費(fèi)青  （中國(guó)紡織科學(xué)研究院）

在梳理過(guò)程中，纖維受到各種力的作用，這些力在梳理過(guò)程中，對(duì)纖維的運(yùn)動(dòng)、分梳、轉(zhuǎn)移、均混等作用有著密切的關(guān)系。為了深入研究梳理過(guò)程、針布的梳理特性、針布的各種型號(hào)規(guī)格、工藝參數(shù)在加工各種不同纖維時(shí)的實(shí)際梳理強(qiáng)度、梳理效果及其變化規(guī)律，可以應(yīng)用非電量電測(cè)原理制成的棉束梳理力測(cè)定儀來(lái)進(jìn)行實(shí)際測(cè)定。梳理力和棉束的測(cè)定，可分別在刺輥和蓋板針布上進(jìn)行，前者采用特制的活動(dòng)鋸齒，后者采用特制的小活動(dòng)蓋板，使此特制的活動(dòng)鋸齒或特制的小活動(dòng)蓋板聯(lián)結(jié)在類似一懸臂粱的彈性體上。

1      梳理力的測(cè)試方法

梳理力的測(cè)試方法有多種，主要有功率測(cè)定法和非電量電測(cè)法。

1.1     功率測(cè)定法

功率測(cè)定法是由刺輥或蓋板錫林帶有纖維時(shí)的功率與空車時(shí)的功率之差作為消耗在梳理力上的功率?？梢越魄蟮么梯伝蝈a林蓋板區(qū)間的總梳理力。

1.2     非電量電測(cè)方法

梳理力的非電量電測(cè)方法是指梳理力通過(guò)傳感器(如自制的活動(dòng)蓋板或鋸齒)將力學(xué)量轉(zhuǎn)變成電量的測(cè)試方法。

自制的活動(dòng)蓋板有大針面的蓋板(100～200 mm)及小針面蓋板(1cm²)兩種。大針面蓋板針面面積與所梳理的棉束相比要大得多，所以不能反映梳理單個(gè)棉束的力，而小針面蓋板能靈敏地反映鋼針?biāo)艿拿}沖力，并且對(duì)平均梳理力也能反映出來(lái)。

2      梳理力與棉束的關(guān)系

單纖維對(duì)蓋板的作用力小，而棉束作用在蓋板針布上的作用力很大，通常為幾克到幾百克(0～300 g)，并且表現(xiàn)為脈沖形式，每一個(gè)脈沖代表著一個(gè)棉束作用的結(jié)果，在小型測(cè)試針面的條件下，棉束作用針面上的脈沖值與棉束的大小(重量)有關(guān)。并且呈現(xiàn)出線性相關(guān)的關(guān)系，如圖1所示。

因此脈沖的個(gè)數(shù)能反映棉束的個(gè)數(shù)，棉束越大，作用力越大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的情況，把超過(guò)10 g／cm²的梳理力的脈沖個(gè)數(shù)定為棉束個(gè)數(shù)。

 圖1    梳理力與棉束的關(guān)系

蓋板與錫林工作區(qū)內(nèi)，各個(gè)蓋板位置上的梳理力是不同的。某根蓋板位置上的梳理力是指單位時(shí)間內(nèi)梳理力的平均值，單位為g/cm²，并可由此脈沖梳理力得出棉束大小和只數(shù)。如將刺輥鋸條裝上特制活動(dòng)鋸齒，即可測(cè)定刺輥梳理力、棉束大小和只數(shù)。

3      梳理力測(cè)定儀

梳理力的測(cè)定裝置是將特制的活動(dòng)小蓋板(或活動(dòng)鋸齒)聯(lián)結(jié)在類似一懸臂梁的彈性體上，當(dāng)分梳纖維時(shí)，梳理力使梁受力變形，由此引起粘貼在粱上的應(yīng)變片電阻值的微量變化，由于此應(yīng)變片為惠司登電橋的工作臂，使電橋輸出電信號(hào)，再經(jīng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀放大，輸入示波記錄器進(jìn)行顯示或記錄。而棉束梳理力測(cè)定儀由(1)梳理力變換器(傳感器)；(2)電阻動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀；(3)示波記錄儀組成。測(cè)試原理見圖2。

3.1     梳理力變換器(傳感器)

將特制的活動(dòng)小蓋板(或活動(dòng)鋸齒)聯(lián)結(jié)在一個(gè)類似懸臂梁的彈性體上，如圖3所示。

3.1.1    應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

圖4(a)為電阻絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，在由電阻系數(shù)較高的細(xì)長(zhǎng)金屬電阻絲繞成的絲柵(稱為敏感元件），兩端焊有較粗的金屬引出線，用粘結(jié)劑貼在基底上，上面貼有覆蓋層。通常金屬電阻絲由康銅或鎳鉻合金制成，其中以康銅應(yīng)用最廣?；缀透采w層是用以固定和保護(hù)電阻絲的， 在70℃以下的測(cè)量中都用紙基應(yīng)變片。圖4(b)為另一種型式，是為了在不同的蓋板、錫林隔距的情況下，都能進(jìn)行測(cè)試，彈性體的固定端加工成通孔的形式，使之能上、下移動(dòng)，以適應(yīng)不同隔距的需要。傳惑器用兩只電阻應(yīng)變片在彈性體的兩側(cè)對(duì)稱貼接，起到了溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，減少了實(shí)驗(yàn)誤差。

 圖4    應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意

3.1.2    應(yīng)變片(傳感器)的轉(zhuǎn)換原理

電阻應(yīng)變片的作用是將彈性體的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。當(dāng)分梳時(shí)，活動(dòng)小蓋板(或鋸齒)的梳針受梳理力的作用，使聯(lián)結(jié)的彈性體受力變形，貼在其上的應(yīng)變片也隨著變形，此時(shí)，應(yīng)變片內(nèi)電阻絲之電阻將隨著發(fā)生變化。在機(jī)械應(yīng)變與電阻變化之間存在著一定的比例關(guān)系，即

ΔR／R=Kξ       (1)

式中：R為電阻絲的電阻；K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù),由實(shí)驗(yàn)求得。

由此可見，電阻變量(ΔR／R)和應(yīng)變?chǔ)沃g有良好的線性關(guān)系。目前常用的K在2～2．6左右，一般鋼質(zhì)零件在彈性限度內(nèi)的應(yīng)變?chǔ)尾怀^(guò)2．5×10^-3，所以ΔR／R之值不會(huì)超過(guò)5×10^-3(即0.5%)。實(shí)際上，在大多數(shù)情況下，零件的應(yīng)變還要小得多，因此ΔR／R之值通常只在10^-4的數(shù)量級(jí)。

通常電阻絲由康銅或鎳鉻合金制成，國(guó)產(chǎn)電阻片較常用的阻值為70～200Ω。但電阻片的阻值不僅在拉伸或壓縮變形時(shí)會(huì)引起變化，當(dāng)溫度變化時(shí)也會(huì)有較大的變化，即使對(duì)于電阻系數(shù)較小的康銅而言，每10℃變化0.02%～0.05％，也即當(dāng)溫度變化20℃時(shí)，電阻值變化可達(dá)0．1％，所以在不同溫度條件下測(cè)得的結(jié)果用來(lái)比較時(shí)，會(huì)造成較大的溫度誤差。一般可采用溫度補(bǔ)償?shù)霓k法來(lái)消除溫度誤差。

3.1.3    應(yīng)變片的選用

一般根據(jù)試件的材質(zhì)、受力狀態(tài)、測(cè)量精度要求及環(huán)境條件等，來(lái)選用適當(dāng)?shù)膽?yīng)變片。

（1）由于康銅的靈敏系數(shù)穩(wěn)定，在彈性范圍和塑性范圍都保持不變，而且電阻溫度系數(shù)小，用得最多。但康銅在300℃時(shí)電阻溫度系數(shù)急劇變化，故一般用于200℃以下的測(cè)量，在高、中溫測(cè)量中，則常用鎳鉻合金等作為敏感元件材料。

（2）由于紙基能夠滿足大部分使用要求，易于粘貼，故在70℃以下的常溫測(cè)量中使用較普遍。

（3）應(yīng)變片的原始電阻值雖有60、90、120、200、300、500、1000Ω等，但因應(yīng)變儀電橋的橋臂電阻都是按120Ω設(shè)計(jì)的，故無(wú)特殊要求時(shí)須選用電阻120Ω的應(yīng)變片。

（4）由于動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀多按K=2設(shè)計(jì)，所以一般的動(dòng)態(tài)測(cè)量宜選用K=2的應(yīng)變片，否則要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

3.2     電阻應(yīng)變儀

由于應(yīng)變片測(cè)量金屬試件的應(yīng)變時(shí)，它的電阻變化率(ΔR／R)一般只有千分之幾，用普遍指示儀表很難檢測(cè)出來(lái)，應(yīng)變儀是用來(lái)放大并檢測(cè)這種微弱的物理量的，它主要由測(cè)量電路和放大器等組成，配合應(yīng)變片組成電橋，對(duì)電橋的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，并經(jīng)阻抗變換，與記錄器的阻抗相匹配，以推動(dòng)記錄器進(jìn)行顯示或記錄。

應(yīng)變儀按放大器的工作原理可分為直流放大器式和載波放大器式兩類，后者無(wú)零點(diǎn)漂移的缺點(diǎn)，儀器的穩(wěn)定性較好，應(yīng)用較為廣泛，但結(jié)構(gòu)較直流放大器復(fù)雜。

應(yīng)變儀按測(cè)應(yīng)變變化的性質(zhì)，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，一般動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀多為載波放大器式，工作頻率0～2 kHz，通常每臺(tái)應(yīng)變儀都具有幾套槽路，以便進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，每套槽路都各有電橋、放大器、相敏檢波器和濾波器，而電源、振蕩器和指示儀是各槽路公用的。

部分國(guó)產(chǎn)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。

圖5為載波放大式應(yīng)變儀組成的方框圖，一般由電橋、放大器、相敏檢波器、低通濾波器、振蕩器和穩(wěn)壓電源等6個(gè)單元組成。

圖5    載波放大式應(yīng)變儀組成方框圖

3.2.1    電橋

應(yīng)變儀中的電橋是由貼在試件上的應(yīng)變片或由應(yīng)變片和應(yīng)變儀的固定電阻組成。它的主要作用是將應(yīng)變片的電阻變化按一定比例轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以便輸至放大器放大。同時(shí)，載波放大式應(yīng)變儀的電橋還起了調(diào)制器的作用。它由應(yīng)變儀內(nèi)的振蕩器供給一個(gè)振幅穩(wěn)定的正弦波電壓作為橋壓，其頻率通常比被測(cè)信號(hào)的頻率高5～10倍，稱為載波。載波信號(hào)在電橋內(nèi)被緩慢變化的被測(cè)信號(hào)a調(diào)制后，變成振幅隨被測(cè)信號(hào)大小而變化的調(diào)幅波b，然后送至交流放大器。當(dāng)被測(cè)信號(hào)正負(fù)不同時(shí)，電橋輸出的調(diào)幅波的相位也將相差180°。

3.2.2    放大器

載波放大式應(yīng)變儀多采用多級(jí)交流放大器，其作用是將電橋輸出的微弱調(diào)幅波電壓信號(hào)b進(jìn)行不失真的電壓和功率放大，以便得到足夠的功率去推動(dòng)指示或記錄儀表。為了保證應(yīng)變信號(hào)的精度，要求放大器具有很高的穩(wěn)定性，溫度、電源電壓等波動(dòng)的影響減至最少。為此，放大器中采用直流和交流負(fù)反饋電路，以穩(wěn)定放大器的工作點(diǎn)和放大倍數(shù)，減少非線性失真。經(jīng)放大器放大后的調(diào)幅波c的頻率和相位與電橋輸出的調(diào)幅波是相同的，只是振幅放大了。

3.2.3    相敏檢波器

它的作用是將放大后的調(diào)幅波還原成被測(cè)信號(hào)波形相同的波形d，它與普通檢波器不同之處是能根據(jù)放大器來(lái)的調(diào)幅波的相位辨別出原來(lái)被測(cè)信號(hào)的極性，即能辨別被測(cè)應(yīng)變是拉應(yīng)變還是壓應(yīng)變。應(yīng)變儀中多采用環(huán)形相敏檢波器，主要由4個(gè)半導(dǎo)體二極管順向組成。

3.2.4    低通濾波器

從相敏檢波器輸出的是一個(gè)包含有被測(cè)信號(hào)頻率及載波的和頻、差頻以及其他諧波分量的波形，所以在任何動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中都有一個(gè)低通濾波器，以便全部濾去其他高頻分量，取出我們所需要的又放大的正確波形e，即信號(hào)頻率?？梢娤嗝魴z波器和低通濾波器的配合，起了解調(diào)器的作用。

一般應(yīng)用在電阻應(yīng)變儀中的低通濾波器有“π”型和“T”型兩種，圖5中的濾波器為“π”型。電感的感抗與頻率成正比，電容的容抗與頻率成反比，由于電感對(duì)高頻的阻流作用和電容對(duì)高頻的分流作用，它可以通過(guò)較低頻率的電流信號(hào)，這種電路稱低通濾波器，它能夠起到去掉高頻成分的作用。

3.2.5    振蕩器

載波放大式應(yīng)變儀中的振蕩器是用來(lái)產(chǎn)生一種幅值穩(wěn)定的高頻正弦波電壓(見圖5中振蕩器)，作為電橋的供橋電壓(即載波電壓)和相敏檢波器的參考電壓。為了保證測(cè)量精度和使電橋易于平衡，要求振蕩器輸出電壓的幅值保持穩(wěn)定，波形失真較小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)只有當(dāng)振蕩器供橋的載波頻率比被測(cè)應(yīng)變信號(hào)的頻率高5～10倍時(shí)，才能保證調(diào)幅波的包絡(luò)線最接近應(yīng)變信號(hào)的波形。

根據(jù)工作原理，振蕩器可分為電阻電容(RC)振蕩器和電感電容(LC)振蕩器。RC振蕩器在動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中用得較多，其優(yōu)點(diǎn)是輸出波形失真小，頻率穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3.2.6    穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓電源用以供給振蕩器和放大器一個(gè)穩(wěn)定的直流工作電壓，該電壓不隨市電網(wǎng)絡(luò)電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，也不隨負(fù)載的變化而變化，穩(wěn)壓電源可與其他單元一起裝在機(jī)內(nèi)，也可單獨(dú)設(shè)置成為應(yīng)變儀的一個(gè)附件。

當(dāng)應(yīng)變儀直接使用12V直流電源時(shí)，無(wú)穩(wěn)壓裝置(如Y6D－2)，當(dāng)使用220V交流電源時(shí)，電源通過(guò)開關(guān)接到變壓器上，然后經(jīng)過(guò)橋式全波整流器和濾波器變?yōu)橹绷鞯蛪海佥斨练€(wěn)壓器上，穩(wěn)壓器具有很高的穩(wěn)定性，輸出穩(wěn)定的12V直流電。

4      測(cè)量電橋

測(cè)量電橋由于具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，故能很好地滿足應(yīng)變測(cè)量的要求。

電橋根據(jù)電源的性質(zhì)分為直流電橋和交流電橋兩類，目前在應(yīng)變儀中多采用交流電橋。但由于兩類電橋的轉(zhuǎn)換原理是一致的，基本公式也有相似的表達(dá)形式，故一般都先以直流電橋來(lái)分析其工作原理和特性。

測(cè)量電橋的基本任務(wù)是把由應(yīng)變而引起的電阻片電阻的變化量轉(zhuǎn)換成與它相對(duì)應(yīng)電流或電壓的變化量，最通用而有效的形式是電橋式測(cè)量電路，即把電阻片作為電橋的組成部分，如圖6所示，它的4個(gè)臂由電阻R₁、R₂、R₃、R₄組成。A、C端接直流電源，稱供橋端，U₀稱供橋電壓；B、D端接負(fù)載R_g稱輸出端。

圖  6

當(dāng)4個(gè)橋臂的電阻R₁=R₂=R₃=R₄=R時(shí)，稱為全等臂電橋；當(dāng)R₁=R₂=R，R₃=R₄=R′(R≠R′)時(shí)，稱為對(duì)電源對(duì)稱電橋。

當(dāng)電橋各橋臂的電阻滿足：

R₁R₃=R₂R₄,或R₁/R₂=R₄/R₃      (2)

則電橋的輸出電壓為零，即電橋處于平衡狀態(tài)。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，在實(shí)測(cè)之前應(yīng)使電橋平衡，稱為預(yù)調(diào)平衡，以求輸出電壓只與應(yīng)變片所受應(yīng)變引起的電阻變化有關(guān)。

設(shè)電橋中僅有一個(gè)橋臂R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻，當(dāng)R₁因受應(yīng)變而產(chǎn)生電阻增量ΔR₁時(shí)，電橋的輸出電壓也隨之發(fā)生變化ΔU，當(dāng)ΔR₁＜＜R1時(shí)：

對(duì)輸出對(duì)稱電橋R₁=R₂=R，R₃=R₄=R′，當(dāng)R₁臂(應(yīng)變片)的電阻發(fā)生變化，其電阻增量ΔR₁=ΔR，則由式(3)得輸出電壓

ΔU =（U₀/4）(ΔR/R) =（U₀/4）Kξ      (4)

對(duì)電源對(duì)稱電橋R₁=R₄=R，R₂=R₃=R′。當(dāng)R₁臂的電阻增量ΔR₁=ΔR時(shí)，其輸出電壓為

ΔU =U₀［R R′/(R+R)²］Kξ     (5)

全等臂電橋R₁=R₂=R₃=R₄=R，當(dāng)R₁臂的ΔR₁=ΔR時(shí)，其輸出電壓為

ΔU=（U₀/4）Kξ    (6)

由此可見，當(dāng)電橋的橋臂電阻(即應(yīng)變片的電阻)發(fā)生變化時(shí)， 電橋的輸出電壓也隨之變化。當(dāng)ΔR<<R時(shí)，其輸出電壓與電阻變化率ΔR／R(或應(yīng)變?chǔ)?成線性關(guān)系。同樣可以證明，其輸出電流與應(yīng)變片的電阻變化率也成線性關(guān)系。

一般全等臂電橋采用較多，它既具有較高的靈敏度，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又較簡(jiǎn)單。

在全等臂電橋中，如設(shè)4個(gè)橋臂都由應(yīng)變片組成，則工作時(shí)各橋臂的電阻都將發(fā)生變化，電橋也將有電壓輸出，當(dāng)供橋電壓一定，且ΔR₁<<R₁時(shí)，電橋輸出電壓的增量式為：

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

當(dāng)各橋臂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K相同時(shí)

ΔU=（U₀K/4） (ξ₁-ξ2+ξ₃-ξ₄)        (8)

式(6)和(7)為電橋轉(zhuǎn)換原理的一般形式，討論如下。

4.1     單臂工作時(shí)

即只有橋臂R₁為工作臂，且工作時(shí)電阻由R₁變?yōu)镽₁+ΔR₁，其余各臂為固定電阻R，即

ΔR₂=ΔR₃=ΔR₄=0

則式(7)和(8)為

ΔU=（U₀/4）（ΔR₁/R₁）=（U₀/4) Kξ    (9)

4.2    當(dāng)兩相鄰臂工作時(shí)

(圖7)即R₁、R₂為工作臂，且工作時(shí)有電阻增ΔR₁、ΔR₂，而R₃和R₄為固定電阻R，則式(7)、(8)變?yōu)?/p>

ΔU=U₀/4（ΔR₁/R₁-R₂/R₂）

=U₀K/4（ξ₁-ξ₂）    （10）

此時(shí)，當(dāng)ΔR₁=ΔR₂=ΔR時(shí)，則ΔU=0

當(dāng)ΔR₁=ΔR，ΔR₂=-ΔR時(shí)，

則

ΔU=2［（U₀/4）Kξ    (11)

上式與式(9)相比可知，此時(shí)電橋的輸出比單臂工作時(shí)大一倍，提高了測(cè)量的靈敏度。但須注意，此時(shí)試件的真實(shí)應(yīng)變?yōu)閮x器讀數(shù)的一半。

4.3     兩相對(duì)臂工作時(shí)

即R₁、R₃為工作臂，且有電阻增ΔR₁和ΔR₃，而R₂和R₄為固定電阻，則

ΔU=（U₀/4）（ΔR₁/R₁+△R₃/R₃）=（U₀K/4）（ξ₁+ξ₃）    （12）

此時(shí)，當(dāng)ΔR₁=ΔR₃=ΔR時(shí)，則  

ΔU=2［（U₀/4）Kξ］

當(dāng)ΔR1=ΔR，ΔR3=-ΔR時(shí)，則ΔU=0

因此，不論在半橋測(cè)量(電橋的R₁和R₂臂為應(yīng)變片，R₃和R₄臂為固定電阻)中，還是在全橋測(cè)量(電橋的4個(gè)橋臂都是應(yīng)變片)中，都可以通過(guò)不同的組橋方式來(lái)提高測(cè)量靈敏度或消除不需要的成分。

4.4     溫度補(bǔ)償

舉幾個(gè)常用的實(shí)例，一般常用的應(yīng)變絲是康銅絲，K值約為1.9～2.1，應(yīng)變絲的阻值不僅在拉伸或壓縮時(shí)會(huì)引起變化，當(dāng)溫度變化時(shí)也會(huì)有很大的變化。鋼件在彈性變形范圍內(nèi)，其相對(duì)變形不超過(guò)2.5×10^-3，則△R／R=Kξ也不會(huì)超過(guò)5×10^-3(0.5％)。但即使對(duì)于電阻溫度系數(shù)相當(dāng)小的康銅絲而言，每10℃變化0.02%～0.05%，當(dāng)溫度變化20℃時(shí)，電阻值變化可達(dá)0.1％。所以在不同溫度條件下測(cè)得的結(jié)果用來(lái)作比較時(shí)，會(huì)造成較大的溫度誤差。為了克服這個(gè)問(wèn)題，須要采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?duì)于測(cè)量彎曲變形時(shí)，可用以下方法。

(1)半橋測(cè)量時(shí)溫度補(bǔ)償(也稱橋路補(bǔ)償法)

采用兩片敏感元件材料，原始電阻值和靈敏系數(shù)都相同的應(yīng)變片R₁和R₂，R₁貼在試件的測(cè)點(diǎn)上，R₂貼在試件的應(yīng)變?yōu)榱闾?，或貼在與試件材質(zhì)相同的不受力的補(bǔ)償塊上(參見圖6)。R₁和R₂處于相同的溫度場(chǎng)中，并按圖7接入電橋的相鄰臂上。

當(dāng)試件受力并有溫度變化時(shí)，應(yīng)變片R₁的電阻變化率：

ΔR₁/R₁=（ΔR₁/R₁）_ξ+（ΔR₁/R₁）_t

式中：(ΔR1／R1)_ξ——R₁由應(yīng)變引起的電阻變化率；

(ΔR₁／R₁)_t——R₁由溫度變化引起的電阻變化率。

而應(yīng)變片R₂(溫度補(bǔ)償片)則只有溫度變化引起的電阻變化率：

ΔR₂／R₂= (ΔR₂／R₂)_t

而

(ΔR₁／R₁)_t= (ΔR₂／R₂)_t

則電橋的輸出電壓：

ΔU=（U₀/4）［（ΔR₁/R₁）-（ΔR₂/R₂）］

=（U₀/4）（ΔR₁/R₁）_ξ

這樣消除了溫度的影響，減少了測(cè)量誤差。

(2)在純彎試件半橋測(cè)量時(shí)，兩片相同的應(yīng)變片R₁和R₂分別貼于試件距中性層距離相等的上下兩邊，如圖8所示，并按圖7接橋。則電橋的電壓輸出為ΔU=2［（U₀/4）Kξ］，此時(shí)電橋輸出增加一倍，并也實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。

(3)在純彎試件全橋測(cè)量中，4片相同的應(yīng)變片R₁和R₃貼在一邊，R₂和R₄貼在對(duì)稱于中性層的另一邊，見圖9（a），并按圖9（b)組成全等臂電橋。

 圖9    純彎試件全橋測(cè)量

當(dāng)試件受力并有溫度變化時(shí)，各橋臂的電阻變化率：

ΔR₁/R₁=ΔR₃/R₃= (ΔR/R）_ξ+(ΔR/R）_t

ΔR₂/R₂=ΔR₄/R₄= (ΔR/R）_ξ+(ΔR/R）_t

ΔU=4［（U₀/4）Kξ］    (13)

這樣不僅實(shí)現(xiàn)了溫度的補(bǔ)償，而且使電橋的輸出為單片測(cè)量時(shí)的4倍，大大提高了測(cè)量的靈敏度。

棉束、梳理力測(cè)定儀就是應(yīng)用測(cè)量純彎曲的原理進(jìn)行的。

在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量中，由于被測(cè)應(yīng)變是不斷變化的，來(lái)不及使電橋重新平衡，以讀取某一時(shí)刻的應(yīng)變值，因此不能用零讀法測(cè)量。一般是將應(yīng)變信號(hào)放大后輸入記錄儀，記錄在記錄紙、膠卷或磁帶上，然后再用人工或數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行測(cè)量和處理。為了計(jì)算記錄曲線上各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的被測(cè)應(yīng)變值，在記錄曲線上還應(yīng)同時(shí)給出一些已知應(yīng)變的幅值，以便作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)?yè)Q算出各點(diǎn)所代表的應(yīng)變大小，這種預(yù)先給出一個(gè)換算標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程稱為標(biāo)定。棉束梳理力測(cè)定儀標(biāo)出的應(yīng)是梳理力大小的標(biāo)準(zhǔn)。以便換算各點(diǎn)所代表梳理力的大小。在動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中都設(shè)有標(biāo)定裝置。

5      記錄器

在進(jìn)行梳理力或其他測(cè)試時(shí)，要應(yīng)用記錄器把從電阻應(yīng)變儀輸出的表示被測(cè)機(jī)械量變化規(guī)律的電壓(或電流)信號(hào)，通過(guò)一定的方式記錄下來(lái)，以便分析和研究。記錄的方式一般可分為模擬記錄和數(shù)字記錄兩種。前者又可分為筆式記錄儀、光線示波器、模擬磁帶記錄器和陰極射線電子示波器，而后者分?jǐn)?shù)字打印機(jī)、穿孔機(jī)和數(shù)字磁帶記錄器。

目前較為廣泛應(yīng)用的是光線示波器，它是靠光點(diǎn)使感光記錄紙或膠片感光來(lái)進(jìn)行記錄的。光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是靠電磁的相互作用而將電流的變化規(guī)律轉(zhuǎn)換成光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。記錄曲線的形成是光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和記錄紙運(yùn)動(dòng)的組合。被測(cè)電量隨時(shí)間變化的規(guī)律是靠記錄紙同時(shí)記錄時(shí)間信號(hào)而獲得的。記錄曲線的清晰程度與光點(diǎn)的強(qiáng)弱及記錄紙的感光能力有關(guān)，而記錄的精確程度則與電磁相互作用機(jī)構(gòu)的靜特性和動(dòng)特性有關(guān)。

圖10表示光線振子示波器的工作原理，光源通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)投射到鏡片上，經(jīng)反射并通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)照射到記錄紙上，使之感光。鏡片裝在振子的張絲上，線圈安放在兩永久磁鋼中間。當(dāng)線圈中通過(guò)電流時(shí)，線圈在磁場(chǎng)作用下偏轉(zhuǎn)，鏡片也隨之偏轉(zhuǎn)，光點(diǎn)便在記錄紙上來(lái)回?cái)[動(dòng)。記錄紙由傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)輥軸帶動(dòng)運(yùn)行，因而獲得記錄曲線。時(shí)標(biāo)通過(guò)時(shí)間發(fā)生器也記錄在記錄紙上，整個(gè)光線振子示波器由光源和光學(xué)系統(tǒng)、振子和磁系統(tǒng)、記錄紙傳動(dòng)和控制系統(tǒng)以及時(shí)標(biāo)裝置等組成(見圖10)。

 圖10    光線振子示波示意

6      棉束、梳理力測(cè)試實(shí)例

6.1     測(cè)試系統(tǒng)

系統(tǒng)各個(gè)部分的連接見圖11。

圖11    連接框圖

如圖11所示，測(cè)試系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)部分組成，傳感器應(yīng)變片受力時(shí)，產(chǎn)生微應(yīng)變引起電阻應(yīng)變絲變形，從而改變了電阻應(yīng)變片的阻值，把這個(gè)信號(hào)引入到惠司登電橋，由電阻應(yīng)變儀的振蕩器產(chǎn)生高頻等幅振蕩電壓作為供橋電源，由梳理力引起的工作信號(hào)經(jīng)調(diào)制后，由應(yīng)變儀多級(jí)放大，經(jīng)相敏檢波器濾去載頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大到單板機(jī)要求的范圍，再經(jīng)A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入TP－801型微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由TP－801P型打印機(jī)打印結(jié)果。也可以在相敏濾波器濾去載頻信號(hào)后，接入光線示波器，示波器的振子選用FC－2500型進(jìn)行圖象記錄。

6.1.1    電路的設(shè)計(jì)

(1)比例放大器

比例放大器的供電源是由一級(jí)穩(wěn)壓塊將±18V電源變?yōu)椤?5V來(lái)給放大器進(jìn)行供電。電路如圖12所示，放大器是μA741型集成運(yùn)算放大器，它有很寬的輸入共模電壓范圍，且不需要補(bǔ)償電容，功耗低，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

 圖12    比例放大器電路

(2)濾波器

濾波器是采用一階低通濾波器(如圖13)，用它來(lái)通過(guò)低頻信號(hào)，抑制和衰減高頻振蕩信號(hào)。

 圖13    濾波器

(3)保護(hù)電路

保護(hù)電路如圖12虛線右部，為了保證計(jì)算機(jī)接口的輸入電壓在0～5V之間，用一個(gè)穩(wěn)壓二極管和一個(gè)二極管進(jìn)行鉗位，使輸入計(jì)算機(jī)信號(hào)不超過(guò)5V，以免損壞A／D芯片。

(4)A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

測(cè)試裝置采用了與TP－801型微型計(jì)算機(jī)相配套的TP802AD-082模數(shù)轉(zhuǎn)換板，它的A／D轉(zhuǎn)換芯片為ADC0809型，內(nèi)有8路模擬開關(guān)，控制選擇8個(gè)模擬量輸入通道。

模數(shù)接口板的ADC0809芯片直接與TP801 B型微型計(jì)算機(jī)的CPU相連，提高了轉(zhuǎn)換時(shí)間，分辨率為1／250，精度為±1bit。

6.1.2    測(cè)試裝置的標(biāo)定

本實(shí)驗(yàn)裝置采用靜態(tài)標(biāo)定的方法進(jìn)行標(biāo)定。給傳感器施加力，得出力與電壓的關(guān)系如表2所示。 

計(jì)算得：F=37.9472V－3.2985，可見傳感器基本上為線性傳感器，力與電壓成線性相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=0.9976)。

6.2     采樣信號(hào)與軟件濾波

(1)  峰值保持

梳理力使應(yīng)變儀阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生電壓信號(hào)（見圖14），圖中高于V₀線以上的部分可認(rèn)為是由棉束引起的脈沖波形，因此要找到每個(gè)棉束受梳理時(shí)的最大峰值，就需要峰值保持。

圖14    產(chǎn)生電壓信號(hào)示意

峰值保持有硬件峰值保持和軟件保持兩種方法。

（a）硬件峰值保持器

主要通過(guò)精密電容的充電或放電來(lái)完成。硬件的峰值保持需要設(shè)計(jì)保持電路。

（b）軟件保持有如下兩種

①首先對(duì)比例放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行離散采樣，如圖15（a）所示，每?jī)蓚€(gè)采樣值進(jìn)行比較，當(dāng)滿足如下條件時(shí)：

F(t_i-1)<F(t_i)>F(t_i+1)     (14)

即F(t_i)為峰值，但是錫林上的棉束作用到蓋板梳針上的力是波動(dòng)的，這樣引起電轉(zhuǎn)換信號(hào)的波動(dòng)。由此可以看到，一個(gè)脈沖中可能得到很多個(gè)峰值。

②在軟件中采用如下方法求得一個(gè)脈沖中的最大峰值。

當(dāng)采到第一個(gè)峰值F_max(t)時(shí)，將之在儲(chǔ)存區(qū)保存起來(lái)，并使F_max (t)與后面的采樣值比較，如果它小于某個(gè)采樣值F_max (t)<F(t_i)，那么以F(t_i)代F(t)存入儲(chǔ)存區(qū)繼續(xù)比較，當(dāng)│F_max(t)-F(t_i)│>h時(shí)，認(rèn)為F_max(t)為一個(gè)脈沖中的最大峰值，見圖15(b)。

 圖15    兩種峰值保持方法

由此程序分離出的棉束受力形成的脈沖如圖16所示。 

 圖16    棉束受力形成的脈沖示意

對(duì)測(cè)得的棉束脈沖進(jìn)行分類，為了減少分類統(tǒng)計(jì)時(shí)的比較次數(shù)，先把測(cè)得的脈沖按大小順序排隊(duì)，然后進(jìn)行分檔計(jì)數(shù)，計(jì)算平均值，標(biāo)準(zhǔn)差不勻率，采用四字節(jié)定點(diǎn)運(yùn)算的方法。

(2)軟件濾波

軟件濾波是為了使信號(hào)波動(dòng)平穩(wěn)而設(shè)計(jì)的，采用算術(shù)平均濾波的方法，它是將N次采樣值相加，再取其算術(shù)平均值作為一次采樣值。

6.3    測(cè)試結(jié)果

三種蓋板針布的測(cè)試結(jié)果如表3所示(n_T=827 r／min, n_C=316 r／min, n_D=15 r／min)。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，梳理力、棉束數(shù)量隨蓋板的位置不同而不同，其變化趨勢(shì)呈指數(shù)形式，如按

y=Ae^BX+C來(lái)擬合試驗(yàn)曲線，則JRT- 40型針布的棉束、梳理力擬合結(jié)果為：

N₁=236.25 e^-0.5319X，

F₁=36.44 e^-0.1748X

Graf型針布的擬合結(jié)果為： 

N₂=396.37 e^-0.7264X，

F₂=53.60 e^-0.2512X

709型針布的擬合結(jié)果為：

 N₃=229.31 e^-0.3919X，

F₃=36.38 e^-0.1621X

式中：N₁、N₂、N₃為棉束數(shù)；F₁、F₂、F₃為梳理力；X為蓋板位置。

從測(cè)試結(jié)果看出，第一根蓋板(從刺輥側(cè)起)所受的力最大，棉束的個(gè)數(shù)也最多，而后幾根蓋板基本上對(duì)小棉束、纖維進(jìn)行梳理，梳理力也較小。

梳理力的變化趨勢(shì)與棉束的變化趨勢(shì)相似，也呈現(xiàn)了逐漸減弱的規(guī)律，頭兩根蓋板所受的最大脈沖力大。平均梳理力大，且平均差系數(shù)也大。而后幾根蓋板作用比較緩和。

6.4     工藝參數(shù)變化的試驗(yàn)

6.4.1    改變錫林速度

其他工藝參數(shù)不變，改變錫林速度，棉束、梳理力測(cè)試見表4。

可以看出，錫林增速時(shí)，棉束的個(gè)數(shù)減少，同時(shí)梳理力也相應(yīng)減小，這是由于在一定產(chǎn)量條件下，增加錫林轉(zhuǎn)速，刺輥速度相應(yīng)增加，增強(qiáng)了分梳；另一方面，錫林轉(zhuǎn)速增高，自由纖維量減少，有利于棉束的分解和棉結(jié)的減少。

6.4.2     改變刺輥速度(JRT- 40)

刺輥轉(zhuǎn)速為1083 r/min的棉束，梳理力測(cè)試結(jié)果見表5中的1^#，827 r/min的測(cè)定結(jié)果見表3中的JRT- 40型。

由1083 r／m可擬合為：

 N=165.52 e^-0.44854X   

F=31.95 e^-0.1615X

從測(cè)試結(jié)果可知，刺輥速度高時(shí)，蓋板所分梳的大棉束及梳理力均降低。刺輥轉(zhuǎn)速高，梳理度增加，分梳能力加強(qiáng)，使進(jìn)入梳理區(qū)的棉束減少、減小。

6.4.3    改變梳棉機(jī)產(chǎn)量

其他工藝條件不變，改變道夫轉(zhuǎn)速，道夫轉(zhuǎn)速為15 r/min時(shí)梳理力測(cè)試結(jié)果見表3中的JRT-40型針布。轉(zhuǎn)速為13 r/min的測(cè)試結(jié)果見表5中的2^#。其棉束梳理力擬合結(jié)果：

N=352.19 e^-0.8003X      

F=40.88 e^-0.2442X

隨著產(chǎn)量的增加，棉束與梳理力的數(shù)值均有增加。

梳棉機(jī)單產(chǎn)高，單位時(shí)間進(jìn)入蓋板和錫林間分梳區(qū)的纖維和棉束多且大，棉束數(shù)量與梳理力均增大。

6.4.4     改變定量

產(chǎn)量一定的情況下，改變生條定量。生條定量17.35 g／5m的梳理力測(cè)定結(jié)果見表3中的JRT-40型針布，定量為19.37 g／5m的測(cè)試結(jié)果見表5中的3^#。擬合結(jié)果：

N=300.04 e^-0.5438X   

F=44.17 e^-0.2030X

可知定量增大，而產(chǎn)量一定時(shí)，棉束、梳理力的大小均增大。

這是因?yàn)楫a(chǎn)量一定時(shí)，生條定量大時(shí)，錫林蓋板上的負(fù)荷大，造成棉束、梳理力增加。 

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