木塑復(fù)合材料的多通道蠕變檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

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木塑復(fù)合材料的多通道蠕變檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張?jiān)弃Q1，石龍1，楊鐵1，王清文2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040；

2.東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：為解決木塑復(fù)合材料(WPC)蠕變檢測(cè)耗時(shí)久、效率低的難題，以圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用研華數(shù)據(jù)采集卡、位移傳感器等搭建硬件平臺(tái)，采用三點(diǎn)彎曲蠕變?cè)囼?yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了多通道檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和顯示，設(shè)計(jì)了一套多通道蠕變檢測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)采集到的蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)多個(gè)試樣的蠕變性能檢測(cè)，這為木塑復(fù)合材料的蠕變性能的研究進(jìn)度提供了有利的實(shí)驗(yàn)條件保障。該系統(tǒng)不僅測(cè)量直觀，操作簡(jiǎn)單易行，而且大大提高了蠕變檢測(cè)的效率。

關(guān)鍵詞：木塑復(fù)合材料；蠕變檢測(cè)；多通道；數(shù)據(jù)采集

木塑復(fù)合材料是一種以塑料為基體，以木粉或其他植物纖維為填充物的一種新型復(fù)合材料，兼具木材和塑料的特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域可作為木材的代替品，價(jià)廉且環(huán)保，具有良好的應(yīng)用前景[1～2]，但在抗生物降解性、阻燃性等方面也存在著不足，尤其是木塑復(fù)合材料的蠕變問(wèn)題，因此提高木塑復(fù)合材料的耐蠕變性能是木塑復(fù)合材料研究的重點(diǎn)方向[3]。耐蠕變木塑復(fù)合材料的研發(fā)過(guò)程中為獲得較為準(zhǔn)確平均值需對(duì)大量試樣進(jìn)行檢測(cè)，然而目前針對(duì)木塑復(fù)合材料的蠕變性能檢測(cè)裝置大部分屬于單一試樣檢測(cè)裝置，進(jìn)行持久性蠕變檢測(cè)時(shí)將會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，一般單個(gè)試樣的蠕變檢測(cè)需要2-4天，而且還不能保證多試樣在相同的環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，降低了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，因此不能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，它充分利用了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放顯示及文件管理等智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合構(gòu)成一臺(tái)功能完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同的，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)軟硬件資源的全新的虛擬儀器系統(tǒng)[4～6]。為了提高木塑復(fù)合材料蠕變檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)效率，有效縮短高性能木塑復(fù)合材料的研發(fā)周期，本研究將虛擬儀器技術(shù)與多通道檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)出更加符合木塑復(fù)合材料多試樣同時(shí)進(jìn)行蠕變檢測(cè)的系統(tǒng)。以期為解決木塑復(fù)合材料蠕變檢測(cè)耗費(fèi)大量時(shí)間的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多試樣同時(shí)檢測(cè)的目的，為木塑復(fù)合材料的多通道蠕變檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1蠕變檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所謂蠕變，是指在一定溫度和較小恒定外力的作用下，材料的形變隨時(shí)間的增加而逐漸增加的現(xiàn)象[7]。溫度設(shè)定為室溫，材料的形變可以通過(guò)位移傳感器測(cè)得?；诖?，木塑復(fù)合材料的多通道蠕變檢測(cè)系統(tǒng)包含：一套加載裝置、多個(gè)位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集軟件，木塑復(fù)合材料蠕變檢測(cè)系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1　蠕變檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

測(cè)量時(shí)，通過(guò)懸掛砝碼進(jìn)行試樣加載，位移傳感器探頭與試樣中心位置接觸，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。位移傳感器在垂直方向上受到力的作用而發(fā)生形變從而轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送出，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)處理并存儲(chǔ)、顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)木塑復(fù)合材料蠕變時(shí)的形變實(shí)時(shí)檢測(cè)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為16通道，可一次安裝16個(gè)位移傳感器，可以實(shí)現(xiàn)木塑復(fù)合材料多通道蠕變檢測(cè)的目的。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1加載裝置

該系統(tǒng)的蠕變檢測(cè)采用3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法[8]，通過(guò)懸掛砝碼等重物來(lái)完成加載，為此本研究項(xiàng)目自行設(shè)計(jì)制造了由支架和砝碼等組成的加載裝置。

2.2位移傳感器

木塑復(fù)合材料的蠕變形變與時(shí)間的關(guān)系一般分成3個(gè)階段，即初期階段、穩(wěn)定階段和最后階段。初期階段的應(yīng)變率(應(yīng)變的時(shí)間變化率)隨時(shí)間增加而逐漸減小，到穩(wěn)定階段時(shí)應(yīng)變率近似為常值[9]。由于穩(wěn)定階段材料的蠕變形變較小，通過(guò)傳感器傳遞出的電壓信號(hào)也隨之變小，為了能精準(zhǔn)的檢測(cè)出這個(gè)階段的蠕變形變，對(duì)傳感器的精度要求十分嚴(yán)格，因此位移傳感器采用KTC拉桿系列直線位移傳感器，型號(hào)為KTC 350，線性度為±0.05 %，重復(fù)精度為0.013 mm，輸出電壓0～5 v，可以直接用電壓表或數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和采集。

2.3數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是蠕變檢測(cè)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)分析與處理的基礎(chǔ)。為了更快捷、方便地完成木塑復(fù)合材料蠕變時(shí)的形變檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析處理，根據(jù)信號(hào)參數(shù)要求和性價(jià)比，本系統(tǒng)選用研華公司的PCI1710HGU數(shù)據(jù)采集卡，它是一款即插即用型PCI總線卡，具有高精度、高增益的優(yōu)點(diǎn)，安裝方便，功能強(qiáng)大。該卡有16路模擬信號(hào)輸入端，可構(gòu)成16個(gè)單通道輸入或8路差分輸入，采樣速率可達(dá)100 kS/s，板載4 K采用FIFO緩沖器，每個(gè)輸入通道增益可編程。

經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)可以由PCI1710HGU數(shù)據(jù)采集卡輸送給計(jì)算機(jī)的虛擬工作環(huán)境，進(jìn)行下一步工作。

3軟件設(shè)計(jì)

該軟件系統(tǒng)是在WINDOWS環(huán)境下，基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，是整個(gè)多通道蠕變檢測(cè)系統(tǒng)的核心部分，主要是將先前數(shù)據(jù)采集卡采集到的各種木塑復(fù)合材料蠕變形變參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步采集、處理、顯示及儲(chǔ)存。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，在多通道數(shù)據(jù)采集軟件的編制中進(jìn)行了以下步驟。

(1)打開(kāi)一個(gè)的空白VI(虛擬儀器)，在程序框圖中輸入選板上的“DAQ助手”Express VI，然后單擊采集信號(hào)下的模擬輸入，顯示模擬輸入選項(xiàng)，接下來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的電壓模擬輸入任務(wù)，在支持物理通道列表中，選擇儀器與信號(hào)連接的物理通道(如ai0)，列表中通道的數(shù)量取決于DAQ設(shè)備的實(shí)際通道數(shù)量，最后在設(shè)置選項(xiàng)卡的信號(hào)輸入范圍部分，將最大值和最小值分別設(shè)為5 v和-5 v。

(2)采用索引數(shù)組對(duì)DAQ助手中的相應(yīng)通道進(jìn)行選擇。由于從數(shù)據(jù)采集卡上采集到的信號(hào)為電壓值，其與蠕變形變關(guān)系存在著線性換算關(guān)系，為了在LabVIEW顯示界面中得到直觀的蠕變形變信號(hào)，對(duì)位移傳感器進(jìn)行了補(bǔ)償，在LabVIEW程序中進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中利用“寫(xiě)入測(cè)量文件”將采集到的蠕變形變信號(hào)存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件，為后期數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。

圖2　數(shù)據(jù)采集程序框圖

(3)由于木塑復(fù)合材料的蠕變應(yīng)變率隨時(shí)間的變化而減小，為了盡可能少地占用內(nèi)存，程序中設(shè)計(jì)了換頻時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集前期密集，后期分散。該過(guò)程通過(guò)已用時(shí)間時(shí)和真假判定程序決定，即將已用時(shí)間與換頻時(shí)間進(jìn)行比較作為條件輸入至條件判定口，當(dāng)已用時(shí)間小于換頻時(shí)間時(shí)，運(yùn)行條件“真”的程序，反之則運(yùn)行條件“假”的程序。

在程序中采用多個(gè)索引數(shù)組依次讀取即可實(shí)現(xiàn)多通道的同時(shí)采集數(shù)據(jù)，具有操作方便，設(shè)備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖2所示。

蠕變信號(hào)采集系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)采集界面采用模塊設(shè)計(jì)原則，主要分成圖像顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、系統(tǒng)運(yùn)行控制區(qū)等3個(gè)區(qū)，其中參數(shù)設(shè)置區(qū)可根據(jù)木塑復(fù)合材料的蠕變特性來(lái)設(shè)定采集頻率。

圖3　LabVIEW下蠕變信號(hào)采集系統(tǒng)界面

4對(duì)比試驗(yàn)

木塑復(fù)合材料的蠕變檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，進(jìn)行多道數(shù)據(jù)采集功能與分析處理功能測(cè)試，同時(shí)用RD-20D電子蠕變?cè)囼?yàn)儀(單試樣試驗(yàn)儀)進(jìn)行蠕變檢測(cè)，與本系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4　多通道檢測(cè)試樣的形變—時(shí)間曲線

實(shí)驗(yàn)裝置為本系統(tǒng)，試樣設(shè)計(jì)尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)：100 mm×10 mm×4 mm，試樣支撐跨距為64 mm，加載載荷為20 N，同時(shí)進(jìn)行3個(gè)木塑復(fù)合材料的蠕變通道試樣測(cè)試。

3個(gè)試樣檢測(cè)后的變形-時(shí)間曲線如圖4所示，由圖4可知,3個(gè)試樣的蠕變形變曲線重合度較好，但在同一時(shí)刻的形變量仍存在著差異，同時(shí)曲線有波動(dòng)，這主要有3方面原因：木塑復(fù)合材料制備時(shí)由于混合不均勻等原因?qū)е略嚇痈鞑糠值娜渥冃巫冇兴町?；本系統(tǒng)的加載裝置采用懸掛砝碼的加載方式，由于外界的震動(dòng)導(dǎo)致某時(shí)刻加載載荷的變化，從而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)的波動(dòng)，同時(shí)傳感器也存在不可避免的信號(hào)干擾；蠕變實(shí)驗(yàn)本身的分散性也較大，即使在同一實(shí)驗(yàn)機(jī)上每次實(shí)驗(yàn)條件都相同時(shí)，所測(cè)的數(shù)據(jù)也會(huì)存在較大的差異[10]。以上因素，可以斷定，本系統(tǒng)的多通道檢測(cè)方案具有可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，并具有較高精度，能夠滿足實(shí)驗(yàn)的需要。

實(shí)驗(yàn)裝置為RD-20D電子蠕變?cè)囼?yàn)儀，試樣尺寸、試樣支撐跨距、加載載荷等測(cè)試條件與本系統(tǒng)測(cè)試條件相同。

圖5　 RD-20D試驗(yàn)儀和自制系統(tǒng)檢測(cè)試樣的

RD-20D試驗(yàn)儀和自制系統(tǒng)對(duì)木塑復(fù)合材料試樣的蠕變測(cè)試的結(jié)果如圖5所示，較粗曲線為RD-20D電子蠕變?cè)囼?yàn)儀檢測(cè)的結(jié)果，較細(xì)曲線為采用本系統(tǒng)測(cè)試的式樣蠕變曲線。從圖5中可以看出，較粗曲線在蠕變150 s時(shí)曲線變化趨于平穩(wěn)，較細(xì)曲線在蠕變50 s之前就趨于平穩(wěn)，而兩條曲線趨于平穩(wěn)時(shí)的形變值較為接近，這是由于本系統(tǒng)懸掛砝碼加載時(shí)載荷瞬間達(dá)到20 N，而RD-20D電子蠕變?cè)囼?yàn)儀采用的是逐漸加載方式，因此兩曲線趨于平穩(wěn)的前期階段會(huì)存在很大的差異，但是其趨于平穩(wěn)時(shí)的形變值相近，證明了本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

RD-20D電子蠕變?cè)囼?yàn)儀每次只能測(cè)試1個(gè)試樣，并且一般蠕變測(cè)試的周期為2-4天甚至是10天，而本系統(tǒng)在相同時(shí)間下最多可同時(shí)檢出16個(gè)試樣的蠕變情況，不僅保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境相同，還大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。

5結(jié)論

本研究針對(duì)木塑復(fù)合材料蠕變檢測(cè)效率低這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套木塑復(fù)合材料的多通道蠕變檢測(cè)系統(tǒng)，并給出了具體的硬件和軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，性能穩(wěn)定，初步實(shí)現(xiàn)了多試樣蠕變檢測(cè)功能。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將大大加快木塑復(fù)合材料蠕變檢測(cè)的速度，對(duì)促進(jìn)我國(guó)生物質(zhì)材料的高效、低成本利用具有重要意義。

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A Multi-channel Creep Detection System Design for WPC

ZHANG Yun-he1,SHI Long1,YANG Tie1,WANG Qing-wen2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China;

2.Key Laboratory of Bio-Based Material Science & Technology of Ministry of Education，Northeast Forestry University，

Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China)

Abstract:A multi-channel creep detection system was invented to tackle with the time-consuming and low efficiency of WPC creep detecting，graphical programming language LabVIEW was used as software development platform， and Yanhua data acquisition card and displacement sensors were utilized.To achieve a multi-channel detection of data acquisition，storage and display，three-point bending creep test method was also adopted.The results showed that the accuracy of the creep experimental test was quite high，which could achieve creep testing of several samples at the same time and lay a firm foundation of the advanced research of WPC creeping testing.This system is easy to operate with high efficiency on creep testing.

Key words:WPC; creep detection; multi-channel; data acquisition

中圖分類號(hào)：TB 332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-8246(2015)05-0022-04

作者簡(jiǎn)介：第一 張?jiān)弃Q(1978-)，男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事木塑復(fù)合材料蠕變及檢測(cè)評(píng)價(jià)研究。 E-mail：zyh115@126.com

基金項(xiàng)目：黑龍江省博士后特別資助項(xiàng)目(LBH-TZ0412)，黑龍江省博士后資助項(xiàng)目(LBH-Z12019)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專 項(xiàng)資金項(xiàng)目(2572014CB12)，黑龍江省科學(xué)基金項(xiàng)目(LC2015010)，黑龍江教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12543018)。

收稿日期：*2015-07-28

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.05.005