懸掛物形態的光學和力學測量方法與裝置的製作方法
2023-05-06 14:31:36
專利名稱：懸掛物形態的光學和力學測量方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於紡織精密計量儀器技術領域，涉及懸掛物的重量、懸垂及起拱形態和性能的測量方法及裝置。可應用於紗線、繩、織物特徵和風格的測量，以及服裝穿著舒適性和懸垂美感的評價。
背景技術：
織物和紗線的懸垂性和起拱性對紡織品的成形加工、穿著與使用以及造型的和諧性起著至關重要的作用，既影響內衣的柔軟、貼身和舒適性能，以及外衣的挺括、抗皺、保形和視覺美感；又影響蓬蓋、風帆、氣袋、簾、幕等在受力作用下的使用性能，以及降落傘、帳篷等織物的造型和收放性能。
因此，要製成良好外觀風格的織物和滿足多功能性紡織品的需求，必須選擇相應的織物與紗線風格，包括重量、懸垂性能、起拱性能及彎曲性能等力學性能，來生產加工最終紡織品。
目前對織物懸垂性的測試方法可分為兩大類一類稱為傘式投影法；一類為單向懸垂法。傘式投影法基於織物在自重作用下產生下垂的原理來研究織物的懸垂性能，這類研究雖有文獻報導(徐軍，姚穆.織物傘式懸垂旋轉速度對懸垂性影響的研究.西北紡織工學院學報，2001，15(2)，122～125；郭永平，李長龍，李汝勤.織物懸垂性理論及測試方法研究綜述.中國紡織大學學報，1999，25(3)，94～98)和專利申請(周華，沈毅，姚躍飛.織物懸垂性測試儀.中國專利ZL97224718.1，1999；趙文，王夕源，王盼文.電腦多功能織物懸垂風格測試儀.中國專利ZL89205920.6，1990)，但報導和專利中的懸垂性測試方法均為，通過將一定面積的圓形織物試樣壓在圓柱形支持臺上，因自重下垂產生的投影面積來表徵織物的懸垂性能，其條件都是在傘式條件下的懸垂成形和外觀視覺效果。因此該方法較難反映織物在某一特定方向上的成形能力、抗起拱能力、懸垂性及飄逸感，而在紡織品成形加工和服裝製作過程中紡織品單一方向的懸垂、飄逸和起拱性能對紡織品的加工、面料的取向、服裝的造型效果起著決定性的作用。
單向懸垂法，亦有文獻報導(Peirce F.T.，J.Text.Inst.，1926，17，T355-368；P.Grosbergand N.M.Swani.The Mechanical Properties of Woven Fabrics Part IVThe Determinationof the Bending Rigidity and Frictional Restraint in Woven Fabrics.Textile Res.J，1966，338-345；CSIRO Australia.Fast Instruction Manual，1994)，這種方法是基於懸臂梁彎曲原理，只用於靜態下測試彎曲試樣的彎曲長度來間接表徵織物的懸垂性能，而沒有考慮動態下織物單向懸垂特性。
由於織物的起拱性性能與織物單向的懸垂性能兩者對織物的服用性能和服裝的美感性能起著非常重要的作用，因此本專利還針對目前對織物起拱性的測試方法的有關文獻報導(P.Grosberg and N.M.Swani.The Mechanical Properties of Woven Fabrics PartIIIThe Buckling of Woven Fabrics.Textile Res.J.，1966，332-338；T.G.Clapp and H.Peng.Buckling of Wovens Fabrics Part IIIExperimental Validation of Theoretical Models.Textile Res.J.，1990，641-645)，設計一能將織物的懸垂性和起拱性測試集於一體的裝置。
因此，實用和理論研究中都有必要研究集懸掛物的懸垂性與起拱性測量於一體，動、靜態性能測量於一體的測量方法與裝置。同時原樣原位地獲取懸掛物的重量、彎曲剛度等指標。這不僅可以精確、巧妙地測量，而且可為此類測量提供新方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種發明懸掛物形態的光學和力學測量方法與裝置，可對包括織物、膜類、紗線或細繩類在內的懸掛物的重量、懸垂及起拱形態和性能進行組合測量。
本發明的測量原理是對懸掛物一端握持稱重，兩端握持形成造型，採用一與計算機相連的CCD攝像器，攝取懸掛物靜態或動態下的幾何形狀尺寸與變形；一對裝於試樣夾持方向可調的夾持器上的力傳感器，測量懸掛物握持點的受力，實現對懸掛物的懸垂及起拱形態和性能的靜態與動態測量。
本發明的測量裝置主要包括力測量機構、幾何形態測量機構、位移驅動機構、信號採集與處理系統和程序軟體與微機系統五大部分。其基本結構和原理是a.力測量機構主要由一對高精度力傳感器和一對隨遇穩態和可調方向的夾持器組成。所述力傳感器與對應夾持器相連和同步轉動；力值信號由力傳感器傳輸到A/D數據採集卡完成微力測量。所述夾持器由軸對稱夾頭、滾珠軸承旋轉臺、轉動塊和滑動塊構成，中間與力傳感器固接。所述的夾頭可以360°任意轉動和隨遇穩態，亦可由固緊螺釘定位和定方向。
b.形態測量機構由CCD數碼攝像器、固定支架組成，CCD數碼攝像器攝取的圖象信號通過圖像採集卡與計算機相連，可完整地給出懸掛物的動態和靜態造型全貌。由此完成懸掛物靜態或動態下懸掛與起拱形態，以及夾持點傾斜角的測量。並可經計算機圖像處理獲取懸掛或起拱物的幾何形態線，及其各點的撓度、斜率及曲率等。
c.位移驅動機構由三部分移動機構和一個自由落體觸發機構組成。位移驅動機構即夾持器的對稱移動機構，移動板水平移動機構，移動板垂直移動機構；自由落體觸發機構即主要由一個電磁離合器、平衡重錘和減振阻尼機構構成。三部分移動機構均由絲杆和步進電機驅動，步進電機的控制由電腦程式構成；自由落體觸發機構由與計算機相連的電磁開關觸發電磁離合器，使其打開完成觸發下落，平衡重錘使移動板平衡、無阻礙下落，減振阻尼器保證移動板的平穩停止。
d.信號採集與處理系統涉及兩部分，即由用於力傳感器信號的放大、濾波及模數轉換數據採集卡和用於CCD數碼攝像器的圖像採集卡構成，並與計算機相連，完成對力和圖象數據的預處理和輸入計算機。
e.程序軟體與計算機系統是由數據採集與處理模塊、圖像採集與處理模塊、運行模式與控制模塊、界面操作與參數設置模塊，及計算控制、處理、分析的基本功能模塊構成。可完成力、位移和形態圖像採集處理、實時顯示與存儲、界面操作程序控制、測量設置和模式選擇，可獲得力—位移和幾何形態—位移曲線和特徵值(如懸掛物的重量、零水平力時的夾持長度、懸掛形態及懸掛物彎曲剛度等)的提取與計算。
本發明是通過如下技術方案實現的懸掛物形態的光學和力學測量方法與裝置，如圖1、2和3所示，包括由移動板組件(1和2)，夾持器組件3、懸掛物4、CCD攝像器5以及相應的力、幾何形態圖像信號處理系統和位移驅動控制系統組成。上述測量方法的實現是通過其測量裝置完成的，該測量裝置的構成與作用如下a.移動機構其特徵在於由垂直移動機構1和水平移動機構2組成，所述的垂直移動機構1由豎直移動板11、螺杆12及電機19構成，通過電機19轉動螺杆12，可驅動移動板組件(1和2)、夾持器組件3和懸掛物4按設定速度在豎直方向上、下移動；所述的水平移動機構2由水平移動板21、螺杆22及電機23構成，通過電機23轉動螺杆22，可驅動移動板2、夾持器組件3和懸掛物4按設定速度在水平方向往復移動，其結構如圖1和圖2所示。
b.自由落體觸發機構，由電磁開關、電磁離合器13、平衡重錘14、上彈簧15、撞擊塊16、下彈簧17和阻尼器18構成，所述的電磁開關與計算機相連，觸發電磁離合器13的作用。
c.夾持器組件3其特徵是由左夾持器和右夾持器組成，夾持器完全對稱一致，便於左或右手握持者使用，其由軸對稱夾頭31、滾珠軸承旋轉臺32、螺釘33、力傳感器34、滑動塊35、轉動杆36、對稱螺杆37及電機38構成。通過電機38驅動螺杆37完成對兩夾持器的對稱靠攏與分開移動，如圖1所示。可通過改變彈簧的壓力調整試樣1～5000g的夾持張力；可隨遇穩態和可調試樣-90°到90°的夾持方向。
d.形態特徵測量為高解析度、高速成像裝置，其特徵為CCD數碼攝像器5，並通過高速、高解析度圖像採集卡與計算機相連，可完成懸掛物幾何形態讀取及幾何形態上各點的撓度、斜率、曲率及厚度的測量，其安放示意如圖2所示。
實現懸掛物的重量、懸垂或起拱形態和性能測量的方法是通過下述具體過程完成的a.通過轉動杆36轉動力傳感器34從0°位轉至90°位，力傳感器主受力方向為垂直方向，取下右側軸對稱夾頭31，將一定幾何尺寸懸掛物4一端夾持住；b.將該對稱夾頭插入原右側的滾珠軸承旋轉臺32內，待懸掛物4處於平衡靜止狀態時，通過力傳感器34獲取懸掛物4的重力並計算相對重量(平方米重量或線密度)；c.轉動杆36轉動，力傳感器34從90°位恢復至0°位，力傳感器主受力方向為水平方向；取下左側軸對稱夾頭31夾持該懸掛物的另一端，並插入左滾珠軸承旋轉臺32內，懸掛夾持試樣，此時兩對稱夾頭時隨遇穩態，可根據測量要求通過螺釘33固定此1或2軸對稱夾頭31的方向做固定端測量；d.整個裝置的控制、數據採集與處理、界面操作和設置由計算機及各軟體模塊完成，所述的軟體模塊由數據採集與處理模塊、圖像採集與處理模塊、運行模式與控制模塊、界面操作與參數設置模塊，及計算控制、處理、分析的基本功能模塊構成，其結構模式按示意圖如圖3。
e.通過電機38轉動對稱螺杆37移動夾持器組件，至零水平力位置，則可完成該位置形態測量及參數獲取；通過電機38轉動對稱螺杆37和調節懸掛物4至所需測量造型位置，進行靜態力和形態及其參數測量；f.通過移動1和2可分別完成懸掛物垂直和水平方向懸掛物飄逸造形下的力和形態及其特徵參數的測量，其基本原理如圖1和圖2所示。
與現有技術相比，本發明包括如下優點a.通過一對力傳感器和一個CCD數碼攝像器可進行懸掛物(包括織物、膜類、紗線或細繩類)的重量、懸垂及起拱形態與性能測量。
b.本發明的方法可以進行組合和原位的測量，即能在本發明的裝置上同時進行紗線和織物的懸垂與起拱力學性能測量，同機同原理的測量，可給出其間力學性能的直接關係。
c.軸對稱夾持器配以軸承可忽略阻力、可隨遇穩態夾持或任意固定方向力夾持測量，且夾持器夾力可調。
d.整個裝置機構簡單、結構精巧，通過數控驅動機構對移動板和夾持器進行精密控制測量；與計算機相連，通過軟體完成數據的快速、實時處理。
e.本發明不但快速完成信號採集、處理及提取、數據和信息量大，而且操作簡便、裝置成本低，可廣泛用於懸掛物(包括織物、膜類、紗線或細繩類)的力學性能分析，紡織生產中工藝參數的優化與質量控制，及紡織品的服用性能和織物風格等的估計。
圖1懸掛物形態的光學和力學測量裝置主視2懸掛物形態的光學和力學測量裝置左視3懸掛物形態的光學和力學的數據採集及數控系統流程4夾持器組件兩力傳感器的力——位移特徵曲線圖5靜態懸掛幾何形態—位移特徵曲線圖6動態移動特徵—位移7起拱特徵—位移中1-垂直移動機構、11-豎直移動板、12-螺杆、13-電磁離合器、14-平衡重錘、15-上彈簧、16-撞擊塊、17-下彈簧、18-阻尼器、19-電機；2-水平移動機構、21-水平移動板、22-螺杆、23-電機；3-夾持器組件、31-軸對稱夾頭、32-滾珠軸承旋轉臺、33-螺釘、34-力傳感器、35-滑動塊、36-轉動杆、37-對稱螺杆、38-電機；4-懸掛物；5-CCD數碼攝像器。
圖5中，圖5-1是零水平力位置懸掛圖，圖5-2是水平靠攏懸掛圖，圖5-3是水平分開懸掛圖；圖6中，圖6-1是水平方向飄逸性圖，圖6-2是豎直方向飄逸性圖；圖7中，圖7-1是水平夾持起拱形態圖，圖7-2是豎直夾持起拱形態圖，圖7-3是隨遇穩態夾持起拱形態圖。
具體實施例方式通過以下的基本實施方式和實施例有助於理解本發明，但並不限制本發明的內容。
按照測量的要求，截取一定長度與寬度的織物試樣(即懸掛物)；通過轉動塊36轉動力傳感器34從0°轉至90°，取下右軸對稱夾頭31夾持懸掛物4一端，插入滾珠軸承旋轉臺孔，待懸掛物4處於平衡狀態，啟動程序軟體和CCD攝像器5開始攝像，通過力傳感器34獲取懸掛物4的重力，轉動塊36轉動力傳感器34從90°恢復0°；取下左軸對稱夾頭31夾持懸掛物另一端，並插入滾珠軸承旋轉臺孔，夾持懸掛物(根據要求可以進一步通過螺釘33固定軸對稱夾頭31)，完成懸掛物測量前的準備工作。實驗涉及以下多種測量實施例1，懸掛力—位移、形態尺寸—位移特徵曲線及參數獲得。
通過電機38轉動對稱螺杆37，移動夾持器組件3至懸掛物4零水平力位置，獲得懸掛物的平方米重量G0、夾持器距W0、零水平力時的最小懸掛長度L0和最大高度H0；任意位置時可測半高寬度W1/2或屈曲最大寬度Wm、屈曲最大寬度所對應的高度h；和懸掛最大高度H0。電機38轉動對稱螺杆37，移動夾持器組件至懸掛物受力形態為所需形態，獲得懸掛物的彎曲剛度B；測量過程中的力值信號由夾持器組件3上的兩個力傳感器感應受力，通過數據採集卡A/D接口輸入計算機；測量過程種的懸掛物形態由CCD攝像器5讀取，通過圖像採集卡的接口輸入計算機。
通過測量三塊織物分別在零水平力位置懸掛圖、水平靠攏懸掛圖和水平分開懸掛圖，可獲得相應形態參數，其結果見表1；左右兩個傳感器(A和B)的力—位移特徵曲線、幾何形態—位移特徵曲線及參數結果分別見圖4和圖5。
表1 3塊精紡毛織物的測量結果G0L0H0W0h WmW1/2B試樣(g/m2)(mm) (mm) (mm)(mm) (mm) (mm) (cN·cm2)1#56 35.4574.2524.3011.15 0.1422#57 68.3530.309.35 34.25 0.1493#58 59.3045.25 29.15 0.153實施例2動態移動懸掛特徵——位移動態移動包括水平和豎直方向飄逸性測量，由電機23轉動螺杆22，沿水平方向往返移動移動板21，完成試樣在水平方向飄逸性的力和形態及參數測量，其幾何形態—位移曲線見圖6(a)，通過由圖像處理獲得的懸掛物試樣上各點坐標積分求得懸掛物中點A坐標，計算得A點偏移值δ和Hs與Hd的差值所得的ΔH見表2；電機18轉動螺杆12，沿豎直方向上、下移動移動板11，完成試樣在豎直方向飄逸性的力和形態及參數測量，其幾何形態—位移曲線見圖6(b)，所得的形態參數ΔH＝Hs-Hd、ΔW1＝Wd1-Ws、ΔW2＝Wd2-Ws見表2。
表2 2塊素色毛織物的測量結果
1#和2#試樣測試結果差異，是由於試樣水平與垂直移動速度不同和環境氣流速度不同對勻速移動試樣所形成的不同阻力，以及試樣固有的平方米重量和彎曲剛度等特徵形成的。
實施例3起拱測量調節軸對稱夾頭31至水平夾持懸掛物兩端，調節試樣使試樣略向上起拱，電機38轉動對稱螺杆37，實現左、右夾持器同軸靠攏和分開移動，完稱懸掛物水平夾持狀態下起拱測量，其幾何形態—位移曲線見圖7(a)；調節軸對稱夾頭31至豎直向上夾持懸掛物兩端，調節試樣使試樣略向上起拱，電機38轉動對稱螺杆37，實現左、右夾持器同軸靠攏和分開移動，完稱懸掛物豎直向上夾持狀態下起拱測量，其幾何形態—位移曲線見圖7(b)；調節軸對稱夾頭31至任意所需方向夾持懸掛物兩端，調節試樣使試樣略向上起拱，電機38轉動對稱螺杆37，實現左、右夾持器同軸靠攏和分開移動，完稱懸掛物任意方向夾持狀態下起拱測量，其幾何形態—位移曲線見圖7(c)；微電機驅動移動板組件(1和2)及夾持器組件3恢復至原位，取下懸掛物，整個測試完畢。
實施例4自由落體形態參數測量通過計算機運行模式選擇自由落體方式、啟動測量、電磁開關合閉、電磁離合器13打開脫離螺杆12，但仍靠於螺杆12上，移動機構1和2整體自由下落。CCD數碼攝像器5快速拍攝下落懸掛物的造形，並輸入計算機進行圖像處理。可獲得在撞擊塊16碰觸彈簧17之前任意時刻的自由落體形態參數Hfd、Wfd1、Wfd2、ΔH、ΔW1、ΔW2，其初始造形與實施例2一致，故可得結果見表3。
表3 2塊素色毛織物自由落體形態參數測量結果
1#和2#試樣測試結果差異，是由於試樣的平方米重量和彎曲剛度等特徵形成的；與實施例2中的勻速垂直移動的差異在於自由落體中試樣為變速移動。
權利要求
1.一種懸掛物形態的光學和力學測量方法，其特徵在於通過一端夾持包括織物、膜類、紗線或細繩類在內的懸掛物稱取重量，再兩端握持形成懸掛或起拱，移動試樣兩握持端靜態造型測量其懸垂或起拱形態和性能；垂直或水平移動試樣，測量其動態懸垂或起拱的形態與性能；所述的一端握持稱重是將織物試樣裁成矩形、線或繩的試樣，一端夾住懸起，通過懸掛端的力感應測量該物的重量；所述的重量是指織物或膜類材料的平方米重量、紗線或細繩單位長度的重量；所述的兩端握持懸掛或起拱是將上述稱重後的懸掛物的另一端夾住懸起或兩夾持端向上使其起拱；所述的靜態造形是對稱移動兩握持端靠攏和分開，形成的特定位置的造形；所述的動態造形是將已設特定造形的試樣垂直或水平勻速移動，或自由落體移動形成懸掛或起拱形態；所述的懸垂或起拱形態與性能組合測量是指對靜態造形和/或動態造形試樣的幾何懸垂或起拱形態特徵和握持端力值的測量，涉及懸掛或起拱試樣不同條件不同造形時的形態參數和力學參數及其組合指標與曲線；所述的形態參數為懸掛長度或起拱高度，包括握持點、最大、半高及最小在內的寬度，包括長度、高度、寬度、中心線偏在內的移動靜態造形間的差異值和偏移中心線方程；所述的力學參數為不同方向、不同造形的握持端力和彎曲剛度；所述的組合指標為動態移動停止時試樣的擺動和振蕩的次數和零水平力時的最小懸掛長度；所述的組合曲線為力—位移和形態尺寸—位移曲線及造形曲線。
2.根據權利要求1所述的測量方法實現的測量裝置，包括含有由驅動控制卡、數據採集卡、圖像採集卡、及其程序軟體的計算機，其特徵在於由一讀取懸掛物形態的CCD攝像器，裝於移動板上的一對隨遇穩態或可調方向的夾持器、一對與夾持器相聯的力傳感器，使夾持器對稱位移和可同步的水平移動機構、分別和三臺電機、CCD攝像器以及計算機連接的垂直位移的數控驅動機構和自由落體觸發機構構成，所述的移動板是由數控驅動機構控制。
3.根據權利要求2所述的測量裝置，其特徵在於所述的CCD攝像器是與計算機通過高速圖像採集卡相聯可高速、實時讀取懸掛物任意時刻受力變形的懸掛形態的高解析度CCD攝像器。
4.根據權利要求2所述的的測量裝置，其特徵在於所述的自由落體觸發機構由與垂直移動板上電磁開關連接的、並在垂直螺杆上可移動的電磁離合器、平衡重錘、移動板下端吊有撞擊塊的上彈簧、連接下彈簧的阻尼器和驅動垂直螺杆的電機構成，所述的觸發電磁離合器的作用的電磁開關與計算機相連。
5.根據權利要求2所述的測量裝置，其特徵在於所述的一對隨遇穩態可調方向的連在對稱螺杆的夾持器由固定在對稱螺杆是的滾珠軸承旋轉臺、軸對稱夾頭、帶動對稱螺杆並與計算機相連的力傳感器、可通過旋轉力傳感器獲取0°～360°任意方向的受力轉動塊和滑動塊構成。
6.根據權利要求2所述的測量裝置，其特徵在於所述的連接在垂直移動板上的水平移動機構由固定其上的電機、水平移動板和水平螺杆組成。
7.根據權利要求2、3、4、5或6所述的測量裝置，其特徵在於通過轉動對稱螺杆使夾持器精密移動，實現水平位置的同軸靠攏和分開移動；通過改變彈簧的壓力調整試樣1～5000g的夾持張力；可隨遇穩態和可調試樣-90°到90°的夾持方向。
8.一種根據權利要求2所述裝置的用途，其特徵是用於各種織物、膜類材料、紗線或細繩的測量。
全文摘要
本發明涉及包括織物、膜類、紗線或細繩類在內的懸掛物的重量、懸垂及起拱形態和性能的光學與力學測量方法與裝置。該方法通過一端夾持懸掛物稱取重量，再兩端握持形成懸掛或起拱，移動試樣兩握持端靜態造型測量其懸垂或起拱形態和性能；垂直或水平移動試樣，測量其動態懸垂或起拱的形態與性能。實現該方法的裝置是由一讀取懸掛物形態的CCD攝像器，一對隨遇穩態可調方向的夾持器，一對裝於夾持器的力傳感器，使夾持器對稱位移和可同步水平與垂直位移的數控驅動機構，含有力、形態及位移信號採集、控制和處理系統的計算機構成，可測各類特徵指標，其特點是用光學和力學組合方法測量，且機構簡單、結構精巧、測量快速、實時。
文檔編號G01D21/02GK1601277SQ20041006750
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月26日 優先權日2004年10月26日
發明者於偉東, 杜趙群 申請人:東華大學