CN1324310C - 纤维轮廓和力学行为组合测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纤维状物的轮廓和力学行为组合测量方法及装置。方法是通过两端握持试样，一端沿夹持物轴向移动和同轴转动使试样自然伸直并消除意外扭转；扫描试样轮廓，并同步转动两端一定角度，再次扫描试样轮廓，得试样形态特征；移动试样一端施加变形测量试样力学行为，同时实时扫描试样最细处的变化和用数码摄像器摄取试样断裂时的瞬间图像，得断裂形态与位置。实现该方法的装置是由一对夹持器，一对与夹持器相连的力传感器，光学测量机构和数码摄像器，夹持器转动机构，移动驱动机构，力、形态及位移信号采集、控制和处理系统以及计算机构成。其特点是测量为光学与力学组合的原位测量，且结构简单、机构精巧、测量自动、实时和智能化。
Description
技术领域：
本发明属于纺织精密计量仪器技术领域，涉及纤维状物(单纤维、束纤维、纱线和细绳类)在拉伸和扭转作用下的轮廓形态和力学行为的组合测量方法与装置，可适用于纤维力学性能和可纺性能的评价，纤维弱节性能的表征，纱线强度不匀、细度不匀和可织造性能的研究。
背景技术：
单纤维的断裂比强度对其纺纱速度、可纺支数以及成纱质量产生直接影响，是较为客观反映纤维强度的指标，但更为确切的应该是纤维断裂点处的真实应力测量，因为纤维材料的断裂只发生再其最弱点，或结构弱节，或几何弱节(细颈)。而影响单纤维真实断裂比强度的因素为单纤维截面直径不匀和结构缺陷，即纤维的弱节。由于天然纤维和化学纤维的轴向截面直径粗细不匀，承受外力作用时，截面积越小，该位置处截面的应力最大，则弱节行为越明显，导致单纤维易在强力弱节点或最细截面积位置点断裂。因此均匀材质的单纤维轴向最细截面积位置点或弱节点的形态和性能决定着单纤维断裂比强度。
目前国内对单纤维弱节行为的研究已有文献报道(于伟东.羊毛纤维的形态弱节与特征.东华大学学报：自然科学版，2003，29(1)，65-70；于伟东.纤维弱节的力学特征与判定.东华大学学报：自然科学版，2003，29(2)，32-36；但文献报道中的弱节行为测试只适用于实验室研究表征，尚无工业化应用仪器；而国家标准中纺织单纤维拉伸测量不能给出单纤维动态拉伸过程中轴向截面的变化和弱节点的受力变化。
国外对纺织单纤维的细度测量有显微镜观察法、气流仪测量法、光学图像测量法(OFDA法)和激光纤维直径测量法(SIRO-LaserScan法)。这些方法只能单独对纤维直径进行有限的测量，与纤维的力学性能测量无关。而目前对纤维力学性能的测量也是单一地针对纤维力学行为，至于所用的细度指标，是来自于上述细度测量方法的结果，即非同一试样、同一环境条件下的结果。
单纤维力学性能分析方法，简称SIFAN法(Peterson AD，Brims A，Brims MA，andGherardi SD.Single Fibre Analyser Measures the Diameter Profile of Wool Fibres，Proc.Aust.Soc.Anim.Prod.，1996，21，390)是目前唯一的将单纤维直径轮廓分析与力学行为相结合的测量方法。与此相近的用于毛丛粗细和力学分析的OFDA4000在原理上相近(Brims MA.Introducing OFDA4000：A New Instrument for Simultaneous Measurement ofFibre Length and Diameter in Tops IWTO Technology & Standards Committee，BarcelonaMeeting，Sliver Group，Report No：Sg 02.)，但不适于单纤维。由于SIFAN采用卧式方法进行纤维轮廓和力学测量，不仅存在力测量的精度和稳定性问题，而且该测试方法存在纤维形态测量的盲区，当弱节位于盲区时试样就无法测量到纤维的细颈点特征。
因此，实用和理论研究中都有必要研究和开发可分析单纤维轮廓形态和单纤维弱节性能的测量方法与装置，能原样、原位地获取静态和动态条件下单纤维拉伸行为及其弱节点的受力行为变化，对评定纤维品质、指导羊种改良育种和优化纺纱工艺参数有着极其深远的意义。
发明内容：
本发明的目的在于发明纤维状物的轮廓形态及力学行为组合测量方法与装置，可对纤维状物(单纤维、束纤维、纱线及细绳类)的轮廓形态、弱节性能和拉伸性能进行组合式的原位测量。
本发明的测量原理是通过两端握持试样，通过一端的转动和移动消除试样的意外扭转使试样自然伸直；多角度扫描该试样轴向的宽度轮廓确定最细处；拉伸试样观测最细点的变化和摄取断裂瞬间及断裂位置，测量试样的真实应力和判定弱节，以及给出试样的力学行为特征。
本发明的测量装置主要包括力测量机构、光学测量机构、位移驱动机构、转动驱动机构、信号采集和输入系统、各机构驱动与控制模块、程序软件和计算机八大部分组成。其基本结构和原理是：
a.力测量机构主要由一对高精度力传感器；夹持器组件；上梁、移动梁和底盘构成的主架，完成对纤维力学性质的测量，力学测量范围0～500g；精度为0.02％。所述力传感器分别与上、下夹持器相连，分别固定上梁和移动梁上；力值信号传输到A/D数据采集卡完成微力测量；所述夹持器由表层覆盖一层高聚物，即可夹紧纤维状物，又不夹伤或滑脱试样。
b.光学测量机构由准直平行光束光源，起偏、检偏偏振片，2-3组变焦放大光路器件，及其具有自动聚焦功能的高分辨率CCD成像装置，以及一高速数码CCD摄像器构成。可完成纤维直径轮廓的测量，并给出最大、最小和平均直径，以及完成纤维拉伸及断裂发生的观察与定位。输入信号通过图像采集卡和摄影采集卡与计算机相连，可完整地摄取悬挂物的动态和静态造型全貌及断裂点截面形态。经计算机图像处理与判断可获取纤维状物形态轮廓曲线、截面积曲线和断裂点位置等。
c.位移驱动机构包括移动梁和光学测量机构的位移机构：即移动梁的垂直移动机构和光学测量机构的垂直移动机构。两套机构均由丝杆机构和步进电机构成，装于主架上，完成位移机构一般位移和精密位移；实现光学测量机构的快速来回位移扫描等。步进电机的控制由计算机程序构成。针对不同截面的纤维状物，扫描次数也不同：对圆形截面，只需要一次扫描；对椭圆形，进行2～3次扫描；对三角形截面，进行3～5扫描；……，见附图4。本发明专利选用轮廓扫描次数为1～20，理论上可以测量更多次。其轮廓扫描适于多角形及向外扩展的不规则截面物体，但对内凹的不规则截面的物体需实样截面校准。
d.转动驱动机构包括对上夹持器和下夹持器的转动，由步进电机、传动齿轮、齿轮带装置构成，装于主架上并与传感器(或夹头)相连消除纤维的意外扭转。消除纤维的意外扭转方法包括如下：通过手动反向转动纤维夹持端两端进行纤维释捻；或通过手动进行纤维夹持端单端转动进行纤维释捻；或通过转动机构反向转动纤维夹持端两端进行纤维释捻；或通过转动机构进行纤维夹持端单端转动进行纤维释捻等。转动驱动机构能同步转动上、下夹持器，便于光学测量机构2进行纤维轮廓不同角度扫描。
e.信号采集和输入系统由模/数转换卡，图像采集卡和摄影图像卡构成。数模转换卡用于力传感器信号的放大、滤波；图像采集卡用于纤维状物轴向轮廓形态的采集和最细处动态拉伸至断裂过程截面形态采集，由于纤维长度方向上截面粗细不匀，为了获取更清晰的纤维截面图，自动聚焦系统可以实现实时自动聚焦；摄影图像卡用于静态和动态条件下纤维状物的造形全貌采集，两种测量方式和相应的图像卡均能以高速、高倍、光学变焦摄取图像和录像。四块信号采集卡均与计算机相连，完成对数据的预处理和输入计算机。
f.各机构的驱动和控制模块包括位移模块和转动模块，即光学测量机构移动模块、移动梁移动模块和上、下夹持器转动模块。由数/模转换卡、电压/频率变频器、驱动电路和步进电机构成，以完成拉伸模式中的机构运行和数据采集与输入。
g.程序软件与计算机系统是由数据采集与处理模块、图像采集与处理模块、运行模式与控制模块、界面操作与参数设置模块，及计算控制、处理、分析的基本功能模块构成。可完成力和形态图像采集处理、实时显示与存储、界面操作程序控制、测量设置和模式选择，可获得力-位移曲线、应力-应变曲线、纤维形态轮廓曲线、计算获得截面积曲线和形态特征值(截面最大直径与面积、最小直径与面积、平均直径与面积，均方差)和断裂点特征值(断裂位置值、实际直径与截面积)和力学特征值(断裂最大力值和相对值、断裂最大伸长值和相对值、断裂功值和断裂比功、斜率和模量值、屈服点值、初始力值)的提取与计算。
本发明是通过如下技术方案实现的：单纤维轮廓形态的光学和力学组合测量装置，如图1所示，包括由主架1，移动机构组件(2和3)，转动驱动机构组件(4和5)，夹持器组件6，力传感器机构7，以及相应的力和形态图像信号处理系统及位移驱动与转动驱动控制系统组成。上述测量方法的实现是通过其测量装置完成的，该测量装置的构成与作用如下：
a.主架1其特征在于由上梁11、内置螺杆的刚性支梁12和底盘13构成，可完成转动机构(4和5)力传感器71的固定，其结构如图1、图2和图3所示。
b.移动机构组件其特征是由光学测量组件移动机构2和移动梁移动机构3组成，所述的光学测量组件移动机构2由激光源21、偏振片22、光学放大镜23、物镜24、直径检测器25、自动聚焦机构26、螺杆27及步进电机28和高分辨率CCD数码摄像器29构成，通过步进电机28转动螺杆27驱动光学测量机构垂直移动完成纤维状物轮廓形态曲线采集；所述的直径检测器，其特征在于是由CCD线阵杆或矩阵块和摄像器构成，可高速采样与存储图像数据；所述的移动梁移动机构3由移动梁31、螺杆32和步进电机33构成，步进电机33转动螺杆32驱动移动梁31垂直移动，完成试样自然伸直和拉伸，其结构如图1、图2和图3所示。
c.转动驱动机构组件其特征在于由上夹持器转动驱动机构4和下夹持器转动驱动机构5组成，所述的上夹持器转动驱动机构4由转动盘41、步进电机42构成，步进电机42驱动转动盘41转动完成力传感器71和装于力传感器71上的上夹持器61转动；所述的下夹持器转动驱动机构5由转动盘51、步进电机52构成，步进电机52驱动转动盘51转动完成力传感器71、磁动转子72，转动框73和下夹持器62转动，其结构示意如图1、图2和图3所示。
d.夹持器组件6其特征在于由上夹持器61和下夹持器62组成，完成纤维状物试样的夹持。
e.力传感器机构7其特征在于由高精度力传感器71、磁动转子72、转动框73和磁线圈74组成，所述的磁动转子72通过磁力原理驱动控制转动框73和下夹持器62的转动，所述的高精度力传感器71实现纤维状物试样静态和动态拉伸下的握持端力学值测量。
该装置对试样宽度轮廓的测量，并给出最大、最小和平均宽度值d，当d＜100μm，精度≤±0.1μm；当d＞100μm，精度≤0.1％；对纤维的释捻或加捻，转动精度≤±1.5°，转速为1～100rpm；对力测量机构的位移和光学测量机构的位移，有效量程为0～250mm，精度≤±3μm，速度为1～200mm/min可调；以及完成纤维拉伸及断裂发生的观察与定位；CCD数码摄像和光学放大装置以每秒100帧速度摄录，保留断裂时刻前后的100帧。
实现单纤维轮廓形态的光学和力学组合测量方法是通过下述具体过程完成的：
a.将裁成一定长度的纤维状物试样夹持于上夹持器61和下夹持器62，步进电机33转动螺杆32驱动移动梁31垂直下移对试样施加预定张力；
b.通过步进电机52转动转动盘51驱动下夹持62转动一定角度，有两种状态：其一是与下夹持器62相连的力传感器71感应受力增大，则反向旋转；其二是与下夹持器62相连的力传感器71感应受力变小，则转动到最小力值，移动梁31垂直下移至与下夹持器62相连的力传感器感71应受力为初始值；接着，下夹持器62继续转动到最小，移动梁31继续垂直向下移动到初始张力值；……；此过程直至下夹持器62转动时与下夹持器62相连的力传感器71感应受力不再变小，此时为临界状态，试样即完全消除意外扭转，且自然伸直而不伸长状态；
c.将光学测量机构2的光轴中心对准下夹持62握持点，自动调焦，开始定速位移扫描纤维轮廓，移动光学测量机构扫描试样轮廓，并同步转动两端至设定5～90°的角度，再次扫描试样轮廓，直至设定转动次数，得试样形态特征；并同步实时对焦，当光轴中心达上夹持62握持点后，快速返回原点；上夹持器61和下夹持器62同步转动θ角度(θ＝180°/n，n为转动次数，n＝1，2，…，20，理论上可以再大，常取n＝2，即θ＝90°)，光学测量机构2采用同样速度和采样频率开始第二次扫描；……；当达到设定扫描次数n后，自动快速返回到该夹持物截面积最细点处，启动高分辨率高倍光学变焦摄像，获取试样在最细处的直径轮廓形态，由此获得被测物的轮廓曲线、截面积形态和截面积-长度曲线，以及最细变形时的形貌；
d.步进电机33转动螺杆32驱动移动梁31按运行模式垂直移动进行拉伸直至断裂，力传感器71感应受力获取力学特征参数，同时，光学测量机构2同步摄取试样形态，获取动态拉伸过程中试样的轮廓形态和断裂点形态参数，并摄取纤维断裂瞬间的断裂位置图像，由于采用高速、高分辨率摄取图像，存储数据量太大，因此有必要选取初始图像摄取时间点：依据应变定(针对不同纤维状物，设定不同的应变值，当到达某一应变值后，才开始摄取图像)；依据应力定(针对不同纤维状物，设定不同的应力值，当到达某一应力值后，才开始摄取图像)；或只存储一定时间间隔内的图像数据，并依次替换至到纤维断裂后，以保证断裂瞬间的图像被摄取，各机构的机构与基本原理如图1所示；
e.整个装置的控制、数据采集与处理、界面操作和设置由计算机及各软件模块完成，所述的软件模块由数据采集与处理模块、图像采集与处理模块、运行模式与控制模块、界面操作与参数设置模块，及计算控制、处理、分析的基本功能模块构成，其系统流程图如图2所示。
与现有技术相比，本发明包括如下优点：
a.本发明通过光学测量机构能实现试样动态拉伸条件下其真实断裂截面形态及性能的表征。
b.本发明通过光学测量机构获取试样轴向轮廓曲线，可分析试样细度不匀和强力的关系。
c.整个测量自动化、实时化、智能化和高精度，且仪器机构简单、结构精巧、操作简便。
d.可广泛用于纤维状物(单纤维、束纤维、纱线及细绳类)的力学性能分析，尤其是弱节行为与纤维状物拉伸断裂强力关系的研究，纤维可纺性能的评价，及纱线可织造性能和织物风格等的估计。
附图说明：
图1纤维轮廓和力学行为测量装置主视图
图2纤维轮廓和力学行为测量装置俯视图
图3纤维轮廓和力学行为测量装置A-A’剖面俯视图
图4纤维轮廓和力学行为的数据采集及数控系统流程图
图5纤维轮廓和力学行为的转动角度图
图6纤维轮廓和力学行为的纤维状物轮廓图
图7夹持器组件两力传感器的力-位移特征曲线图
图中：1-主架、11-上梁、12-内置螺杆的刚性支梁、13-底盘、2-光学测量机构与移动机构、21-激光源、22-偏振片、23-光学放大镜、24-物镜、25-直径检测器、26-自动聚焦机构、27-螺杆、28-步进电机、29-CCD数码摄像器、3-移动梁移动机构、31-移动梁、32-螺杆、33-步进电机构成、4-上夹持器转动驱动机构、41-转动盘、42-步进电机、5-下夹持器转动驱动机构、51-转动盘、52-步进电机、6-夹持器组件、61-上夹持器、62-下夹持器、7-力传感器机构、71-高精度力传感器、72-磁动转子、73-转动框、74-磁线圈。
具体实施方式：
通过以下的基本实施方式和实施例有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。本实施例中所采用的装置如附图1-3所示。
实施例1，力-位移特征曲线及参数获得。
按照测量要求，将裁得一定长度的纤维状物试样夹持于上夹持器61和下夹持器62；步进电机33转动螺杆32驱动移动梁31垂直下移对试样施加预定张力；步进电机52转动转动盘51驱动下夹持62转动一定角度，有两种状态：其一是与下夹持器62相连的力传感器71感应受力增大，则反向旋转；其二是与下夹持器62相连的力传感器71感应受力变小，则移动梁31垂直下移至与下夹持器62相连的力传感器感71应受力为初始值；接着，下夹持器62继续转动，移动梁31继续垂直向下移动；……；直至下夹持器62转动时与下夹持器62相连的力传感器71感应受力不再变小，此时为临界状态，即试样完全解捻，且达到自然伸直状态；将光学测量机构2的光轴中心对准下夹持62握持点，自动调焦，开始慢速位移扫描纤维轮廓，并同步实时对焦，当光轴中心达上夹持62握持点后，快速返回原点；上夹持器61和下夹持器62同步转动θ角度(θ＝180°/n，n为转动次数，n＝1，2，…，20，理论上可以再大，常取n＝2，即θ＝90°)，光学测量机构2采用同样速度和采样频率开始第二次扫描；……；当达到设定扫描次数n后，自动快速返回到该夹持物截面积最细点处，启动高分辨率高倍光学变焦摄像，获取的图像信号通过图像采集卡的接口输入计算机，可获得纤维状物的形态轮廓曲线和截面积曲线，其纤维轮廓和力学行为的转动角度图及其纤维状物轮廓图分别见图5和图6，并可通过参数提取与计算获取最大、最小、平均直径及其直径均方差，最大、最小、平均截面积及其截面积均方差等。
步进电机33转动螺杆32驱动移动梁31按运行模式垂直移动进行拉伸直至断裂，力传感器71感应受力，通过数据采集卡接口输入计算机，实时显示拉伸曲线，如图7，并可通过特征值提取与计算获得断裂最大力值和相对值、断裂最大伸长值和相对值、断裂功值和断裂比功、斜率和模量值、屈服点值、卷曲率、初始力值、应力-应变曲线。
CCD数码摄像器摄取试样全景及断裂位置，获取动态拉伸过程中试样的轮廓形态和断裂点形态参数，所用测量装置的结构与基本原理如图1、图2和图3所示。
通过测量3组单毛纤维试样，其长度为50mm。所得的单纤维力学特征参数与结果见下表1，与上、下夹持器相连的两个力传感器(A和B)所测得的力-位移特征曲线见图7。
表1 羊毛纤维试样的轮廓特征与力学性质测量结果
| 试样 | 1# | 2# | 3# |
| 最小直径(μm) | 15.3 | 14.8 | 16.1 |
| 最大直径(μm) | 39.4 | 108.8 | 56.4 |
| 平均直径(μm) | 26.7 | 22.3 | 28.5 |
| 直径SD(μm) | 11.75 | 14.33 | 13.84 |
| 最小截面积(μm2) | 183.9 | 172.0 | 203.6 |
| 最大截面积(μm2) | 1219.2 | 9297.1 | 2498.3 |
| 平均截面积(μm2) | 559.9 | 390.6 | 637.9 |
| 截面积SD(μm2) | 138.1 | 205.3 | 191.5 |
| 断裂强度(cN/tex) | 10.1 | 9.6 | 9.9 |
| 断裂伸长(％) | 31.8 | 34.3 | 35.4 |
| 断裂功(mJ/tex) | 2.88 | 2.31 | 2.07 |
| 拉伸模量(cN/tex) | 485.1 | 483.4 | 448.9 |
| 卷曲率(％) | 8.9 | 8.0 | 6.9 |
| 断裂位置百分比(％) | 28.12 | 67.03 | 12.55 |
实施例2，不同角度测量的结果与截面。
按照测量要求，将裁得长度为50mm的近似椭圆形截面涤纶纤维试样夹持于上夹持器61和下夹持器61；按照实施例1的测量步骤使试样完全解捻，达到自然伸直状态；将光学测量机构2的光轴中心对准纤维试样，自动调焦并获取纤维试样该位置截面轮廓，上夹持器61和下夹持器62同步转动纤维试样，当该位置截面轮廓宽度由小变大，再由大变小时，则此轮廓即为椭圆截面的长轴，当该位置截面轮廓宽度由大变小、再由小变大时，则此轮廓即为椭圆截面的短轴；然后将光学测量机构2的光轴中心对准下夹持62握持点，自动调焦，开始慢速位移扫描纤维轮廓，并同步实时对焦，当光轴中心达上夹持62握持点后，快速返回原点；上夹持器61和下夹持器62同步转动纤维试样90°，光学测量机构2采用同样速度和采样频率开始沿纤维试样轴向进行第二次扫描；从而获取近似椭圆形截面轴向各点位置处的长轴长和短轴长，并可通过计算获得各点位置处的截面积。
取一根卷绕的近似椭圆形截面的异形涤纶纤维，其长度为50mm。按照实施例2进行不同角度测量，所得的截面特征值见下表2。
表2近似椭圆形截面涤纶纤维试样不同角度轮廓的测量结果
| 长轴平均长度(μm) | 短轴平均长度(μm) | 最大截面积(mm2) | 最小截面积(mm2) | 平均截面积(mm2) |
| 84.2 | 45.3 | 0.0421 | 0.00291 | 0.01198 |
Claims (10)
1、一种纤维轮廓形态和力学行为的组合测量方法，其特征是通过两端握持试样，一端沿夹持物轴向移动和同轴转动，使试样自然伸直和消除意外扭转；移动光学测量机构扫描试样轮廓，并同步转动两端至设定5～90°的角度，再次扫描试样轮廓，直至设定转动次数，得试样形态特征；启动CCD数码摄像器摄取试样全景；移动试样一端施加变形测量试样力学行为，同时光学测量机构实时扫描试样最细处的变化和CCD数码摄像器摄取试样断裂前后的状态与断裂瞬间图像，得试样断裂形态与位置；
所述的自然伸直并消除意外扭转是通过设定预张力使试样预伸直而不伸长，驱动转动机构，一端力值增大，则反向旋转；变小，则继续转动，直至力值最小并消除试样扭转，再移动该端达预定张力，完成试样的自然伸直；
所述的扫描试样轮廓是指光学测量机构的光轴中心对准一握持端，自动调焦后，开始位移扫描试样宽度，并同步实时对焦，当光轴中心达另一握持端后，快速返回原点；然后两端同步转动纤维一定角度θ，采用同样的移动速度和采样频率开始第二次扫描；当达到设定次数n的扫描后，自动快速返回到夹持试样的最细点处，启动快速往复扫描或高分辨率高速摄像，获得最细处受力变形特征，其中θ＝180°/n，n为转动次数，常态θ＝90°；
所述的移动一端施加变形是指按设定的模式拉伸试样至某一特定力，或伸长值，或直至试样断裂；光学测量机构高倍摄取试样最细处变形状态，CCD数码摄像器高速摄取试样全景及断裂发生位置；由此判定粗细不匀和弱节形状；
通过上述测量方法获得轮廓及形态参数、力学行为和特征参数、弱节特征及位置参数；所述的轮廓包括纤维状物截面形态、沿长度方向的宽度轮廓曲线和计算获得截面积轮廓曲线；所述的形态参数为截面积最大直径与面积、最小直径与面积、平均直径与面积及其均方差和变异系数；所述的力学行为为力-位移曲线、应力-应变曲线和应力松弛曲线；所述的力学特征参数为断裂最大力值和相对值、断裂最大伸长值和相对值、断裂功值和断裂比功、斜率和模量值、屈服点值、初始力值；所述的弱节特征及位置参数是指断裂点位置、是否最细点、实际直径与截面积。
2、一种实施权利要求1所述的纤维轮廓形态和力学行为的组合测量方法的装置，含有数模转换卡、力信号数据采集卡和轮廓和断裂点形态图像采集卡及全景摄影采集卡、测量软件和计算机，其特征在于由上梁、内置螺杆的刚性支梁和底盘构成的、固定力传感器的主架；由光学测量组件移动机构和移动梁移动机构组成的移动机构组件；由上夹持器转动驱动机构和下夹持器转动驱动机构组成的转动驱动机构组件；由完成纤维状物试样夹持的上夹持器和下夹持器组成的夹持器组件；由高精度力传感器、磁动转子、转动框和磁线圈组成的力传感器机构构成。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的上夹持器转动驱动机构由第一转动盘和第一步进电机构成，所述的第一步进电机驱动第一转动盘转动完成第一力传感器和装于该第一力传感器的上夹持器转动；所述的下夹持器转动驱动机构由第二转动盘和第二步进电机所构成，第二步进电机驱动第二转动盘转动完成第二力传感器、磁动转子，转动框和下夹持器转动。
4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的光学测量组件由准直平行光束光源，起偏、检偏偏振片，2～3组变焦放大光路器件和自动对焦机构，以及高分辨率CCD成像装置组成。
5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于上夹持器和与此相连的第一力传感器挂装于装在主架上的第一转动盘上；下夹持器、磁动转子和转动框以及与它们相连的第二力传感器固装于装在移动梁上的第二转动盘上，所述的磁动转子由磁线圈驱动。
6、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的移动梁移动机构由装于底盘上的两套双丝杆机构、皮带轮和步进电机构成，装于主架内的双丝杆机构驱动光学测量组件的上下移动；与移动梁相连的双丝杆机构驱动下夹持器的上下移动。
7、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的移动机构组件中，所述的光学测量组件移动机构由激光源、偏振片、光学放大镜、物镜、可高速采样与存储图像数据的直径检测器、螺杆及步进电机和高分辨率CCD数码摄像器构成；通过步进电机转动螺杆驱动光学测量机构垂直移动完成纤维状物轮廓形态曲线采集；所述的直径检测器，由CCD线阵杆或矩阵块和摄像器构成。
8、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的测量软件包括信号采集与实时显示模块、驱动控制模块、图像采集与处理模块、数据处理和曲线实时显示及相应的存储、打印模块和界面操作模块。
9、根据权利要求2所述的装置，其特征在于装置力值测量范围0～500g、精度为0.02％；对试样宽度轮廓的测量，并给出最大、最小和平均宽度值d，当d＜100μm，精度≤±0.1μm；当d＞100μm，精度≤0.1％；对纤维的释捻或加捻，转动精度≤±1.5°，转速为1～100rpm；对力测量机构的位移和光学测量机构的位移，有效量程为0～250mm，精度≤±3μm，速度为1～200mm/min可调；以及完成纤维拉伸及断裂发生的观察与定位；CCD数码摄像和光学放大装置以每秒100帧速度摄录，保留断裂时刻前后的100帧。
10、一种根据权利要求2所述的装置的用途，其特征在于用于单纤维、束纤维、纱线和细绳类的轮廓形态和力学行为的测量。
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