專利名稱：一種用于柔性材料的扭轉性能的測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及精密測量技術，屬柔性材料(纖維、紗線及線、帶狀材料等)領域中扭轉性能的測量方法及裝置。
背景技術：
在柔性材料的機械性能中，研究較多的是拉伸性能，包括拉伸疲勞、松弛和蠕變性能。柔性材料的彎曲和壓縮性能也有一些較為成熟的研究方法，但相應的扭轉性能(包括疲勞、自振、松弛和蠕變性能)研究卻很少。主要原因是測量方法較為單一，所對應的測試中存在困難，無理想的測量裝置。然而，實用中材料的扭轉性能卻極為重要，如纖維及繩索加工與使用等。
柔性材料的扭轉性能有多種表達形式，如扭轉扭矩、扭轉自振性能、扭轉破壞及扭轉疲勞等。有關扭轉疲勞方面的發(fā)明研究有Moser和Beat設計的裝置，可測塑料扭轉模量、阻尼，并加有溫度箱(CH522217Moser KurtDr，Beat Hoechli.Torsion fatigue testing machine for plastics，1972)。Sydney等人進行橡膠涂層織物在流體里的扭轉作用評價(US3706222SmithSydney，Hunt Jerry Donald，Esler Richard Brotherton.Aquatic Torsion-FatigueTest Apparatus，1972)。另外還有一些從其它角度進行扭轉性能評價的工作(FR2595139Atcholi Kesso，Burtheret Alain，Varchon Daniel.Flexion/torsionFatigue Test Machine，for test pieces，in particular test pieces made of acomposite material，1987；JP59019834Sarugi Katsuji et al.Torsion FatigueTesting Device，1984；US6,732,591B2Toby J Miles，Gerald Deshais，RobinJ Williams，Martin McElhone.Device and method for fatigue testing ofmaterials，2004)。
從上可以看出，其一，人們還是評價一些剛性或部分較粗大的柔性材料的扭轉性能；其二，柔性材料的扭轉性能的表征較多地在扭矩和扭轉破壞上；其三，適合于纖維材料的扭轉性能評價較少。尤其是綜合性地研究纖維材料在扭轉作用下(自振、一次性扭轉破壞和重復扭轉疲勞)的特征，并對扭轉過程中捻度傳遞過程進行記錄，及溫度控制下柔性材料(纖維、紗線及線、帶狀材料等)扭轉的測量方法及裝置未見報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于柔性材料扭轉性能測量的方法與裝置，該方法可以進行扭轉自振性能、強迫一次扭轉破壞和扭轉疲勞性能的測量。該裝置可實現(xiàn)不同拉伸和扭轉模式下，不同溫度條件下的扭轉性能測量，而且能對扭轉過程中捻度傳遞進行觀察記錄。
本發(fā)明的另一個目的是該裝置可用于纖維、纖維束、紗線及線、帶狀材料等柔性材料的扭轉性能測量。
本發(fā)明的基本原理是靜態(tài)扭轉試驗時，進行材料的應力松弛和蠕變研究；動態(tài)扭轉試驗時，試樣上端夾持測扭矩，下端夾持重物自然懸掛，轉動該夾持重物至一定扭矩或轉動角，釋放重物產生自然回轉振動，測量自振性能和扭轉模量；采用下端握持，強迫轉動或正反轉動，測量試樣一次扭轉破壞或疲勞破壞性能。
本發(fā)明的柔性材料扭轉性能測量方法是包括下述幾個步驟與方法a、靜態(tài)性能測量試樣上下兩端夾持，一端實施扭轉至一定角度測扭力或扭轉至一定扭力測扭轉角，得靜態(tài)扭轉性能；或扭轉至一定扭力或角度后停止，測扭應力松弛和夾持樣的蠕變，得試樣的應力松弛曲線、松弛時間τ，以及蠕變曲線；或加捻至一定扭力或角度后，同速退捻至原位，測材料扭轉滯后性。所述扭矩的測量是通過激光源照射在反光鏡上的偏轉值測定；所述的扭轉角測量是通過步進電機的轉動角測定。
b、自振性能測量方法試樣上端夾持測扭矩，下端夾持重物自然懸掛，轉動該夾持重物至一定扭矩或轉動角，釋放重物產生自然回轉振動，測量自振性能和扭轉模量，同時得到自振的位移-時間曲線(或衰減曲線)。
c、一次扭轉破壞測量方法試樣上端夾持，下端受外力扭轉，且始終給試樣同一方向的捻回，測試一次扭轉破壞的性能，包括靜態(tài)疲勞破壞的最大扭轉力矩和扭轉斷裂角。
d、疲勞測量方法試樣上端夾持，下端在一定外力或一定扭轉角下反復扭轉，直至試樣扭轉疲勞斷裂，測試指標包括扭轉疲勞壽命和臨界扭矩或臨界扭轉角。
e、捻度傳遞測量試樣上端握持，下端受外力扭轉，通過顯微偏光光路與攝像機構沿試樣長度方向掃描扭轉試樣，測量試樣在不同位置上的扭轉程度和捻度的傳遞。
f、不同溫度條件下的扭轉性能測量同上a～e項，只是溫度不同，可以是常溫，高溫或低溫，或變化溫度。
本發(fā)明方法是通過如下技術方案實現(xiàn)的，一種用于柔性材料扭轉性能的測量裝置，如附圖1和附圖2所示。是由移動梁1、力傳感器2、位移傳感器3、扭矩測量機構4、夾持器5、轉動機構6、顯微偏光光路與攝像機構7、移動與對焦機構8、溫度罩9，以及控制驅動電路、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集處理與程序操作控制模塊和計算機構成。
所述的移動梁1包括可上下移動的上梁11、驅動雙螺桿12、機架和驅動電機構成。該移動梁完成對試樣的伸直和拉伸，該移動梁亦可以借助于其他帶有移動梁的普通拉伸式強力儀。
所述的力傳感器2由用于試樣預加張力測量的拉力傳感器21和用于懸掛試樣對中的對中調節(jié)器22構成，完成夾持試樣預加張力或拉伸力的測量與控制，以及懸掛試樣的對中移動調節(jié)。所述的位移傳感器3由測移動梁移動的位移傳感器31和啟動位移傳感器作用的電磁夾32構成，均安裝于移動梁1上，完成夾持試樣的應變或長度控制。
所述的扭矩測量機構4包括反光鏡41、彈性鋼絲42、圓弧形或直桿形的陣列或電阻式光敏感光桿43和激光源44。扭矩測量機構4的反光鏡41和彈性鋼絲42固裝在移動梁下方的拉力傳感器21上；光敏桿43和激光源44固裝在移動梁上，完成試樣扭轉時的扭矩或扭力的測量。
所述的夾持器5，由與彈性鋼絲42固接的上夾頭51、與下夾頭連接桿61固接的下夾頭52和用于自振測量的微彈簧片夾53所組成。所述的上、下夾頭可直接完成對試樣的夾持。所述的微彈簧片夾為一塊彈簧鋼片一次沖模成形的夾持器，重量范圍在20mg～500mg，彈簧片夾力在100mg～2g，并與重量成正比，用于自振測量或給預定不變預張力時的夾持。
所述的微彈簧片夾53，在夾持試樣(纖維或紗線)時，需一開夾器54，其特征在于開夾器鉗口帶有可放入微彈簧片并與微彈簧片形狀相似的檔塊溝槽、常合彈簧和類似老虎鉗的手柄，可方便地打開微彈簧片夾53。
所述的轉動機構6由下夾頭連接桿61、固定連接桿61的轉動座62、離合器63、旋轉微電機64、安裝有轉動座、離合器、旋轉微電機的下移動板65、驅動下移動板的螺桿66、滑桿67、一對傘齒輪68和步進電機69構成。下移動板65可實現(xiàn)高精度和快速移動，當在普通拉伸式強力儀上使用該裝置時，可以通過該機構完成對試樣施加變形和預加張力控制。同時在自振性能測量時，可以在下夾頭松開后快速下移，保證彈簧夾片的及時自振扭轉運動。
所述的顯微偏光光路與攝像機構7，由可移動的光源71、反光鏡72、起偏器73和聚光鏡74，以及可自動或手動對焦的物鏡75、檢偏器76、放大鏡77和CCD攝像器78所構成，并整體安裝在移動與對焦機構8上。通過顯微偏光光路與攝像機構沿試樣長度方向掃描扭轉試樣，測量試樣在不同位置上的扭轉程度和捻度的傳遞。
所述的移動與對焦機構8，由用于物鏡對焦的手動粗調81和微調82旋鈕、自動對焦機構83、變焦旋鈕84、聚光機構移動旋鈕85、用于聚光鏡移動的旋鈕86、移動架87和雙轉動螺桿88構成。
所述的溫度罩9為可拆卸、開合式圓筒形溫度罩，由一對對稱半圓罩91、進出氣閥92、加熱電阻絲93、溫度傳感器94構成，完成對-100～200℃的溫度控制。高溫由熱電阻絲加熱實現(xiàn)；低溫由液氮冷氣由進氣閥92進入實現(xiàn)，溫度控制由溫度傳感器94測量控制。對稱半圓罩位于溫度罩9的側面位，旋轉90℃合攏。
計算機由數(shù)據(jù)采集與處理模塊和參數(shù)設置與控制模塊分別控制移動梁、力傳感器、位移傳感器、扭矩測量機構、夾持器、轉動機構、顯微偏光光路與攝像機構、移動與對焦機構和溫度罩內加熱器等。計算機完成驅動、控制、信號記錄、攝像觀察和數(shù)據(jù)處理與計算，完成試樣的定負荷或定伸長扭轉及其特征值的測量。并可以隨設定載荷的要求自動移動上夾頭，以保持載荷不變；亦可在達到設定位移值時，保持原位不動。
本發(fā)明裝置功能合理，上夾頭部分可完成夾持，測力和位移；下夾頭的更換可改變握持扭轉作用形式，如微彈簧片夾可完成自懸垂夾持；轉動機構的轉動對試樣施加扭轉作用；顯微偏光光路可實時監(jiān)測，獲得材料扭轉過程中的捻度傳遞；移動與對焦機構可以自動聚焦，并可移動對試樣進行全程掃描監(jiān)控；可拆卸溫度罩進一步增強了此裝置的功能，能對試驗環(huán)境進行溫度控制、調節(jié)；驅動、控制、計算系統(tǒng)，可完成承力不變的試樣跟蹤移動，曲線記錄，自行采集以及特征值計算。
同現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的特點是a)能在同一裝置上，有效、準確地完成柔性材料的扭轉性能測量，包括扭轉自振性能，強迫一次扭轉和扭轉疲勞試驗以及應力松弛和蠕變研究。
b)能進行扭矩大小、扭矩滯后性、扭轉自振頻率、扭轉松弛特性、扭轉疲勞和破壞特征曲線和指標的原位測量。
c)能在不同溫度條件下試驗，能即時觀察和作捻度傳遞分析，能對數(shù)據(jù)和曲線進行快速處理和實時顯示。
d)本發(fā)明裝置部件簡單，結構緊湊；輕便小巧，便于安裝與置換，可用于常規(guī)帶有力傳感器(＜100cN)的拉伸儀上。整體尺寸小于80×100×200mm。


圖1為柔性材料扭轉性能的測量裝置主視示意圖；圖2為柔性材料扭轉性能的測量裝置俯視示意圖；圖3為微彈簧片夾和開夾器的示意圖；圖4為數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)框圖；圖5為自振的位移—時間曲線；圖6為回轉圈數(shù)與扭矩曲線；圖7為捻度傳遞曲線。
其中1—移動梁11—上梁 12—驅動雙螺桿；2—力傳感器21—拉力傳感器 22—懸對中調節(jié)器；3—位移傳感器31—位移傳感器 32—電磁夾；4—扭矩測量機構41—反光鏡 42—彈性鋼絲 43—感光桿 44—激光源；5—夾持器51—上夾頭 52—一般彈簧夾 53—微彈簧片夾；
6—轉動機構61—連接桿 62—轉動座 63—離合器 64—旋轉微電機 65—下移動板 66—螺桿 67—滑桿 68—傘齒輪 69—步進電機；7—顯微偏光光路與攝像機構71—光源 72—反光鏡 73—起偏器74—聚光鏡 75—物鏡 76—檢偏器 77—放大鏡 78—CCD攝像器；8—移動與對焦機構81—粗調旋鈕 82—微調旋鈕 83—自動對焦機構 84—變焦旋鈕 85—聚光機構移動旋鈕 86—聚光鏡移動旋鈕 87—移動架 88—雙轉動螺桿；9—溫度罩91—對稱半圓罩 92—進氣閥 93—電阻絲 94—溫度傳感器。
具體實施例方式通過以下實施例將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內容。
本發(fā)明的裝置和自振微彈簧片的開夾器結構示意圖如附圖1、圖2和圖3所示，其中數(shù)據(jù)和圖像采集與處理、機構驅動控制和界面操作系統(tǒng)的流程框圖，見附圖4所示。如前所述，將試樣夾于上夾頭51和下夾頭52間。設定預張力F0，調節(jié)電機69的轉動頻率，選擇測量模式(定負荷、定伸長、自振、一次扭轉破壞、反復扭轉疲勞破壞、松弛或蠕變)。啟動程序開始測量纖維的扭轉性能。通過調節(jié)移動與對焦機構8使得與此相連的顯微偏光光路與攝像機構7成像最清晰，沿試樣長度方向掃描觀察測量試樣上捻度的傳遞?？刹鹦稖囟日?安裝上能進行選定溫度條件下材料扭轉疲勞性能的測試。
實施例1扭轉自振試驗首先，用開夾器54將微彈簧片夾53打開，將芳綸纖維一端夾于微彈簧片夾53內，然后提起芳綸纖維的另一端，夾于上夾頭51內，調節(jié)對中調節(jié)器22，使纖維軸線對準下夾頭夾持中心，將微彈簧片53夾于下夾頭52內，如附圖1所示。此時通過與下夾頭52相連的轉動機構6施加一定的扭矩或轉動角，然后打開彈簧夾52，同時快速下移移動板65，保證彈簧夾片的自振扭轉運動。而自振扭轉會使扭矩測量機構4的反光鏡41產生偏轉，由激光源44照射反光鏡41上的反射點變化，見附圖2所示，測得試樣自振的扭矩—時間曲線如附圖5所示。
實施例2定負荷單纖維扭轉疲勞測試結果采用本發(fā)明裝置，將纖維試樣直接夾于上夾頭51和下夾頭彈簧夾52間，通過上夾頭51或下夾頭52的位移來施加預張力，通過拉力傳感器21來控制預張力的大小，根據(jù)試樣的細度大小確定。試樣的捻回角由與下夾頭52相連的轉動機構6的正反轉數(shù)確定。見附圖1所示。為保證預加應力的大小一致可比，預張力的大小選用1.2，1.5，2cN/dtex，捻回角β＝10°，20°和25°。具體實測結果見表1。
表1芳綸(Twaron 2000)單纖維的扭轉疲勞壽命測試結果為

實施例3纖維的斷裂捻角α測試結果用實施例2的操作方法和采用裝置，試樣夾于上夾頭51和下夾頭彈簧夾52間，控制往復電機64朝某一單方向旋轉，直至試樣斷裂，計算可得此試樣的斷裂捻角。

實施例4扭轉滯后性與捻度傳遞的試驗采用本發(fā)明的裝置和靜態(tài)試驗方法，首先將滌綸長絲束試樣夾于上夾頭51和下夾頭52間，由轉動機構6的旋轉微電機64轉動，下夾頭施加扭轉于試樣，并達一定的回轉數(shù)或扭矩，本試驗為回轉數(shù)n。然后停止，并開始反向回轉達原位。根據(jù)扭矩測量機構4，可以測得試樣的回轉圈數(shù)與扭矩關系，如附圖6所示。圖中A為正向轉動時的扭矩曲線，B為反向退捻時的扭矩曲線。顯然存在滯后性，如A曲線的起始段；A、B曲線的滯后圈；以及未退捻完全時，反向扭矩的發(fā)生。
在停頓時間內，移動顯微偏光光路與攝像機構7和對焦機構8，對試樣進行全程掃描觀察測量，測得該長絲束試樣從下夾持端到觀測點的距離L與試樣在該點捻回角β的關系，如附圖7所示。
權利要求
1.一種用于柔性材料扭轉性能測量的方法，其特征在于采用對試樣的上端夾持，測轉動時的扭矩；下端懸掛重物轉動至一定扭矩后或某一轉動角后，釋放重物產生回轉和自然來回轉動，測試樣的自振性能和扭轉模量；或對下端夾持，強迫轉動或正反轉動，測試樣的一次扭轉破壞或扭轉疲勞破壞性能，所述的扭矩由上夾頭的偏轉量測得；所述的扭轉角由下夾頭的轉動角確定；所述的自振性能、一次扭轉性能和疲勞性能的測量可在常溫或不同高、低溫條件下進行。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征是當被測試樣一次或多次反復扭轉時或扭轉后，或在不同高、低溫條件下扭轉后，通過顯微偏光光路與攝像機構沿試樣長度方向掃描扭轉試樣，測量試樣在不同位置上的扭轉程度和捻度的傳遞。
3.一種按照權利要求1所述方法的實現(xiàn)裝置，包括一個含有控制驅動電路、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡、實測數(shù)據(jù)實時處理與計算程序軟件的計算機和通過放大與濾波電路和A/D轉換與該計算機相連的力、位移傳感器、攝像器和步進電機，其特征在于它由分別受計算機控制的移動梁、力傳感器、位移傳感器、扭矩測量機構、夾持器、轉動機構、顯微偏光光路與攝像機構、移動與對焦機構和溫度罩構成；所述的移動梁是由可上下移動的上梁、驅動雙螺桿、機架和驅動電機構成；所述的移動梁可以是其他帶有移動梁的普通拉伸式強力儀；所述的力傳感器安裝于移動梁上，由用于試樣預加張力測量的拉力傳感器和用于懸掛試樣對中的對中調節(jié)器構成；所述的位移傳感器由測移動梁移動的位移傳感器和啟動位移傳感器作用的電磁夾構成。
4.按照權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的扭矩測量機構包括反光鏡、彈性鋼絲、圓弧形或直桿形的陣列或電阻式光敏感光桿和激光源；所述的反光鏡和彈性鋼絲固裝在移動梁下方的拉力傳感器上；光敏感光桿和激光源固裝在移動梁上。
5.按照權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的夾持器，由與彈性鋼絲固接的上夾頭、與下夾頭連接桿固接的下夾頭和用于自振測量的微彈簧片夾所構成；所述的微彈簧片夾為一塊彈簧鋼片一次沖模成形的夾持器，其重量范圍在20mg～500mg，彈簧片夾力在100mg～2g，并與重量成正比。
6.按照權利要求5所述的裝置，其特征在于所述的微彈簧片夾在夾持試樣時，需一開夾器，該開夾器鉗口帶有可放入微彈簧片并與微彈簧片形狀相似的檔塊溝槽、常合彈簧和類似老虎鉗的手柄。
7.按照權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的轉動機構由下夾頭連接桿、固定連接桿的轉動座、離合器、旋轉微電機和安裝轉動座、離合器、旋轉微電機的下移動板、驅動下移動板的螺桿、滑桿、一對傘齒輪和步進電機構成。
8.按照權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的顯微偏光光路與攝像機構，由可移動的光源、反光鏡、起偏器和聚光鏡，以及可自動或手動對焦的物鏡、檢偏器、放大鏡和CCD攝像器所構成，并整體安裝在移動與對焦機構上。
9.按照權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的移動與對焦機構，由用于物鏡對焦的手動粗調和微調旋鈕、自動對焦機構、變焦旋鈕、聚光機構移動旋鈕、聚光鏡移動的旋鈕、移動架和雙轉動螺桿構成。
10.按照權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的溫度罩為可拆卸、開合式圓筒形溫度罩，由一對對稱半圓罩、進出氣閥、加熱電阻絲、溫度傳感器構成；所述的對稱半圓罩位于溫度罩的側面位，旋轉90℃合攏。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于柔性材料扭轉性能測量的方法與裝置，其方法是采用試樣上端夾持測扭矩，下端掛重物轉動至一定扭矩或轉動角后，釋放回轉、自然往復，測試樣的自振性能和扭轉模量；或對下端夾持強迫轉動或正反轉動，測量試樣一次扭轉破壞或疲勞性能。實現(xiàn)該方法的裝置是由移動梁、力、位移傳感器、扭矩測量機構、上、下夾頭、轉動機構、顯微偏光光路與攝像機構、移動與對焦機構、溫度罩、驅動系統(tǒng)與控制電路，以及程序控制和信號處理系統(tǒng)等組成。能有效完成柔性材料定負荷或定伸長下的自振、扭轉疲勞和松弛性能的測量，并能觀測試樣扭轉中的捻度傳遞和在不同溫度下的性能變化。本裝置結構簡單實用，安裝置換方便，可測參數(shù)多、測量精確。
文檔編號G01N21/00GK1587969SQ20041006689
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權日2004年9月30日
發(fā)明者于偉東, 劉曉艷 申請人:東華大學