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服装面料及纺织品力学性能的检测及仪器


一、引言

随着生活水平的提高,消费者对服装、家用纺织品及各类生活用品的要求,已把关注点从耐用为主要要求逐步转换为美观、环保等。但“皮之不存,毛将焉附”,无论何种材料(或产品),若没有足够的强力,其它性能都无法体现。为此,对服装面料的力学性能的检测不但没有放松,反而越来越受各种服装及辅料生产企业的重视,并且随着纺织品应用范围的不断扩大,测试方法也变得多样化。

二、现代概念材料试验机的派生

我公司生产研发纺织品及服装检测仪器多年,结合本人对强力机的理解,特作如下阐述,请各位专家、老师批评指正。

现代概念的材料试验机开始于1946年,由麻省理工学院两位在校研究生发明。此前杜邦公司应美国军方要求,开发成功尼龙66,以期取代丝绸制成的降落伞,但其力学性能到底与丝绸有多大差距呢?为此急需新的测试手段。因为此前的测试机的根本原理都是杠杆式,无法全面反映材料的应力与应变之间的关系。

三、电子材料试验机的基本原理

3.1 纺织材料的力学性能

纺织材料的力学性能包括强力和伸长两方面,其性能与其它组成的基本单元---纤维的力学性能密不可分,天然麻纤维的伸长较小,其制成品较刚硬;而羊毛伸长大,其制成品较柔软;化学纤维的强力与伸长可在加工过程中控制。除基本的拉伸断裂特性外,它们在外力作用下的变形回复能力,也决定了纺织品的应用范围及使用寿命,为此,需要测定纺织材料及其制成品的断裂强力、反复拉伸特性及蠕变等。

3.2 纺织用材料试验机的基本原理:

纺织材料在电机及传动结构的作用(拉伸、压缩、变曲等)下,产生变形并给传感器施加相等的力,使传感器产生微量变形,从而转换成电信号(基于电阻应变片等传感器),交由后级的模拟--数字变换器转换成中央处理单元可识别的数字信号,并显示或打印出测试结果。

3.3 传感器:

传感器用来将力转变为电信号,可分为电阻式、电感式等。由于在称重、天平等各行业的大量采用,现今的传感器已形成大批量、多厂家的生产格局。故生产整套测试仪器厂家不约而同的采用成品传感器。

3.4 中央处理单元:

如图一所示,在测试机的统一的系统内,中央处理器(以单片机为主)是核心器件,以下几方面决定了测试机的性能。

a. 由于整机内存在大量的电子元器件、电机、驱动器等元件,再加上外部电源的电躁音等都有可能形成干扰,使其紊乱、死机或出错。此项指标主要取决于芯片厂商技术力量,仪器厂家主要在器件选型、应用电路的设计及汇编语言的设计上加以避免(如看门狗的设计)。

b. 随着测试快速化、多样化的发展,完成测试所要处理的数据量(如强力、伸长等)越来越大,现在国外先进厂家已有选用32位单片机的新型产品,国内仍以8位机为主。

c. 与计算机的兼容能力:

随着个人计算机(PC机)的广泛应用,其信息处理量大、操作方便等特点不言而喻,各仪器厂商均开发了PC机的联接技术,其可靠性主要取决于单片机的兼容性。

3.5 电机及其驱动系统:

a. 电机响应时间

该部分是整机的“心脏”系统,决定其测试范围及长期运行可靠性,如要求将某一试样拉伸至屈服点附近,并保持在该负荷下若干时间以后,再测算材料的变形或内部结构的变化,此时要求驱动器—电机能在△t时间内完成一次从静止到拉伸再停止的过程,△t即为驱动系统的响应时间,该值越小,则整机越能轻松完成较复杂的测试过程(如蠕变、定负荷、反复定负荷循环拉伸)。

b. 速比范围

速度范围指驱动器-电机系统能完成的较大速度与较小速度的比值,此值越大越能体现测试机的适用广泛性。

c. 多种保护

由于使用环境(温度、湿度、电源、操作人员素质)不同,要求驱动器-电机系统具有较好的过压、过流、冲位等多重保护功能,以保证整机的长期耐用。

d. 发展过程

大多仪器厂家根据不同的电机设计如交流异步、直流、步进、变频、直流伺服、交流伺服等,可通过以上几项技术指标分辩各仪器性能的优劣。

3.6 应变(位移)测量

大部分纺织品的力伸长比较小,故常规强力机均以夹具钳口位移来代替试样变形量,但对于如芳纶制品、玻璃纤维、陶瓷及其它高模量纤维制品等小变形材料来说,不能忽略钳内材料的变形,故对试样变形的测量通常选取其被握持的中间区域(这就是“牵伸器”的测试原理)。

3.7 输入输出系统

因早期面对的测试任务较简单(如断裂强力、断裂伸长等),故显示方式采用LED为主流,但随着测试范围的扩大及测试要求的提高,LED的表达能力远不能胜任,故在主机外挂接绘图仪或打印机给出测试结果。测试过程所需相关参数,在开始测试前预先以代码形式通过拔段开关输入,操作过程相当烦琐,故障率较高(任一误设定、任一器件故障均会出错或无法测试)。随之而发展的蓝屏及触摸屏(俗称人机界面)等的应用则大大减小故障隐患,并简化操作。

近年来,由于计算机的广泛应用,出现了下挂计算机进行数据输出(如测试报告、强伸曲线)与参数输入,从而大大方便简化操作过程。

四、电子材料试验机的现状及发展方向

国外大多数仪器制造商已普遍实现了三闭环(即应力、应变、位移)控制技术,而国内厂家,甚至是一些纺织仪器老厂,连应力闭环控制也很难做到,倒是某些新生的纺仪企业的起点较高,

实现了其中之一或两项,但大势所趋,谁占领技术优势,谁就可能会被市场看好。


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