专利名称：一种小尺寸细纤维张力自动测量装置及其方法
技术领域：
本发明属于纤维测量领域，尤其涉及一种高精度易实现的小尺寸细纤维张力自动 测量装置及其方法。
背景技术：
纤维张力的大小会直接影响纤维产品的各项物理、化学性能及其后加工。许多领 域的纤维的尺寸通常比较�。缜峄ち煊虻闹浇宋�、皮革纤维等，如何精确控制这些小 尺寸细纤维的拉伸并准确测量其张力，是纤维测量领域中需要不断探索和解决的问题。在 国内，目前纤维张力测量方法主要有以下这样几种一种是采用手提数字式测量仪测量，一 种是通过拉伸台进行手动拉升测量，一种是利用计算机系统进行测量。对于前两种测量方 法，因拉伸过程主要靠手动控制，测量小尺寸细纤维的张力时操作很不方便，而且其可视化 程度也比较低。而对于第三种测量方法，虽然能够实现微机控制拉伸，测量结果可视化程度 也比较高，但由于受所采用的技术的限制，对于小尺寸细纤维的张力测量存在测量精度低、 操作不方便等问题，且拉伸台体积较大，不利于借助电子显微镜或光学显微镜实现显微视 觉检测与控制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有纤维张力测量方法存在的缺陷，提供一种高精度 易实现的小尺寸细纤维张力自动测量装置及其方法，它能够实现皮革纤维、纸浆纤维等小 尺寸细纤维的自动拉升、自动检测，具有操作简便、测量准确、可视化程度高的优点，而且此 方法构成的拉伸台体积�。山柚缱酉晕⒕祷蚬庋晕⒕凳迪窒宋奈⒐哿ρР饬�。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种小尺寸细纤维张力自动测量装置，它包括纤维拉伸台，被测纤维安装在纤维拉伸 台上，纤维拉伸台设有被测纤维张力检测装置，该装置与计算机连接；同时计算机还与纤维 拉伸台的动力装置连接。所述纤维拉伸台包括夹持器，被测纤维安装在夹持器上，夹持器安装在样品座上； 样品座通过传动装置与微型步进电机连接，微型步进电机通过步进电机驱动电路通过数据 采集卡与计算机连接。所述张力检测装置包括弹性体，它与被测纤维连接，同时弹性体上还设有应变片 传感器，应变片传感器经信号放大电路也通过数据采集卡与计算机连接。一种采用小尺寸细纤维张力自动测量装置的测量方法，它的步骤为
(1)将被测纤维两端分别用夹持器固定在样品座上；
(2)计算机控制数据采集卡的开关量输出产生微秒级定时的脉冲信号，通过驱动电路 驱动微型步进电机转动，微型步进电机则通过传动装置驱动纤维拉伸台拉伸；(3)被测纤维张紧，其张力作用在粘有应变片传感器的弹性体上，弹性体受到应力发生 机械形变，应变片传感器阻值发生变化，传感器输出电压信号；
(4)在首次用于纤维测量前，通过模拟纤维拉伸过程获取纤维张力和传感器输出电压 的数据样本，利用曲线拟合算法确定纤维张力和传感器输出电压的拟合曲线；
(5)应变片传感器输出的电压信号经放大后输入到数据采集卡的模拟量输入通道，计 算机按照设定的采样周期采集电压数据，再根据张力和电压拟合曲线利用插值法确定纤维 动态张力数据；
(6)计算机屏幕实时显示张力数据并绘制其动态曲线。所述步骤(1)中被测纤维尺寸范围为长度Imm-lOmm，直径0. Iym— ΙΟΟμπι。所述步骤(2)中脉冲信号频率范围为100HZ-10kHZ。所述步骤(4)中，模拟纤维拉升过程，测得在一组既定 张力g作用下对应的传感器输出电压《，建立一组样本数据
---， (h+gM),以样本数据为分段点进行分段线性拟合，得到张
力--电压的拟合曲线。所述步骤(5)中，检测张力数据时，为消除干扰提高检测的准确性，在每个采样周 期，对检测到的电压数据进行数字滤波，即对电压信号进行m次采样，再将得到的m个采样
数据按照大小顺序排列，舍弃首尾各个较大的数据和较小的数据，然后对剩下的数据进
行算术平均得到滤波后的电压信号；滤波后，根据张力一电压拟合曲线利用插值法确定纤 维张力数据。本发明的有益效果是本发明通过软件精确控制拉伸纤维过程，并实时检测、显示 纤维的动态张力数据。具有操作简单、测量准确、可视化程度高的优点，尤其适合于皮革纤 维、纸浆纤维等小尺寸细纤维的张力自动测量。而且，根据本测量方法的构成的拉升台体积 较小，易于安放在电子显微镜或光学显微镜上，实现纤维的微观力学测量。
图1为测量装置硬件构成示意图； 图2为产生脉冲信号的软件程序流程图； 图3为高精度定时的软件程序流程图； 图4为应变电桥原理图。其中，1微型步进电机、2样品座、3夹持器、4被测纤维、5弹性体、6应变片传感器、 7数据采集卡、8计算机、9步进电机驱动电路、10信号放大电路。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1中，小尺寸细纤维张力自动测量装置包括纤维拉伸台，被测纤维4安装在纤维 拉伸台上，纤维拉伸台设有被测纤维4的张力检测装置，该装置与计算机8连接；同时计算 机8还与纤维拉伸台的动力装置连接。纤维拉伸台包括夹持器3，被测纤维4安装在夹持器3上，夹持器3安装在样品座2上；样品座2通过传动装置与微型步进电机1连接，微型步进电机1的步进电机驱动电路 9通过数据采集卡7与计算机8连接。张力检测装置包括弹性体5，它与被测纤维4连接，同时弹性体5上还设有应变片 传感器6，应变片传感器6通过信号放大电路10通过数据采集卡7与计算机8连接。本发明的测量方法为
(1)如图1所示，被测纤维4两端分别用夹持器3固定在样品座2上；
(2)由计算机首先判断是否要产生脉冲信号，如果是，则根据拉伸速度或脉冲频率设置 定时间隔，再利用计算机实现高精度定时，当定时间隔到，则将数据采集卡7的开关量输出 DoutO取反。这样，DoutO将按照一定的时间间隔交替输出高电平和低电平，形成脉冲信号。 图2是产生进给脉冲信号的程序流程图，其中高精度定时的程序流程图如图3所示。脉冲 信号输入到步进电机驱动电路9，微型步进电机1转动后，由机械传动机构进行减速并将转 动转换为平动，牵引样品座2运动拉伸被测纤维4 ；
(3)被测纤维4的张力作用于弹性体5上，弹性体5上的电阻应变片传感器6构成应变 电桥，用于将被测纤维4的张力转换为电压信号。应变电桥原理图如图4所示，其中，R1^R4
为应变片电阻，U为输入参考电压，输出电压为Mf = i^^~-^^-U。当被测纤维
I R1 + i 4 + R^ ！
4松弛时，张力为零，电桥平衡，AU = O ；当被测纤维4张紧时，张力不为零，弹性体5受应 力发生机械形变，电阻应变片也随之发生形变，其阻值发生变化致使应变电桥不平衡，输出 电压AU本O,其值随被测纤维4张力大小发生变化；
(4)系统首次用于被测纤维4张力测量时，采用曲线拟合算法确定被测纤维 张力和传感器输出电压的关系曲线。其过程是模拟被测纤维4拉升过程，测得 在一组既定张力g作用下对应的应变片传感器6输出电压《，建立一组样本数据
( 诚)’ =( ^Sh),以样本数据为分段点进行分段线性拟合，得到张
力一电压的拟合曲线；
(5)应变片传感器6输出的电压信号经信号放大电路10放大后输入到数据采集卡7的 模拟量输入通道，计算机8按照设定的采样周期采集电压数据。为消除干扰提高检测的准 确性，在每个采样周期，对检测到的电压数据进行数字滤波，即对电压信号进m次采样，再
将得到的m个采样数据按照大小顺序排列，舍弃首尾各个较大的数据和较小的数据，然
后对剩下的数据进行算术平均得到滤波后的电压信号。滤波后，根据张力一电压拟合曲线 利用插值法确定纤维张力数据；
(6)计算机屏幕实时显示张力数据并绘制其动态曲线。
权利要求
一种小尺寸细纤维张力自动测量装置，其特征是，它包括纤维拉伸台，被测纤维安装在纤维拉伸台上，纤维拉伸台设有被测纤维张力检测装置，该装置与计算机连接；同时计算机还与纤维拉伸台的动力装置连接。
2.如权利要求1所述的小尺寸细纤维张力自动测量装置，其特征是，所述纤维拉伸台 包括夹持器，被测纤维安装在夹持器上，夹持器安装在样品座上；样品座通过传动装置与微 型步进电机连接，微型步进电机通过步进电机驱动电路通过数据采集卡与计算机连接。
3.如权利要求1所述的小尺寸细纤维张力自动测量装置，其特征是，所述张力检测装 置包括弹性体，它与被测纤维连接，同时弹性体上还设有应变片传感器，应变片传感器也通 过信号放大电路通过数据采集卡与计算机连接。
4.一种采用权利要求1所述的小尺寸细纤维张力自动测量装置的测量方法，其特征 是，它的步骤为(1)将被测纤维两端分别用夹持器固定在样品座上；(2)计算机控制数据采集卡的开关量输出产生微秒级定时的脉冲信号，通过驱动电路 驱动微型步进电机转动，微型步进电机则通过传动装置驱动纤维拉伸台拉伸；(3)被测纤维张紧，其张力作用在粘有应变片传感器的弹性体上，弹性体受到应力发生 机械形变，应变片传感器阻值发生变化，传感器输出电压信号；(4)在首次用于纤维测量前，通过模拟纤维拉伸过程获取纤维张力和传感器输出电压 的数据样本，利用曲线拟合算法确定纤维张力和传感器输出电压的拟合曲线；(5)应变片传感器输出的电压信号经放大电路放大后输入到数据采集卡的模拟量输入 通道，计算机按照设定的采样周期采集电压数据，再根据张力一电压拟合曲线利用插值法 确定纤维动态张力数据；(6)计算机屏幕实时显示张力数据并绘制其动态曲线。
5.如权利要求4所述的小尺寸细纤维张力自动测量装置的测量方法，其特征是，所述 步骤(1)中被测纤维尺寸范围为长度Imm-lOmm，直径0. Iym— ΙΟΟμπι。
6.如权利要求4所述的小尺寸细纤维张力自动测量装置的测量方法，其特征是，所述 步骤(2)中脉冲信号频率范围为100Ηζ-10ΚΗζ。
7.如权利要求4所述的小尺寸细纤维张力自动测量装置的测 量方法，其特征是，所述步骤(4)中，模拟纤维拉升过程，测得在一组 既定张力g作用下对应的传感器输出电压《，建立一组样本数据(%=a).以样本数据为分段点进行分段线性拟合，得到张力--电压的拟合曲线。
8.如权利要求4所述的小尺寸细纤维张力自动测量装置的测量方法，其特征是，所述 步骤(5)中，检测张力数据时，为消除干扰提高检测的准确性，在每个采样周期，对检测到的 电压数据进行数字滤波，即对电压信号进行m次采样，再将得到的m个采样数据按照大小顺序排列，舍弃首尾各个较大的数据和较小的数据，然后对剩下的数据进行算术平均得到滤波后的电压信号；滤波后，根据张力一电压拟合曲线利用插值法确定纤维张力数据。
全文摘要
本发明涉及一种小尺寸细纤维张力自动测量装置及其方法。它能够实现皮革纤维、纸浆纤维等小尺寸细纤维的自动拉升、自动检测，具有操作简便、测量准确、可视化程度高的优点，而且此方法构成的拉伸台体积�。山柚缱酉晕⒕祷蚬庋晕⒕凳迪值奈⒐哿ρР饬�。它包括纤维拉伸台，被测纤维安装在纤维拉伸台上，纤维拉伸台设有被测纤维张力检测装置，该装置与计算机连接；同时计算机还与纤维拉伸台的动力装置连接。
文档编号G01L5/10GK101886960SQ201010218618
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月6日 优先权日2010年7月6日
发明者张磊, 李天铎, 王晓芳, 许静, 邱书波 申请人:山东轻工业学院
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