ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКНИСТЫХ СИСТЕМ
OPTOELECTRONIC DEVICE FOR INVESTIGATION OF DEFORMATION CHARACTERISTICS OF FIBROUS SYSTEMS

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к оборудованию для легкой и текстильной промышленности, и предназначено для исследования деформационных характеристик легкодеформируемых волокнистых систем, в частности тканей и трикотажных полотен различных видов.
Известен прибор [Бузов Б.А. Практикум по материаловедению швейного производства. - М.: Издательский центр «Академия», 2003, с.103-104] для измерения продольной и поперечной деформаций текстильных материалов, который содержит средства для закрепления материала, выполненные с возможностью относительного перемещения по двум взаимно перпендикулярным направлениям, и систему считывания продольной и поперечной деформаций при одноосном нагружении. Недостатками известного прибора являются технологические ограничения, возникающие при исследовании высокоэластичных материалов вследствие появления при одноосном нагружении трикотажных полотен краевого эффекта по длине образца в виде спиралевидной кромки. Необходимость расправления спиралевидной кромки вручную и удержания ее в развернутом состоянии в ходе измерения при определении величины поперечной деформации вызывает технические и технологические сложности и приводит к дополнительным труднопрогнозируемым погрешностям неинструментального характера.
Известно устройство для измерения поперечной деформации высокоэластичных материалов [патент РФ №2002243, опубл. 10.30.1993], которое содержит механизм задания продольной деформации в виде разрывной машины, датчик измерения, регистрирующий блок, оптическую систему и предметную рамку, выполненную из двух частей, одна из которых неподвижно связана с оптической системой, а другая установлена с возможностью ее поворота относительно первой, при этом в ней выполнены прорези для прохождения световых лучей. При этом в центральной части размещена игла, предназначенная для фиксации материала, а информационный датчик выполнен в виде фотоэлемента, установленного на поворотной части предметной рамки. Недостатком известного устройства является его техническая сложность и технологическая неэффективность, а также недостаточная точность измерения, обусловленные закреплением устройства в процессе измерения непосредственно на образце, что создает неудобства и вносит погрешность в результаты за счет веса самой системы измерения. Для устранения краевого эффекта (устранения спиралевидности кромок разворотом образца в полную ширину) в известном устройстве материал пропускают между двумя ограничивающими плоскостями, что увеличивает погрешность измерения за счет силового взаимодействия образца с направляющими плоскостями. Кроме того, на точность измерения известного устройства влияет также погрешность, связанная с неизбежными флюктуациями интенсивности исходного светового потока.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения поперечной деформации высокоэластичных материалов [патент РФ №2429448, опубл. 2011.20.09], которое содержит систему зажимов испытуемого образца, механизм задания нагружения, датчик измерения в виде компьютерной мыши, жестко соединенный со стрелкой-расправителем спиралевидной кромки, при этом для обеспечения сканирования деформации образца в поперечном и продольном направлениях устройство содержит разнесенные в пространстве токопроводящие шины, посредством компьютерной мыши скоммутированные с компьютером, а содержащий персональный компьютер регистрирующий блок выполнен с возможностью преобразования полученных данных в значения поперечной и продольной деформации, коэффициента сужения и условного коэффициента Пуассона по заданному алгоритму и сохранения полученных результатов.
Недостатком известного устройства следует считать погрешность измерения поперечной деформации, связанную с началом отсчета ее значений от устанавливаемой субъективно осевой линии и с неконтролируемым в автоматическом режиме смещением линии измерения поперечной деформации при продольном нагружении образца в осевом направлении, а также конструктивно обусловленную технологическую сложность, которая заключается в необходимости последовательного определения значений продольной, а затем поперечной деформации, что вносит дополнительную погрешность в результаты.
Задачей изобретения является создание оптоэлектронного устройства для исследования деформационных характеристик волокнистых систем, обеспечивающего высокую точность измерения указанных характеристик.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении точности измерения деформационных характеристик волокнистых систем при одновременном конструктивном упрощении устройства.
Технический результат изобретения обеспечивается оптоэлектронным устройством для исследования деформационных характеристик волокнистых систем, содержащим систему зажимов испытуемого образца, механизм задания нагружения и продольной деформации, датчик измерения с механизмом расправления кольцеобразной кромки, скоммутированный с регистрирующим блоком, включающим компьютер, которое, в отличие от известного, в качестве датчика измерения содержит web-камеру, выполненную с возможностью интегрального сканирования деформационного поля образца, при этом механизм расправления кольцеобразной кромки выполнен в виде оптически прозрачной пластины, установленной с возможностью регулирования ее положения относительно деформационного поля образца, а регистрирующий блок выполнен с возможностью автоматизированного преобразования сигнала датчика измерения в информационные пиксели.
Предлагаемое оптоэлектронное устройство содержит столешницу 1, на которой смонтированы монтажный столик 2, зажимы 3 и 4 исследуемого образца, один из которых связан с пластиной нагружения 5 образца через упругие элементы 6 и 7. Зажимы 3, 4 и пластина 5 имеют опоры 8 для поступательного перемещения среза исследуемого образца по направляющим 9 и 10 посредством винтовой передачи 11 при его силовом нагружении и деформировании. Над монтажным столиком на регулируемом посредством микрометрических винтов 12 (на фиг.1 показан винт с одной стороны устройства) на расстоянии, не превышающем толщину объекта исследования, установлена оптически прозрачная пластина 13, которая обеспечивает расправление образующейся кольцеобразной кромки волокнистых образцов, в частности, трикотажных полотен, в плоскости, параллельной монтажному столику 2. Представленный механизм расправления кольцеобразной кромки выполнен с возможностью регулирования на микрометрическом уровне положения оптически прозрачной пластины 13 относительно деформационного поля образца (плоскости деформируемого образца) с учетом изменяющегося положения линии измерения поперечной деформации, смещающейся по длине образца вследствие переменного продольного нагружения, что повышает точность измерения поперечной деформации.
На направляющей 10 установлена регулируемая по длине штанга 14, на которой размещена web-камера 15 для одновременного сканирования плоскости деформируемого образца по длине и ширине, обеспечивающая передачу изображения в компьютер 16, который по заданной программе отображает величину продольной и поперечной деформации в пикселях.
При выполнении вышеуказанного сканирования используются оптически активные реперные метки 17...22 (фиг.2), в качестве которых служат оба зажима 3, 4 образца, а также элемент пластины нагружения 5 (для автоматического расчета величины нагружения), два боковых среза и продольная ось симметрии образца, определяемая запрограммированным расчетом с использованием считанного количества пикселей, соответствующих ширине образца до приложения нагрузки и после, в ходе процесса исследования. Таким образом, каких-либо специальных меток непосредственно на образец не наносят, их задает компьютер с помощью разработанной программы. Указанные метки используют в связи с тем, что web-камера считывает границы образца (фактически фиксируя наличие материала образца или пустоту), при этом считывать эту информацию необходимо в условно определенных местах, характеризующих продольную и поперечную деформацию образца.
Оптоэлектронная система измерения с механизмом расправления кольцеобразной кромки в виде оптически прозрачной пластины обеспечивает интегральное оптическое считывание деформационного поля образца и одновременно стабильность и независимость положения поверхности деформированного образца относительно горизонтальной плоскости, что позволяет с высокой точностью оценить величину деформации как в продольном, так и в поперечном направлении.
Устройство работает следующим образом.
В память компьютера 16 вносят исходные данные (начальные параметры образца 23, вид материала, плотность, волокнистый состав и т.д.), необходимые для заполнения формируемой на основе проведенных измерений базы данных.
Перед началом измерения определяют выбранный цвет фрагментов поверхности подложки на монтажном столике 2, используя фиксированные участки позиционирования между метками 17-20. Участки позиционирования введены для дифференцированного определения количества пикселей, характеризующих деформационную картину плоскости образца, а цветовое различие обеспечивает повышение чувствительности web-камеры и всего устройства в целом. В зависимости от цветовой гаммы исследуемого образца, возможны два варианта выбора цветовой гаммы участков указанной области, например, для образца светлой гаммы подложка под ним должна быть темной, преимущественно черной, а для темного образца белой.
Для этой цели объект исследования располагают под объективом web-камеры 15 (при этом образец можно не фиксировать) и поочередно указывают все характерные участки области между метками с17 по 20 (фиг.2).
После этого с помощью заданных компьютеру разработанных программных средств через «панель управления» на экране монитора с помощью команды «калибровка» устанавливают соотношение между величиной перемещения курсора компьютерной мыши между установленными характерными точками и интенсивностью оптоэлектронных сигналов в виде количества пикселей. Таким образом, калибровка позволяет преобразовать сигнал датчика в количество пикселей, по существу обеспечивая соответствие количества пикселей на экране монитора величине деформации.
Заданная компьютеру разработанная программа распознает цвет образца и выбирает на основе критерия чувствительности измерения соответствующий вариант из всех возможных для участков 17 и 20. При этом белый цвет подложки принимается по умолчанию (фиг.2), а для образца светлой цветовой гаммы выбирают темную подложку (фиг.3). После обеспечения обусловленного выбора цветовой гаммы участков 17-20 образец закрепляют в зажимах 3 и 4.
Далее отмечают 6 областей (17-22 на фиг.2) и, используя «панель управления» на экране монитора, последовательно вводят команды «сброс», а затем «калибровка». После выполнения команды «калибровка» и установления соответствия между величиной перемещения срезов образца (и курсора мышки на экране монитора) и интенсивностью оптоэлектронных сигналов проводят исследование деформационных параметров.
Возможны два варианта осуществления измерений.
В случае непрерывного измерения используют процедуру измерения величины деформации с дискретным выводом значений в зависимости от величины нагружения. С этой целью используют команду «непрерывное измерение» на панели управления компьютера и плавно перемещают зажим образца 4 с областью 20, не допуская резких колебаний величины нагружения, при этом, в соответствии с заданной программой, на экране монитора постепенно заполняются строки «текущие результаты» панели «результаты измерений».
В случае необходимости процесс измерения прерывают подачей команды «закончить» с «панели управления». После этого появляется окно результатов исследований с одновременной записью информации в память персонального компьютера 16.
При втором варианте работы устройства в режиме разового измерения рассчитывают все величины текущего кадра с web-камеры. Задавая образцу нужную деформацию (возможны ограничения по величине перемещения среза образца), используют команду «разовое измерение». При этом по заданной программе заполняется строка «текущие результаты» с измеренными и вычисленными параметрами, о чем информирует появляющееся на экране монитора окно.
Имя файла с результатами исследования (как непрерывного, так и разового вариантов) помещают в каталоге с программой под именем, выбранным в панели «настройка» из графы «обозначение материала». Затем формируют базу данных, для чего используют стандартную программу MS Excel. Для импортирования и записи результатов измерения открывают пакет стандартной программы MS Excel, выбирают во вкладке результаты эксперимента из текста и присваивают имя текстовому файлу, появившемуся на экране монитора.
После команды импортирования на экране монитора отображаются все параметры результатов исследования, что является завершением процедуры экспериментальных исследований.
Компьютер 16 на основании исходных данных и загруженной в его память информации по соответствующим заложенным в его память алгоритмам разработанной программы производит расчет требуемых параметров, а именно значений поперечной и продольной деформации образца, коэффициента сужения и условного коэффициента Пуассона, и формирует базу данных для различных материалов на электронных носителях информации.