬件系统提供指令与完成运算的计算机：

所述硬件系统包括定夹测力机构、动夹位移机构、梳理机构、切割机构、气动系统、声测量装置、ccd成像系统和称重机构，其中：

定夹测力机构及动夹位移机构在气动系统的驱动下将待测量的纤维束两端夹持住，梳理机构用于将被定夹测力机构及动夹位移机构夹持住的纤维束梳理成平行伸直的纤维束，动夹位移机构产生位移后，平行伸直的纤维束被夹持拉伸至断裂，在此过程中：

由定夹测力机构测量纤维束的拉伸力；

由动夹位移机构测量纤维束的位移；

由声测量装置测量纤维束拉断过程的各纤维发出的断裂脉冲声谱曲线；

由ccd成像系统观测纤维束的断裂过程及最终束纤维头谱像；

由切割机构分别将断裂后的两段纤维束切下，并由称重机构称重，从而得到该纤维束的比应力—应变曲线。

优选地，所述定夹测力机构采用杠杆原理测量纤维束的拉伸力，包括简支梁，简支梁上部设有位置固定的左下夹及可上下移动的左上夹，带有左夹气门的左气缸控制左上夹向下移动从而与左下夹相配合将所述纤维束的一端加压夹持在左上夹与左下夹之间，简支梁中部设有支架，简支梁可绕支架转动，简支梁下部设有连杆，连杆上设有力传感器。

优选地，所述动夹位移机构包括移动支架，移动支架上部设有位置固定的右下夹及可上下移动的右上夹，带有右夹气门的右气缸控制右上夹向下移动从而与右下夹相配合将所述纤维束的另一端加压夹持在右上夹与右下夹之间，移动支架下部与移动螺母相连，移动螺母套设在移动螺杆上，由移动步进电机驱动移动螺杆转动。

优选地，所述梳理机构包括用于梳理束纤维的上下梳片，上下梳片分别与上下夹片相连，上下梳片固定在梳片架上，梳片握持步进电机通过梳片螺杆控制上下梳片开启闭合，梳片进出步进电机通过进出螺杆控制上下梳片进出，梳理步进电机通过梳理螺杆控制梳片架移动从而进行梳理运动。

优选地，所述切割机构有两套，两套切割机构分别用于将断裂后的纤维束的左右两端纤维切割下来，每套切割机构包括动夹块及位于动夹块下方的定夹块，定夹块固定在左下夹或右下夹上，由带有切割气门的切割气缸通过推杆推动动夹块上下运动，推杆外套有弹簧，切刀通过固刀螺杆与推杆相连，切刀位于动夹块的侧边。

优选地，所述气动系统包括气压泵，气压泵经由调节输送气压大小的压力调节器与可手动控制输送气压以使夹具运动的左夹电磁阀、右夹电磁阀相连，同时，包括气压泵经由减压阀与可手动控制输送气压以使切刀运动的左切割电磁阀、右切割电磁阀相连。

优选地，所述声测量装置包括单向电容式微麦克风、安装在纤维拉伸区和微麦克风外面的上隔音罩和下隔音罩；

所述ccd成像机构包括自带光源的ccd摄像头，ccd摄像头设于可做三轴移动的移动架上，且ccd摄像头通过输出线与所述控制主机相连；

所述称重机构包括放置在位于左侧的所述切割机构下方的左吸槽及放置在位于右侧的所述切割机构下方的右吸槽，左吸槽及右吸槽分别经由左输送管及右输送管与称重盘相连通，称重传感器连接称重盘，称重盘还与清洁吸管相连通。

优选地，所述控制主机包括力采集模块、成像模块、声测量模块、称重模块、驱动模块、气动模块、控制模块，力采集模块、成像模块、声测量模块、称重模块、驱动模块、气动模块、控制模块与带有计算程序、显示程序、信息存储、管理程序的控制主机相连。

本发明的另一个技术方案是提供了一种束纤维测量方法，其特征在于，采用上述的多功能智能化束纤维强力仪，包括以下步骤：

待测量的纤维束两端分别被定夹测力机构及动夹位移机构夹持住，梳理机构用于将被定夹测力机构及动夹位移机构夹持住的纤维束梳理成平行伸直的纤维束，动夹位移机构产生位移后，平行伸直的纤维束被夹持拉伸至断裂，在此过程中：由定夹测力机构测量纤维束的拉伸力；由动夹位移机构测量纤维束的位移；由声测量装置测量纤维束拉断过程的各纤维发出的断裂脉冲声谱曲线；由ccd成像系统观测纤维束的断裂过程及最终束纤维头谱像；由切割机构分别将断裂后的两段纤维束切下，并由称重机构称重，从而得到该纤维束的比应力—应变曲线，计算机由此给出拉伸性能的各指标，然后通过计算机的运算，得到单纤性维断裂应力应变分布曲线；或与声测量结果结合求出断裂应力分布曲线；或与ccd成像结果结合得到力值与纤维断裂回缩形态的关系；或与称量结果和脉冲数结合得到纤维的平均线密度值。

优选地，所述多功能智能化束纤维强力仪用于纺织纤维的拉伸力学性质的快速、精准、多指标测量，或用于纱线、织物或高聚物膜的拉伸性质测量。

本发明通过设计适用于各类纤维有效的机构，通过高精度的拉力传感器和位移驱动系统，配合辅助的自动等张力梳理系统，以及自动切断称重系统、ccd高速摄像检测系统、声测量系统，实现了从制样到数据输出完全自动化的测量，并通过ccd图像、断裂声信号等原位测量获取纤维束中单纤维的断裂强力及其分布。

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)由于试样准备的自动化、测量的多功能化、适用所得结果的组合求解计算，使本发明的束纤维强力仪具有智能化的特征，故简称为智能束强仪；(b)由于采用纤维断裂声的测量，可以点数在不同拉伸伸长率对应单纤维断裂根数，故可以直接计算得到在此时刻的断裂纤维的拉伸强度，进而得到学术界一直无法的束强曲线得出单纤维强度分布的难题；(c)由于是精准的点数了纤维根数，故可以更为准确的得到纤维断裂伸长率(或应变)的分布，而无需假设计算；(d)由于测量中能自动、原样地测量到被拉纤维束的质量，故可以准确地给出被拉纤维束的相对强度(比应力或应力)值，以及比应力—应变曲线，进而可以方便地求出纤维的模量、断裂强度、断裂伸长率、断裂比功；单纤维断裂伸长率分布、断裂强度分布；(e)由于有ccd成像系统，可以实时地观察拉伸纤维束时的断裂回缩与纠缠以及最终断裂端的纠缠回缩特征，故可以给出纤维弱节整齐断裂或回弹收缩的评价。

附图说明

图1是多功能自动化束纤维强力仪结构主视图；

图2是相对于图1中另外一种切割机构的设计方式，即将切割机构由左右夹头外侧移至内侧。两种位置均可实际操作，内侧切割后可无需打开夹头进行自动称样，而外侧切割是手动称样；

图3是多功能自动化束纤维强力仪结构俯视图；

图4是多功能自动化束纤维强力仪结构计算机程序控制与数据处理线路图；

图5是多功能自动化束纤维强力仪记录的应力-应变曲线；

图6是多功能自动化束纤维强力仪记录的声脉冲曲线；

图7是根据声脉冲曲线和应力应变曲线求出来的羊毛束纤维断裂应力分布曲线；

图8是毛纤维断裂端图像。

图中：

1-定夹测力机构，其包括：1-1左上夹；1-2左下夹；1-3左气缸；1-4左夹气门；1-5简支梁；1-6支架；1-7力传感器；1-8连杆；1-9平衡重锤；

2-动夹位移机构，其包括：2-1右上夹；2-2右下夹；2-3右气缸；2-4右夹气门；2-5移动支架；2-6移动螺母；2-7移动螺杆；2-8移动步进电机；2-9动夹导轨；

3-梳理机构，其包括：3-1上下梳片；3-2上下夹片；3-3梳片架；3-4梳片握持步进电机；3-5梳片螺杆3-6梳理步进电机；3-7梳理螺杆；3-8梳片进出步进电机；3-9进出螺杆；

4-切割机构，其包括：4-1切割气缸；4-2动夹块；4-3定夹块；4-4弹簧；4-5切刀；4-6固刀连杆(移动可固定位置切割)；4-7切割气门；

5-气动系统，其包括：5-1气压泵；5-2压力调节器；5-3左夹电磁阀；5-4右夹电磁阀；5-5减压阀；5-6左切割电磁阀；5-7右切割电磁阀；5-8连接气管

声测量装置，其包括：6-1微麦克风；6-2上隔音罩；6-3下隔音罩

ccd成像系统，其包括：7-1ccd摄像头(自带光源)7-2输出线；7-3移动架(可作3轴移动，完成定位观察如放大，不同位置的观察)；

称重机构，其包括：8-1左吸槽；8-2左输送管；8-3称重盘；8-4右吸槽；8-5右输送管；8-6称重传感器；8-7清洁吸管

计算机控制与数据处理系统，其包括：9-1力采集模块；9-2称重模块；9-3气动模块；9-4成像模块；9-5声测量模块；9-6驱动模块；9-7其他控制模块；计算机(计算程序、界面显示程序、信息存储管理程序)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以下实施例均采用了一种多功能智能化束纤维强力仪包括执行实际测量的硬件系统、对硬件系统进行实测控制和数据采集的控制主机、向硬件系统提供指令与完成运算的计算机。

硬件系统包括定夹测力机构1、动夹位移机构2、梳理机构3、切割机构4、气动系统5、声测量装置、ccd成像系统和称重机构，其中：

定夹测力机构1及动夹位移机构2在气动系统5的驱动下将待测量的纤维束两端夹持住，梳理机构3用于将被定夹测力机构1及动夹位移机构2夹持住的纤维束梳理成平行伸直的纤维束，动夹位移机构2产生位移后，平行伸直的纤维束被夹持拉伸至断裂，在此过程中；由定夹测力机构1测量纤维束的拉伸力；由动夹位移机构2测量纤维束的位移；由声测量装置测量纤维束拉断过程的各纤维发出的断裂脉冲声谱曲线；由ccd成像系统观测纤维束的断裂过程及最终束纤维头谱像；由切割机构4分别将断裂后的两段纤维束切下，并由称重机构称重，从而得到该纤维束的比应力—应变曲线。

定夹测力机构1采用杠杆原理测量纤维束的拉伸力，包括简支梁1-5，简支梁1-5上部设有位置固定的左下夹1-2及可上下移动的左上夹1-1，带有左夹气门1-4的左气缸1-3控制左上夹1-1向下移动从而与左下夹1-2相配合将所述纤维束的一端加压夹持在左上夹1-1与左下夹1-2之间，简支梁1-5中部设有支架1-6，简支梁1-5可绕支架1-6转动，简支梁1-5下部设有连杆1-8，连杆1-8上设有力传感器1-7。

动夹位移机构2包括移动支架2-5，移动支架2-5上部设有位置固定的右下夹2-2及可上下移动的右上夹2-1，带有右夹气门2-4的右气缸2-3控制右上夹2-1向下移动从而与右下夹2-2相配合将所述纤维束的另一端加压夹持在右上夹2-1与右下夹2-2之间，移动支架2-5下部与移动螺母2-6相连，移动螺母2-6套设在移动螺杆2-7上，由移动步进电机2-8驱动移动螺杆2-7转动。

梳理机构3包括用于梳理束纤维的上下梳片3-1，上下梳片3-1分别与上下夹片3-2相连，上下梳片3-1固定在梳片架3-3上，梳片握持步进电机3-4通过梳片螺杆3-5控制上下梳片3-1开启闭合，梳片进出步进电机3-8通过进出螺杆3-9控制上下梳片3-1进出，梳理步进电机3-6通过梳理螺杆3-7控制梳片架3-3移动从而进行梳理运动。

切割机构4有两套，两套切割机构4分别用于将断裂后的纤维束的左右两端纤维切割下来，每套切割机构4包括动夹块4-2及位于动夹块4-2下方的定夹块4-3，定夹块4-3固定在左下夹1-2或右下夹2-2上，由带有切割气门4-7的切割气缸4-1通过推杆推动动夹块4-2上下运动，推杆外套有弹簧4-4，切刀4-5通过固刀螺杆4-6与推杆相连，切刀4-5位于动夹块4-2的侧边。

气动系统5包括气压泵5-1，气压泵5-1经由调节输送气压大小的压力调节器5-2与可手动控制输送气压以使夹具运动的左夹电磁阀5-3、右夹电磁阀5-4相连，同时，包括气压泵5-1经由减压阀5-5与可手动控制输送气压以使切刀运动的左切割电磁阀5-6、右切割电磁阀5-7相连。

声测量装置包括单向电容式微麦克风6-1、安装在纤维拉伸区和微麦克风6-1外面的上隔音罩6-2和下隔音罩6-3；

ccd成像机构包括自带光源的ccd摄像头7-1，ccd摄像头7-1设于可做三轴移动的移动架7-3上，且ccd摄像头7-1通过输出线7-2与所述控制主机相连；

称重机构包括放置在位于左侧的所述切割机构4下方的左吸槽8-1及放置在位于右侧的所述切割机构4下方的右吸槽8-4，左吸槽8-1及右吸槽8-4分别经由左输送管8-2及右输送管8-5与称重盘8-3相连通，称重传感器8-6连接称重盘8-3，称重盘8-3还与清洁吸管8-7相连通。

控制主机包括力采集模块9-1、成像模块9-2、声测量模块9-3、称重模块9-4、驱动模块9-5、气动模块9-6、控制模块9-7，力采集模块9-1、成像模块9-2、声测量模块9-3、称重模块9-4、驱动模块9-5、气动模块9-6、控制模块9-7与带有计算程序、显示程序、信息存储、管理程序的控制主机相连。

实施例1-4中的原材料及设备为国家重点研发计划(2016yfc0802802)资助项目。

实施例1：纤维

采用本发明新型智能束纤维强力仪infibtensor，其结构如图1所示。所有控制均通过电脑界面操作。首先初始化电机设定好测试隔距，打开ccd摄像头7-1自带光源，调整好其摄像位置，然后打开夹具1-1、1-2、2-1、2-2，将束纤维平放排列于定夹块4-3上，再同时闭合左右夹具固定好束纤维。启动自动梳理程序，梳理机构3自动对束纤维进行两遍梳理。然后吸风系统启动，左吸槽8-1和右吸槽8-4开始吸风，同时两端切刀4-5从定夹块4-3和夹头之间将纤维切断，切断的纤维随之被分别吸入左吸槽8-1和右吸槽8-4中，随之通过左输送管8-2和右输送管8-5被收集到称重盘8-3中进行称重。启动测量程序，此时动夹位移机构2、ccd成像系统7、声测量装置6同时开始工作。移动步进电机2-8通过移动螺杆2-7和移动螺母2-6带动动夹位移机构2向右运动对束纤维进行拉伸，微麦克风6-1对拉伸过程中的声音进行记录并通过电脑自动分析，ccd摄像头7-1记录束纤维拉伸断裂全过程图像。

实施例1采用精梳羊毛66支(2114μm)测试，拉伸速度为10mm/min，距离为10mm。实验的环境条件：温度为20℃，相对湿度为65％。

拉伸性能的各指标见表1所列。所测得的束纤维的比应力—应变曲线、声脉冲图像和纤维断裂段端ccd成像结果等见图4、图5、图6。

实施例2：纱线

试样选用涤纶65/棉35纱线测试，拉伸速度500mm/min，距离500mm。实验的环境条件：温度为20℃，相对湿度为65％。

实施例3：织物

试样选用亚麻纱罗纹织物进行径向拉伸，织物尺寸200mm×50mm，拉伸速度10mm/min，距离100mm。实验的环境条件：温度为20℃，相对湿度为65％。

实施例4：膜材料

试样选用pvc膜结构材料，基布为聚酯纤维，双面采用pvc树脂涂层，涂层外面再涂覆一层聚丙烯酸树脂。试样大小为150mm×25mm；距离为75mm，拉伸速度为50mm/min。实验的环境条件：温度为20℃，相对湿度为65％。

实施例2～4所选取的试样分为涤纶65/棉35纱线、芳纶1313/棉混纺织物、pvc膜材料，采用本专利的测试仪，其结构如图1所示。具体步骤除无需启动自动梳理机构进行梳理外，其余操作同实施例1。

实施例1～4拉伸测试具体实验结果见表1所列。

表1infibtensor拉伸性能的各指标表