柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法
【专利摘要】本发明涉及材料特性测量【技术领域】，公开了柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及方法。该测量设备包括用于安装各零部件的底盘（1）和支架（8）、水平安装的上测试平台（2）、下测试平台（3）、步进电机（6）、压缩测量模块、信号采集模块和分析处理模块；所述上测试平台（2）和步进电机（6）安装于所述支架（8）上，所述压缩测量模块位于所述下测试平台（3）下方并支撑下测试平台（3），所述的信号采集模块的输入端分别接各传感器的输出端，所述信号采集模块输出端接所述分析处理模块输入端。本发明可将柔性材料的压缩和热传递特性在一台仪器上同时进行测试，进而可用于综合评价柔性材料的压缩过程中热传递性能的动态变化。
【专利说明】柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料特性测量【技术领域】，更具体地说，涉及一种柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及方法。
【背景技术】
[0002]纺织材料的热湿传递及力学特性是决定人体着装的舒适性的主要因素，随着技术的进步大量新型功能材料的问世以及人们对生活要求的提高，特别是对着装舒适性要求的提高，越来越需要对材料在不同变形情况下的热传递特性进行测量。
[0003]著名科学家Kawabata早在1998年指出在纤维学、纺织力学和客观测试技术的基础上，实现对服装面料质量和性能的优化设计是21世纪的努力方向。一批新型织物在具有较好的柔软度、悬垂性和优美的光泽的同时还具有某种特殊类型的手感(如桃皮绒、仿真丝感觉)等。桃皮绒，抓绒类织物，通常与皮肤接触时表现出温暖的一面；而真丝与仿真丝织物除了光滑的感觉外还通常伴随着凉爽的感觉。所以，这一些新型面料的出现都带来了一个物理现象就是当材料与皮肤接触时，其有特殊的热传递特性。
[0004]众所周知，普通物理学就揭示静止的空气是一种很好的保温材料。材料，特别是应用在纺织服装领域的材料其保暖特性与织物中所含的静止空气层有着密切的关系。有研究指出羽绒服坐在雪地上，受压部分的保暖特性会下降至原先的1/6.如果被浸湿后其保暖特性只有原先的1/20。因此研究材料在受压条件下的保温特性对功能服装的设计，特别是在极端条件下人类的生存条件有着现实的意义。例如最基本的物理参数是材料厚度，标准厚度都是在某一个给定压强下的材料厚度。这一个参数在产品设计，特别是冬季防寒服设计中广泛应用。因此如上所述这些传统的方法并不能很好地满足在实际应用过程中出现的种种要求。
[0005]现有的有关材料机械特性的测量方法已有很多报告，主要使用KES或FAST等织物风格测试仪对其进行织物风格力学性能测试，及测量织物厚度、克重、厚度与克重比值和经纬密度等结构参数进行分析。同时，很多研究也提出了不少新的方法对材料的力学特性进行测量以改进KES或FAST的不足。例如中国实用新型专利，ZL00217564.9，报道了一种纱线弯曲性能测量装置，ZL92220556.6，报道了组合式多束生丝强伸力机电脑测试仪。ZL200410066649介绍了一种用于纺织材料的拉伸、压缩、顶破和刺割的组合测量方法及装置。
[0006]中国纺织行业标准FZ/T010546就织物的风格提出了一系列的测量方法，涉及到织物的压缩，弯曲，表面摩擦力等多项机械力学特性的测量。
[0007]在材料热传递特性测量方面更是已经存在不少的标准，例如:
[0008]#GB/T 11048-2008《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》
[0009].ASTM D 1518-85 (Reapproved2003)纺织材料的热传导的标准试验方法
[0010].JIS L 1096-1999 —般织物试验方法(附解说部分)
[0011].ISO 11092:1993纺织品生理效应稳态条件下耐热和耐水蒸汽性能的测量[0012]对比传统的柔性材料热传递特性的测量方法，都是在一个给定的温差范围内通过对不同的与热传递相关的物理参数的测量(如，两表面的温度差，维持一定表面温度需要输入的功率，热流量等)来描述材料的热传递特性。通常的指标有热阻，热导率，保暖率等等。
[0013]但是现有的测量方法报道都是在恒定材料厚度下进行。缺少一种在材料厚度变化过程中进行材料热传递性能的测量同时也将材料的压缩机械特性一并描述出来的装置和方法。
【发明内容】
[0014]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法。
[0015]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，包括用于安装各零部件的底盘和支架，所述支架装于所述底盘上，还包括水平安装的用于控制温度和测量热流量的上测试平台及位于所述上测试平台正下方用于放置试样的下测试平台、用于驱动所述上测试平台进行垂直运动的步进电机、安装于所述底盘上用于测量材料所承受压力的压缩测量模块、信号采集模块和用于数据分析、图形显示及指标计算的分析处理模块；所述上测试平台和步进电机安装于所述支架上，所述压缩测量模块位于所述下测试平台下方并支撑下测试平台，所述的信号采集模块的输入端分别接各传感器的输出端，所述信号采集模块输出端接所述分析处理模块输入端。
[0016]在本发明所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备中，所述上测试平台包括上测温模块、加热模块和位于所述上测试平台底部的用于检测接触物体热流的热流传感器，所述上测温模块位于所述加热模块下面并于所述加热模块连接；所述上测试平台下表面有一凹槽，所述热流传感器贴在所述凹槽内并保持所述上测试平台下表面平整。
[0017]在本发明所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备中，所述下测试平台包括一与所述上测温模块对应的下测温模块。
[0018]在本发明所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备中，所述上测试平台与下测试平台侧边装有用于测量样品厚度的距离传感器。
[0019]在本发明所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备中，所述压缩测量模块包括三个压力传感器和弹簧，所述压力传感器上表面处于同一平面内，所述弹簧上端支撑所述下测试平台，下端接所述压力传感器，并将所述下测试平台所受压力传递到所述压力传感器上。
[0020]在本发明所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备中，所述压力传感器具有S型结构。
[0021]在本发明所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备中，所述上测试平台下表面与所述下测试平台上表面面积相同。
[0022]本发明还提供上述设备测量柔性材料压缩动态热传递特性的方法，包括以下步骤:
[0023]S1、打开并调整所述柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，使其进入测量准备状态；
[0024]S2、对柔性材料试样进行测量，并通过所述分析处理模块根据所述信号采集模块采集的传感器数据实时绘制材料热流量随时间与材料厚度变化的曲线；
[0025]S3、根据所得到的曲线，计算出柔性材料试样各个压缩动态热传递特性指标。
[0026]在本发明所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量方法中，在所述步骤SI中，使所述上测试平台上升到最高位置，所述下测试平台处于自然平衡状态，通过所述上测温模块和下测温模块获得所述上测试平台和下测试平台的实时温度，启动所述上测试平台的加热模块，设置所述上测试平台的最终温度值比下测试平台温度高2V _20°C，同时设置电机速度、系统最大压强值、标准压强值和刺痛感临界压强值。
[0027]在本发明所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量方法中，在所述步骤S2中，将与所述下测试平台上表面面积一样大的柔性材料试样水平置放在所述下测试平台上，所述柔性材料压缩动态热传递特性测量设备自动记录此时由柔性材料试样及所述下测试平台自身重量所造成的压力，并以此为压力初始值；当所述上测试平台与下测试平台温差达到设定值时，在所述步进电机的驱动下所述上测试平台向下运动，并对放于所述下测试平台的柔性材料进行压缩，当达到最大行程时，所述下测试平台将停止向下运动，或达到设定的系统最大压强值后，所述上测试平台停止继续向下运动，并保持当前状态一定时间，然后以一定的速度匀速向上提升，运动的过程中以一定频率连续对柔性材料试样的热流量、材料厚度、所受压力、上测试平台和下测试平台温度进行测量。
[0028]在本发明所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量方法中，所述上测试平台向下压缩行程下限为80mm，其移动范围是0-80mm，其运动速度在0-20cm/s范围内；所述上厕所平台停止向下运动后，保持停止状态IOs ;对柔性材料试样的热流量、材料厚度、所受压力、上下测试平台温度进行测量的频率为10HZ。
[0029]实施本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及方法，可以在一次操作中得到材料在不同受压条件下的热传递特性，从而大量节约时间和人力。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0031]图1和图2是本发明柔性材料压缩动态热传递特性测量设备的结构示意图；
[0032]图3是本发明柔性材料压缩动态热传递特性测量设备S型压力传感器结构示意图；
[0033]图4是本发明柔性材料压缩动态热传递特性测量方法总体流程图；
[0034]图5是本发明柔性材料压缩动态热传递特性测量设备压缩测试测试子系统的结构示意图；
[0035]图6是本发明柔性材料压缩动态热传递特性测量设备压缩热传递测试子系统的结构示意图；
[0036]图7本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法压缩曲线指标定义;
[0037]图8本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法热流-时间曲线指标定义；
[0038]图9本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法PSI曲线指标定义(PSI曲线为热流时间曲线的微分)；[0039]图10发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法热流量-厚度曲线指标定义；
[0040]图11本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第一实施例测试样品针织布的压力一厚度曲线；
[0041]图12本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第一实施例测试样品针织布的热流量一时间曲线； [0042]图13本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第一实施例测试样品针织布的热流量--时间微分PSI曲线；
[0043]图14本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第一实施例测试样品针织布的热流量一厚度曲线；
[0044]图15本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第二实施例测试样品机织布的压力一厚度曲线；
[0045]图16本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第二实施例测试样品机织布的热流量一时间曲线；
[0046]图17本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第二实施例测试样品机织布的热流量一时间微分PSI曲线；
[0047]图18本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第二实施例测试样品机织布的热流量一厚度曲线；
[0048]图19本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第三实施例测试样品无纺布的压力一厚度曲线；
[0049]图20发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第三实施例测试样品无纺布的热流量一时间曲线；
[0050]图21本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第三实施例测试样品无纺布的热流量--时间微分PSI曲线；
[0051]图22本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第三实施例测试样品无纺布的热流量一厚度曲线；
[0052]图23本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第四实施例测试样品海绵的压力一厚度曲线；
[0053]图24本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第四实施例测试样品海绵的热流量一时间曲线；
[0054]图25本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第四实施例测试样品海绵的热流量--时间微分PSI曲线；
[0055]图26本发明的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备及测量方法第四实施例测试样品海绵的热流量一厚度曲线。
【具体实施方式】
[0056]为将本发明的目的、技术方案等更加清晰化，以下结合，结构示意图，系统参数、试验操作步骤及测试流程图对本发明作进一步的阐述。
[0057]图1和图2是本发明柔性材料压缩动态热传递特性测量设备的结构示意图，本发明仪器主要部件包括地盘I和支架8以及上测试平台2和下测试平台3，同时上测试平台2带有可均匀加热的加热模块9，并且受到精密的步进电机6的控制使其可在垂直方向受控移动，上测试平台2还有一热流传感器11，可以用于实时检测接触物体的热流量。在测试过程中通过上测温模块10和下测温模块12确保上下二个温度面的温差达到某一设定值，根据需要可以在2°C — 20°C之间设定，通常以10°C为优选值。上下两个测试平台的面积可以根据需要选择不同的尺寸。优选为IOcmX IOcm，平台需要水平安置。上测试平台2和下测试平台3间的距离通过一距离传感器7进行测量。多种现有的位移传感器都可以参考并直接引用，在本发明中优选为高精度的激光位移传感器。
[0058]为了获得柔性材料受压过程中压力变化的特性，下测试平台3被安装在一个弹性支架上，所产生压力被分散传递三个特制的压力传感器5上。被测材料的压力将由这三个传感器的受力之和减掉弹簧4和下测试平台3及试样的重量获得。使用三个压力传感器5是由于三个点可以构成一个平面，而使用弹性联接可以消除在机械安装过程中上下两测试平台测量面不平行或试样放置不水平所造成的误差。由于测量平台的面积是一定的，因此，压力值可以方便地转换成压强值进行表达。为了获得高精度压力传感，特殊设计的压力传感器5具有S型的结构，如图3所示，采用应变片测量技术获得由于受压而造成的变形量。现有的应变片测量技术都可以在此做参考并引用。
[0059]系统参数:
[0060]1.预设电机的运行线速度lmm/s,可选范围0_10mm/s ；
[0061]2.预设试样牵引平台下盘被下压的距离50mm可选范围0-80mm;
[0062]3.预设电机在预设试样牵引平台上盘下压至预设距离(50mm)后的停留时间10s，可选范围0-600s ；
[0063]4.弹簧4最大变形量可达60mm，极限工作载荷150N ；
[0064]5.激光测距位移传感器量程范围是0_25mm，精度可达10 μ m ;
[0065]6.试验牵引平台的上下两块方形铜板各自的面积可选范围8cm*8cm-12cm*12cm,首选10cm*10cm,铜板厚度可选l_3cm,首选2cm ；
[0066]7.测试样的尺寸为10cm*10cm。
[0067]试验操作步骤:(见图4)
[0068]S1.开启系统电源，打开计算机测试软件界面；
[0069]S2.若需要校准则进入系统校准菜单，设置传感器校准参数，电机运行速度，试验下压距离，电机停留时间等参数，否则进入步骤S3 ；
[0070]S3.单击界面开始测试按钮，系统蜂鸣器发出“滴滴”两声提示测试开始，此时电机将复位，之后电机自动带动试验牵引平台的上盘，按照设定速度匀速下降，被上下两盘夹紧的试样随着上盘下降，在整个下降运动过程中计算机实时进行数据采集，并显示曲线；
[0071]S4.当下盘到达预设距离后电机停止10s，之后下盘匀速上升至初始位置，整个数据米集过程完毕；
[0072]S5.根据所获取数据，计算机自动计算指标，完成后，系统蜂鸣器发出“滴滴”两声提示测试结束；
[0073]S6.返回步骤SI，进行下一次试验。
[0074]如图5所示是本发明柔性材料压缩动态热传递特性测量设备中压缩测试测试子系统的结构示意图，图6是本发明柔性材料压缩动态热传递特性测量设备压缩测试热传递测试子系统的结构示意图，将与下测试平台3上表面面积一样大的柔性材料试样水平置放在下测试平台3上，柔性材料压缩动态热传递特性测量设备自动记录此时由柔性材料试样及下测试平台3自身重量所造成的压力，并以此为压力初始值；当上测试平台2与下测试平台3温差达到设定值时，在步进电机6的驱动下上测试平台2向下运动，并对放于下测试平台3的柔性材料进行压缩，当达到最大行程时，下测试平台3将停止向下运动，或达到设定的系统最大压强值后，上测试平台2停止继续向下运动，并保持当前状态一定时间，然后以一定的速度匀速向上提升，运动的过程中以一定频率连续对柔性材料试样的热流量、材料厚度、所受压力、上测试平台2和下测试平台3温度进行测量。
[0075]如图7所示，为典型的材料的厚度随压力变化的动态曲线。在整个测量过程中包括二个阶段:第一阶段为压缩阶段，在这过程中随着压力的不断增加材料的厚度不断减小由此引起材料热传递特性的不断变化；第二阶段是回复阶段。上测量平台以一个恒定的速度向上提升。运动速度在O — lOmm/s范围内可控，优选运动速度lmm/s。此时材料由于其自身弹性特征有恢复原样的趋势，并由此仍对下测量平台造成压力。因此根据过程中压强与材料厚度之间的关系可以得到如下材料压缩特性:
[0076](I).厚度:材料在压缩与恢复过程中不同压强下的厚度。特别是某一些特殊的压强条件下的厚度值；
[0077]
【权利要求】
1.一种柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，其特征在于，包括用于安装各零部件的底盘(I)和支架(8)，所述支架(8)装于所述底盘(I)上，还包括水平安装的用于控制温度和测量热流量的上测试平台(2)及位于所述上测试平台(2)正下方用于放置试样的下测试平台(3)、用于驱动所述上测试平台(2)进行垂直运动的步进电机(6)、安装于所述底盘(I)上用于测量材料所承受压力的压缩测量模块、信号采集模块和用于数据分析、图形显示及指标计算的分析处理模块；所述上测试平台(2)和步进电机(6)安装于所述支架(8)上，所述压缩测量模块位于所述下测试平台(3)下方并支撑下测试平台(3)，所述的信号采集模块的输入端分别接各传感器的输出端，所述信号采集模块输出端接所述分析处理模块输入端。
2.根据权利要求1所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，其特征在于，所述上测试平台(2)包括上测温模块(10)、加热模块(9)和位于所述上测试平台(2)底部的用于检测接触物体热流的热流传感器(11 )，所述上测温模块(10)位于所述加热模块(9)下面并与所述加热模块(9 )连接；所述上测试平台(2 )下表面有一凹槽，所述热流传感器(11)贴在所述凹槽内并保持所述上测试平台(2)下表面平整。
3.根据权利要求1所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，其特征在于，所述下测试平台(3)包括一与所述上测温模块(10)对应的下测温模块(12)。
4.根据权利要求1所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，其特征在于，在所述上测试平台(2)与下测试平台(3)侧边装有用于测量样品厚度的距离传感器(7)。
5.根据权利要求1所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，其特征在于，所述压缩测量模块包括三个压力传感器(5)和弹簧(4)，所述压力传感器(5)上表面处于同一平面内，所述弹簧(4)上端支撑所述下测试平台(3)，下端接所述压力传感器(5)，并将所述下测试平台(3)所受压力传递到所述压力传感器(5)上。
6.根据权利要求5所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，其特征在于，所述压力传感器(5)具有S型结构。
7.根据权利要求1所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，其特征在于，所述上测试平台(2)下表面与所述下测试平台(3)上表面面积相同。
8.一种使用权利要求1所述柔性材料压缩动态热传递特性测量设备的柔性材料压缩动态热传递特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、打开并调整所述柔性材料压缩动态热传递特性测量设备，使其进入测量准备状态； 52、对柔性材料试样进行测量，并通过所述分析处理模块根据所述信号采集模块采集的传感器数据实时绘制材料热流量随时间与材料厚度变化的曲线； 53、根据所得到的曲线，计算出柔性材料试样各个压缩动态热传递特性指标。
9.根据权利要求8所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量方法，其特征在于，在所述步骤SI中，使所述上测试平台(2)上升到最高位置，所述下测试平台(3)处于自然平衡状态，通过所述上测温模块(10)和下测温模块(12)获得所述上测试平台(2)和下测试平台(3)的实时温度，启动所述上测试平台(2)的加热模块(9)，设置所述上测试平台(2)的最终温度值比下测试平台(3)温度高2°C -20°C，同时设置电机速度、系统最大压强值、标准压强值和刺痛感临界压强值。
10.根据权利要求8所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量方法，其特征在于，在所述步骤S2中，将与所述下测试平台(3)上表面面积一样大的柔性材料试样水平置放在所述下测试平台(3)上，所述柔性材料压缩动态热传递特性测量设备自动记录此时由柔性材料试样及所述下测试平台(3)自身重量所造成的压力，并以此为压力初始值；当所述上测试平台(2)与下测试平台(3)温差达到设定值时，在所述步进电机(6)的驱动下所述上测试平台(2)向下运动，并对放于所述下测试平台(3)的柔性材料进行压缩，当达到最大行程时，所述下测试平台(3)将停止向下运动，或达到设定的系统最大压强值后，所述上测试平台(2)停止继续向下运动，并保持当前状态一定时间，然后以一定的速度匀速向上提升，运动的过程中以一定频率连续对柔性材料试样的热流量、材料厚度、所受压力、上测试平台(2)和下测试平台(3)温度进行测量。
11.根据权利要求10所述的柔性材料压缩动态热传递特性测量方法，其特征在于，所述上测试平台(2)向下压缩行程下限为80mm，其移动范围是0 — 80mm，其运动速度在O—20cm/s范围内；所述上厕所平台停止向下运动后，保持停止状态IOs ;对柔性材料试样的热流量、材料厚度、所受压力、上下测试平台(3)温度进行测量的频率为10HZ 。
【文档编号】G01N25/18GK103575759SQ201210275648
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2012年8月3日
【发明者】李翼, 胡军岩, 李全海, 吴新星, 廖骁 申请人:香港纺织及成衣研发中心有限公司