（纺织材料与纺织品设计专业论文）纺织品负离子性能测试方法研究.pdf

摘要 纺织品负离子性能测试系统研究 摘要 负离子能够对人体健康产生有益的作用，所以现在市场上负离子 纺织品作为功能性纺织品受到了消费者的关注。但是当前的检测手段 并没有统一的标准，在测试方法上存在诸多值得商榷的问题，因而深 入开展测试方法的标准化工作是目前工作的当务之急。 现阶段的纺织品负离子性能测试多是采用手搓的方法进行，选用 的测试仪器以手持式测量仪a i ri o nc o u n t e r 为主，试样取样和测试 过程并没有可供参考的规范化方法标准，以致各测试报告间数据的 可比性大大降低。而且测试过程中环境因素( 温湿度、空气流速和 空气本底负离子浓度等) 和人为因素( 手搓效果、读数、记录等) 的 影响使得测试结果的可靠性也不是很强。 本课题主要针对以上测试方法的缺点，在现有测试仪器( d l y 一2 负离子测量仪) 和本课题组先前自主研发测试系统的基础上进行功能 的二次开发，以期尽量减少人为因素的影响，在规范纺织品负离子性 能测试方法、标准化测试系统方面做一深入探索。 硬件方面完成了对d l y 一2 负离子测量仪信号引出改装，使之能够 与p c l - 8 1 8 l 数据采集卡构成一个数据获取整体，实现实时的数据信 号采集和相应的后续数据处理工作。 针对当前测试仪器软硬结合的发展趋势，本课题研究过程中采 用了数字信号处理方法对d l y 一2 负离子测量仪的信号进行采样获取及 处理，在简化实验操作的基础上大大避免了操作人员对所得结果的影 响。首先进行了d l y 一2 空气离子测量仪l c d 显示数据和p c l - 8 1 8 l 采 集数据的比对，证明两者的可替代性；其次在测试模块中实现了原始 信号的防干扰平均值滤波、测试系统的零点校正、信号曲线实时绘制 和定时测试等功能：除此之外，结合以往测试中数据分析的需要提供 了较为实用的数据处理平台，主要包括了异常值处理、有效数据截取、 平滑曲线、频数统计、曲线拟合等，可以很方便的完成测试数据的处 理工作。 课题研究过程中考虑到造成当前测试报告横向可比性差的原因， 提出了“有效测试时间”和“频数分布主区间中值”的测试指标，相 对于单纯比较纺织品负离子发射量峰值更具合理意义。 此外，为探索周期性机械运动产生的激发作用是否会对纺织品负 离子发射量产生相应的周期性影响，还提供了时域信号的傅立叶变 换。 本课题作为改善纺织品负离子性能测试系统研究的组成部分，侧 重于实验过程中测试方法的改进，在数据的获取和处理方面做了探 索；拓展了现有仪器的基本功能；提出的测试指标有益于提高测试报 告的横向可比性。 关键词：负离子，负离子纺织品，测试，信号处理，测试指标 _-_-。_-_-_-_-。_。_-。_-_-。_-_-_。-_。_-。_-。1。-。一 s t u d y0 nt e s tm e t h o do fn e g a t i v e i o nt e x t i l e s a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eb e n e f i t sc o m ef r o mt h en e g a t i v e i o n ，n e g a t i v e i o n t e x t i l e sh a v eg o tm o r ea n dm o r ec o n c e r n sa so n eo ff u n c t i o n a lt e x t i l e s b u tt h ec u r r e n tt e s ts y s t e mh a sn o tb e e ns t a n d a r d i z e d ，a n da l s o ，t h e r e l a t i v et e s tm e t h o d sa r es t i l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n t sf u l l y s oi t st i m e t od e v e l o pf u r t h e rs t u d yo nt h et e s ts y s t e ma n dt h er e l a t i v et e s tm e t h o d s a tp r e s e n t ，h a n dt w i s ti st h em a jo rm e t h o dt ot e s tt h en e g a t i v e i o n t e x t i l e s e m i s s i o nc a p a c i t yo fn e g a t i v ei o n a i ri o nc o u n t e ri st h em o s t f r e q u e n t l yu s e dt e s t e rw h e nc a r r yo u tt h i sk i n do f t e s t s i n c et h e r ea r en o s t a n d a r d i z e dm e t h o d s s t a n d a r d sf o rs a m p li n g a n dt e s t p r o c e d u r e s ， d i f f e r e n tr e p o r t sc a n n o tb ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e rt od e t e r m i n et h e t e x t i l e s e m i s s i o nc a p a c i t yh i g ho rl o w a l s o ，t h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ( s u c ha s ：t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , a i r f l o wv e l o c i t ya n dt h ep r i m a r yn e g a t i v e i o nt h i c k n e s s ) a n ds u b j e c t i v ef a c t o r s ( s u c ha s ：o p e r a t i o ns k i l l s ，d a t a r e a d i n g ，d a t ar e c o r d i n g ) w i l la f f e c tt h ee x p e r i m e n ta n dm a k et h er e s u l t s l e s sr e l i a b l e t h i ss t u d yi sa i m e da ts o l v i n gt h e s ed e f i c i e n c i e sm e n t i o n e da b o v e a n dt r i e st od e v e l o ps o m ef u n c t i o n ss u i t a b l ef o rt h i sk i n do ft e s t a 1 1o f t h e s eb a s e do nt h ec u r r e n tt e s t e r ( d l y - 2a i ri o nc o u n t e r ) a n do u r s e l f - d e v e l o p e dt e s te q u i p m e n t s t h em a i ng o a li st or e d u c et h eo p e r a t o r s s u b je c t i v ea f f e c ta n dd os o m ef u r t h e rr e s e a r c hi nt h ef i e l do f t e s tm e t h o d a n ds t a n d a r d i z i n gt e s ts y s t e m s o m ep a n so ft h et e s t e r ( d l y - 2 ) h a v eb e e nr e s t r u c t u r e di no r d e rt o a c q u i r et h ea n a l o gs i g n a la n dp u ti ti n t op c l 一8 18 l f i n a l l yc o m b i n et h e a b s t r a c t t e s t e ra n dp c l - 818 li n t oo n et e s ts y s t e mt oc o m p l e t er e a l - - t i m es i g n a l s a m p l i n ga n ds o m ec o n s e q u e n tp r o c e s s e s d i g i t a ls i g n a l p r o c e s si su s e dt of u l f i l lt h e s a m p l i n ga n ds o m e r e l a t i v ep r o c e s s e sd u r i n gt h i sr e s e a r c h n o to n l yt h eo p e r a t i o np r o c e d u r e s a r es i m p l i z e d ，b u ta l s ot h eo p e r a t o r ss u b j e c t i v ea f f e c ti sr e d u c e dt oa m i n i m u md e g r e ed u et ot h ea d o p t i o no fd s p f i r s t ，w ec o m p a r et w od a t a s e r i e sc o m ef o r mt h el c da n dp c l 一818 ls a m p l i n gr e s u l t sr e s p e c t i v e l yi n o r d e rt oc l a r i f yt h ee q u i v a l e n to ft h e s et w os e r i e s ；s e c o n d ，a n t i n o i s e a v e r a g ef il t e r ，s y s t e mz e r oa d j u s t m e n t ，r e a d t i m es i g n a lc u r v ed r a w i n ga n d t i m i n g t e s t a r ec a r r i e do u ti nt h et e s tm o d u l e ；b e s i d e sa l lo ft h e s e ， p r a c t i c a ld a t ap r o c e s sp l a t f o r mi sb u i l d u pa c c o r d i n gt ot h ed a t ap r o c e s s r e q u i r e m e n t si nt h ep a s t e x c e p t i o n a ld a t ap r o c e s s ，v a l i dd a t aa c q u i r i n g ， c u r v es m o o t h i n g ，f r e q u e n c ys t a t i s t i ca n dc u r v ef i t t i n ga r ec a r r i e do u ti n t h i sp l a t f o r m e f f e c t i v et e s tt i m ea n dm e d i u mv a l u eo fm a x i m u mf r e q u e n c y z o n ea r ei n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ep o s s i b i l i t yo fc o m p a r ed i f f e r e n t r e p o r t s t h a t sm o r ep r a c t i c a lt h a nj u s tm e n t i o nt h ep e a kv a l u ed u r i n ga n e x p e r i m e n tt or e p r e s e n tt h et e x t i l e s e m i s s i o nc a p a c i t y f f ta l s ob ec a r r i e do u ti no r d e rt od e t e r m i n ew h e t h e rt h ep e r i o d i c m e c h a n i c a lm o v e m e n to ft h er e l a t i v et e s t e q u i p m e n t c a nm a k et h e n e g a t i v ei o nt h i c k n e s sv a l u es h o w nc o r r e s p o n dp e r i o d i cr e g u l a r i t yo rn o t t h i sp r o j e c t ，a sp a r to fn e g a t i v e i o nt e x t i l e st e s ts y s t e m ，f o c u s e s m a i n l yo nt h ei m p r o v e m e n to ft e s tm e t h o d se s p e c i a l l yo nd a t aa c q u i r i n g a n dp r o c e s s t h ec u r r e n tt e s t e r sb a s i cf u n c t i o ni sf u r t h e rd e v e l o p e da n d t h en e wi n t r o d u c e dt e s ti n d e x e sa n dm e t h o d sw i l lb eh e l p f u lt oi m p r o v e t h ec o m p a r a b i l i t ya m o n gd i f f e r e n tt e s tr e p o r t s a b s t r a c t g o n gp e i h uf t e x t i l em a t e r i a l & d e s i g n ) s u p e r v i s e db y p r o f c h e ny u e hu a k e yw o r d s ：n e g a t i v e i o n ，n e g a t i v e i o nt e x t i l e ，t e s t ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s ，t e s ti n d e x 义中用到若十符l j 的说i ”】 n i q v a i 。 v i ， r v l x d 个c m 3 h z h 。h 。 p 口2 子2 p i z a 文中用到若干符号的说明 每单位体积空气中离子数目( 个c m 3 ) 微电流计读数( a ) 基本电荷电量( 1 6 1 0 。1 9 库仑) 取样空气流速( c n l s e c ) 收集器有效横截面积( c m 2 ) 输入电流 输出电压 反馈电阻 零电位漂移值 算术平均值 样本标准差 负离子浓度单位 频率单位，赫兹 假设检验的假设条件 正态分布期望值 正态分布方差 正态分布期望值极大似然估计量 正态分布方差极大似然估计量 区间概率估计值 卡方统计量 显著性水平 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所* 交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究：l ：作所取得的成果。除文中已明确注明利引用的内容外，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 所弓的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 对簪督夕沁个影 日期：j ，彩年厂月石日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学伉论文作者完全了解学校有芙保留、使刚学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印什和电子版，允许论文被布阅或借阅。本人授权尔华人学可以 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 制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在丞l 年解密后适用本版权f 。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：n 个知 1 日期：抄石年月多日 指导教师签名：1 ) 日期：2 矿，月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 负离子的产生和负离子纺织品的加工 1 。1 负离子的产生 大气中的分子和原子在机械、光、静电、化学或生物能作用下会发生空气电 离，其外层电子脱离原子核，失去电子的分子或原子带有f 电荷，称为f 离子或 阳离子。丽脱离出来的电子再与其它中性分子或原子结合，使其带有负电荷，称 为负离子或阴离子。得到电子的气体分子带负电，称为空气负离子。根据大地测 量学和地理物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论，空气负离子是o ：一( h ：0 ) 。 或0 h 一( h ：0 ) 。或c 0 ( h ：0 ) 。 1 2 负离子纺织品的加工方法 一般而言，负离子纺织品的加工方法可归为两类：一类是应用具有产生负离 子性能的负离子纤维生产：另一类是通过对织物进行后整理使得纺织品具有产生 负离子的性能。 1 2 1 负离子纤维 负离子纤维产生于2 0 世纪9 0 年代术期，由同本首先发表相关专利。其主要 的生产方法有表面涂覆改性法、共混纺丝法、共聚法等。可以根据用途将负离子 纤维作为填充料，也可以纺制成纱，采用交织或混纺的方法制成织物。2 m m l 1 2 2 后整理 后整理法是指通过浸轧一烘燥工艺将含有无机物微粒的处理液固着在织物 的表面，从而使织物具有负离子性能的方法。吲7 m m 儿m 2 州嘲 2 负离子对人体健康的作用 现代环境卫生学的调查研究表明，空气负离子对人体健康有利，能够起到镇 第一帝绪论 静、催h 民、镇痛、降低血压等作用；人工空调系统所致的“空调综合症”与室内 缺少空气负离子等因素有关。近年来国外有关专家提出，常规设计的空调系统不 能保证被调节房间的空气中具有足够数量的负离子；甚至在超净工作间，虽然恒 温、恒湿、清洁，换气量也足够，但是人们还是常常感到头昏脑胀、容易疲倦、 胸闷气郁，毫无舒适感，同样认为这是由于这类房间缺少空气负离子所致。州 空气中离子浓度及重轻离子比值，可衡量空气渭洁、新鲜、卫生程度。大 气中的负离子还能够起到除尘、抑菌、除菌、除臭的作用。m 8 们 空气中负离子的浓度较高时，能抑制多种病菌的繁殖，降低血压和消除疲劳， 促进人体的新陈代谢，调节和促进人体的生长发育，因而人们将空气负离子比喻 为“蓝色维他命”和“空气长寿素”。负氧离子的存在会帮助人体回复其正常的 平衡，即负离子对于人体的生长发育和防治疾病方面具有许多积极作用。( 1 ) 改 善肺器官功能，改善呼吸系统绒毛的清洁工作效率。( 2 ) 降低血压，增强心肌功 能。( 3 ) 具有较高的活性，有很强的氧化还原作用。负氧离子能破坏细菌的细胞 膜或细胞原生质活性酶的活性，从而达到抗菌杀菌的目的。( 4 ) 使人精神振奋。 增加警觉性，增加想象力，提高工作效率。( 5 ) 增强免疫系统功能。心。2 1 m 乜筠2 哪 此外，有研究表明夜晚睡眠时穿着具有负离子发射功能的睡衣会一定程度降 低人体直肠温度，提高夜问睡眠效果：而且在穿着此类衣物后的一段时间内会持 续产生作用，同时有提高人体免疫力的效果。心7 1 考虑人们生活中r 益增长的健康需求，丌发功能保健型纺织品将成为纺织业 发展的趋势，负离子纺织品作为方兴未义的品种必将得到进一步的认识和发展。 3 纺织品负离子性能测试研究进展 第一个在学术上证明负离子对人体功效的是德国物理学家菲利浦莱昂纳德 博士。基于他的功绩，人们把在瀑布周围吸入负离子时心情舒畅的状态叫做莱昂 纳德效应。1 9 3 1 年美国d e s s a u e r 等也提出了负离子能使人产生安宁的感觉和改 善健康环境的见解。啪1 对空气离子进行研究距今已有一百多年，最早的离子收集器可以追溯到1 9 0 2 年由e b e r t 根据z e l e n y 的理论设计的离子计数器。虽然此后历经多次改进，但 第一章绪论 是最基本的理论至今未变。各类型的收集器都有专门的用途，目i 订还没有真f 适 合所有类型离子测试用途的全功能离子收集器。幽1 3 1 空气离子测量仪 空气离子测量仪是测量大气中气体离子的专用仪器，它可以测量空气离子的 浓度，分辨离子正负极性，并可依离子迁移率不同来分辨被测离子的大小。一般 采用电容式收集器收集空气离子所携带的电荷，并通过一个微电流计测量这些电 荷所形成的电流。测量仪主要包括四部分：极化电源、离子收集器、微电流放大 器和直流供电电源。根据收集器的结构不同，又可以划分为圆筒式和平行板式两 种类型。 3 1 1 圆筒式收集器 圆筒式收集器由同心圆筒组成，外部圆筒作为极化极，内部圆筒作为收集极。 这种收集器结构简单，常用于一些要求体积较小的测量项目。但存在以下几个缺 点：( 1 ) 灵敏度较低，不适合作空气本底测量；( 2 ) 收集器前端的绝缘支架附着了 离子以后，会形成一个排斥电场，妨碍外部空气中离子进入收集器，造成测量误 差；( 3 ) 圆筒型电场为不均匀电场，不适合作离子迁移率测定。 收集筒绝缘支架 极化筒 一抽气 图i - i 圆筒式离子收集器结构示意图 3 1 2 平行板式收集器 平行板式离子收集器的收集板与极化板为互相平行的两组金属板，这种收集 器可采用多组极板结构，在不影响离子迁移率的前提下使极板距离较小，而使收 集器截面相对大一些，可以增大取样量，提高灵敏度：平行板电场属于均匀电场， 它不但可以测量离子浓度，而且适合用来测定离子迁移率。州结构示意图如下： 第一章绪论 离予收集嚣 图l 一2 平行板式离子测量仪示意图 正、负离子随取样气流进入收集器后，在收集板与极化板之间的电场作用下， 按不同极性分别向收集板和极化板偏转，把各自所携带的电荷转移到收集板和极 化板上。收集板上收集到的电荷通过微电流计落地，形成一股电流i ；极化板上 的电荷通过极化电源( 电池组) 落地，被复合掉，不影响测量。一般认为：每个 空气离子只带一个单位电荷。离子浓度可以由所测得的电流及取样空气流量进行 换算。 3 2 商品化的空气离子测量仪 目前从国外进口的测量仪器产地主要为美国和日本，国内生产空气离子测量 仪器的厂家主要有漳州连腾电子有限公司、石家庄无线电四厂和上海申发检测仪 器厂。国内外测量仪器的一个共同特点是采用平行板电容器作为离子采集器，通 过抽风设备使空气离子通过采集器，捕获空气中的离子，通过检测电流或电压来 确定空气中的离子数。钉 美国a l p h a l a b 公司生产的空气离子测量仪( a i ri o nc o u n t e r ) 是目前应用 较广泛的测试仪器，可以达到最小1 0 个e m 3 的测量精度，而且操作简便。主要存 在的问题是读数的稳定性不够。因为试验操作过程中环境因素和人为因素的影 响，使得在利用该仪器进行测试的时候所得数据不是很稳定，降低了测试结果的 可信度。5 1 日本a n d e s 公司的空气离子测量仪( 型号为i n t i - p r oi t c 一4 0 3 a ) 配备了笔 空气入口 _ ， 一 ：llllll；llll。l 弗# 特论 记本电脑，安装有专用的应用程序，已经在 并且能够对测量结果进行较为直观的硅示。 一定程度上使得负离子的测试自动化 【h 】 图卜3i n t ip 眦i t c4 0 3 a 空气离子洲增仪 国内空气离子测试仪器技术领先的是福建省漳州【市连腾电子公司的d l y 系列 空气离子测量仪。其中的d l y2 型空气离子测量仪首创了镀金二级平行收集板收 集器，仁巳倚复合时自j 缩短，收集效率提高，离子浓度检测范围1 0 一】9 9 9 x 10 ”个 离子c m 。综合考虑各项指标均达到国际先进水平。 d 叶2 姗1 0 nd e t e c t o r ：j 。j l _ l i 撩 嵇薅t 图卜4d ly 2 空气离子测量仪 33 值得借鉴的研究成果 冀志江，王彦勋，金宗哲等发明了静态法空气离子测量仪，所谓“静态法” 是指测定离了采集器上的电荷，而不是测定电流。静态测试空气离子浓度的方法 是采用带电体( 仞始电量q ) 在空气中自由放电，并通过对带电体剩余电荷( 0 ) 与 放电时怕j ( t ) 的关系( qt ) 进行科学分析从而得出带电体周围空气中离子浓度的 测量方法。采用此理论的仪器己经研发成功，具备较高程度的自动化，并且在一 定程度t 克服了平板式离子测量仪本身固有的缺点。o “1 雾 第一章绪论 此外，有人在理论上提出过检测生物体表空气负离子浓度的数学模型及装置 的制作方法，采用小探头测量体表某一点处的负离子浓度，但未见产品问世。o 州1 王继梅，冀志江等采用由中国建筑材料科学研究院自行研制的静态法离子测 定仪a i t h 配合浙大中控自动化仪表有限公司生产的中控仪表( j l 一3 0 b 彩屏无 纸记录仪) 记录温度和湿度的变化对空气负离子与温湿度的关系进行了研究( 空 气离子测定仪和中控仪表的采样装置放在1 m 3 密闭仓中，外部连接电脑。通过电脑 选择测试参数、记录测试条件和测试结果) 得出了如下结论： a 在自然条件下的温湿度范围内，由实验得出空气负离子浓度随着温度或 湿度的升高而升高，随温湿度同时升高而升高。 b 湿度和温度同时变化时，空气负离子浓度的变化率比一个因素变化时大， 而且湿度对空气负离子浓度的影响比温度更明显。在温度和湿度都很高的情况 下，负离子浓度也很高。 3 4 纺织品负离子性能测试方法及标准 到目前为止，国内外并没有针对纺织品的负离子性能测试的测试方法和测试 标准( 包括国家标准、企业标准和地方标准) 。我国在2 0 0 2 年1 0 月份颁布了空 气离子测量仪通用规范作为国家标准，也只是针对建立、健全空气离子测量仪 产品标准体系而定。n 0 3 鉴于上述因素，现有公开的负离子纺织品的负离子性能测试报告，含有诸多 难以使人信服的成分，更谈不上用这些测试报告对市场上的负离子产品进行横向 对比和评价。另外，有些企业盲目追求高峰值数据的负离子测试报告；也有的避 开测试环境中的本底负离子浓度，笼统的给出一个数据；绝大多数不能与同类项 普通织物进行对比测试。这些现象对负离子纺织品的深度开发可能有不利的影 响。h 目前，测试纺织品负离子性能多数情况下是采用离子测量仪( a i ri o n c o u n t e r ) 结合人工手搓的方式进行操作：首先用手搓动纺织品一定时间，然后 将试样靠近离子测量仪的测量端口并进行读数。这样虽然操作简便，但是在测试 的过程中受到测试环境和人为因素的影响，不能够保证测试结果的准确性和可靠 第一章绪论 性。环境因素主要包括测试现场的温湿度、空气流速、大气负离子状况等：人为 因素主要包括人手搓动效果、仪器读数记录错误等。 针对上述缺点，本课题组以目前测试仪器为基础研制出针对纺织品的封闭式 负离子测试系统，在一定程度上消除了不利因素对测试的影响。其中平磨测试系 统是在一个封闭式的箱体中采用机械臂平行摩擦的方式激发纺织品发射负离子， 模拟了人手对纺织品的搓动作用，通过试验测定证明该装置的作用是较为理想 的。而且由此证明：使用标准化辅助测试系统与离子测量仪相结合的方法是目前 纺织品负离子性能测试研究的主要途径，将会促进测试标准的早同形成。2 玳” 涝块缓冲廓擦装後 图i - 5 平磨系统机构示意图 4 。本课题的意义及指导思想 通过前阶段的研究，纺织品负离子测试数据的深入处理的重要性渐渐显露出 来，期望能够实现测试信号的实时记录、信号分析和数据的统计分析，进而从中 发现新规律。目前简单的人工操作( 包括读数和记录) 在一定程度上制约了新仪 器的功能和可能潜在规律的发现，如果能把必要的试验过程自动化，将有效的促 进此项研究的深入开展，对纺织品负离子性能测试方法研究也将有积极的意义。 探索研究的指导思想：利用现有的先进仪器，针对测试标准化和数据处理的 需要，配合自主开发的纺织品负离子测试辅助装置对整个纺织品负离子性能测试 系统的功能进行完善，以期促进纺织品负离子测试方法和测试标准的发展。在此 开发过程中需要将测试仪器的测量信号引出，通过数据采集卡输入到计算机中完 成数据处理工作，涉及到测试系统硬件之间的接口选择。( p c l 一8 1 8 l 是一款多功 能的数据采集卡，可以满足多数情况的需求，板载标准化的c o n 接口，方便硬件 第一审绪论 连接和信号的传输) 。1 数字信号的采样和转换是后续工作的关键，在进行基本 的信号转换获得数据的同时实现系统零点的校e ，提高测试系统所得数据的可靠 性；针对以往测试过程中用到的数据处理方法，实现对所得数据进行数据处理的 平台，进一步简化工作；为了提高测试所得数据的可比性，课题研究过程中提出 新的测试指标，希望对相关的测试工作有一定的帮助。 笫二章测试系统硬件组成 第二章测试系统硬件组成 第一节测试系统的构成与原理 在目前无标准可遵的状况下，纺织品负离子性能测试只能根据各自的需要进 行，测试方法也各不相同，以致所得数据之i 白j 没有可比性，不同类型的纺织品负 离子性能也就没有孰优孰劣的评判标准，这也是促使对纺织品负离子测试标准和 方法进行探讨的市场需要。 较为理想的测试系统应该包括标准化的负离子激发装置、负离子测试仪、数 据处理和显示等模块，如下图： 负离子 测试仪 幽2 一i 理想的纺织品负离子测试系统不恿图 国外已经有人针对空气离子测试开发出具备一定数据处理能力的仪器，在离 子测量仪的基础上延伸到计算机控制和数据处理，使得人为读数不稳定的现状得 以改观，并且在一定程度上提高了仪器设备的自动化。n 朝由此可见采用标准化的 负离子激发装置和测量仪器相结合的方法将会有效的改善纺织品负离子性能测 试的现状。 “纺织品负离子性能测试系统研究”作为本课题组探索纺织品负离子性能研 究的组成部分，主要侧重以d l y - 2 空气离子测量仪结合本课题组自行研制的测试 系统为基础进行相应的功能扩展，实现信号的自动获取、转换，最终达到改善既 有的测试方法，完善测试过程中数据的获取和处理等工作的目的。 第二帝测试系统硬件组成 第二节d l y - 2 空气离子测量仪 空气离子所携带的电荷是极其微小的，要测量它必须使用离子收集器和微电 流计构成的空气离子测量仪。这种仪器灵敏度高、绝缘要求也很高，在测量中很 容易受到环境因素和人为因素的影响而造成测试的误差甚至测不到本来应该有 的离子。另外，空气离子研究和应用项目涉及面较广，决定了空气离子测量仪的 测量对象比较多，不同的对象和环境都对测试的结果存在一定的影响，这就要求 研究人员或使用者对仪器和被测对象的性质有一定的了解，也就是说在空气离子 研究中要得到关于离子浓度可靠的数据，除了要有合适的仪器外还要有一整套正 确的测试方法。 1 测量空气离子浓度的原理 正、负空气离子随取样气流进入收集器后，在收集板与极化板之间的极化电 场作用下，按不同极性分别向收集板和极化板偏转，把各自所携带的电荷转移到 收集板和极化板上。收集板上收集到的电荷通过微电流计落地，形成一股电流工； 极化板上的电荷通过极化电源( 电池组) 落地，被复合掉，不影响测量。 一般认为：每个空气离子只带一个电荷。所以，空气离子浓度可以从所测得 的电流及取样空气流量换算出来，公式如下：d 0 1 t n = 二公式2 一l q v a 其中：n 一每单位体积空气中离子数目( 个c m 3 ) ： i 一微电流计读数( a ) ； q 一基本电荷电量( 1 6 1 0 一”库仑) ： v 一取样空气流速( c m s e c ) ； a 一收集器有效横截面积( c m 2 ) 2 d l y - 2 空气离子测量仪结构 测量仪硬件结构主要包括离子收集器和微电流放大器两部分。d l y 一2 空气离 子测量仪结构示意图参见绪论部分图卜2 。 第二章测试系统硬件组成 2 1 离子收集器 d l y 一2 空气离子测量仪采用二级平行板收集器。第级收集板较短，用于收 集小离子，第二级收集板较长，用于收集中、大离子，前、后两级板都是独立的， 可以分别施加不同的极化电压。结构图如下： 2 2 微电流放大器 图2 2 二级式离子收集器 微电流放大器是离子测量仪的关键性部件之一，一般采用全反馈式直流放大 器，其工作原理图如下： r f 图2 3 微电流放大器原理图 v 。= 一i 。r 公式2 - 2 式中：i 。一输入电流；v 。一输出电压；r 。一反馈电阻。 采用以上电路时数据显示快速及时，但是相应的稳定性大大降低，造成读数 困难。考虑到仪器响应时间，以得到较为平稳的读数，放大器电路改进为下图： 笫一章删试系碰件纠成 剀24 改进的微电流放人器( 响应时间) 其中：t = r 一c 腆定了仪器的响应时。般的情况下响应时叫可在5 2 0 秒 的范围内选择。 3 d l y 一2 空气离子j 刚量仪信号引出探索 根据课题内容的需凄，对d l y2 空气离了测量仪的内部q ! 路进行改装将输 人到l 。c d 显示屏的信号引出，最终将仪器内部的模拟信号经b n c 端口引出，进而连 接到信号采集系统进行后续的信号聚集和处理工作。 b n c 型射频同轴连接器是一种具有f - 口快速连接机构供中小功率场合使用 的连接器，有公母头之分，盘f 图： 妒 公头 母头 幽25b n c 接头 信号改装完成以后，整个信号采集处理系统内信号传递如下图 鹾墨一匪圈囤一 幽2 6 信号引出扁测挝系统信号传递 第二章测试系统硬件组成 第三节p c l - 8 1 8 l 采集卡 1 p c l - 8 18 la d 转换数据采集卡 本测试系统选用的a d 卡是研华公司生产的p c l 一8 1 8 l 数据采集卡。该采集 卡是基于i b mp c 机上的高性能、多功能数据采集卡，它提供了5 个最常使用的 测控功能：1 2 位a d 转换，d a 转换，数字信号输入，数字信号输出以及计时器 计数器。采集卡自带具有数据缓存功能的s d r a m ，还具有自动回路扫描的功能， 另外p c l 一8 1 8 l 附带有软件支持，可以为程序员编写基于采集卡的处理程序提供 技术参考。h 引 p c l 一8 1 8 l 的a d 转换的参数如下： 一通道数：1 6 单路或8 路差分( 可选择) ，接口见图2 7 _ 分辨率：1 2 位 _ 输入电压范围( 双极) ：0 6 2 5 ，1 2 5 ，2 5 ，5 或1 2 5 ，2 5 ，5 ，1 0 ，输入 范围可软件设置 - 转换类型：逐次逼近式 一转换速率：最大可达4 0 k h z _ 精度：偏差1 位 一线性度：偏差1 位 _ 触发方式：软件触发、外部触发或可编程扫描触发 - 数据传输方式：软件传输、中断传输或d m a 传输 2 p c l 一8 18 l 的工作方式 p c l 一8 1 8 l 数据采集卡在p c 机中属于典型的i o 系统，它有一些寄存器与c p u 进行通信，占用内存地址的一部分寄存器就称作内存映像i o ，操作系统通过向 控制器寄存器写命令字来执行i o 功能。除i o 端口外，控制器还可以使用中断 与c p u 进行通信，中断控制器将i 0 系统的每个中断请求i r q 映射到一个中断向 量，通过该中断向量可以找到相应的中断服务程序。模块构成见图2 - 8 。 第二章测试系统碘件组成 c n 3 ( s 嗵3 e 融由 a o 裙 a ，d a ，ds 1 0 氲d $ 1 1 a 国s 1 2 蛐s 1 3 a ? d s l 4 a m s l 5 a 。( 嚣 a 、g n d d a 。( 疆理 d a 0 、；j 汪蟹 s i * s 3 毒 d 烈d e x t 霭i g e 饿嘲料0g 矗1 琶 p j a ( 日【 图2 - 71 6 单路3 7 针接口管脚定义 图2 - 8 采集卡组成模块图 数据采集卡广义上由两大部分组成：硬件部分( 采集卡硬件) 和软件部分( 驱 1 4 第一二章测试系统硬件l 成 动程序) 。驱动程序负责采集卡数据采集的控制和参数的设置，并为开发者提供 了高级语言的函数接口。p c l 一8 1 8 l 采集卡的许多参数既可以通过硬件卡上 的跳线( j u m p e r ) 来设置，也可以有驱动程序提供的函数设置。 3 触发方式 按a d 转换操作的触发方式，可以分为两类：外部触发和内部触发。 3 1 外部触发 外部触发是由采集卡以外的控制部分产生触发脉冲信号，触发信号输入到采 集卡内部，产生一次a d 转换。 外部触发的触发源可以是p c 的计时器。采集卡d l ld r i v e r 所提供的软件触 发方式就是利用的这种方式，软件触发采集方式是通过s e t t i m e r ( ) 设置计时器 的时间间隔，每间隔一定时间，计时器就发送w m t i m e r 消息通知测试程序，程 序响应该消息并启动a d 转换函数进行一次转换。这种触发方式使用简单，但速 度很慢，因为p c 机的计时器的最低分辨率在w i n d o w s9 8 下为5 5 m s ，w i n d o w s 应 用程序不能以高于这一分辨率的速率( 约每秒1 8 2 次) 接收消息，这样采样频 率就被限制在1 8 2 h z 以下，这一速度显然不适合工业化测试的要求。 3 2 内部触发 内部触发是利用采集卡内部的i n t e l 8 2 5 4 可编程计时器每间隔一定时间向其 控制寄存器写命令字，产生触发脉冲信号来执行一次a d 转换。 p c l 一8 1 8 l 采集卡上的i n t e l 8 2 5 4 计时器精度高，可靠性好，且可以通过软 件控制，除非测试有特别的需要( a d 转换不是周期性进行的而是在一定条件下 进行的) ，正常情况下采集卡都使用内部触发方式完成a d 转换，本测试系统采 用的是内部触发方式。 根据a d 转换后数据的从采集卡到内存的转移方式，内部触发又可分为两种： d m a 数据传输和中断数据传输。 3 2 1d m a 数据传输 第二章测试系统硬件组成 这种方式下驱动程序启动a d 转换后立即将控制权返回给系统，c p u 可以进 行其他工作，而a d 转换在后台继续进行，此时数据的传输不需经过c p u 的控制， 而是在p c l 一8 1 8 l 控制器的控制下将转换后的数据块从采集卡使用的数掘缓冲区 复制到内存中的指定区域。使用d m a 方式工作时，c p u 除了告诉控制器数据块的 地址外，只需再它告诉两条信息：数据块将存放在内存中的地址和要传输的字节 数。当指定数目的数据传输完成后，d m a 控制器发中断信号给c p u ，结束本次数 据传输。 3 2 2 中断数据传输 与d m a 传输方式一样，a d 转换同样也在后台进行，c p u 控制权在启动a d 转 换后马上返还给系统。采集卡将每次a d 转换后的结果保存在内存中的一个f i f o ( 先进先出) 缓冲区内，当缓冲区存满一定数据或者全满时，驱动程序会发出一 个中断信号给c p u ，c p u 接到此中断信号后把数据从缓冲区拷到内存中。 采用中断数据传输时驱动程序所提供的函数调用过程如下： 图2 9 中断传输方式函数调用流程图 总的来讲，d m a 方式下数据传输速度最快，中断方式要稍慢一些，二者都是 第_ 二章测试系统硬件组成 在后台运行，占用的c p u 时间少，数据的传输速率高。相比之下，软件触发方式 比较适合于对采集速度要求不高的场合，对于大数据量的数据传输和转换，只能 采用d m a 或中断方式。d m a 方式下数据的传输要占用系统总线，可能会造成与c p u 争抢资源的现象，而且本系统的数据传输速率没有过高的要求，所以本测试程序 的采集卡设定在中断方式下工作。 4 缓冲区的工作模式 缓冲区是内存中一块地址连续的存储单元，采集卡获得的数据首先存放于板 载缓冲区内，当满足一定条件的时候发出中断信号，再由c p u 控制读入到内存专 用的缓冲区内。p c l 一8 1 8 l 采集卡的缓冲区有循环和非循环两种工作模式。 4 1 非循环模式 设置为非循环模式的时候，采集卡执行设定次数的转换以后停止操作，将所 得的数据存放于内存缓冲区内连续的地址块内。如果数据量大于缓冲区的最大容 量则会发生数掘溢出，造成程序崩溃或是产生异常。 4 2 循环模式 循环模式下，采集卡在接收到停止转换的命令以前会持续进行采集转换工 作，按照前文所述的中断方式在一定条件满足的时候将所得数据写入内存缓冲区 内，当到达缓冲区连续地址块的末尾的时候，重新返回缓冲区的开始地址，继续 写入新的数据，同时新数据会覆盖掉开始位置原来的数据。系统设定在此模式下， 基本上不需要考虑缓冲区大小和写入数据量的关系。 数据 图2 - 1 0 循环模式数据存储流稗 第二章测试系统碘件纰成 5 事件驱动模式 采集卡所得数据首先存放于