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梳理过程中棉束梳理力的测定

费青  （中国纺织科学研究院）

 

在梳理过程中，纤维受到各种力的作用，这些力在梳理过程中，对纤维的运动、分梳、转移、均混等作用有着密切的关系。为了深入研究梳理过程、针布的梳理特性、针布的各种型号规格、工艺参数在加工各种不同纤维时的实际梳理强度、梳理效果及其变化规律，可以应用非电量电测原理制成的棉束梳理力测定仪来进行实际测定。梳理力和棉束的测定，可分别在刺辊和盖板针布上进行，前者采用特制的活动锯齿，后者采用特制的小活动盖板，使此特制的活动锯齿或特制的小活动盖板联结在类似一悬臂粱的弹性体上。

 

1      梳理力的测试方法

梳理力的测试方法有多种，主要有功率测定法和非电量电测法。

 

1.1     功率测定法

功率测定法是由刺辊或盖板锡林带有纤维时的功率与空车时的功率之差作为消耗在梳理力上的功率。可以近似求得刺辊或锡林盖板区间的总梳理力。

 

1.2     非电量电测方法

梳理力的非电量电测方法是指梳理力通过传感器(如自制的活动盖板或锯齿)将力学量转变成电量的测试方法。

 

自制的活动盖板有大针面的盖板(100～200 mm)及小针面盖板(1cm2)两种。大针面盖板针面面积与所梳理的棉束相比要大得多，所以不能反映梳理单个棉束的力，而小针面盖板能灵敏地反映钢针所受的脉冲力，并且对平均梳理力也能反映出来。

 

2      梳理力与棉束的关系

单纤维对盖板的作用力小，而棉束作用在盖板针布上的作用力很大，通常为几克到几百克(0～300 g)，并且表现为脉冲形式，每一个脉冲代表着一个棉束作用的结果，在小型测试针面的条件下，棉束作用针面上的脉冲值与棉束的大小(重量)有关。并且呈现出线性有关的关系，如图1所示。

 

因此脉冲的个数能反映棉束的个数，棉束越大，作用力越大。根据实验测定的情况，把超过10 g／cm2的梳理力的脉冲个数定为棉束个数。

 图1    梳理力与棉束的关系

 

盖板与锡林工作区内，各个盖板位置上的梳理力是不同的。某根盖板位置上的梳理力是指单位时间内梳理力的平均值，单位为g/cm2，并可由此脉冲梳理力得出棉束大小和只数。如将刺辊锯条装上特制活动锯齿，即可测定刺辊梳理力、棉束大小和只数。

 

3      梳理力测定仪

梳理力的测定装置是将特制的活动小盖板(或活动锯齿)联结在类似一悬臂梁的弹性体上，当分梳纤维时，梳理力使梁受力变形，由此引起粘贴在粱上的应变片电阻值的微量变化，由于此应变片为惠司登电桥的工作臂，使电桥输出电信号，再经动态应变仪放大，输入示波记录器进行显示或记录。而棉束梳理力测定仪由(1)梳理力变换器(传感器)；(2)电阻动态应变仪；(3)示波记录仪组成。测试原理见图2。

 

3.1     梳理力变换器(传感器)

将特制的活动小盖板(或活动锯齿)联结在一个类似悬臂梁的弹性体上，如图3所示。

 

3.1.1    应变片的结构

图4(a)为电阻丝式应变片的结构示意图，在由电阻系数较高的细长金属电阻丝绕成的丝栅(称为敏感元件），两端焊有较粗的金属引出线，用粘结剂贴在基底上，上面贴有覆盖层。通常金属电阻丝由康铜或镍铬合金制成，其中以康铜应用最广。基底和覆盖层是用以固定和保护电阻丝的， 在70℃以下的测量中都用纸基应变片。图4(b)为另一种型式，是为了在不同的盖板、锡林隔距的情况下，都能进行测试，弹性体的固定端加工成通孔的形式，使之能上、下移动，以适应不同隔距的需要。传惑器用两只电阻应变片在弹性体的两侧对称贴接，起到了温度补偿的作用，减少了实验误差。

 

 

  

 图4    应变片的结构示意

 

3.1.2    应变片(传感器)的转换原理

电阻应变片的作用是将弹性体的应变转换成电阻的变化。当分梳时，活动小盖板(或锯齿)的梳针受梳理力的作用，使联结的弹性体受力变形，贴在其上的应变片也随着变形，此时，应变片内电阻丝之电阻将随着发生变化。在机械应变与电阻变化之间存在着一定的比例关系，即

ΔR／R=Kξ       (1)

式中：R为电阻丝的电阻；K为应变片的灵敏系数,由实验求得。

由此可见，电阻变量(ΔR／R)和应变ξ之间有良好的线性关系。目前常用的K在2～2．6左右，一般钢质零件在弹性限度内的应变ξ不超过2．5×10-3，所以ΔR／R之值不会超过5×10-3(即0.5%)。实际上，在大多数情况下，零件的应变还要小得多，因此ΔR／R之值通常只在10-4的数量级。

 

通常电阻丝由康铜或镍铬合金制成，国产电阻片较常用的阻值为70～200Ω。但电阻片的阻值不仅在拉伸或压缩变形时会引起变化，当温度变化时也会有较大的变化，即使对于电阻系数较小的康铜而言，每10℃变化0.02%～0.05％，也即当温度变化20℃时，电阻值变化可达0．1％，所以在不同温度条件下测得的结果用来比较时，会造成较大的温度误差。一般可采用温度补偿的办法来消除温度误差。

 

3.1.3    应变片的选用

一般根据试件的材质、受力状态、测量精度要求及环境条件等，来选用适当的应变片。

 

（1）由于康铜的灵敏系数稳定，在弹性范围和塑性范围都保持不变，而且电阻温度系数小，用得最多。但康铜在300℃时电阻温度系数急剧变化，故一般用于200℃以下的测量，在高、中温测量中，则常用镍铬合金等作为敏感元件材料。

（2）由于纸基能够满足大部分使用要求，易于粘贴，故在70℃以下的常温测量中使用较普遍。

（3）应变片的原始电阻值虽有60、90、120、200、300、500、1000Ω等，但因应变仪电桥的桥臂电阻都是按120Ω设计的，故无特殊要求时须选用电阻120Ω的应变片。

（4）由于动态应变仪多按K=2设计，所以一般的动态测量宜选用K=2的应变片，否则要对测量结果进行修正。

3.2     电阻应变仪

由于应变片测量金属试件的应变时，它的电阻变化率(ΔR／R)一般只有千分之几，用普遍指示仪表很难检测出来，应变仪是用来放大并检测这种微弱的物理量的，它主要由测量电路和放大器等组成，配合应变片组成电桥，对电桥的输出信号进行放大，并经阻抗变换，与记录器的阻抗相匹配，以推动记录器进行显示或记录。

 

应变仪按放大器的工作原理可分为直流放大器式和载波放大器式两类，后者无零点漂移的缺点，仪器的稳定性较好，应用较为广泛，但结构较直流放大器复杂。

 

应变仪按测应变变化的性质，分为静态和动态，一般动态应变仪多为载波放大器式，工作频率0～2 kHz，通常每台应变仪都具有几套槽路，以便进行多点测量，每套槽路都各有电桥、放大器、相敏检波器和滤波器，而电源、振荡器和指示仪是各槽路公用的。

 

部分国产动态电阻应变仪的主要技术数据见表1。

 

图5为载波放大式应变仪组成的方框图，一般由电桥、放大器、相敏检波器、低通滤波器、振荡器和稳压电源等6个单元组成。

 

  

图5    载波放大式应变仪组成方框图

 

3.2.1    电桥

应变仪中的电桥是由贴在试件上的应变片或由应变片和应变仪的固定电阻组成。它的主要作用是将应变片的电阻变化按一定比例转换成电压或电流的变化，以便输至放大器放大。同时，载波放大式应变仪的电桥还起了调制器的作用。它由应变仪内的振荡器供给一个振幅稳定的正弦波电压作为桥压，其频率通常比被测信号的频率高5～10倍，称为载波。载波信号在电桥内被缓慢变化的被测信号a调制后，变成振幅随被测信号大小而变化的调幅波b，然后送至交流放大器。当被测信号正负不同时，电桥输出的调幅波的相位也将相差180°。

 

3.2.2    放大器

载波放大式应变仪多采用多级交流放大器，其作用是将电桥输出的微弱调幅波电压信号b进行不失真的电压和功率放大，以便得到足够的功率去推动指示或记录仪表。为了保证应变信号的精度，要求放大器具有很高的稳定性，温度、电源电压等波动的影响减至最少。为此，放大器中采用直流和交流负反馈电路，以稳定放大器的工作点和放大倍数，减少非线性失真。经放大器放大后的调幅波c的频率和相位与电桥输出的调幅波是相同的，只是振幅放大了。

 

3.2.3    相敏检波器

它的作用是将放大后的调幅波还原成被测信号波形相同的波形d，它与普通检波器不同之处是能根据放大器来的调幅波的相位辨别出原来被测信号的极性，即能辨别被测应变是拉应变还是压应变。应变仪中多采用环形相敏检波器，主要由4个半导体二极管顺向组成。

 

3.2.4    低通滤波器

从相敏检波器输出的是一个包含有被测信号频率及载波的和频、差频以及其他谐波分量的波形，所以在任何动态应变仪中都有一个低通滤波器，以便全部滤去其他高频分量，取出我们所需要的又放大的正确波形e，即信号频率。可见相敏检波器和低通滤波器的配合，起了解调器的作用。

 

一般应用在电阻应变仪中的低通滤波器有“π”型和“T”型两种，图5中的滤波器为“π”型。电感的感抗与频率成正比，电容的容抗与频率成反比，由于电感对高频的阻流作用和电容对高频的分流作用，它可以通过较低频率的电流信号，这种电路称低通滤波器，它能够起到去掉高频成分的作用。

 

3.2.5    振荡器

载波放大式应变仪中的振荡器是用来产生一种幅值稳定的高频正弦波电压(见图5中振荡器)，作为电桥的供桥电压(即载波电压)和相敏检波器的参考电压。为了保证测量精度和使电桥易于平衡，要求振荡器输出电压的幅值保持稳定，波形失真较小。根据实验只有当振荡器供桥的载波频率比被测应变信号的频率高5～10倍时，才能保证调幅波的包络线最接近应变信号的波形。

 

根据工作原理，振荡器可分为电阻电容(RC)振荡器和电感电容(LC)振荡器。RC振荡器在动态应变仪中用得较多，其优点是输出波形失真小，频率稳定性好，结构简单。

 

3.2.6    稳压电源

稳压电源用以供给振荡器和放大器一个稳定的直流工作电压，该电压不随市电网络电压的波动而波动，也不随负载的变化而变化，稳压电源可与其他单元一起装在机内，也可单独设置成为应变仪的一个附件。

 

当应变仪直接使用12V直流电源时，无稳压装置(如Y6D－2)，当使用220V交流电源时，电源通过开关接到变压器上，然后经过桥式全波整流器和滤波器变为直流低压，再输至稳压器上，稳压器具有很高的稳定性，输出稳定的12V直流电。

 

4      测量电桥

测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点，故能很好地满足应变测量的要求。

 

电桥根据电源的性质分为直流电桥和交流电桥两类，目前在应变仪中多采用交流电桥。但由于两类电桥的转换原理是一致的，基本公式也有相似的表达形式，故一般都先以直流电桥来分析其工作原理和特性。

 

测量电桥的基本任务是把由应变而引起的电阻片电阻的变化量转换成与它相对应电流或电压的变化量，最通用而有效的形式是电桥式测量电路，即把电阻片作为电桥的组成部分，如图6所示，它的4个臂由电阻R1、R2、R3、R4组成。A、C端接直流电源，称供桥端，U0称供桥电压；B、D端接负载Rg称输出端。

 

 

图  6

 

当4个桥臂的电阻R1=R2=R3=R4=R时，称为全等臂电桥；当R1=R2=R，R3=R4=R′(R≠R′)时，称为对电源对称电桥。

 

当电桥各桥臂的电阻满足：

R1R3=R2R4,或R1/R2=R4/R3      (2)

 

则电桥的输出电压为零，即电桥处于平衡状态。为保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡，称为预调平衡，以求输出电压只与应变片所受应变引起的电阻变化有关。

 

设电桥中仅有一个桥臂R1为应变片，其余桥臂均为固定电阻，当R1因受应变而产生电阻增量ΔR1时，电桥的输出电压也随之发生变化ΔU，当ΔR1＜＜R1时：

 

  

对输出对称电桥R1=R2=R，R3=R4=R′，当R1臂(应变片)的电阻发生变化，其电阻增量ΔR1=ΔR，则由式(3)得输出电压

 

ΔU =（U0/4）(ΔR/R) =（U0/4）Kξ      (4)

 

对电源对称电桥R1=R4=R，R2=R3=R′。当R1臂的电阻增量ΔR1=ΔR时，其输出电压为

ΔU =U0［R R′/(R+R)2］Kξ     (5)

 

全等臂电桥R1=R2=R3=R4=R，当R1臂的ΔR1=ΔR时，其输出电压为

ΔU=（U0/4）Kξ    (6)

 

由此可见，当电桥的桥臂电阻(即应变片的电阻)发生变化时， 电桥的输出电压也随之变化。当ΔR<<R时，其输出电压与电阻变化率ΔR／R(或应变ξ)成线性关系。同样可以证明，其输出电流与应变片的电阻变化率也成线性关系。

一般全等臂电桥采用较多，它既具有较高的灵敏度，而且结构设计又较简单。

 

在全等臂电桥中，如设4个桥臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的电阻都将发生变化，电桥也将有电压输出，当供桥电压一定，且ΔR1<<R1时，电桥输出电压的增量式为：

ΔU = U0/4［(ΔR1/R1）-（ΔR2/R2）+（ΔR3/R3）-（ΔR4/R4)］    （7）

 

当各桥臂应变片的灵敏系数K相同时

ΔU=（U0K/4） (ξ1-ξ2+ξ3-ξ4)        (8)

 

式(6)和(7)为电桥转换原理的一般形式，讨论如下。

 

4.1     单臂工作时

即只有桥臂R1为工作臂，且工作时电阻由R1变为R1+ΔR1，其余各臂为固定电阻R，即

ΔR2=ΔR3=ΔR4=0

 

则式(7)和(8)为

ΔU=（U0/4）（ΔR1/R1）=（U0/4) Kξ    (9)

 

4.2    当两相邻臂工作时

(图7)即R1、R2为工作臂，且工作时有电阻增ΔR1、ΔR2，而R3和R4为固定电阻R，则式(7)、(8)变为

ΔU=U0/4（ΔR1/R1-R2/R2）

=U0K/4（ξ1-ξ2）    （10）

 

此时，当ΔR1=ΔR2=ΔR时，则ΔU=0

当ΔR1=ΔR，ΔR2=-ΔR时，

则

ΔU=2［（U0/4）Kξ    (11)