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CN109540797B - 纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置与方法 - Google Patents

纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纤维束断裂形态与取向度反射式测量装置与方法及用途。该测量装置是可直接安装于束纤维测力仪上，对束纤维拉伸断裂后断裂端轮廓及纤维取向度进行测量的测量系统，其包括高分辨率的广角镜、高系数CCD摄像头、点阵排列的LED光源、可上下精确定位的聚焦放大摄像台、可左右精确水平移动的平移机构；还包括束纤维拉伸机构及其防振底座、数据采集与机构运行模块和计算机及数据分析系数。本发明的装置结构简洁、测量精度高、实时动态；该测量方法为单侧多指标、变形与性质多口令的分析方法，适用于纺织纤维的束强测量中，纤维束排列均匀性、拉伸断裂端形态一致及弱节特征评价。

Description

纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置与方法
技术领域
本发明涉及一种纤维束断裂形态与取向度反射式测量装置与方法及用途，实用于羊毛、麻及棉等多种纺织纤维，属于光学测量方法技术领域。
背景技术
纺织工业中所使用的主要有棉花、羊毛、麻等多种纺织纤维，纤维束含量及纤维断裂后长度分布是检测纤维的重要指标之一，因此纤维断裂后长度分布是拉伸断裂后检测的重要项目之一。
目前，世界上所采用的检测方法主要是以下几类：1、传统方法：也称尺量法，就是将拉断的纤维试样置于黑绒板上，用不锈钢尺逐一测量整根纤维的自然长度，按照一定间隔将长度分成若干组，然后根据各长度组纤维根数，计算其加权平均长度，再根据各组长度纤维根数的累积频率，求得纤维断裂后长度分布。缺点为人工误差大，测量速度慢，受认为因素影响大。2、光电检测：目前主要是澳大利亚联邦科学工业组织研制的CSIRO毛丛长度与强度联合测试仪，即ATLAS仪，主要是置于传送带上纤维在运行的长度输送带上通过一个光学探测系统，它是由一组垂直排列的光源(发光二极管)和相对应的一组光电传感器(光电管)组成。经光学探测系统探测得到每一束毛丛的长度。然后运送毛丛被一对气动加持器分别夹住，经拉伸直至毛丛断裂。断裂后的毛丛经加持器自动放松而经喷气管分别送至两台电子天平的样品盘中分别自动称记种类。计算机则分析得出所测试毛丛的平均断裂比长度、平均毛丛断裂比强度等。毛丛断裂位置则根据毛丛断裂后的两部分分别称重后，再经校正到净毛重量后计算得到断裂位置，并根据该两部分断裂毛丛的重量比率，可以确定断裂位置是毛丛的尖部、中部或根部，最后将测试得到的所有毛丛的数据结果通过计算机合并，而得到断裂位置的百分率。缺点：只能粗略的确定纤维断裂的大体位置如尖部、中部或尾部，不能精确。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量纤维束排列均匀性及其断裂形态的装置，采用该装置的测量方法及应用。
为了达到上述目的，本发明的所提供的技术方案基于的原理是：用激光发射装置将激光照射到梳理好的纤维层上，上面的收集装置对透射光进行收集并分析后输出结果。
基于上述原理，本发明的具体技术方案是提供了一种纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置，其特征在于，包括：
高放大倍率和分辨率的大视野的广角镜；
能保证在清晰图像的高放大倍数下成像的CCD摄像头，CCD摄像头利用广角镜拍摄纤维束的图像；
可实现反光成像的均匀照明的LED光源机构，LED光源机构包括设于CCD摄像头两侧且可上下摆动的LED光源及位于LED光源下方的用于反射LED光源发出光线的反光部，LED光源及反光部分别位于纤维束的下方及上方，LED光源位于CCD摄像头的同侧；
平移机构，带动摄像台及其上的CCD摄像头左、右、前、后精准移动，从而实现CCD摄像头对纤维束轴向各截面的观察；
摄像台，带动CCD摄像头上下精准移动定位，从而实现CCD摄像头的聚焦和放大功能；
束纤维拉伸机构，用于夹持并拉伸纤维束；
防震底座，用于确保纤维束在拉伸过程中无显见振动；
数据采集与机构运行模块，用于控制CCD摄像头、LED光源、平移机构、摄像台及束纤维拉伸机构，并采集相应的数据；
计算机及数据分析系统，用于向数据采集与机构运行模块发送控制指令，并接收由数据采集与机构运行模块采集的数据。
优选地，所述LED光源围绕在所述广角镜的周围，且呈矩形点阵排列，矩形点阵排列中间有一圆孔，所述LED光源两侧可上下摆动以实现无影照明。
优选地，所述束纤维拉伸机构包括夹持在所述纤维束两端的定夹头及动夹头，通过移动动夹头拉伸所述纤维束。
优选地，所述CCD摄像头在所述平移机构带动下采用两种模式之一进行移动：模式一)进行关于所述纤维束对称中心的同步平移；模式二)从所述定夹头内侧到所述动夹头内侧的扫描平移；
所述CCD摄像头通过模式一)的移动实现对所述纤维束的断裂过程及其最终断裂形态的变化及最终纤维束的断裂形态的整体监测，所述CCD摄像头的平移速度为所述动夹头移动速度的1/2；
所述CCD摄像头通过模式二)的移动实现断裂成两束的所述纤维束的断裂形态的放大微观测量，所述CCD摄像头做平稳扫描观测，所述纤维束断裂端的轮廓测量或定位区域的x轴平行于所述纤维束长度方向和y轴平行于所述纤维束(13)宽度方向，两侧区纤维取向的观察。
优选地，所述CCD摄像头进行模式一)的移动或模式二)的移动时，在平稳、高精度的条件下进行。
优选地，所述CCD摄像头上下精准移动定位是指所述CCD摄像头沿z轴聚焦精确移动定位，以实现聚焦微调。
优选地，所述平移机构利用x轴移动电机带动所述摄像台及其上的CCD摄像头左、右精准移动；所述平移机构4利用y轴移动电机带动所述摄像台及其上的CCD摄像头前、后精准移动；所述摄像台利用z轴移动电机带动所述CCD摄像头上、下精准移动；
x轴移动电机、y轴移动电机、z轴移动电机与所述束纤维拉伸机构的驱动电机相连，实现所述CCD摄像头三轴向的平移和聚焦移动以及拉伸移动。
优选地，所述广角镜自带微调整功能。
本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置的应用，其特征在于，上述的测量装置用于对纤维束进行单侧多指标、变形与性质多口令的分析，适用于纺织纤维的束强测量中，纤维束排列均匀性、拉伸断裂端形态一致及弱节特征评价。
本发明的另一个技术方案是提供了一种纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量方法，其特征在于，采用上述的装置，包括以下步骤：
将平行排列的纤维束夹持在束纤维拉伸机构上，并由束纤维拉伸机构将纤维束拉伸直至纤维束拉断，记录纤维的断裂根数，纤维束的取向度图像，纤维束拉断后的断裂轮廓，由此，计算得到纤维束断裂轮廓平均长度和平整度，及纤维的拉伸取向度，用于束纤维强伸弱节成因和强伸性与轮廓高度、平整度和取向度之间关系的表征。
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)实现了智能化操作，使过程更加的简便易行，也提高了测量的准确性；(b)精确测量纤维束的排列均匀性与断裂端的形态特征；(c)采用了多机构相配合的方式，实现了一测多结果模式，具有独特的创新性。
附图说明
图1为纤维束排列均匀性及其断裂形态反射式测量装置结构示意图；
图2为纤维束拉断后的形态及测量装置俯视图；
图3为纤维束排列均匀性及其断裂回弹形态测量装置控制线路图
图4为纤维束拉伸中的排列均匀性与断裂形态图；图中：1-广角镜；2-CCD摄像头；3-1-LED光源；3-2-反射部；4-平移机构；5-摄像台；6-拉伸机构；7-防震底座；8-数据采集与机构运行模块；9-计算机数据分析系统；10-定夹头；11-动夹头；12-力传感器；13-纤维束。
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纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置，包括：
高放大倍率和分辨率的大视野的广角镜1；广角镜1自带微调整功能；
能保证在清晰图像的高放大倍数下成像的CCD摄像头2，CCD摄像头2利用广角镜1拍摄纤维束13的图像；
可实现反光成像的均匀照明的LED光源机构，LED光源机构包括设于CCD摄像头2两侧且可上下摆动的LED光源3-1及位于LED光源3-1下方的用于反射LED光源3-1发出光线的反光部3-2，LED光源3-1及反光部3-2分别位于纤维束13的下方及上方，LED光源3-1位于CCD摄像头2的同侧；LED光源3-1围绕在所述广角镜1的周围，且呈矩形点阵排列，矩形点阵排列中间有一圆孔，所述LED光源3-1两侧可上下摆动以实现无影照明；
平移机构4，带动摄像台5及其上的CCD摄像头2左、右、前、后精准移动，从而实现CCD摄像头2对纤维束13轴向各截面的观察；平移机构4利用x轴移动电机带动所述摄像台5及其上的CCD摄像头2左、右精准移动；所述平移机构4利用y轴移动电机带动所述摄像台5及其上的CCD摄像头2前、后精准移动
摄像台5，带动CCD摄像头2上下精准移动定位，从而实现CCD摄像头2的聚焦和放大功能；CCD摄像头2上下精准移动定位是指所述CCD摄像头2沿z轴聚焦精确移动定位，以实现聚焦微调；摄像台5利用z轴移动电机带动所述CCD摄像头2上、下精准移动；
x轴移动电机、y轴移动电机、z轴移动电机与所述束纤维拉伸机构6的驱动电机相连，实现所述CCD摄像头2三轴向的平移和聚焦移动以及拉伸移动；
束纤维拉伸机构6，用于夹持并拉伸纤维束13；束纤维拉伸机构6包括夹持在所述纤维束13两端的定夹头10及动夹头11，通过移动动夹头11拉伸所述纤维束13；
防震底座7，用于确保纤维束13在拉伸过程中无显见振动；
数据采集与机构运行模块8，用于控制CCD摄像头2、LED光源3、平移机构4、摄像台5及束纤维拉伸机构6，并采集相应的数据；
计算机及数据分析系统9，用于向数据采集与机构运行模块8发送控制指令，并接收由数据采集与机构运行模块8采集的数据。
基于上述装置的纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量方法包括以下步骤：
将平行排列的纤维束13夹持在束纤维拉伸机构6上，并由束纤维拉伸机构6将纤维束13拉伸直至纤维束13拉断，记录纤维的断裂根数，纤维束13的取向度图像，纤维束13拉断后的断裂轮廓，由此，计算得到纤维束13断裂轮廓平均长度和平整度，及纤维的拉伸取向度，用于束纤维强伸弱节成因和强伸性与轮廓高度、平整度和取向度之间关系的表征。
实施例1至3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
试样采用棉纤维束测试，拉伸速度10mm/min，步进电机转速为10r/min，距离10mm。实验条件：温度20℃，相对湿度65％。
实施例2
试样采用精梳羊毛66支(2114um)测试，拉伸速度10mm/min，步进电机转速为10r/min，距离10mm。实验条件：温度20℃，相对湿度65％。
实施例3
试样采用Kevlar长丝测试，拉伸速度10mm/min，步进电机转速为10r/min，距离10mm。实验条件：温度20℃，相对湿度65％。
测试结果如图4所示。

Claims (7)

1.一种纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置，其特征在于，包括：
高放大倍率和分辨率的大视野的广角镜(1)；
能保证在清晰图像的高放大倍数下成像的CCD摄像头(2)，CCD摄像头(2)利用广角镜(1)拍摄纤维束(13)的图像；
可实现反光成像的均匀照明的LED光源机构，LED光源机构包括设于CCD摄像头(2)两侧且可上下摆动的LED光源(3-1)及位于LED光源(3-1)下方的用于反射LED光源(3-1)发出光线的反光部(3-2)，LED光源(3-1)及反光部(3-2)分别位于纤维束(13)的下方及上方，LED光源(3-1)位于CCD摄像头(2)的同侧；
平移机构(4)，带动摄像台(5)及其上的CCD摄像头(2)左、右、前、后精准移动，从而实现CCD摄像头(2)对纤维束(13)轴向各截面的观察；
摄像台(5)，带动CCD摄像头(2)上下精准移动定位，从而实现CCD摄像头(2)的聚焦和放大功能；
束纤维拉伸机构(6)，用于夹持并拉伸纤维束(13),包括夹持在所述纤维束(13)两端的定夹头(10)及动夹头(11)，通过移动动夹头(11)拉伸所述纤维束(13)；
防震底座(7)，用于确保纤维束(13)在拉伸过程中无显见振动；
数据采集与机构运行模块(8)，用于控制CCD摄像头(2)、LED光源(3)、平移机构(4)、摄像台(5)及束纤维拉伸机构(6)，并采集相应的数据；
计算机及数据分析系统(9)，用于向数据采集与机构运行模块(8)发送控制指令，并接收由数据采集与机构运行模块(8)采集的数据；
所述CCD摄像头(2)在所述平移机构(4)带动下采用两种模式之一进行移动：模式一)进行关于所述纤维束(13)对称中心的同步平移；模式二)从所述定夹头(10)内侧到所述动夹头(11)内侧的扫描平移；
所述CCD摄像头(2)通过模式一)的移动实现对所述纤维束(13)的断裂过程及其最终断裂形态的变化及最终纤维束的断裂形态的整体监测，所述CCD摄像头(2)的平移速度为所述动夹头(11)移动速度的1/2；
所述CCD摄像头(2)通过模式二)的移动实现断裂成两束的所述纤维束(13)的断裂形态的放大微观测量，所述CCD摄像头(2)做平稳扫描观测，所述纤维束(13)断裂端的轮廓测量或定位区域的x轴平行于所述纤维束(13)长度方向和y轴平行于所述纤维束(13)宽度方向，两侧区纤维取向的观察。
2.如权利要求1所述的一种纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置，其特征在于，所述LED光源(3-1)围绕在所述广角镜(1)的周围，且呈矩形点阵排列，矩形点阵排列中间有一圆孔，所述LED光源(3-1)两侧可上下摆动以实现无影照明。
3.如权利要求1所述的一种纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置，其特征在于，所述CCD摄像头(2)上下精准移动定位是指所述CCD摄像头(2)沿z轴聚焦精确移动定位，以实现聚焦微调。
4.如权利要求1所述的一种纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置，其特征在于，所述平移机构(4)利用x轴移动电机带动所述摄像台(5)及其上的CCD摄像头(2)左、右精准移动；所述平移机构4利用y轴移动电机带动所述摄像台(5)及其上的CCD摄像头(2)前、后精准移动；所述摄像台(5)利用z轴移动电机带动所述CCD摄像头(2)上、下精准移动；
x轴移动电机、y轴移动电机、z轴移动电机与所述束纤维拉伸机构(6)的驱动电机相连，实现所述CCD摄像头(2)三轴向的平移和聚焦移动以及拉伸移动。
5.如权利要求1所述的一种纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置，其特征在于，所述广角镜(1)自带微调整功能。
6.一种如权利要求1所述的纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量装置的应用，其特征在于，如权利要求1所述的测量装置用于对纤维束进行单侧多指标、变形与性质多口令的分析，适用于纺织纤维的束强测量中，纤维束排列均匀性、拉伸断裂端形态一致及弱节特征评价。
7.一种纤维束排列均匀性和断裂形态的反射式测量方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的装置，包括以下步骤：
将平行排列的纤维束(13)夹持在束纤维拉伸机构(6)上，并由束纤维拉伸机构(6)将纤维束(13)拉伸直至纤维束(13)拉断，记录纤维的断裂根数，纤维束(13)的取向度图像，纤维束(13)拉断后的断裂轮廓，由此，计算得到纤维束(13)断裂轮廓平均长度和平整度，及纤维的拉伸取向度，用于束纤维强伸弱节成因和强伸性与轮廓高度、平整度和取向度之间关系的表征。
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