（纺织材料与纺织品设计专业论文）羊毛衫领口性能测试方法及仪器研究.pdf

摘要 在本课题中，研制出了一种可获取羊毛衫领口多种力学性能指标的专用测试 仪器，并且探讨了羊毛衫领口性能评价的方法。 该测试仪器采用上下位机结构形式，下位机控制仪器的拉伸机构，上位机采 集数据并进行数据处理与分析，文章中详细说明了仪器中各元件结构功能和软件 的各个功能模块。在确定评价方法部分，作者先确定了表征样本性能的十六个指 标变量并建立了用于分析的多元数据模型。对羊毛衫领口性能质量采用了两种不 同的评价方法，第一种方法是将羊毛衫领口的各个指标变量根据其舒适性和耐用 性分为两组，然后对样本在这两组指标变量上分别作聚类分析得出样本的分类总 数及各样本的类别号，利用各样本的类别号对样本再作判别分析可构造出判别样 本类别的判别函数。第二种方法是用因子分析方法将样本的十六个指标变量综合 为少数几个综合变量，通过因子得分函数计算出各样本在各因子上的因子得分， 在赋予各因子不同的权重下得到用于评价样本等级的综合得分函数，根据综合得 分函数计算出的各样本综合得分值再结合实践经验可确定质量等级评价标准。 本仪器的研制对于羊毛衫领口及其它部位的测试提供了一种有力的工具，使 得领口的质量检测由人工测试转为机器测试，降低了测试人员的劳动强度，同时 提高了测试的效率和测试的准确性。测试中获取的众多指标变量为客观、准确和 全面认识羊毛衫领口质量提供了条件，文章中提出的质量评价方法对于其他产品 的质量评价体系的建立也具有借鉴作用。 关键词：羊毛衫，领口性能，测试方法，仪器，步进电机，数据分析，质量评价 a b s i l 己a c i i nt h i sp a p e r , as p e c i 司t e s t i n gi n s t r u m e n tw h i c hc a na c q u i r em a n yam e c h a n i c s i n d e xo fn e c k l i n eo fk n i t t e ds w e a t e ri sd e v e l o p e da n dh o wt od e f m et h ee v a l u a t i o n c r i t e r i o nf o r t h ep e r f o r m a n c eo f t h en e c k l i n ei sd i s c u s s e d t h et e s t i n g s y s t e m i s c o m p o s e do fas i n g l e c h i ps y s t e m a n dp c ( ( p e r s o n a l c o m p u t e r ) t h et e s t i n gp a r to f t h es y s t e mi sc o n t r o l l e db yt h es i n g l e c h i p ，m o r e o v e r , p cc a r r i e so u tt h ep r o g r a mf o rd a t ac o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g t h e s e c o m p o n e n t so f t e s t i n gs y s t e ma n d t h e i rf u n c t i o n sa r ei l l u m i n a t e dd e t a i l e d l y f i r s t l yt h e a u t h o re s t a b l i s h e ds i x t e e ni n d e x e sw h i c hr e f l e c tt h ep e r f o r m a n c eo fs a m p l e sa n das e t o f m a t hm o d e lf o rm u l t i - d a t aa n a l y z i n g t w od i f f e r e n te v a l u a t i o nw a y sa r ea p p l i e df o r t h e q u a l i t y o ft h en e c k l i n e ，o n ei st h a ta l li n d e x e sa r ed i v i d e di n t ot w og r o u p s a c c o r d i n gt ot h ec o m f o r t a b l ea n dd u r a b l ep e r f o r m a n c e t h e nt h et o t a lo f c l u s t e ra n d t h es o r to f e v e r ys a m p l ec a n b eo b t a i n e da f t e rm a k i n gc l u s t e ra n a l y s i sf o ra l ls a m p l e s ， l a s t l y , ad i s c r i m i n a n tf u n c t i o nc a nb ea c q u i r e da f t e rm a k i n gd i s c r i m i n a n ta n a l y s i st o a l ls a m p l e sa c c o r d i n gt ot h es o r to fe v e r ys a m p l e t h eo t h e ri st h a ts e v e r a lf a c t o r v a r i a b l e sc a l lb es u m m a r i z e df r o m16i n d e x e s t h es c o r eo fe v e r ys a m p l ec a r lb e c o m p u t e db yf a c t o rs c o r i n gf u n c t i o n t h et o t a ls c o r i n gf u n c t i o nc a nb ec o m ei n t o b e i n go n l yb ye n d o w i n g d i f f e r e n tc o e f f i c i e n tf o re v e r yf a c t o r c o m b i n i n gv a l u eo f t h e t o t a lf a c t o rs c o r i n gw i t l lt h ee x p e r i e n c ew ec a nh a v eae v a l u a t i o nc r i t e r i o nf o rq u a l i t y o f p r o d u c t i o n t h ei n s t r u m e n ts y s t e m p r o v i d e sat r e n c h a n c y t o o lf o r t e s t i n go f n e c k b a n d o ro t h e r p a r t s o fk n i t t e ds w e a t e r t h i st e s t i n gs y s t e ma l s om a k e st h ed r a w i n gt e s tf r o m a r t i f i c i a lt e s tt oa u t o m a t i ct e s t ，s ot h el a b o ri n t e n s i t yw i l lb er e d u c e da n dt h et e s t i n g p r e c i s i o nw i l l b ea d v a n c e d t h ev a r i e di n d e x e so b t a i n i n gf r o mt e s t i n gc a nc r e a t e c o n d i t i o nf o rk n o w i n gt h eq u a l i t yo fk n i t t e ds w e a t e r , t h em e t h o df o re v a l u a t i n gn e c k o fk n i t t e ds w e a t e rc o n d u c et ot h ee s t a b l i s h m e n to fe v a l u a t i o ns y s t e mf o ro t h e r p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：k n i t t e ds w e a t e r , t h ep e r f o r m a n c eo fn e c k l i n e ，t e s t i n gm e t h o d ，a p p a r a t u s ， s t e pm o t o r , d a t aa n a l y s i s ，q u a l i t ye v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 ，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 表示了谢意。 ! 论文作者签名蚤1 函宅 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 女丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 睡用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 立论文作者签名：才叫西芝 日期哆却忙卫月纠日 导师签名 签字日期2 彩妒年2 月2 曰 绪论 第一章绪论 纺织检测仪器是纺织最新技术的前沿，是各种信息获取的主要技术手段，是 生产工艺改进和产品质量提高的关键和基础。先进的检测仪器既是知识创新和技 术创新的前提，并且其本身也是创新研究的主题内容之一和创新成就的重要表现 形式。纺织检测原理与技术的发展和纺织测试仪器的发展是相辅相成的。新原理 新技术的进步，为新仪器的设计制造拓展了道路和方向，而新仪器的设计制造过 程的困难和制成后测试结果的新发现又反过来促进了测试原理的发展和测试技 术的革新。 1 1 测试技术的发展历史 1 1 1 测试仪器和测试原理的发展历史 纺织检测从1 8 7 5 年英国布莱德福国际纺织会议制订一系列纺织纤维、纱线、 织物的检验要求、方法、标准以来，纺织检测技术与仪器的发展已经超过了一个 世纪。随着一个世纪以来数学( 特别是数理统计学) 、物理学、机械工程学、电子 学( 特别是传感器检测转换技术) 等科学理论的发展，纺织检测理论和技术取得了 飞速的发展，因此纺织检测仪器也经历了这样四个发展阶段：第一阶段是2 0 世 纪4 0 年代以前，纺织检测原理与技术绝大部分是手工机械式，只有个别部分运 用了少量电能和少量光学原理。这时的一些简单的测量仪器基本上是借助指针来 显示最终结果的。第二阶段是2 0 世纪4 0 年代至7 0 年代，纺织检测技术在检测 原理等方面有了不少进步，同时微电子技术和电子电路技术的发展，加快了以电 子电路为基础的分立组件式检测仪器的发展，大大提高了综合测试技术及自动化 水平，特别是电子硬件的数学微分电路、数学积分电路、数学对数转换电路等的 应用，显著推动了检测技术的快速自动运算水平。第三阶段是2 0 世纪8 0 年代至 9 0 年代，在基础科学快速发展的基础上，人们将纺织材料对光的吸收、反射原 理、对近红外、中红外吸收、反射原理、电、磁作用的原理、纺织品上静电场分 布与泄漏的原理等应用到检测技术中，这些检测原理和新检测技术开创了纺织检 测的快速、间接、无损检测的新纪元；同时电子计算机数据采集、数据处理技术、 以及不断提高的数据高速运算处理和大量成熟运算软件的应用，大大推动了纺织 羊毛衫领口性能测试方法及仪器研究 绪论 检测技术进步。使纤维、纱线和织物的许多性能指标可以快速地、非破坏地检测， 这不仅为纺织新仪器的研制拓宽了道路，而且也为大容量、快速、全面性检验仪 器的诞生创造了条件。在硬件方面，电子电路出现了大规模集成电路，出现了以 集成电路芯片为基础的数字仪器。这类仪器在体积上较以前的分立元件电路大大 缩小，并且其输出最终结果为数字信号。第四代则是以微处理器为核心由主机控 制的多功能复合式检测仪器。这种仪器内置微处理器，数据的处理分析与仪器的 动作控制分别由上下位机承担，w i n d o w s 应用软件功能的多样性和操作界面的友 好性深受广大用户的喜爱【1 】 2 1 。 1 1 2 织物性能测试技术发展进程 仪器测量的自动化让人们从复杂而繁琐的测试和枯燥的数据分析处理中逐 渐解脱出来，各种新仪器的开发应用使得许多传统的测试原理及测试方法正在发 生很大的变化，许多测试正在由主观测试向客观测试转变，即便是手感、风格等 外在表现指标，仍可由其内在的质量因素决定。 在对纤维和织物性能的研究和测量时人们发现力学性能对其使用性能的影 响尤为显著，因此几十年来人们一直在寻找一种有效的结构模型来研究纤维和织 物的力学性能。自从三十年代以来，在发达国家比如美国、德国、西欧、日本甚 至印度，对于织物结构力学理论的研究就已经开始起步 3 】 ”。人们尝试了许多方 法模型研究纤维和织物的力学性能，从力学模型到能量法再到有限元分析法，通 过对织物的力学性能的检测和研究达到评价和改善织物的舒适性和织物的外观 性能的目的。 时代变化，人们的需求也在发生相应的变化，当今发达国家在对进口纺织品 的检测中更注重以人为本，生态检测已经成为检测技术的发展的重要方向。 1 2 检测技术的未来走向 1 _ 2 1 检测仪器的硬件的发展方向 现在用于测量仪器的电子产品硬件品种繁多，设计复杂。大规模可编程逻辑 器件f p g a 和c p l d 的出现以及e d a 设计工具的普及，使复杂的仪器硬件设计变得 简单。传统的“固定功能模块+ 连线”的硬件设计方法正在逐步退出历史舞台， 而基于芯片的设计方法正在成为仪器电子系统的设计主流。利用大规模可编程逻 羊毛衫领u 性能测试方法及仪器研究 绪论 辑器件，e d a 设计工具和基于芯片的设计方法进行仪器硬件设计，可以在短时间内 完成复杂的设计任务。未来的基于微机的测量仪器将简化为由数据采集( d a $ ) ， 任意波形产生( a w g ) 和阵列开关网络3 部分组成，借助于软件对它们按一定的算 法进行控制组合，就可以满足不同领域的测量要求。这种通用仪器( g e n e r i c i n s t r u m e n t ) 将是测量仪器追求的目标之一吲。 1 2 2 检测仪器的软件的发展方向 从美国n i 公司提出软件就是仪器( s o ri si n s t r u m e n t ) 我们不难看出软件在未 来测试仪器发展中的重要地位，在一个仪器的基本硬件确定下来后，硬件的功能 作用主要依赖于软件来实现，不同的测试软件模块的组合将能实现不同的测试功 能，仪器软件将可以集成仪器所有的采集、控制、数据分析、结果输出和用户界 面等功能，使得传统仪器的某些硬件可被计算机软件所代替 6 】【7 】o 1 2 3 纺织仪器的未来 随着纺织测试技术的发展，纺织测试原理的不断改进，纺织检测的标准日益 增多，随之而来的是纺织测试仪器数量的日益增多，其自动化程度日益提高，价 格也越来越昂贵。对于一个实验室来说要购置全所有的仪器是不可能的，但是， 人们可以通过网络将全国甚至全球的许多实验室连接起来构成一个虚拟实验室， 实验员可以在其中的任意节点实验室操纵任何一台实验仪器。资源的合理配置和 共享通过网络将得以轻松实现【8 】吼硬件和软件的高度发达为仪器的微型化提 供了坚实的技术后盾，便携式仪器以及掌上实验室已成为可能。 1 3 本课题提出的实际意义 1 3 1 我国目前织物性能测试仪器的状况 在国际上，每年总会有许多新仪器被开发和使用，相应的方法标准是在仪器 获得较广范围应用之后制订的，而产品标准是在应用成熟后才被列入。但是，在 中国半个世纪以来却走了一条不同的道路。国际上推广的仪器已具规模，我国试 用也已适用，甚至在国内已经广泛被使用，然后仿照国际标准和国外标准制订了 我国的国家方法标准，再是产品标准列入。在此基础上，仪器研制才开始。那时 的中国处在计划经济体制和闭关锁国年代，别的国家无法向中国追究专利权管理 问题。但是现在中国加入了吐界贸易组织，中国已不能再走以前的老路了，中国 羊毛衫领u 性能测试方法及仪器研究 绪论 必须创造自主知识产权 1 1 l 。 国内仪器的研制和生产同发达国家还有很大的差距，造成这种差距的原因大 概有四个：其一是我国的基础学科的研究相对落后，而检测仪器的设计生产和制 造是跨学科性的，先进仪器设计生产在很大程度上依赖于其它相关学科的发展； 其二是企业因资金不足等原因，对添置、更新仪器的主动性不高；其三是一些科 研成果由于诸多原因，未能坚持到底，还有些成果在最终却未能转化为生产力； 最后从市场影响因素上看，一些仪器生产厂家缺少有序、规划的生产和科研计划， 往往是对销售好的仪器一哄而上。众多因素的影响造成了国内生产的大部分仪器 集中在低端测试仪器方面，而高精端的测试仪器都是依赖于从国外进1 ：3 t 2 l ” 。 1 3 2 课题的提出 由于经济发展带来人们生活水平的提高，消费者对纺织品品质要求提高，使 纺织品标准中品质考核内容增加。新增的考核内容和指标有的可以通过现有的仪 器进行测量，而有些在市场上可能还找不到相应的仪器进行测量，因此企业有两 种解决的方式，其一是独立研制新的仪器；其二是寻求其他研究单位或其他企业 的合作。 在我国还没有针对针织羊毛衫领口、袖口和底边性能拉伸测试的专用仪器， 尽管厂家意识到这些性能检测对于指导产品的生产和销售都有着非常积极的意 义。目前用于织物各个性能指标测试的国内仪器l f y - 2 0 1 织物力值指标 综合测试仪和l f y - 2 0 4 织物弹性试验仪，前者主要应用于各种纺织品及其 复合材料的各种强力测定，不适合羊毛衫领口这种非破坏性检测实验的要求；后 者夹头的设计没有考虑羊毛衫领口的特点，并且是采用单片机系统控制，难 以胜任大数据量的处理和分析，因此在工厂这两种仪器都不符合羊毛衫领 口性能的快速现场检测要求。 在羊毛衫性能检测中，羊毛衫领口是羊毛衫的关键部位，其性能好坏直接影 响到羊毛衫的服用性能。领口的弹性回复性能和伸长性能影响到人们穿着是否舒 适和合体，领口的弹性回复率还影响到织物的服用外观性能。羊毛衫领口性能测 试在国内的公司普遍采用人工手拉目测，人工测量只能定性地测量领口有限的几 个参数指标，且没有统一的测试和评价标准。因此这种定性测试方法存在许多人 为因素的影响，例如不同的人同时测试一件样品，由于个体的不同测试结果往往 羊毛衫领口性能测试方法及仪器研究 4 绪论 差异很大，并且同一个人在不同时候测试同一个样品，也会由于情绪等因素的影 响使测试结果产生较大偏差。这些测试差异不仅对生产工艺的调整带来困难而且 也给测试标准的制定带来了麻烦。随着人们对服装质量要求的不断提高，这种测 量方法已经不能满足质量检测的要求，模糊的标准界限也不利于厂方与客户的交 流与沟通。因此开发一种测量工具和制定一套合理的评价体系很有必要。 本课题研制了一种用于针织羊毛衫领口拉伸弹性性能测试的专用仪器，并且 详细阐述了仪器硬件研制和软件开发过程及如何确定测试参数和评价方法。该仪 器是用于羊毛衫领口和针织物的定伸长和定负荷拉伸测试的专用仪器，适合于羊 毛衫生产和检测单位进行质量评定和质量控制。同时，该仪器还具有较强的功能 扩充性，可用于针织物弹性性能的分析和研究。 羊毛衫领口性能测试方法及仪器研究 仪器的测试方法和测试原理 第二章仪器的测试方法和测试原理 2 1 测试原理 对于理想弹性体，在受外力作用后产生的形变不随时间变化而改变，即应力 盯与应变s 的比值为一函数： e = 兰( 虎克定律)( 2 一1 ) 占 与其对应的有一种粘流体，外力作用后，产生的应力应变随时间的改变而改变， 其应力盯与应变占的关系： s ：一c r f( 2 2 ) ，7 其中1 7 为粘流体的粘滞系数，t 为外力作用时间【“】。 纺织材料属于高分子聚合物，它的力学特征介于理想弹性体和粘流体之间， 我们称之为粘弹性，在受到外力作用后，针织物会产生应力松弛和蠕变现象1 ”。 针织物受拉伸后的变形是其内部单元结构变化的结果。如果按照能量守恒定 律，外力对系统所作的功应该等于系统中各纤维单元所产生的变形能之和。而实 际上外力对针织物做功，其中一部分作为变形能储存起来，另一部分则损失在非 弹性变形的过程中，作为热损耗【1 6 】 1 7 】。在一定的外界条件下，变形针织物将会 向最小能量状态趋近，在针织物内部当纱线的弹性力大于纱线接触面的摩接力 时，纱线在接触面之间就会产生相对移动，这时主要表现出织物的蠕变回复性， 而当摩擦力大于弹性力时，纱线在接触面上无相对运动，这时便产生应力松弛 鸽 。 针织物同其他纺织材料一样，变形是由三部分组成，即急弹性变形、缓弹性变形 和塑性变形。急弹性变形是当加上负荷时产生，负荷去除后立即消失的变形部分； 缓弹性变形则加上负荷后随时间增加而增大，而当负荷去除以后，它又逐渐减小， 经过一定时间变形就完全消失；塑性变形则是由于纤维或纱线微结构中产生了不 可回复的变形部分。 测试中随着拉伸长度的变化，各种指标变量如力、功和弹性恢复率都会产生 相应的变化。织物拉伸中的典型负荷一伸长曲线如图2 1 所示，在图中有三个 阶段对应着织物中的不同的变形作用。第一阶段的高模量区是由于织物克服纱线 和纤维问因弯曲变化引起的摩擦阻力，但是这一阶段非常短，随即进入第二区， 羊毛衫领口性能测试方法及仪器研究 仪器的测试方法和测试原理 尤其是针织物主要为纱线的弯曲和交缠点的摩擦。第二阶段对于机织物的主要变 形特征是在受力方向上纱线弯曲变形以及纱线在交织点的压缩；针织物以线圈沿 受力方向大变形为主，故为低模量区。第三阶段为纱线的伸长，其包括纤维的伸 直、伸长和滑移，故为高模量区，且模量还会因纤维的伸长变形继续缓慢上升。 领口质量的好坏实质上是在相同的作用条件下，领口各种弹性变形的总体情况及 各种变形在总体中占的比例，对羊毛衫领口的测试过程属于非破坏性检测，其领 口的变形主要是急弹性形变、部分缓弹性形变和极少部分的塑性变形【l 。 2 2 测试方法 针织物拉伸弹性的测试方法很多，可分为定伸长拉伸法和定负荷拉伸法，根 据拉伸方向又可以分为单向拉伸和双向拉伸以及根据拉伸次数可分为单次拉伸 和多次拉伸等多种拉伸测试方式。 定伸长拉伸的一次拉伸过程：将针织物沿横向或纵向拉伸至一定长度，停留 一段时间后让其恢复到自然伸直的状态，比较这时的长度与初始长度的长度差 值。 定伸长拉伸的各次拉伸后的长度与初始长度差值越大，则说明针织物的缓弹 性形变和塑性形变越大。 定负荷拉伸的一次拉伸过程：将试样在一定条件下加上一定负荷，保持一定 时间，除去负荷，再停顿一定时间，记录试样在拉伸方向的尺寸变化。该方法也 可以循环数次操作。 定负荷的伸长率越大，说明该织物在外力作用下愈容易产生变形2 0 1 2 h o 本套系统的设计能够为样本测试提供定伸长和定负荷两种测试方法。 羊毛衫领口性能测试方法及仪器研究 拉仲测试系统的整体结构 第三章拉伸测试系统的整体结构 3 1 系统硬件结构 目前，在工业控制系统及智能仪器设计中，常采用单片机系统。这是由于单 片机系统具有结构简单，采集速度快等优点。而在许多单片机控制系统的研制过 程中，为使控制系统达到最佳的控制状态和最高的技术性能，进行控制参数的在 线反复细致调熬是必不可少的。单片机系统一般是通过数码管或液晶管进行显 示，界面效果较差，在许多情况下，如处理复杂的控制算法或需要以图表形式大 量地显示数据时，单片机系统显然不太合适，甚至无能为力。 近年来d s p 芯片凭其优异的性能在高速计算领域有着巨大的应用前景。但其 应用所涉及的知识非常庞杂。对于这种性能要求稳定、开发周期要求短且希望性 价比高的测试仪器来说就不太合适。 在本仪器的开发过程中选用上、下位机结构是因为微型计算机系统具有丰富 的资源，在数据处理、算法实现和界面设计等方面拥有强大的优势。将微型计算 机系统与单片机系统相结合，可以充分发挥各自的优点，设计研制出可靠、高效、 界面友好的应用软件系统吲。 3 1 1 仪器系统的结构及原理 系统上位机的功能是负责数据的采集、向下位机发送控制信息及接收下位机 传递的数据信息，下位机控制步进电机驱动拉伸机构。 3 1 1 1 仪器系统的总体构成 拉伸测试仪器主要包括拉伸测试机构和一台微型计算机。拉伸机构内部元件 包括自行设计的以c p u 为核心的单片机系统、步进电机、步进电机驱动器、传感 器和驱动器电源；用于数模转换的1 2 位模入接口卡插在微机中的i s a 接口上， 各个元件的控制逻辑关系及数据传输的途径如图3 1 所示。 芋毛衫领口性能测试方法及仪器研究 拉伸测试系统的整体结构 图3 一i 仪器系统总体构成图 3 1 1 2 系统数字信号的获取 织物在拉伸中力和位移信号是时间和幅值都连续的模拟信号，而计算机只能 处理时间和幅值都是离散的数字信号，在计算机能够处理拉伸过程中的力值信息 之前，数字化一般有三个步骤： ( 1 ) 将非电信号变成模拟的电信号； ( 2 ) 将模拟的电信号转变为数字信号； ( 3 ) 对采集的数字信号进行预处理【2 3 2 4 1 。 在本系统中，数字化的第一个步骤由力传感器来完成，第二步由1 2 位的模 入接口卡来实现。第三步则由微机中的测试软件的数据采集模块来处理。位移模 拟信号由单片机控制步进电机的转动步数来离散化。位移的最小单元为步进电机 转动一步带动拉伸夹头平行移动的距离。 3 1 2 仪器系统各元件的功能特性 这一节介绍系统中用到的各个主要元件技术参数、结构特征及其在系统中的 功能。 3 i 2 1 下位机c p u 在本系统中，下位机c p u 选用a t 8 9 c 5 1 单片机。c p u 不仅担负控制步进电机 的运转的责任，而且要完成上、下位机数据通讯的控制，实现步进电机运行与主 机采集数据的协调一致。根据系统要求、外围电路接口需求以及a t 8 9 c 5 1 的口线 情况，对单片机的口线资源的分配如表3 一l 所示 2 5 1 1 2 团。 羊毛衫领口性能测试方法及仪器研究 拉伸测试系统的整体结构 表3 1a t 8 9 c 5 1 单片机i o 端口的分配 r o 口线分配 p 1 0 步进电机驱动器脉冲控制线 p 1 1 步进电机驱动器方向控制线 p 1 2 步进电机驱动器 p 1 5 连接仪器面板上的测试 p 1 6连接仪器面板上的停止 p 1 7 连接仪器面板上的返回 p 2 0 p 2 7 与模入接口卡的d i n l d i n 8 通道相连 p 0 0 p o 7与模入接口卡的d o u t l d o u t 8 通道相连 3 1 _ 2 2 模入接口卡 模入接口卡在系统中充担着模数转换的角色，实现模拟信号到数字信号的 转变。 其主要技术参数如下： 模入部分： 输入通道数：单端1 6 路： a d 转换分辨率：1 2 位 a d 转换速度：1 0 us a d 启动方式：程序启动 a d 转换结束识别：程序查询 a d 转换非线性误差：i l s b a d 转换输出码制：单极性原码双极性偏移码 系统综合误差：n y 数据输入输出模块 发送拉伸脉冲 达到预定步数 n ：二二 发送返回脉冲 苎型翌皇兰垫， n 7 巫巫多。 5 r 返回扫描功能模块 3 2 1 2 与上位机通讯的实现 在任何控制系统中，数据信息和控制信息的传递是必不可少的，并且控制成 功的关键在于被控对象对于控制信息响应的快慢和稳定程度，在本系统中，单片 机数据接收口是与八位数据线相连的p o 口，数据发送口是与八位数据线相连的 p 2 口；上位机接收数据通道为d i n o d i n 7 ，发送数据通道为d o u t o d o u t 7 。数 据的发送方式采用了直接读取端口的并行同步通讯方式。在使用并行同步通讯方 式通讯时，除了可以采用简单的握手信号外，发送方和接收方还需要一些更高级 的协议来保证数据传输的正确性。协议是双方订立的一些规则，实际上是一整套 关于信息传送顺序、信息格式和信息内容等的约定。 微机间通讯协议，不象网络通讯有标准的通讯协议，而是由开发用户自己定 羊毛衫领【：= l 性能测试方法及仪器研究 拉伸测试系统的整体结构 义的，本课题所涉及的系统为主从式一对一通讯，且传输的参数不是很多，在借 鉴了二进制同步通讯协议b y s y n c 之后，根据本系统的通讯内容和精度要求，在 遵守基本规则之下，定义自己的自由协议。 该协议的数据传送过程如下：当单片机程序决定向微机发送一组数据时，先 发送一个通讯开始字符，为十六进制数f e h ，进入确认开始响应字符时间缓冲区， 微机接收到通讯询问字符后马上回传一个响应开始字符随即进入接收数据时间 缓冲区；单片机开始发送数据，数据发送完后接着发送一个发送结束字符，随即 进入接收结束响应字符时间缓冲区，微机在接收到发送结束字符后马上回传结束 响应字符。 由于下位机和上位机是工作在两个不同的时钟频率下，为实现程序的稳定和 接发数据的可靠，在本模块的设计中采用时间缓冲区来实现上下位机的数据收发 一致，时间缓冲区就是上位机或下位机在发出指令后在获得另一方响应时能够等 待的一个最长时间段。其长度视程序要求响应的快慢而定。时间缓冲区的工作原 理，发送数据方在发送完数据后马上进入时间缓冲区等待接收方的响应信号，在 时间缓冲区内的任意一点发送方接收到应答信号马上转入下一条指令，这样上下 位机就能通过时间缓冲区控制通讯的同步一致。 3 2 1 3 步进电机开环变速控制 对于步进电机的控制和数据的采集是本系统软件设计的关键，步进电机的运 行状态不仅影响测试的准确性，还决定了仪器的稳定性。在控制步进电机的软件 设计中，有两个关键问题需要解决：其一，脉冲的发送形式和控制电机正反转的 换向信号；其二，步进电机的升降速曲线的设计。 3 2 1 3 1 脉冲的发送形式和控制电机正反转的换向信号 在步进电机转速的控制中，c p 脉冲的设计要求其要有一定的脉冲宽度( 一般 不小于5 1 - ts ) 、脉冲序列的均匀度以及高低电平方式( 要求为负脉冲方式) ( 见图 3 3 )。 羊毛衫颁口性能测试方法及仪器研究 拉伸测试系统的整体结构 厂 厂 厂 厂 厂 图3 3c p 的脉冲宽度及高低电平方式 c p = 5 v c p = o v 电机换向时，为避免电机被损坏，一定要在电机降速停止后再换向。因此换 向信号一定要在前一个方向的最后一个c p 脉冲结束后以及下一个方向的第一个 c p 脉冲前发出( 见图3 4 ) 。 h 图3 - 4 换向信号d i 醚曼作用的时刻 薷 在发送脉冲时只需要加入若干个指令就可以达到对脉冲的频率和占空比进 行调整的目的。 3 2 1 3 2 步进电机的升降速曲线的设计 控制步进电机的转速，实际上就是控制转换电机通电时间的长短。有两种基 本方法，一种是软件延时，另一种是定时器定时中断。在单片机控制的系统中， 脉冲周期可以通过两个脉冲之间的指令周期求得，其改变亦可由延时程序增减循 环的次数或是在定时器中改变加载数大小来控制。所以升、降速时变化的脉冲周 期是一系列离散的数字量。单片机在控制电机加减速的过程中，一般用离散方法 逼近理想的升降速曲线。 在大多数情况下，驱动步进电机的脉冲频率大于步进电机的响应频率，因此 在启动步进电机的时候，如不采用升降速子程序处理，将有可能产生丢步，严重 时甚至可能导致堵转。为了保证步进电机不丢步，必须使步进电机的输出力矩大 羊毛衫领口性能测试方法及仪器研究 1 8 拉伸测试系统的整体结构 于负载转矩，同时要保证步进脉冲一定的宽度。由于步进电机在升速过程中输出 力矩明显减小，因此，步进电机升速曲线的设计就尤其重要。升速过程由突跳频 率和升速曲线构成。突跳频率不可过高，一般只有几k h z 。如果突跳频率过高会 导致电机无法启动，输出力矩过小等问题。升速曲线设计不合理也会造成同样的 结果。理想的升速曲线一般为指数曲线，由于无法通过程序编制这样的曲线，所 以在利用单片机控制步进电机的时候，一般通过各种方法拟合升速曲线。升速曲 线拟合常用的方法有以下几种。 a 阶梯拟合 阶梯拟合的原理图如图3 5 所示。方法是通过多段的频率跳跃逐渐达到比较 高的频率。这种方法程序设计简单，但是拟合比较粗糙，拟合效率低，需要比较 长的时间才能达到较高的频率，并且负载力矩较小，不适合升降速比较频繁且工 作频率较高的步进电机。升速过程中，刚开始频率跳跃可以比较大，每一个频率 段持续时间较短。随着频率的升高，频率跳跃逐渐减小，每一个频率段持续时间 逐渐延长，直至频率升至工作频率。 频率f 图3 5 阶梯拟台怯频率一时问曲线 b 直线拟合 直线拟合的原理图如图3 6 所示。它的方法是通过几段直线的频率变化来拟 合升速曲线。这种方法在程序设计上相对复杂一些，但拟合精确，拟合效率高， 负载力矩较高，可以在短时间内升速到很高的频率。升速曲线由若干条直线拟合 而成。在升速过程中，开始升速时，升速直线斜率较大，持续时间较短，但是频 率变化较大。随着频率的升高，升速直线的斜率逐渐减小，持续时间加长，频率 羊毛衫领口性能捌试方法及仪器研究 拉伸测试系统的整体结构 变化减小，直至升速到工作频率。这种升速方法可以使步进电机稳定升速至2 0 k h z 的工作频率，升速过程时间不到0 1 s 。 图3 6 直线拟合法频率一时问曲线 c 查表法 查表法是一种拟合精度很高的升速曲线拟合方法，在编制程序之前，需要对 步进电机进行多次试验和比较。利用多条直线对升速曲线进行精确拟合，并且根 据步进电机的最终工作频率，升降速时间长短和工作力矩的要求编制出多条不同 的升速曲线。在使用步进电机时根据不同的工作条件由程序或者硬件控制来选择 使用不同的升速曲线。这种方法实质上是一种更加精确的直线拟合方法，能够精 确地拟合步进电机的升速曲线，最大程度地发挥步进电机的性能，但是编制程序 比较复杂，一般只适合在大量使用同一种步进电机或者是步进电机的工作条件经 常变化的场合下使用。 在该测试仪器系统的电子元件中，选择晶振的频率为8 m l t z ，又c p u 的机器周 期为晶振的1 2 分频，因此一个机器周期的时间为1 5 斗s 。步进电机驱动器的步 矩角为0 0 4 5 0 ，步进电机轴承转动一周需要接收8 0 0 0 个驱动脉冲，带动拉伸夹头 移动1c l n 需要前进1 6 0 0 0 个步矩角，频率及脉冲周期的计算公式如下： ， v 2 磊x m t a - l 、) 。 6 0 丁：p ：，【j z j 拉伸测试系统的整体结构 其中，为步进电机频率，v 为速度，m 为带动拉伸夹头移动lc m 时步进电机运行 的步数，根据前面的参数可计算出m = 1 6 0 0 0 。 表3 5 速度与频率、脉冲周期关系 速度( c m m i n )频率( i s )脉冲周期( 扯s ) 1 02 6 6 73 7 5 2 05 3 3 31 8 7 5 3 08 0 0 01 2 5 4 01 0 6 6 79 3 7 5 5 01 3 3 3 37 5 6 01 6 0 0 06 2 5 本系统中考虑到单片机内r a m 存储器容量不大，如采用查表法还需要外接存 储器，这样增加了硬件、软件设计的复杂性和仪器开发成本，采用前两种拟合方 法能够满足升速要求。根据表3 5 的频率显示，我们可将1 0c m m i n 、2 0c m m i n 及3 0c m m i n 三挡速度的升速曲线通过阶梯拟合实现，而4 0c m m i n 、5 0m m i n 及6 0a i l m i n 三挡速度的升速曲线通过直线拟合实现。 在步进电机降速曲线的设计时，也同样有这些方法。由于在步进电机降速过 程中，步进电机力矩增大，所以对步进电机降速曲线的要求比升速曲线低一些， 降速过程和升速过程不一定对称。在降速过程中，只要保证电机不超步即可，为 防止步进电机由于惯性作用而超步，步进脉冲频率下降的幅度也不宣过大。因此， 通过对以上几种方法的比较，阶梯拟合比较简单，也比较容易做到步进电机在短 时间内降速。在使用阶梯法编制降速曲线时，频率跳跃可以比升速曲线大很多。 一般可以是升速曲线频率跳跃的2 倍。本控制系统降速曲线的设计就使用这种方 法，降速曲线由6 段台阶跳跃拟合而成。 在升降速曲线设计的过程中，要根据步进电机的具体工作条件和性能来进行 设计，同时需要通过多次试验调试来选择合适的参数并对设计结果进行检验，最 终得到满意的升降速曲线f 2 8 】f 3 5 1 。 3 2 2 上位机软件设计 3 2 2 1 数据采集显示 模入接口卡的转换速度为1 0us ，即每秒钟能够得到1 0 5 个力值信号，在实 际采集显示时并不需要频率如此高的数据采集。拉力不是周期性的确定性信号， 羊毛衫领i a 性能测试方法及仪器研究 拉仲测试系统的整体结构 根据信号的划分原则我们可以将力值信号看作是随机性信号中的平稳各态历经 过程信号【3 ，要确认能够比较客观的反映真实的拉力一位移曲线的数据采集频率， 首先我们应该研究织物在受到外界拉力作用时，织物内部结构的变化，由于对领 口的检测是在较小的拉伸力作用下的无损测试，领口拉力在宏观上将表现为拉力 随拉伸位移增加而增加。但是在织物和纱线内部各单元的受力分析，织物的拉力 一位移将表现为微小锯齿的锯齿形曲线，因为在拉伸过程中领口会由于某时刻一 部分纤维和纱线承受的拉力达到最大摩擦力，继续拉伸他们将产生滑移，同时承 受拉力的纤维和纱线数减少，拉力减少；但是随位移增大，又有新的弯曲纤维开 始承受拉力，拉力增大。织物的拉伸力就是如此反复变化。如果将位移划分为以 非常小的时间段来研究，在这各个时间段内拉力的极差非常小，并且在各时间段 上的平均力值表现为递增的规律。 测试仪器的最终目的是获取试样的数据指标，在该测试仪器中，相邻两采集 数据之间的位移通过该时间段内步进电机转动的步数确定的，力信号值是从模入 接口卡的o 1 1 数据通道读取。软件中数据的读取和发送都是由动态连接库中的 操作函数实现的，在连接库中封装的操作函数有如下四个：采集通道数据函数 r e a d c h d a t a ( b a s e ，i ，d l ，d 2 ) ，端口发送数据函数o u t - p o r t ( b a s e ，v a l u e ) ，接 收端口数据函数i n _ p o r t ( b a s e ) 和延时函数a d e l a y ( v a l u e ) 。b a s e 为端口基地 址，i 为通道号，d 1 为等待通道开启和稳定的延迟时间( us ) ，d 2 为启动a d 后等待转换结束的延迟时间( ps ) 。拉力数字量是通过模入接口卡对传感器的模 拟信号的采集并转变为数字量后经上位机调用接口函数r e a d c h d a t a 获得的。 系统采集应力值的默认频率为2 0 0 h z ，上位机每从数据通道中采集一个数值即在 图形控件上画出相应的点，这样，在拉伸结束信号到来时，就完成了实时应力一 应变曲线的绘制。采集间隔时间可由r e a d c h d a t a 的参数来调整。 3 2 2 2 传感器的软件调零及非线性误差的软件校正 3 2 2 2 1 传感器软件调零 尽管传感器在仪器的组装和调试时已经进行了硬件上的调零，但是由于外界 温度、湿度变化等因素的影响，在不受外力作用时传感器的读数可能会偏离零点， 所以在软件中需要加零点调整功能模块，在进行零点调整时，程序将空负载时的 采集数字量存入全局变量只中，只表示采集数字量，只表示纠正后的数字量， 革毛衫领口性能测试方法及仪器研究 拉仲测试系统的整体结构 纠正公式如下 鼻= 忍一p o( 3 3 ) 3 2 2 2 2 传感器非线性误差的软件校正 在设计测试测量仪器时，一般希望被测物理量与输出信号之间呈线性关系。 这样不仅有利于读数，而且也利于分析处理结果，减少测量误差，然而目前的传 感器多数具有非线性特性。为了使测量仪表的输入与输出之间具有线性关系，就 必须采取相应的线性化措施，以补偿传感器引入的非线性误差，非线性型分为指 数型曲线和有理代数函数曲线。在控制传感器误差的处理上有硬件控制和软件控 制。 硬件控制又可分为开环式非线性补偿原理和闭环非线性补偿原理。目前几种 线性化器属硬件补偿，不但电路比较复杂，补偿效果也不理想，而在智能仪表中， 由于微型计算机具有很强的函数运算与数据处理能力，因此编程的方法很容易地 产生所需要的校正函数，或是直接制成表格。本文在这儿采用分段误差校正法来 减少采集数据的非线性误差。具体方法如下： 以l k g 为一个区段，假定在每个小区段内力一采集数值曲线为直线，并选定 2 k g 的砝码对应的采集数量值d ：作为基准点，在理想状况下，传感器电压信号的 变化量与外界施加的压力成线性关系，即在采集分别用o k g 、l k g 、3 k g 、4 k g 、 5 k g 标准砝码进行标定时采集的理想数值分别为d 0 、d 。、d 3 、d 。、d 。与d 2 存在如下 关系：d 0 _ o ，2 d 。= 0 2 = 2 d 。3 = d 。2 = 2 d 。5 。但是在实际应用中他们并不会有如此关 系，他们会随着偏离基准点距离的增大而与理想曲线相差更远，设o k g