（纺织工程专业论文）纺织用多功能强伸性测试系统的软件设计与开发.pdf

摘要 强力仪是一种纺织标准测试仪器，在纺织材料和纺织品的质量检验、科学研究和 实验教学环节都会用到它进行力学性能测试。主要分为纤维强力仪、纱线强力仪、织 物强力仪等多种，虽然它们的测试原理基本相同，但在过去都是单独进行开发和使用 的。为了突破传统强力仪功能单一、无法兼容和共享资源的缺点，节约测试成本和扩 大测试的范围，本课题旨在探索和设计出一种多功能、开放式、使用方便、维护简单、 性能稳定可靠、综合成本更低的强伸性测试系统。 测试系统的软件设计和开发是本课题的主要任务。但是软件系统始终离不开硬件 系统的支持，因此需要先论述测试系统硬件的结构和功能，然后在此平台上进行软件 的设计和开发。 测试系统硬件部分采用了双处理器的上下位机框架结构，将机械传动技术、交流 伺服控制技术和计算机技术有机地结合。在测试系统结构中下位机负责运动的控制和 数据的采集，上位机主要负责指令传输，以及测试数据接收、处理和图形显示。此结 构分工明确，提高了整个系统的采样速度和测试性能。 测试系统的软件部分主要是上位机软件系统的实现。课题中按照测试系统软件的 开发方法和设计准则，结合纺织材料和纺织品力学性能测试的特点，完成了上位机软 件的设计和开发多功能强伸性测试系统软件具有以下几个特点： ( i ) 采用插件技术，提高了软件的重用性，可扩展性，延长了软件的生命周期。 这在纺织测试领域尚属首次。 ( 2 ) 结合国家的最新标准，对测试指标进行了深入的分析和详细的论证设计 了一套比较优化准确的算法。 ( 3 ) 引入了对象的动态生成技术，节省了系统资源，提高了系统的运行效率， 增加了程序的灵活性。 ( 4 ) 借助t u r b od e l p h i 强大的对象链接和嵌入功能实现了系统自动导出e x c e l 报表。 ( 5 ) 运用了图形化的操作界面，简单直观，易学易用，试验结果查询方便。 本系统已经完成的功能有纤维、纱线、织物的拉伸断裂性能测试，纤维纱线的定 伸长弹性性能、蠕变松弛性能测试，织物的撕裂、顶破、剥离性能测试。可以按照测 试需要，进行方便的添加。 本系统的开发为进一步拓展已有的强力仪的应用范围进行了有益的探索。 关键词：多功能强伸性测试、纺织品力学性能、插件技术、算法设计、串行通信 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs o f t w a r ef o r m u l t i f u n c t i o n a lt e s t i n gi n s t r u m e n ti nt e x t i l es t r e n g t h a n d e l o n g a t i o n a b s t r a c t s t r e n g t ht t e ri sas t a n d a r dt e s t m gi n s t r u m e n t , u s e df u rt e s t i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t y i n t h eq u a l i t yo ft e x t i l ea n dr e s e a r c ho nm a t e r i a ls c i e n c ea n de x p e r i m e n t a lt e a c h i n g , d i v i d i n g i n t of i b e r , y a ma n df a b r i cs t r e n g t ht e s t e r se t e a l t h o u g ht h o s es t r e n g t ht e s t e r sh a v es i m i l a r t e s t i n gp r i n c i p l e s ，t h e ya r ed e v e l o p e da n du s e dr e s p e c t i v e l y i no r d e rt ob r e a k t h r o u g h s h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a ls i n g l ef u n c t i o na n dn o tc o m p a t i b l ea n dn o ts h a r er e s o u r c e s ， a n dt os a v ec o s t sa n de n l a r g et e s t i n gr a n g e ，t h i sp a p e ra i m sa td e v e l o p i n ga n dd e s i g n i n ga s t r e n g t ha n de l o n g a t i o nt e s t i n gs y s t e m , w h i c h i s m u l t i f u n c t i o n a l ，o p e n , e a s y f o r m a i n t e n a n c e ，r e l i a b l ea n dl o w e rc o s t t h ep a p e r sm a i nt a s ki st od e s i g na n dd e v e l o pt e s t i n gs y s t e ms o f t w a r e b u ts o i h v a r e s y s t e mn e , e d ss u p p o r to f h a r d w a r es y s t e m ，s ot h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f h a r d w a r es y s t e m m u s t b es t a t e da tf i r s t ，a n dt h e nd e s i g no f s o f t w a r ec a l lb ed e v e l o p e do nt h i sp l a t f o r m t h eh a r d w a r eo ft e s t i n gs y s t e mi sc o n t r o l l e db yb i - m i e r o - p r o c e s s o f ，c o m b i n e s t e c h n o l o g i e so fm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n , a c - s e r v o c o n t r o la n dc o m p u t e rc o n t r o la sa w h o l e i nt h i ss y s t e m , t h el o w e r - m i c r o - p r o c e s s o ri sm a i n l yu s e df o rm o t i o nc o n t r o l l i n ga n d d a t ac o l l e c t i n g t h eu p p e r - m i c r o - p r o c e s s o ri si nc h a r g eo fi n s t r u c t i o nt r a n s m i s s i o n , t e s t i n g d a t ar e c e p t i o n , p r o c e s s i n ga n dg r a p h i cd i s p l a y i n g i nf a c t , t h eu p p e r - m i c r o - p r o c e s s o ri sa p c t h i sa r r a n g e m e n ti m p r o v e ss a m p l i n gs p e e da n de x p a n d st e s t i n gf u n c t i o no f t h ew h o l e s y s t e m s o f t w a r eo f t e s t i n gs y s t e mi sm a i n l yt or e a l i z et h es o f t w a r eo f u p p e r - m i c r o - p r o c e s s o r a c c o r d i n gt os o f t w a r ed e v e l o p m e n tc r i t e r i aa n dc o m b i n i n gt h ef e a t u r e so f m e c h a n i c a lt e s t i nt e x t i l e ，s o f t w a r ei sd e s i g n e d i th a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ： ( 1 ) p l u g - i nt e c h n o l o g yi sa p p l i e di ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tt oi m p r o v er e u s a b i l i t y , e x p a n s i b i l i t ya n dp r o l o n gl i f ep e r i o d p l u g - i nt e c h n o l o g yi sf i r s t l ya p p l i e di nt e x t i l et e s t i n g 丘e l d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h el a t e s tn a t i o n a ls t a n d a r d s ，a l li n - d e p t hs t u d yo f t e s t i n gi n d e x e sa r e p e r f o r m e da n d t h eo p t i m a la l g o r i t h mw e r ed e s i g n e d ( 3 ) b yi n t r o d u c t i o no f t h et e c h n o l o g yo fd y n a m i cc r e a t i n go b j e c t , s y s t e mr e s o u r c e $ a r es a v e d ，o p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n df l e x i b i l i t yo f p r o g r a ma r ei m p r o v e d ( 4 ) t h ef u n c t i o no fa u t o m a t i c a le x p o r t i n ge x c e lr e p o r t sb a s e do np o w e r f u lo b j e c t l i n k i n ga n de m b e d d e dt e c h n o l o g yi nt u r b od e l p h ii sa c h i e v e d ( 5 ) o p e r a t i n gi n t e r f a c ew i t hg r a p h i c si sv i s u a l i z e da n de a s yt ol e a r n t e s t i n gr 鼯u l t s c a nb ei n q u i r e dc o n v e n i e n t l y t h es y s t e mc a nr e a l i z et h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：t e n s i l eb r e a kp e r f o r m a n c et e s to ff i b e r , y a r na n df a b r i c ；e l a s t i c i t ya tc o n s t a n te l o n g a t i o n ；p e r f o r m a n c et e s to fc r e e pr e l a x a t i o n ； s p l i t t i n ga b i l i t y , b u r s t i n gs t r e n g t ha n dp e e l i n gt e s to ff a b r i c t e s t i n gi t e m sc a l lb ee a s i l y a d d e da c c o r d i n gt ot e s t i n gr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rp e r f o r m sab e n e f i c i a l e x p l o r a t i o ni ne x p a n d i n gt h ea p p l i c a t i o no f m u t i f u n e t i o n a lt e s t i n gi n s t n m l e n ti nt e x t i l e l iq u a n - h a i ( t e x t i l e e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o l e s s o rz h a n g y i - x i n k e y w o r d s ：m u l t i f u n c t i o n a ls t r e n g t ha n de l o n g a t i o nt e s t ，m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f t e x t i l e , p l u g - i nt e c h n o l o g y , a l g o r i t h md e s i g n , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工 作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院有权保 留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定1 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日 期：卅弓牛 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包括本人 已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研 究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名：碰迄 日期： 圳、弓峄 1 绪论 1绪论 1 1 引言 随着纺织工业的迅速发展，纺织品的品种日益丰富，性能不断改善。为了能生产 出符合服装、产业、装饰以及特种领域使用要求的性能优良的纺织品，纤维、纱线和 织物的性能测试就显得十分重要【i 】。 近年来，随着纤维品种、纱线和织物结构的多样化以及织物后整理工艺水平的提 高，纤维和纺织品测试机理研究的不断深入，微电子技术的发展和纺织测试信号数字 处理技术的完善，纤维和纺织品测试手段在测试机理、机电一体化水平、计算机应用 等方面都得到了快速发展。伴随着这些技术的进步，强力仪走过了机械式、机械电气 式、机械电子式和机电一体化式的发展道路 2 1 。 纺织材料和纺织品的强伸性能是评价其使用价值的重要质量指标之一，对织物的 强力、手感、外观均有影响。强力仪是测试纤维和纺织品力学性能最常用的测试仪器， 它主要分为纤维强力仪、纱线强力仪和织物强力仪。但传统的强力仪功能单一、无法 兼容和共享资源，从而直接或间接地增加了测试成本、限制了测试的范围。 因此，整合几种仪器的共同功能，开发出一种多功能的、使用计算机控制的纺织 用强力仪，已成为一种发展趋势。本课题旨在构建一种多功能、开放式、使用维护简 单、稳定可靠和成本更低的强伸性测试系统。 1 2 多功能强力仪的国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 纺织测试仪器发展的新特点 随着纺织原料品种的增加，纺织工艺水平的提高和多样化，测试机理的开拓，机 械和自动化技术的进步，在最近3 0 年，纺织测试仪器作为检测纺织原料、半成品及 成品质量标准的重要手段和工具，在测试机理、机电一体化、微型计算机应用以及测 试指标和仪器的品种方面都有了长足的进步【3 1 。 归纳起来有以下几个特点： ( 1 ) 高起点。采用微型计算机对仪器进行控制和数据处理。 ( 2 ) 采用可编程控制器。目前，纺织测试仪器从单纯的数据处理发展为控制与 数据处理相合。 ( 3 ) 以计算机、信息技术为基础的机电一体化的新型纺织测试仪器出现。 ( 4 ) 开发具有预测功能和自控功能的纺织测试仪器。 1 2 2 国内外强力仪发展现状 纤维和纺织品强力对评定产品质量具有重要的意义，而测试这些项目又具有重复 i 绪论 劳动量大、统计计算较复杂等特点，因此迫切需要自动化程度高，精确可靠的强力仪 1 4 】。强力仪作为一种纺织生产中最基本的测试仪器，它的发展已经走过了机械式、机 械电气式、机械电子式、机电一体化式的发展道路。 下面列出几种国内外较先进的强力仪及其主要特点： ( 1 ) i n s t r o n 5 5 0 0 5 8 0 0 系列全数字式电子万能试验机( 美国i n s t r o n 公司1 采用最先进的数字信号处理( d s p ) 技术和软件技术研制出5 5 0 0 系列和5 8 0 0 系列 全数字化控制电子万能试验机。配有多种应用软件，其中静负荷试验通用软件包，适 用各种材料的拉、压、弯、剪、剥离等试验，适用于生产检验、质量控制及其它研究 工作四。 ( 2 ) c t t 系列动态测试仪器( 美国l a w s o n - h e m p h i l l 公司) c r r 系列动态测试仪器能测试纱线的多种动态性能，如伸长，收缩、断裂、磨 损和网络点等它可测试1 5 3 0 0 0 旦的加弹丝、扁平丝、p o y 、空气加弹丝、超细 旦丝、碳纤维和大部分不同种类的纱线；分辨率为0 2 9 6 | ( 3 ) s 1 - a 1 i m a t m e 型全自动单纱强力仪( 德国t e x t e c h n 0 公司) 采用电感式力传感器、脉冲式电子伸长测量装置、n i p 罗拉喂纱器以8 位微处理 器进行控制和数据处理，有故障保护和自检系统；能够自动预张力器。气动式夹持器， 除可自动操作的纱线夹持器外，还有高强纱夹持器、织物夹持器、条子夹持器及专用 夹持器和绞纱夹持装置等【7 1 。 ( 4 ) l i s t e r t e n s o r a p i d 4 型高速强力仪( 瑞士u s t e r 公司) 压缩空气驱动喂纱夹，牵伸夹头可更换，夹头压力可编程设定；结果给出在屏幕 和打印机上，输出单值报告、统计结果( 包括内不匀# b 不匀) 、直线图、直方图、强力 伸长曲线图、模量伸长曲线图等，并有数据保护和储存功能网。 ( 5 ) y g 0 6 3 型全自动单纱强力仪( 长岭纺电) 采用等速伸长( c i 疆) 测试原理。该仪器采用计算机控制，中文界面，手动测试 功能。可实时显示测试数据与拉伸曲线( f _ e 曲线) ，可对测试结果进行图形化处理。 测试时可自动选择最佳量程。可自动剔除异常数据，并具有力值自动校准功能。可对 测试结果按修正标准进行回潮校正，可对某一时间段内同一纱线的测试结果进行统计 与趋势分析。电机驱动器系统，均采用细分技术，可靠性高，运行平稳，噪音小【9 j 。 ( 6 ) y g 0 6 1 z 型全自动单纱强力仪( 莱州电子仪器有限公司) 采用等速伸长( c r e ) 测试原理；采用计算机控制；测力范围宽达2 0 6 0 0 0 c n ； 定速拉伸范围宽，在5 0 5 0 0 0 m m m i n 调速范围内可任意设定；还可做定时拉伸1 0 s 或2 0 s ：整机采用无触点继电器，稳定、可靠；气动夹持器，对纱线无损伤；具有废 纱回收装置；可长期存储测得数据【l o j 。 ( 7 ) h d 0 2 l 系列电子单纱强力仪( 南通宏大实验仪器有限公司) 2 1 绪论 采用单片机( 或p c 机) 控制，高精度力值传感测量系统及步进电机直接驱动滚 珠丝杆方式。对夹持试样长度、拉伸速度、试验次数等参数均能任意数字设定，测试 结果由打印机输出中文报表。采用单片机控制的，能够打印输出中文报表及曲线图形。 采用p c 机控制的能提供各项测试数据及图形、报表，建立数据斟l l 】 ( 8 ) h d 0 2 6 系列电子织物强力仪( 南通宏大实验仪器有限公司) 采用等速伸长( c r e ) 原理，单片机( 或p c 机控制) 控制，配以全进口高精度、 高速率力值传感测量系统及步进电机直接驱动滚珠丝杆方式，具有力值自检及过量程 报警功能。能测定各种材料的机织物、非机织物的断裂强力、断裂伸长率及撕破、剥 离、顶破、接缝、定伸长负荷、定负荷伸长、弹性回复率等各项性能指标。采用单片 机控制的，能够打印输出中文报表及曲线图形采用p c 机控制的，能提供各项测试数 据及图形、报表，建立数据库【”1、 1 2 3 强力仪发展趋势 通过历史资料我们可以知道，强力仪的发展特点及趋势和电子测量仪器的发展特 点及趋势是一致的，除了实现自动检测、数据采集、指标计算、结果统计、打印等多 种重要功能外，还在向大型、智能化、综合性、多台联网、高容量测试的方向发展”。 随着计算机技术和通信技术以及纺织技术的飞速发展，计算机技术在强力仪中的应用 前景将会越来越广阔。 1 3 课题的主要研究内容及意义 本课题以计算机控制原理为基础，结合信号采集、数据处理技术，利用面向对象 的程序开发语言t u r b od e l p h i ，力求开发出一个操作简单、性能稳定，具有信号采集、 自动控制、存储试验结果等多种功能的强力仪计算机软件系统。该系统是符合 w m d o w s 标准的应用软件，具有数据采集、数据处理和保存、数据库维护与查询和报 表打印等功能。 本课题研究的主要内容是纺织用多功能强伸性测试系统的上位机软件系统的实 现，具体研究步骤如下： ( 1 ) 分析系统结构和功能； ( 2 ) 编写测控系统软件，实现软硬件的通讯； ( 3 ) 分析系统涉及到的若干算法和关键技术，并加以应用； ( 4 ) 进行相关的模拟试验。 其中主要包括测试系统的组成和工作原理、测控系统软件结构分析与设计、数据 库、数据报表、上下位机串行通信的实现。 3 2 测试系统的体系结构 2 强伸性测试系统的体系结构 2 1 纺织用多功能强伸性测试系统概述 ” 2 1 1 纺织用多功能强伸性测试系统简介 纺织用多功能强伸性测试系统的核心部分是控制子系统。在该子系统的控制之 下，强伸性测试系统的动横梁、强电、弱电各个部分协调有序、相互配合的工作，形 成一个统一有机的整体，从而使得仪器的各项功能得以准确可靠的实现。同时，该测 试系统也成为计算机与强力仪之间的接口。该系统能将强力仪的各种运行状态及时的 向上位机反映，对操作中出现的错误提示原因，对不正常的状态提出报警，同时为操 作者提供数据分析、图形显示和各种参数的编辑、存储和调出等功能。 纺织用多功能强伸性测试系统是由硬件与软件有机结合而构成的整体。测试系统 的硬件部分主要由主控制器、p c 微机、外部设备及输入输出设备等组成。硬件部分 组成了强伸性测试系统的实体，必须为实体提供软件才能完成对被控制对象的控制作 用。其软件部分通常分为系统软件和应用软件。其中，系统软件包含操作系统、高级 语言处理系统和例行服务程序；应用软件是为了满足特定的需要由测试系统的设计人 员开发的程序，过程控制程序是它的核心部分 1 4 - 1 8 。 2 1 2 强伸性测试系统工作原理 图2 - 1 纺织用多功能强伸性测试系统工作原理示意图 纺织用多功能强伸性测试系统一般是利用控制器或p c 微机经交流( 直流) 伺服单 4 2 测试系统的体系结构 元控制电机运转，经精密减速器减速后，通过反齿隙游移螺帽由电机带动双螺旋丝杠 副，驱动横梁上下移动，从而实现对试样的加载过程，完成试样的拉伸、压缩等力学 性能试验【1 9 1 。其工作原理示意图如图2 1 所示。 当做拉力试验或者其它试验时，由于强力仪负荷传感器与试样在同一轴线上，试 样所受的力与负荷传感器相同，所感应出的电压在一定范围内与作用力的大小呈线性 正比例关系。负荷传感器输出的小信号经测量单元放大处理后，送给控制器或者直接 接微机数据采集输入端进行数据处理，实现对各种材料的力学性能试验。此外，动横 梁的位移则通过安装在电机转轴上的光电编码器数字测量获得1 2 0 1 。 2 2 强伸性测试系统测试系统的设计方案论证 2 2 1 测试系统的方案选择 目前，对多功能强伸性测试系统的技术改造或设计方案主要有三种：一种是以采 用单片机为核心的技术方案，另一种是以现代通用p c 微机为核心的技术方案，还有 一种是以p c 机和单片机相互结合的处理方案。以下是三种方案的具体介绍： ( 1 ) 单片机系统实现方案：传统的单片机实现方案其结构如图2 2 所示。由于 大部分单片机的运算能力较弱，资源有限，一般要求扩展r o m ，r a m 等电路，并且 单片机要完成强力仪所要求的各种复杂的参数设置、信号调整及过程控制等功能，因 此系统设计较复杂，可靠性差、不易扩展。并且功能有限，无法实现各种复杂的自动 数据处理及报表输出。 图2 - 2 基于单片机系统的结构方案 ( 2 ) 基于上下位微机结构的实现方案：该方案用单片机或专用工控机完成硬件 相关的所有操作，并与上位主p c 机通讯，由上位主p c 机完成复杂的数据处理及人 机交互、打印功能，可以减少下位微机的运算量及资源占用，其实现框图如图2 3 所 示。这种结构充分体现了单片机和p c 机的优点【2 l 】。 一传感嚣及信l _ 徽 1 号调理广v 控 i 输 强 制 通 上 入 器 讯位 设 力 琶 及 机 备 接 仪 亳 国 口 。= 执行机构b = = 接 口 图2 3 基于上下位机的结构方案 2 涮试系统的体系结构 ( 3 ) 采用p c 机为主控制器的实现方案：此方案利用现代p c 微机的系列总线技 术( 如使用比较广泛的i s a 总线、p c i 总线等) ，设计基于测试系统的专用数据采集 卡且安装于p c 微机的主机插槽中。其实现方案如图2 - 4 所示。它实际上是采用基于 i s a 总线或p c i 总线等的试验数据采集卡和虚拟控制器软件，利用现代个人计算机和 w i n d o w s 系统，实现微机自动控制。这种p c 系统适合那些需要全自动微机控制试验 过程或者强大数据处理能力的用户【捌。 薯鲁臣三 爿咂虱 徽 型 力 计 算 仪 号臣三 柜画 綦 统 鲁压三卜坼两 数据采集卡 图2 4 基于计算机的结构方案 本测控系统的设计主要是采取第二种方案，即以微处理器为核心，充分利用微处 理器内部所集成的丰富资源，将测试系统设计成简单、便携的测量与控制仪器。和个 人计算机相比，微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点；而相对于 以往的8 位单片机，3 2 位微处理器不仅具有更为丰富的片上外设资源，而且有更强 的实时性，一般用于一些对实时性要求很高的场合，适合于信号处理和控制，应用范 围涉及汽车工业、医疗设备、消费电子、工业自动化及仪器仪表等行业。 2 2 2 系统总体结构 图2 5 系统总体结构框图 在本课题中，强伸性测试系统主要由测量单元、交流伺服驱动单元、主控制器( 下 6 2 测试系统的体系结构 位机) 、计算机系统及配套的测控软件( 上位机) 等组成。强伸性测试系统的系统总体 结构框图如图2 - 5 所示。 2 2 2 系统组成单元的具体方案设计 系统由交流伺服驱动单元、测量单元、控制器单元、机械单元、上位p c 机等五 部分组成，各个部分的具体设计方案如下1 2 3 - 2 7 ： ( 1 ) 交流伺服驱动单元：该单元是测控系统的核心部分，由交流伺服驱动模块 和专用伺服电源组成，其主要功能是将主控制器中微处理器的命令“翻译”成相应的 控制命令驱动直流电动机以设定的速度正转、反转、适时停转，从而控制可移动横梁 的上升、下降、停止。其次，驱动模块利用光电编码器测出电机的位置信号，并反馈 回微处理器，因传动比的固定，则可由此计算出动横梁的位移。整个伺服控制系统的 速度稳定性好，位置精度高。 ( 2 ) 测量单元：系统测量包括负荷测量和位移测量。负荷测量单元设计中，由 进口高精度高稳定性力值传感器和高速a d 转换单元组成；位移的测量是通过伺服 电机上的增量式光电编码器的反馈来获得的，它的工作原理是通过对脉冲个数的计数 来计算动横梁的位移量，这些脉冲数字信号可以方便的用单片机来计算和控制。测试 位移量直接通过伺服反馈得到，大大简化了测量装置，而且精度较高。 ( 3 ) 控制单元：该单元采用3 2 位微处理器，外围扩展存储器模块，主控制器通 过r s - 2 3 2 串口与上位p c 机进行通讯。主控制器主要负责接受系统测量信号并进行 处理，同时系统控制算法由单片机编程实现，通过过程软件适时向伺服驱动单元发出 伺服控制命令，驱动可移动横梁的上升、下降、停止。此外，测试系统的行程开关的 状态、上位机控制软件的按钮状态等，则通过多路开关量的数字输入，由主控制器来 进行判断、检测并做出相应的反应。 ( 4 ) 机械部分：多功能强伸性测试系统的机械部分，主机负荷机架采用等强度 的设计方法，其工作台与横梁采用焊接梁结构，受力框架与系统不但重量轻而且刚度 高。强伸性测试系统的执行部件动横梁，在滚珠丝杠的驱动下，动横梁做升降直线运 动。滚珠丝杠与伺服电机之间采用同步齿形胶带传动，传动平稳、噪声低，间隙小， 响应快。动夹头和负荷传感器安装在动横梁上，根据所做试验的不同，要选择相应的 夹头和负荷传感器。 ( 5 ) 上位p c 机：按软件工程理论分析多功能强伸性测试系统的测控功能的实 现，然后进行模块化、结构化的软件设计，目标是使软件具有人机界面友好、功能易 扩充及易维护的优点。测试软件主要负责界面显示与通信管理，其中界面显示模块部 分包括参数预置试验操作，数据处理，数据打印，曲线绘制及输出，报警功能，还可 将试验数据存入硬盘作为资料保存。通信管理模块的主要功能是管理上位机向下位机 传送命令及数据，下位机向上位机传送状态及数据。 7 2 测试系统的体系结构 2 2 3 强力的测量 测试系统把从力传感器上获取的电压信号经放大后，通过a d 转换器转换成数 字量，采样结果通过单片机传递给计算机，采样周期自行设定。 仪器的测力精度检定，通常采用的方法是在与力传感器相联的上夹头上挂砝码。 记录显示器的示值，然后确定仪器的测力精度，这种检定测力精度的方法是静态的。 但是仪器对试样的应力应变过程的测量是一个动态过程。也就是说，试样在拉伸过程 中张力是在不断变化的，因此要获取正确的断裂强力，除要有合适的静态测力精度之 外，还需有合适的采样频率。显然，如果采样频率太低，断裂点并非恰好是采样点。 就将引起较大的测量误差。按照香农定理，当采样频率大于信号最大频率成分的2 倍时，就可以用采样序列值恢复原来的信号。对纤维和纺织品的测量也应该符合香农 定理【嚣1 。 根据上海纺织高等专科学校潘尚渠教授的采样推论，“在采样误差要求不大于 1 1 0 0 0 的条件下，傅立叶变换的频谱最高谐波不低于6 3 7 次” 如果拉断试样需要2 0 s ，那么基波的周期为4 0 s ，即基波频率为0 0 2 5 h z ，k = 6 3 7 次的谐波频率为6 3 7 x 0 0 2 5 = 1 5 9 h z 。根据香农定理的要求，要使采样引起的误差小 于1 1 0 0 0 ，那么采样频率应该为1 5 9 x 2 = 3 1 8 h z 以上。如果拉断时间是1 0 s ，那么 采样频率应该在6 4 h z 以上，如果是2 s 拉断，那么采样频率应该在3 2 0 h z 以上，这 是假设系统要求采样误差项不大于1 1 0 0 0 的基础上得到的结论。如果系统对采样误 差项有更高的要求，那么采样频率也将更高。 ， 2 2 4 位移的测量 把光电编码器安装于与动夹头直接相连的传动装置上，把动夹头的位移量化为脉 冲数，计算机通过接口电路从脉冲计数器读取脉冲数，并通过标度变换的运算，获得 位移量，因此，对于位移的测量其最大误差是一个量化单位的误差，一般脉冲当量都 比l m m 小得多。当试样拉伸速率与采样速率确定后，采样脉冲数与纱线伸长就呈线 性相关性。在此基础上，只需每次测定试样拉伸断裂的采样脉冲数就可知道相应的断 裂伸长。 2 2 5 系统主要技术指标 ( 1 ) 测试方法：按国际首选的等速伸长( c r e ) 原理； ( 2 ) 测力范围、分辨率： 0 5 0 0 c n 分辨率0 0 1 c n 0 5 0 0 0 c n 分辨率0 1 c n 0 2 0 0 0 n 分辨率0 1 n 0 5 0 0 0 n 分辨率0 1 n o 1 0 ，0 0 0 n分辨率i n 8 2 测试系统的体系结构 ( 3 ) 调速系统：交流伺服调速系统； ( 4 ) 拉伸速度：1 5 0 0 0 m m m i n 数字调速，误差s 2 ： ( 5 ) 返回速度：l 5 0 0 0 m m m i n 数字调速，误差s 2 ； ( 6 ) 仪器最大行程：8 0 0 m m ( 横梁) ； ( 7 ) 伸长分辨率：0 0 1 r r a n ； ( 8 ) 试样夹持：手动夹持和气动夹持两种方式互换； ( 9 ) 打印输出：详细打印、简单打印和曲线打印： ( 1 0 ) 使用电源：a c 2 2 0 v 1 0 5 0 h z4 0 0 w ： ( 1 1 ) 外形尺寸：9 0 0 x 6 0 0 x 1 7 0 0 m m ( 主机l x w x 田。 2 3 测试系统的采样和速度响应要求 2 3 1 采样频率要求 采样频率高，就能在一定时间获得更多的原始信号信息，如图2 - 6 ( a ) 所示。为了 再现原始信号，必须有足够高的采样频率。显然，如果信号变化比采集卡的数字化要 快，或者采样太慢，就会产生波形失真，如图2 - 6 ( b ) 所示。根据香农定理，采样频率 至少是系统元件最高频率的两倍，才不至于产生波形失真。 图2 - 6 ( a )合适的采样频率 图2 - 6 ( b )不合适的采样频率 纺织用电子式拉伸测试仪的拉伸速度一般都较高，如测单纱强力一般在 5 0 0 m m m i n ，甚至更高达到5 m m i n ( - - 般材料试验机的拉伸速度仅0 1 m m m i i l 一 1 0 0 m m m i n ) ，测织物力学性能的拉伸速度也1 0 0 m m m i n 。而且，测试系统要求具有 测试织物撕破和剥离强力的功能，其方法标准要求能检测到试验过程中力值变化的若 干峰值，因此对测试系统的采样频率要求较高【2 9 1 。下面对采样频率作一简单讨论，以 便为多功能型强力仪开发提供一些参考。 根据单纱断裂强力的定义，它是纱线在拉伸断裂过程中达到的最大力值。由于一 般单纱断裂过程往往在极短瞬间发生，断裂点力值变化速度极快，从最大力值到纱线 完全解体所需时间可能在毫秒甚至微秒数量级之内，显然，如果力值采样频率不够， 完全有可能丢失最大力值而造成明显不可忽视的误差。 9 2 测试系统的体系结构 标准规定单纱采用定速拉伸定速为5 0 0 m m m i n ，6 伸长的试样只需3 6 s 即要断 裂( 麻纱、芳纶等伸长更小的试样断裂时间将更短) ，如果按前面所述原理推算，基波 频率为0 1 3 8 9 h z 。设1 1 0 0 0 精度，最高谐波为k 一2 x 1 0 0 0 6 3 7 次，则谐波频率为 石 6 3 7 x 0 1 3 8 9 = 8 8 4 7 h z ，采样频率应为8 8 4 7 2 = 1 7 7 次s ，若是断裂伸长率更小的试 样，根据上面的计算方法，同样可以算出其采样频率。当拉伸速度提高，采样频率当 然也需要相应的提高。 通过计算和具体的试验表明，采用1 0 0 0 谢秒的采样频率就完全可以满足现行纺 织材料力学测试的要求。但这样一来对单片机系统、仪器的构成结构、数据处理及数 据传输接口等单元将提出更高的要求，仪器成本将大幅度上升，所以，应根据实际测 试时的精度要求，制定合理的采样频率。 2 3 2 速度响应要求 目前电子单强仪都采用c r e i 作方式( 等速拉伸) ，也就是在拉伸过程中，拉伸 速度应是恒定的。虽然按电子单强仪检定规程规定，夹持器空载速度误差不超过 2 ，或负载为满量程的4 0 6 0 时的速度误差不超过士5 。但是在实际测试工 作中，因为一般单纱拉伸速度在5 0 0 m m m i n 左右，方法标准还允许更高的速度范围。 然而，拉伸速度的变化，给伸长测量和速度控制带来负面影响，必将影响拉伸曲线的 准确。新的单纱强力试验方法标准规定，拉伸速度应与试样长度相等，即一般5 0 0 m m 试样长度时，拉伸速度达到5 0 0 m m m i n 。这样，每秒钟要求伸长8 3 m m ，即1 7 的 伸长率，对于伸长率为3 的试样，其断裂时间仅为1 8 秒。但事实上，要求在这么 短的时间内，使拉伸过程始终保持恒定的拉伸速度是不现实的，特别是启动和停止过 程中，如果采用的动力源不同、设计的电路不同以及机械间隙、惯性等等的影响，很 难完全克服速度的变化。因此，拉伸速度变化对拉伸曲线准确性的影响可以达到不可 忽视的程度。虽然影响拉伸速度的因素很多( 如实际负荷等) ，但仪器拉伸采用的动 力源是决定其变化程度的主要因素之一。 目前，电子单强仪拉伸动力源，不少采用步进电机，有的采用直流电机，少数也 有采用交流伺服电机。 步进电机一般可认为是恒速运转的，即在整个控制过程中只要其驱动脉冲频率恒 定，步进电机的速度可保持不变【捌。但如上所述，由于单纱或织物强力仪整个拉伸过 程只有几秒钟的时间，因此要求单纱或织物强力仪启动后尽快地达到设定速度。这就 要求步进电机的速率尽可能快一些。但如果速度太快，则可能产生失步，因为步进电 机的响应频率是比较低的( 1 0 0 步，秒2 5 0 步秒) 。此外，一般步进电机对空载最高 启动频率都有所限制。一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必 须在启动的瞬间采取加速的措施。一般来说，升频的时间约为o 1 秒1 秒之间。反 l o 2 测试系统的体系结构 之，从高速运行到停止也应该有减速的措施。 与步进电机相比，交流伺服电机，具有良好的负载特性和较短的启动稳定时间， 有较宽的调速范围和较低的运行噪声，从功能方面审视，是电子强力仪理想的驱动源， 此外它还具有控制精度高、过载能力强、运行性能稳定、速度响应快等特点因此它 克服了传统的步进电机实现不了蠕变松弛等试验要求的功能，完全满足了材料测试多 样性的要求。但是其昂贵的价格，使许多仪器厂家不肯在一般强力仪上使用。 2 4 强伸性测试系统功能分析 强伸性测试系统的功能是进行系统设计的关键，无论是硬件设计，还是软件设计 必须围绕强伸性测试系统功能实现，尤其是软件设计，测试系统软件功能模块的设计 必须以强伸性测试系统功能的原理和实现过程为依据。 纺织材料在外力作用下，所表现出来的抵抗变形或破坏的能力，称为纺织材料的 机械性能。纺织材料的机械性能包括拉伸、压缩、弯曲、扭转、摩擦、磨损和疲劳等。 本测试系统上已经完成的功能主要有：拉伸试验、蠕变试验、应力松弛试验、织物项 破试验、织物撕裂试验，织物剥离试验等，基于本系统的开发性，其他功能可以很方 便地添加。 2 4 1 拉伸试验 拉伸试验，是将单个试样按规定名义隔距长度夹持在夹持器上，预加一定的张力， 在规定的拉伸速度下进行拉伸，使试样的工作部分受轴向拉力，引起试样沿轴向伸长， 直至试样断裂，试样的所受载荷和伸长量由传感器采集传送到计算机。可测定材料的 断裂强力，断裂伸长，断裂功，屈服点应力应变，初始模量等。按照试样的不同可以 划分为纤维拉伸试验。纱线拉伸试验，织物拉伸试验 3 1 - 3 3 】。图2 7 为纱线的典型拉伸 曲线。 。 印 伸长- j 图2 - 7 拉伸负荷伸长曲线 图中f 点为断裂点，t 点为断脱点，p 点为屈服点。 h 【卜一断裂强力； im 一断裂伸长； 2 测试系统的体系结构 f d _ 一屈服点强力； i p 一屈服点伸长； 直线a b 的斜率为初始模量。 强伸性测试系统必须能自动记录试样上所承受的负荷以及在该负荷作用下所引 起的伸长量，并描绘成一条“负荷一伸长”曲线，也叫做拉伸曲线。这是强力仪所测 得的全部信息图，根据这条曲线可以算得各种所需指标，这里就不赘述了。 2 4 2 蠕变和松弛试验 试样在外力作用下的应力应变随时间而变化的性质称为流变性质，包括蠕变和应 力松弛。蠕变和应力松弛与材料的尺寸稳定性有关，所以研究和测试该性能有重要的 实际意义 3 4 - 3 6 。 乱蠕变试验：蠕交是指试样在恒定拉力作用下，其变形随时问的延续而逐渐增加 的过程。如图2 培所示，当施加力p o 于试样后，试样立即产生一瞬时伸长( 曲) ，此 后随着时间增加，变形也逐渐增加。当外力p o 去除后，试样立即产生一瞬时回复c d ( 6 3 ) ，此后随着时间的延长，试样将继续回复，但回复速率越来越慢，如d c ，回复 的长度