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新型浆纱回潮率检测系统的研制 摘要 织造效率的提高很大程度上取决于纱线的可织性。浆纱工序是 贴服纱线毛羽，提高纱线可织性的关键工序。 体现浆纱效果好坏的最重要指标是上浆率。纱线上浆率的影响 因素有很多，在上浆过程中上浆率是在不断变化之中。为了保持上 浆率的恒定，需要对上浆率进行实时检测和控制。而上浆率和压出 回潮率之间有一定的函数关系。通过对压出回湖率的在线检测可以 实现上浆率的在线检测，进而实现上浆率的自动控制。 回潮率在线检测系统的另一个应用是检测烘燥后的浆纱回潮 率，这是浆纱回潮率自动控制系统的基础部分。 本课题研究的主要内容有； ( j ) 分析各类主要浆料和纤维的介电性能。分析带液浆纱的 吸湿性能和介电性能，建立带液浆纱的理论介电模型，并进行修正。 ( 2 ) 分析各类测量用微波元件，构建回潮率检测系统的硬件。 ( 3 ) 采用l a b v i e w 软件，设计开发检测系统的检测软件。 ( 4 ) 对系统进行实测检验，进行数据分析。 经过理论研究和实际检测检验，论文工作得到如下结论。 通过和烘箱法检测结果的比较，论文所建立的复合介质介电性 能复合模型应用效果良好，采用微波衰减量测量的方法测量浆纱回 潮率和压出回潮率是可行的。检测结果和烘箱法的检测结果没有显 著差别。模型的建立解决了从电测信号到最终指标的转换问题，是 整个检测系统的核心，为整个检测系统的建立奠定了基础。 介电性能复合模型受浆料配方的影响不明显，但是纱线体密度 对最终结果有影响，检测时应当根据纱线种类的不同选择不同的测 量参数。 采用虚拟程序语言进行程序设计，具有强大的功能和很好好的 灵活性，除了可以模拟测试仪器的部分电路，还可以随时增加和更 改修正系数，更改检测次数和采样频率。这样就提高了模型的精确 东华大学硕士学位论文 性，节约了购置仪器的成本，并且可以进行实时数据处理和网络数 据传输。 整个检测系统经过调试试用，具有较好的实用性和良好的操作 性，检测结果较好。 总体说来，本课题研制的新型浆纱回潮率检测系统具有良好的 实用性、灵活性和精确性，符合在线检测的需要。 关键词：回潮率、上浆率、在线检测、微波衰减、虚拟仪器 新型浆纱回潮率检测系统的研制 an e ws y s t e mf o rm o i s t u r er e g a i no n l i n e i n s p e c t i o no fs i z e dy a r n a b s t r u c t t h ed e v e l o p m e n to f e f f i c i e n c yo f w e a v em a i n l yb a s eo nt h ew e a v e a b i l i t yo fy a r n sf u r t h e r m o r e ，t h ek e yp r o c e s sf o rd e v e l o p i n g t h ey a r n s w e a v ea b i l i t yi ss i z i n g ，f o ri tc a nm a k ef i l o p l u m el o d g e t h em o s ti m p o r t a n ti n d e xw h i c hs h o wt h eq u a l i t yo fs i z i n gi ss i z e l o a d i n g ，w h i c hf l u c t u a t e sm o m e n t a r i l y ，f o ri t i sa f f e c t e db ym a n y f a c t o r sw en e e dt e s ta n dc o n t r o li t f r e q u e n t l yt om a k e i ts t e a d i n e s s a s w ec o u l dc a l c u l a t ei tt h r o u g ht h em o i s t u r er e g a i no f y a r nt h a ti sj u s to u t o ft h es i z i n gc a s e ，w ec o u l dc o n t r o li tt h r o u g ht h em o i s t u r er e g a i na s w e l l t h eo t h e ri n s p e c ti n d e xi st h em o i s t u r er e g a i no ft h es i z e dy a r n w h i c hh a sb e e nd y e d ；t h er e g a i nisa l s ot h eb a s i so ft h em o i s t u r er e g a i n o fs i z e dy a r na u t o c o n t r o l l i n gs y s t e m t h em a i nc o n t e n to fo b j e c ti s ： ( 1 ) a n a l y s est h ee l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i ca n dm o i s t u r e a b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i co f v a r i o uss i z ea n df i b e r s a n a l y s e st h e e l e c t r o n i ca n dm o i s t u r ea b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs i z e dy a r ns ，a n d b u i l dt h et e s t i n gm o d e l b u i l da n dm o d i f ym o i s t u r er e g a i nt e s t i n gm o d e l ， a f t e rr e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i n g l ea n dt h em o i s t u r er e g a i n ( 2 ) a n a l y s e s r e l a t e dm i c r o w a v ec o m p o n e n t s ，a n db u i l dh a r d w a r e s y s t e mo ft h et e s t i n gs y s t e m ( 3 ) d e s i g n a n dw r i t et h es o f t w a r eo ft h es y s t e mb yl a b v i e w ( 4 ) c h e c kt h ew h o l es y s t e m ，a n da n a l y s e st h ed a t a t h er e s e a r c ha c h i e v et h eg o a lt h r o u g ht h e o r yr e s e a r c ha n dp r a c t i c a l t e s t i n g ： w ec o u l ds a yt h em o d i f i e dm o d e lise f f i c i e n t ，t h em e t h o dt h r o u g h w h i c hw et e s tt h em o is t u r er e g a i nise f f i c i e n ta sw e l l ，b yc o m p a r ew i t h t h ed a t at h r o u g hd r y i n g t h ed a t ao ft w om e t h o dh a sn oo b v i o u s 东华大学硕士学位论文 d i f f e r e n c et h eb u i l d i n go ft e s tm o d e ls o l v et h ep r o b l e mo ft r a n s l a t i o n f r o ms i n g l et om o i s t u r er e g a i n ，w h i c hist h eb a s i so ft h ew h o l es ys t e m t h ed a t aisn o ta f f e c t e do b v i o u s l yb ys i z i n gi n s t r u c t i o n ，b u ti s a f f e c t e db yt h ec o n s i s t e n c yo fd i f f e r e n ty a r n st h em o d e ls h o u l db e m o d i f i e dd e p e n do nt h ed i f f e r e n tc o n s is t e n c y t h ep r o g r a mw r i t t e nb yl a b v i e wh a sp o w e r f u lf u n c t i o n s ，i sm o r e f l e x i b l e ，f o ri t c a nb em o d i f i e dc o e f f i c i e n ta n ds a m p l i n gf r e q u e n c ya t a n yt i m e ，w h i c hd e v e l o pt h ea c c u r a c y a n ds a v et h ec o s to f h a r d w a r e ，c a n a n a l y s e st h ed a t am o m e n t a r i l y ，t r a n s f e r t h ed a t ab yl a na sw e l l t h et e s t i n gs y s t e mi s q u i t ee f f i c i e n tb yc h e c k i n g ，t h ed a t ai s r e a s o n a b l et h r o u g ha n a l y s i s i naw o r d ，t h et e s t i n gs y s t e mc a nb eu s e de x p e d i e n t l y ，h a sh i g h a c c u r a c ya n df l e x i b i l i t y ，c a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h et e s t i n g t h em o d e lo ff i b e rw i t hh i g he l e c t r i c i t yc o n s t a n t ( c l o s et ot h e e l e c t r i c i t yc o n s t a n to fw a t e r ) h a sn o tb e e nr e s e a r c h e d ，f o rt h el i m i to f t i m ea n de x p e r i m e n t sc o n d i t i o nt h em o d e li sl i m i t e db yi t ，s ot h e r ea r e m o r eo b j e c t st ob er e s e a r c h e d z h a n gk a i y u ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r og u oj i a n s h e n g k e y w o r d s ：m o i s t u r er e g a i n ，s i z el o a d i n g ，m i c r o w a v ea t t e n u a t i o n v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑最声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所旱交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内容负贵，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学雠文作警名：撖耳吟 同期：弘h j 年f 月w 口 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电f - 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制j f 段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密e 以 学位论文作者签名 日期；m 冉f 月w 日 张专喻 指导教师签名 班彳 日期：对圣f 月刀日 新型浆纱回潮率检测系统的研制 第一章绪论 浆纱是机织物生产中的关键工序。研究表明，织机上3 8 的 经纱断头是由于浆纱失败造成的。浆纱质量对织造工艺的重要性 是显而易见的。经纱在织机上受到成百上千次的反复拉伸、曲折和 摩擦，浆纱质量不好的浆纱难于抵御这些激烈负荷，并且会在织造 过程中产生新的毛羽，造成开口不清甚至经纱粘连，增加经纱的断 头次数。 当前，我国正处在有梭织机向无梭织机过渡的阶段。2 0 0 0 年以 前，我国国内无梭织机的比重不到1 0 。2 0 0 2 年我国进口无梭织机 达到3 0 4 2 5 台，2 0 0 3 年的进口数与此相持平。目前，我国无梭织机 的比重已经达到了3 0 4 0 【”。 无梭织机具有可织幅宽增加、可织花色品种增加、引纬速度增 加等优点。目前无梭织机幅宽可达4 米 3 】，不仅可以织造细号高密 织物，还可以织造粗号高密牛仔布。无梭织机的使用使引纬速度也 有了很大提高。有梭织机的引纬速度为2 0 0 3 0 0 纬分，而喷气织 机的引纬速度为6 0 0 8 0 0 纬分，喷水织机的引纬速度为9 0 0 13 0 0 纬分 4 】，瑞士s u l z e r r u e t i 公司的m 8 3 0 0 多相织机的引纬速度甚至 达到了2 8 0 0 纬分【5 1 。然而，无梭织机的这些优点却进一步对经纱 上浆质量提出了更高的要求，增加幅宽使上机经纱根数增加，增加 引纬速度使经纱开口次数更加频繁，而织造高密织物使相邻经纱摩 擦增加。因此，随着无梭织机在我国纺织厂的普及，浆纱质量的提 高就显得尤为迫切。 要提高当前国内的浆纱水平，不仅要在浆纱工艺和设备上有所 创新和改进，如：研究预湿上浆技术、研究新型浆料、改进国产低 压浆纱机等，同时也要提高浆纱质量在线检测的技术手段，从而提 高浆纱质量的控铹水平。 东华大学硕士学位论文 1 1 浆纱回潮率检测的意义 目前浆纱工序用于衡量经纱上浆效果的指标包括上浆率、回湖 率、伸长率、增强率、减伸率、增磨率、浸透率、被覆率、浆膜完 整率等。其中上浆率、回潮率和伸长率是评价浆纱质量的关键指标 如何保证这些关键指标稳定并符合额定值又是整个工艺的核心所 在。 1 1 1 回潮率检测对上浆率在线检测的意义 浆纱上浆率是浆纱质量关键指标中的关键，它衡量上浆后纱线 上所带浆料的相对量的多少，从而很大程度上反映了浆料对纱线的 保护程度。上浆率低于额定植，浆纱效果将达不到要求，从而影响 布机的正常生产。为了保险起见，在没有上浆率在线控制的条件下， 纺织厂往往采取大大提高上浆率的办法，以尽量确保上浆效果满足 要求。这就造成了浆料的浪费，增加了印染厂的退浆废水和环境污 染。但即使采取大大提高上浆率的办法，也无法保证上浆率的稳定， 影响上浆质量，影响纺织企业的经济效益。因此完全有必要对上浆 率的在线控制进行研究探讨。 经纱上浆率的定删6 垤= 警1 0 蝴= 等x 1 0 慨( 1 - - 1 ) 其中，s 一经纱上浆率 g 。一单位体积浆料干重 g 一单位体积浆纱干重 g n 一单位体积经纱干重 如果从上述定义出发进行上浆率的测量，就需要将浆纱剪断采 样，进行退浆实验，这样就无法实现在线检测和控制上浆率。但是， 由于浆液浓度c 可以表示为： c ：羔1 0 0 ，( 1 2 ) g s + g w 。 ? 。一 其中，g 。一单位体积水的重量 浆纱回潮率的定义为： 新型浆纱回潮率检测系统的研制 ：擘1 0 0 ：妥x 1 0 0 ( 1 _ 3 ) g g 0 + q 一 其中，渺一浆纱回潮率 g 1 一单位体积浆纱( 含水) 重量 g 一单位体积浆纱干重 将式( 1 1 、1 2 、1 3 ) 联立，可得： s ：黑1 0 0 ( 1 _ 4 ) 1 一c c 一 “ 以目前的技术水平，浆纱回潮率和浆液浓度的在线检测是可以实 现的 7 1 ，从而可以间接实现上浆率的在线检测和自动控制。此时回潮 率的检测点在浆纱机烘燥部分之前，所测得的回潮率为压出回潮率。 1 1 2 回潮率检测在回潮率自动控制系统中的意义 浆纱回潮率检测的另一个目的是实现回潮率的自动控制，此时 的检测点在烘燥部分之后。 浆纱回潮率是浆纱含水量的质量指标，它反应了浆纱烘干的程 度。由于浆纱烘干程度不仅关系到浆纱的能量消耗，而且影响到浆 膜性能( 浆膜弹性、柔软度、强度、再粘性等) ，因此测量浆纱回 潮率能够很大程度上反应出浆纱质量，具有十分重要的意义。浆纱 回潮率过大，会引起浆膜发粘，浆纱易粘连在一起，织造时经纱开 口不清；还会使浆纱容易发霉，浆纱与织轴边盘接触处易生锈斑。 回潮率过小，浆膜粗糙、脆硬，经纱容易断头f 8 。通过在线检测浆 纱回潮率，可以及时对浆纱工艺参数进行调整，主要是调节浆纱速 度和烘房的烘燥温度达到回潮率的稳定。 1 2 浆纱回潮率检测方法的研究现状及问题 根据回潮率的定义，实际需要测量的就是浆纱中水分的比例。 因此，回潮率的测量也就是浆纱中水分的测量。 水分测量的方法可以分为两大类：参数法和质量转移法。参数 东华大学硕士学位论文 法就是测量含水物质的某个物理化学参数的方法，如电导、介电常 数、质量转移系数等；质量转移法就是测量物质含水前后的重量差 异，从而直接测出物质的含水量。本文拟周的方法属于参数法f 9 】。 从通俗的意义上来说，就是直接测量法和间接测量法。 浆纱回潮率的榆测方法也可以分为直接法和间接法两大类。 直接法是指直接按照回潮率的定义，测出单位体积中水分的重 量和经纱的干重，再代入回潮率公式直接计算得出结果。 从浆纱回潮率的定义中可以看出在线秤量水和浆纱的重量是无 法实现的，这就需要运用参数法间接地求出浆纱趔潮率，这就是间 接法。带液浆纱可以测量的参数有很多，其中最方便的就是测量带 液浆纱的电学参数，包括电阻值、电容值、功率值等。揭示了这些 参数和浆纱回潮率之间的关系之后，就可以利用这些参数值求出浆 纱的回潮率。 ( 1 ) 烘箱法。 浆纱回潮率检测的国家标准方法是烘箱干燥法( g b t9 9 9 5 ) 。 烘箱法的测量装置目前有y 8 0 2 型或y 8 0 2 a 型烘箱及天平。可以测 试棉、羊毛、蚕丝、麻、粘胶纤维及各种化学纤维。 使用烘箱法进行回潮率检测，设备简单、操作方便，实验结果 稳定，经常被用来核对其它测量方法的准确性。 但是烘箱法也有自身缺点。由于烘箱的加热方法为电热丝加热， 加热时间长，并且浆纱中各部分受热不均匀。为了既保持烘箱干燥 法测试回潮率的优点，又克服电热丝加热的各种不足，国内外使用 了多种新型手段进行试样加热。采用的手段有红外线干燥、真空干 燥、吸湿荆干燥以及高频加热干燥等 ” 。 烘箱法的最大缺点是需要剪取浆纱试样，无法进行连续的在线 检测。上述改进后的测量方法虽然可以解决烘箱法加热试样时间长、 加热不匀的问题，但是基本的测量原理还是和使用烘箱干燥法进行 回潮率检测的原理相同，无法进行在线测量。 回潮率检测水平提高的一个重要方向就是实现连续的在线检 测，这就需要依靠间接测量法进行测量。 新型浆纱回潮率检测系统的研常 ( 2 ) 电阻法。 电阻法是应用纱线在不同回潮率下具有不同的电阻值来进行浆 纱回潮率检测的方法，是目前国内外最常用的回潮率在线检测方法， 也是研究最早的一种间接测量方法。 电阻法水分测量仪的测量探头形式有探针式和辊式。 早在1 9 8 8 年，美国s t r a n d b e r g 公司工程实验室就推出了m 一2 0 0 b 型便携式回潮率检测仪，该水分检测仪的测量范围超过1 0 0 ，因 此不仅可以测量浆纱回潮率，还可以测量浆槽中的水分含量 1 ”。这 种水分检测仪的探头就是探针式。目前美国s t r a n d b e r g 公司又开发 了1 0 35 型可直接与计算机相连的回潮率检测仪，可测各种纤维及其 混纺体回潮率，误差范围不超过o2 。该控制系统的测湿探头为测 湿辊，更便于测量纱线的回潮率 1 “。 国外采用电阻法原理的回潮率检测仪目前还有德国m a h l o 公司 的e m c 系列和r m s 系列产品 13 】，误差范围不超过o2 。 国内生产较早的此类产品有原纺织工业部的y 4 1 l 型浆纱湿度 仪和8 0 年代上海纺织电子仪器厂生产的y h l 6 1 型回潮仪。目前领 先的产品有郑州远见电子有限公司生产的“美湿卡” 1 4 1 ，其中m 42 a 型是国内生产的唯一可提供回潮率数据接1 5 1 的产品。这种测湿仪目 前配备在新型的七单元浆纱机上。 电阻法测湿具有快速、便捷、节能的优点。但是也有其缺点。 原有的测量模型为线性模型，精度不够，已有学者对其进行了修正， 在测量羊毛和蚕丝的回潮率应用上有较好的效果【】”。 此外，电阻法在回潮率检测仪极板两端加的是直流电压，极板 使用一段时间后会产生极化现象，同时纤维中离子在直流电场中的 迁移和积聚也会影响测试精度。有资料表明，原棉在回潮率1 03 和温度2 0 的条件下，分别以铜、锌作电极进行棉纤维的电阻值测 量时，由于电解效应的影响，不同电极之间的电阻随导电作用时间 的增加而增大6 】。而且，应用电阻法检测时虽然不需要剪取试样， 但是检测头和纱线还是有接触，纱线和检测头的接触情况在很大程 度上影响了检测的稳定性。 东华大学硕士学位论文 ( 2 ) 电容法。 电容法的原理是当带液浆纱通过两极板时，浆纱中含水量的波动 引起了电容值的改变，而电容值与带液浆纱的介电常数有直接关系， 从而可以测得浆纱的回潮率1 17 1 。电容法早在2 0 世纪6 0 年代就有学者 进行过研究。研究表明，当测量加载的电源振荡频率为1 0 5 h z 时，测 量误差不超过01 m 】。但是，当电容法实验时若采用普通交流电源， 则测量精度不高，误差范围达到0 5 4 ，实用意义不大。目前也 没有采用电容法原理的回潮率在线检测产品。 ( 3 ) 红外吸收法。 红外线吸收法是根据带液浆纱中的水分在红外频率范围内有其特 殊的吸收峰，通过测量带液浆纱接受红外辐射时吸收的量，可以计算 出带液浆纱中水分的含量，从而推算出浆纱的回潮率。 在具体检测中，测量的指标是纱线或织物照射红外线之后的反射 值，反射值越小，就表明试样吸收的红外线辐射越多，则回潮率越大。 上世纪9 0 年代，我国的西北纺织工学院曾对此做过研究。实验表明， 试样对红外辐射的总反射率与回潮率之间较好地服从负指数关系，当 辐射主波长在水的吸收峰波长范围内时，相关较好，反之较差 1 9 1 。 在8 0 年代，国外曾经有学者对此做过研究。当时的苏联生产了 v i k l 型红外回潮率浓度检测仪，仪器包括一个红外传感器，试样 测量单元和标准量参考单元，通过辐射值对比进行红外辐射吸收量的 研究。仪器可在温度5 5 0 ，相对湿度35 8 0 的范围内使用【2 ”。 水的本征振荡频率在微波频段，而不在红外频段。因此，水分对 于红外辐射的吸收不及在微波频段的强烈，而且吸收峰所占的频带宽 度较小。其次，很多化合物的本征吸收峰都在红外频段，若其吸收峰 位置与水的吸收峰位置相近，很容易引起测量的误差。此外，正如文 献19 中提及的，当辐射源频率不在水的吸收峰区域内时，测量的效 果就较差。这就对辐射源和测试环境提出了严格的要求，这在实际的 纺织生产中很难满足。 ( 4 ) 微波衰减法。 使用微波测量浆纱回潮率是近年来迅速发展的一种测湿方法。随 新型浆纱回潮率检测系统的研制 着上世纪5 0 年代微波研究的兴起，微波频率与水分含量变化的关系 逐步被揭示，微波测湿技术逐步趋于完善，并被广泛应用到许多工业 领域。通过测量微波通过试样后的衰减量和试样介电特性之间的关 系，可以间接测量出试样的回潮率。 应用微波衰减法进行水分检测的产品有德国p l e v a 公司的 a s l 2 0 一5 0 0 系列，其测湿范围达到0 2 0 9 m 2 ，误差范围分别不超过 05 9 m 2 【2 1 】。其它国外的产品有t o s h i b a 公司的l q 一3 0 0 系列，其 测量最小精度可以达到o 0 0 l 2 ”。 水的本征振荡在微波频段，因此水对于微波辐射的吸收非常强 烈，可以很容易地将水的吸收峰和其它物质的吸收峰区分开来，从而 检测出介质中水的含量。这样做的好处就是在测量带液浆纱回潮率时 可以不考虑浆纱中其它组分的变化，吸收的辐射量取决于水的含量。 微波测湿法另一大的优点就是测量装置和待测试样之间没有接触，因 此，可以进行连续的在线测量。 但是，这种测量方法也有缺点，微波衰减法测量回潮率时容易受 周围温度、湿度变化的影响，而且微波辐射对人体有一定伤害，在设 计微波测量装置时要考虑到这些问题。 此外，微波仪器成本较高，国外产品的价格昂贵，而目前国内 还没有微波衰减法在线测量浆纱回潮率的产品。 1 3 本课题的任务及解决方案 通过上述对浆纱回潮率各种测试方法优缺点的分析可以看出， 微波衰减法测量浆纱回潮率有着很好的应用前景，因此本课题拟采 用微波衰减法进行浆纱回潮率的在线测量，并设计一种新型的浆纱 回潮率在线检测系统。 1 3 1 本课题的任务 鉴于本章第二节中对各种回潮率检测方法的研究，微波衰减法 具有其它检测方法所没有的优点，符合回潮率在线检测的要求。所 东华大学硕士学位论文 以，本课题测量浆纱回湖率采用的方法选用微波衰减法。 本课题的首要任务就是建立带液浆纱的介电模型，揭示带液浆 纱回潮率和微波能量衰减量之间的关系。其次，要应用微波元件构 建新型的浆纱回潮率在线检测系统。再次，要编写在线检测系统的 软件程序，使系统能够通过计算机被一般技术操作人员方便地使用。 最后，要对系统的精确性和稳定性进行试验验证，对整个系统的整 体性能做出评价。 1 3 2 解决方案 正如上文所述，本课题的任务可以分为四个部分，相应的解决 方案也就可以分为以下四步： ( 1 ) 浆纱回潮率和微波衰减量之间关系的建立。首先应用微波 原理揭示能量的衰减量和物质介电性能之间的关系，再应用电介质 物理学揭示物质总体介电性能和介质中各组分比例之间的关系，然 后分析带液浆纱中各组分的介电性能，从而得出其中水分的含量， 最后算出浆纱回潮率。 ( 2 ) 回潮率在线检测系统的硬件搭建。根据微波衰减量的测量 原理，同时根据带液浆纱对微波衰减量的实际情况，选用适当的微 波元件，构建检测系统的硬件部分。由于目前微波元件的型号十分 齐全，并且已经实现了标准化生产，构建检测系统的硬件部分时尽 量选用标准元件。 ( 3 ) 回潮率在线检测系统应用程序的编写。为了使检测系统有 更大的灵活性，本系统的数据处理没有使用电路处理，而是直接将 测得的模拟信号通过数据采集卡转换成数字信号输入计算机，使用 虚拟程序语言l a b v i e w 编程直接进行处理。 ( 4 ) 系统性能的实验验证及评价。验证系统性能的实验包括和 国家标准方法一一烘箱干燥法的试验结果进行比较的原理验证试 验，可重复性试验，不同浆纱品种和浆料组分对检测结果影响的实 验，以及不同上浆率对检测结果影响的实验。 新型浆纱回潮率检测系统的研制 第二章新型浆纱回潮率检测系统测量模型的建立 浆纱回潮率测量模型是研制整个检测系统的核心，是本课题需 要解决的首要问题。建立测量模型其实就是揭示检测到的电信号和 浆纱回潮率之间的关系。具体指标之间的转换关系如图2 1 所示。 图2 1 回潮率测量模型建立示意图 由图可见，要建立微波衰减量和浆纱回潮率之间的关系，首先 要分别建立测量指标和微波衰减量之间的关系式、微波衰减量和物 质介电性能之间的关系式。这样就可以建立测量信号和物质综合介 电性能之间的关系式。 其次，带液浆纱由纱线、水和浆液三部分组成，浆纱最后表现 出的介电性能实际上是这三部分性能的综合反应。通过建立物质综 合介电性能和介质中各组分比例之间的关系式，就可以得出测量信 号和浆纱中含水量之间的关系。 最后，应用回潮率公式建立测量信号和浆纱回潮率之间的关系 式。 2 1 测量指标和微波衰减量之间的关系 微波在有耗媒质中传播时存在着能量衰减的现象，此时的电磁波 被称为色散波。微波能量的损耗反映在振荡幅值的降低和相位的改变 上。所以，微波衰减测量的基本出发点就是对这两个量的变化的检测。 本系统使用的方法是检测微波振荡幅值的减小量。 东华大学硕士学位论文 2 1 1 微波衰减量测量的方法 测量微波衰减的常用方法分壹接法和间接法两种，直接法主要 是功率比法，根据衰减量的基本定义，在接入待测元件前后分别进 行功率测量，然后直接得到衰减量的大小f 2 3 】。 间接法主要指替代法，使用标准可变衰减器作为替代标准，将 其值作为衰减量基准与接入待测元件后的测量值进行比较得出衰减 量的大小。按照标准衰减器频率的不同可以分为高频替代法、中频 替代法和低频( 音频) 替代法三种( 如表2 1 所示) 。 表2 1 常用衰减测量方法和适用范围表 可检测的最大 测量方法 衰减量( a ) 值 1 功率比法 ( 1 ) 平方律检波法 1 5 2 0 d b ( 2 ) 驻波法 5 d b 2 替代法 ( 1 ) 高频替代法 7 0 8 0 d b ( 2 ) 中频替代法 8 0 9 0 d b ( 3 ) 低频替代法 2 0 2 5 d b 2 。1 。2 测量指标和微波衰减量之间关系的建立 本检测系统采用的是最常用的平方律检波法，又称功率计法。其 测量范围受限于检波系统的噪声和平方律上限，要求微波信号输出端 要有不小于1 5 d b 的隔离衰减器。若使用功率计，当两端阻抗匹配之 后，待测衰减量可定义为t z 4 ： 川吨筹 ( 2 1 ) 其中k 、m 和k ”、分别是接入待测元件之前和之后指示器的量 程扩展倍数，、口7 分别是接入待测元件之前和之后指示器的表头读 数。 本系统采用的指示仪器不是功率计，而是选频放大器，表头指示 新型浆纱回潮率检测系统的研制 没有功率显示。对于平面波，电压、电流有其确定意义，因此可以用 电压和电流值表示功率值： p ：幽 z 其中，p 一微波功率 v 一指示电压 z 一传输线特性阻抗 在实际应用中，一般将特性阻抗视为不变， 一吨斜唐础，g 斜 即z o z ，则 ( 2 2 ) 当指示仪器为选频放大器时，本系统采用的测量方法所要测得的 信号就是选频放大器的输出电压。当测量的放大倍率没有改变时，将 没有放入带液浆纱时选频放大器的表头电压值和放入带液浆纱后的电 压值代入公式进行计算，就可以得到带液浆纱对于微波的衰减量，从 而也揭示了测量指标和微波衰减量之间的关系。 2 2 测量指标和物质介电性能之间的关系 对所有介质来说，其介电性都是由分子在外电场中的极化引起 的。置于电场中的电介质，沿着外加电场方向产生偶极矩，在电介 质表面产生束缚电荷，这种现象就是电介质的极化现象。 在电场作用下，介质中的极性基团或分子会沿着外加电场作用 的方向进行排列，并形成与外加电场方向相反的电场。这一反向电 场会使外加电场作用减弱，宏观反应就是外加电场能量的减少，也 就是能量的衰减。 2 2 1 微波频率下电介质的极化特性 电介质在电场中的极化形式主要有电子极化、原子极化、偶极 子取向极化和界面极化 2 5 】。 东华大学硕士学位论文 电介质中电子极化和原子极化的极化率很低，而且极化时间很 短。电子极化约1 0 “5 1 0 3 秒，原子极化时间约为1 0 “3 1 0 。” 秒。在本课题所使用的微波频率范围内，这两类类极化可以被看作 与时间无关的极化形式。 偶极了取向极化时间取决于官能团的大小和周围的约束条件， 例如温度越高，分子内的热运动就越剧烈，偶极矩取向度就越小， 极化通常为1 0 一”至1 0 _ 9 秒。界面极化的时间一般为1 至1 0 3 秒。 这两种极化时间在微波频率范围内不能被忽略 在交变电场中，电子极化、原子极化和取向极化都是电场频率 的函数。在低频电场中，这三种极化都能跟上外电场的变化，电介 质不产生损耗。随着电场频率的增加，取向极化由于极化时间较长， 首先不能跟上电场频率的变化，这时电介质吸收的能量大于放出的 能量，这个能量差消耗于克服偶极子取向时所受的摩擦力，从而使 q 电介质发热，产生了介电损耗。而诱导极化所需时间很短，由诱导 极化引起的介电损耗一般发生在红外光和紫外光区。 2 2 2 表示电介质介电性能的指标 常用于表征物质介电性能的指标是介电常数s 和介电损耗正切 角t a n 8 。 介电常数是描绘电介质介电性能的宏观参数，恒定电场介电常 数可以根据库仑定律定义为两固定距离点电荷在真空和在介质中相 互作用力的比值，还可以定义为平板电容器极板上总电荷密度和自 由电荷密度之比 2 6 。而在交变电场中，就需要使用复介电常数和介 电损耗正切角来表示电介质的介电性能。 在交变电场中，根据本构方程2 7 西：o i 其中，西为介质中电感应强度矢量，西为电场强度矢量。当介质中 存在松弛极化时，历将滞后于面，这时会产生一相位差，此时的介 电常数为复介电常数。 i = s 一e ” 新型浆纱回潮率检测系统的研制 其中，s 为复介电常数的实部，反应介质在电磁场中幅值的变化， f ”为复介电常数的虚部，反应介质在电磁场中相位的变化。 在交变电场中，电介质会损耗部分能量而发热，这就是介电损 耗。产生介电损耗的原因一是电介质所含的微量导电载流子在电场 作用下流动时，由于克服内摩擦力需要消耗部分电能，这种损耗称 为电导损耗。 一h 介质的介电损耗留占= 之，即介电损耗正切角可以表示为介质相 占l 位变化和幅值变化的比值。 2 2 3 测鼍指标和介质介电性能之间关系的建立 本系统使用的微波发射和接受装置为喇叭天线。在喇叭天线的 远场区域，电磁波是平面波。研究表明，平面波入射到材料时，微 波衰减量可以由电介质介电性能指标介电常数g 和介电损耗正切角 t a n 占通过以下关系表示 ： a = 2 形晶s t a n 万 ( 2 3 ) 其中，歹一微波频率( h z ) b o 一真空介电常数( 8 8 5 1 0 2 法米) s 一介电常数实部 将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) ，可得： s ，t a i l j ：。旦1 9 v o ( 2 - - 4 ) 瓦 s n v 这样，就建立了测量指标和电介质介电性能指标之间的关系。 2 3 测量指标和浆纱含水量之间的关系 复合介质是指由不同介电性能的介质按照一定方式组成的电介 质，电介质表现出的介电性能是各组分本身介电性能和各组分组成 方式的综合结果。 东华大学硕士学位论文 带液浆纱实际上由水分、浆料和经纱三部分组成，每一部分都 有各自的介电特性，并且这三部分按照一定方式组合成为带液浆纱， 因此，带液浆纱属于复合介质，可以应用复合介质介电性能的分析 方法分析其介电性能和各组分之间的比例关系。 得出综合介电性能的指标和介质各组分比例之间的关系后，应 用22 节中的结论关系，就可以得到测量信号和介质中各组分比例 之间的关系式，在本系统中就是测量信号和浆纱含水量之间的关系。 2 3 1 带液浆纱中各组分介电性能的研究 复合介质可以由多种组分组成，为了选择最适用于本系统的分 析方法，首先就要研究带液浆纱中各个组分的介电性能。 2 3 1 1 常用浆料的介电性能 目前常用的浆料有变性淀粉、聚乙烯醇( p v a ) 、聚丙烯酸类浆 料以及聚酯浆料。 淀粉的分子式为( c 。h 。o ，) 。，i 1 为聚合度，一般为2 0 0 6 0 0 0 2 。 聚乙烯醇( p v a ) 浆料分子式为( c ：h 。o ) 。 聚丙烯酸浆料是丙烯酸类单体的均聚物、共聚物或共混物的总 称，分子量在1 0 4 至1 0 7 范围内 3 0 1 。 聚酯浆料由对苯二甲酸乙二酯和( 聚) 乙二醇缩聚而成，再加 入少量破坏链规则性的其它单体。 从常用浆料的分子式可以看出，它们都属于高聚物，具有高聚 物的一般介电性能。 高聚物的化学结构是决定其介电性能的主要因素。主链或侧基 中含有极性键的聚合物，就可能具有较高的介电性能。高聚物按单 体单元偶极矩的大小可以分为极性和非极性两种，但是由于分子链 的构象复杂，分子链偶极矩的统计计算困难，因此实际上只能定性 地估计某种高聚物的极性。极性越大，介电系数和介电损耗也就越 大，一般电介质的介电常数在1 5 之间，介电损耗正切值仅为1 1 0 4 5 10 2 f 圳。 新型浆纱回潮率检测系统的研制 2 3 1 2 常用纤维的介电性能 目前的常用纤维可以分为天然纤维素纤维，天然蛋白质纤维、 人造纤维素纤维、人造蛋白质纤维、合成纤维。 天然纤维素纤维主要由葡萄糖剩基( c 。h 。0 ，) 连接而成。聚合度 大约为1 0 4 。人造纤维素纤维的分子组成和天然纤维素完全一致， 所不同的是大分子聚集态不同，分子折叠链较为整齐规则。天然蛋 白质纤维是由氨基酸( n h 。c h r c o o h ) 通过肽键( 一c o n h 一) 连接而 成。一般认为人造蛋白质纤维分子结构同天然蛋白质纤维一样，只 是结晶程度较好 3 2 】。 合成纤维根据分子结构可以分为碳链合成纤维和杂链合成纤 维，都属于高分子聚合物。例如，聚酯纤维分子是苯环和亚甲基( c h ：) 通过酯基( c o o ) 相连接而成的；聚酰胺纤维分子则是多个亚甲基 通过酰胺键c o n h 联接而成的；纺织用高密度聚乙烯，相对分子量 为4 3 0 1 0 4 ”1 。 从常用纤维的化学结构分析中，可以得知常用的纤维也都属于 高聚物，符合高聚物的一般介电特性。 图2 2 显示了不同测量频率下各种常用纤维的相对介电常数 【34 1 。 从图中可以看出，随着测量频率的提高，各种常用纤维的介电 常数趋于一个定值，在2 3 之间。 因为常用浆料和纤维都是属于高聚物，具有高聚物的介电特性， 所以在本测量模型中，就将浆料和纤维看作同一种组分，具有相同 的介电性能。所以，在本测量模型中可以将带液浆纱简化为高聚物 和水的二相组合。 东华大学硕士学位论文 u 鼎 舡e 锄 告 一 一醋去维 ii 1 0 z 1 0 1 0 测量频率( k 也) 图2 2 常用纤维在不同测量频率下的介电常数 2 3 1 3 水的介电性能 水的偶极矩为62 3 1 0 _ 3 0 c m ，属于强极性液体介质，取向极化 占主导作用。从对水和冰的测量表明，在1 0 ”h z 以下水的极化主要 是松弛极化，而在1 0 ”h z 以上时水的极化主要是弹性极化，即极性 分子在强分子场作用的平衡位置作微小的偏转】。 高频交变电场中介质的介电损耗主要由取向极化引起，常温下 高聚物在外电场中的取向极化极小，而水的介电损耗为015 o2 。 所以本测量模型中将高聚物的介电损耗忽略不计，也就是说带液浆 纱对于微波能量的介电损耗完全由浆纱中的水分决定。 此外，对于高聚物和水的介电常数和介电损耗，测量时环境温 度对于测量结果也有很大影响。常规温度范围内( 一2 0 1 0 0 ) 温 度对高聚物影响较小，这是因为一般的高聚物都是非极性或弱极性 的，诱导极化占主导地位，而这种极化方式与温度无关。但是，温 度对于水的介电常数影响却很大 3 6 ) ( 表2 2 ) 。 由以上分析可以看出，带液浆纱是一种两相复合介质，并且浆 纱中的含水量对综合介电性能的影响非常大，它决定了带液浆纱对 于微波能量的衰减量的大小。 新型浆纱回潮率检测系统的研制 表2 2 不同温度下水的介电常数 l温度( )介电常数 l o8 80 l 2 08 0 4 l 1 0 05 53 2 3 2 两相复合介质的综合介电模型 众所周知，原纱上浆后浆液主要分布在纱线外层，也就是说浆 液和纱线组成了不均匀分布的电介质。 麦克斯韦早已发现在不均匀介质中存在m w s 极化，这是由于 在两种具有不同介电常数和( 或) 电导率的介质界面上有电荷积累 的结果，这种极化也称为夹层极化。 夹层极化发生在千赫范围内，远远