基于LabVIEW的纤维集合体微电流测试仪的研制.pdf

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1、第3 l 卷第3 期 2 0 1 0 年3 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 3 1 ，N o 3 M a r ，2 0 l O 文章编号：0 2 5 3 - 9 7 2 1 ( 2 0 1 0 ) 0 3 - 0 1 1 9 0 4 基于L a b V I E W 的纤维集合体微电流测试仪的研制 贾高鹏1 ，来侃2 ，孙润军2 ( 1 西安交通大学材料科学与工程学院，陕西西安7 1 0 0 4 9 ；2 西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安7 1 0 0 4 8 ) 摘要纤维电学性能与纤维结构密切相关，普通的纤

2、维束和纤维集合体电阻率测试仪不能迅速实时地反映一定 电场下纤维电流的精细变化，而这种变化对分析纤维结构、老化、回潮率等方面有着非常重要的作用。针对这一问 题设计了基于L a b V l E W 软件的纤维微电流测试系统。该测试仪器通过纤维压缩装置将被测纤维压缩到一定体积 密度，通过L a b V I E W 实时测量纤维在一定电压下电流变化情况，为研究纤维性能提供了有力的技术手段，同时基 于L a b V I E W 的软件使得测试结果的显示更形象直观，操作更简洁，还可以很容易地实现其他测试功能的扩展。 关键词L a b V I E W ；纤维；微电流；测试仪；电学性能 中图分类号：T S1

3、0 3 6 + 2文献标志码：A D e v e l o p m e n to ff i b e ra s s e m b l yw e a kc u r r e n tt e s t e rb a s e do nL a b V I E W J I AG a o p e n 9 1 ，L A IK a n 2 ，S U NR u n j u n 2 ( 1 S c h o o lo f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，X i 口nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y 。X i

4、口n ，S h a a n x i7 1 0 0 4 9 ，C h i n a ； 2 S c h o o lo f T e x t i l ea n dM a t e r i a l s ，X i a l tP o l y t e c h n i cU n w e r s i t y ，藏a n ，S h a a n x i7 1 0 0 4 8 ，C h i n a ) A b s t r a c tF i b e re l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ei 8 c l o s e l ya s s o c i a t e dw i t h f i

5、 b e rc o n s t r u c t i o n T r a d i t i o n a lf i b e r b u n d l ea n df i b e ra s s e m b l yr e s i s t i v i t ym e t e r sa r e n o tr e a l t i m et or e f l e c tt h ev a r i a t i o no fc u r r e n ta tag i v e n v o l t a g e ，b u tt h i sv a r i a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt

6、os t u d yt h e v a r i a t i o no ff i b e rc o n s t r u c t i o n ，a g i n g ，m o i s t u r e r e g a i na n dS Oo n Af i b e re l e c t r i c a lw e a kc u r r e n tt e s t e rw a sd e s i g n e db a s e do nL a b V I E Wt os o l v et h e p r o b l e m F i b e rs a m p l e sc a nb ec o m p r e s

7、 s e db yf i b e rc o m p r e s s o rt oac e r t a i nd e n s i t y T h ev a r i a t i o no ff i b e r e l e c t r i c a lc u r r e n ta ta g i v e nv o l t a g ec a nb er e f l e c t e db yr e a l t i m ed e t e c t i n gt e s t e rb a s e do nL a b V I E W T h e r e s u l t sa r em o r ev i s u a

8、l ，t h eo p e r a t i o ni sm o r es i m p l e ，a n di ti se a s yt oe x p a n df o ro t h e rp e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n t s K e yw o r d sL a b V I E W ；f i b e r ；w e a kc u r r e n t ；t e s t e r ；e l e c t r i c a lp r o p e r t y 测试纤维材料电学性能是研究纤维性能的重要 内容之一。一定电压下纤维产生的电流与纤维结构 密切相关。在

9、纺织纤维电学性能研究时通常以纤维 的电阻来表征。我国的Y G 3 2 1 型纤维比电阻仪、 Y 4 1 1 、Y 4 1 2 A 、Y 4 1 2 B 、Y Z - 1 等纤维含水率测试仪采用 直流电，测试稳定一定时间的直流电阻，这些测试仪 器均采用较高的测试电压。1 。纺织纤维在较高电 压下，极化现象比较严重，甚至会产生局部击穿，影响 纤维电阻的测量。目前，国际上纤维材料的测试电压 基本都低于9 0V ，有的甚至更低，目的就是尽量减少 极化对测试结果的影响。纤维的电学性能主要由其 自身结构决定。纤维高分子材料在电场作用下，产生 的电流旧。1 随时间而变化，这种电流特性与纤维的微 观结构、老化

10、性、回潮率等密切相关。因此开发实时 的纤维电流测量仪对于研究纤维结构及其电学性能、 材料老化和回潮率等具有重要意义。 1 测量原理 纤维的电流测试是在纤维质量、极板面积和电 收稿日期：2 0 0 9 0 4 1 8修回日期：2 0 0 9 1 0 1 2 作者简介：贾高鹛( 1 9 7 8 一) ，男，助理工程师，博士生。研究方向为纺织新材料性能及其测试技术。 1 6 3 c o r n o 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 2 0 纺织学报第3

11、 1 卷 压等测试条件一定的情况下，通过测定与纤维试样 串接的标准电阻的电压来间接测试纤维的电流。纺 织纤维材料的电流较小，由于纤维的吸湿性使得纤 维的电流因含水情况的不同相差好几个数量级旧， 因此采用多档分压电路来进行测量以扩大测试电流 的量程，在电路中串联1 个较小的标准电阻，其电阻 的温度系数和热噪声要求要低。原理如图l 所示。 图1测试纤维电阻的分压电路 F i g 1 S c h e m a t i cd r a w i n go fd i v i d i n gv o l t a g ec i r c u i t 为了保证通过冠和R 。这2 个电阻上的电流基 本相等，也就是减少放大

12、电路的分流作用，要求放大 电路的输入阻抗至少比标准电阻大2 个甚至好几个 数量级。其电流可表示为 ，= 忐 其中：V i 为电路放大后输出的电压；K 为放大倍数； R 。为标准电阻；R 为纤维试样的电阻；v o 为标准电 阻上的电压。 2 纤维压缩装置的设计 纤维无规集合体的电流不仅与纤维材料本身有 关，还与纤维排列的紧密程度有关，纤维的填充率越 大，纤维集合体的电流也越大。4o 。因此，要获得比 较准确、稳定的纤维集合体电流，就要将一定量的纤 维压缩到一定的体积密度。纤维压缩装置设计示意 图如图2 所示。 该装置中间的托板可以随千斤顶的顶头上下运 动，托板上置试样盒。试样盒为正方形上端开口，

13、同 压杆正对，试样盒通过千斤顶的活塞头推动托板而 向上移动，使其中的纤维试样因压杆的挤压而压缩。 试样的压缩程度通过千斤顶活塞头的移动距离来控 制。要比较精确控制纤维集合体密度，宜选用机械 式千斤顶。加压虽然没有液压和气压操作方便，但 其动程控制精度和稳定性比液压和气压式好，而且 在低温条件下机械式运动更可靠。 图2 纤维压缩装置示意图 F i g 2 S c h e m a t i cd r a w i n go ff i b e rc o m p r e s s i o nd e v i c e 3 微电流测量系统设计 3 1 试样盒中极板设计 测试纤维的微电流需要设计极板，极板采用金 属

14、板，试样盒对应左右两边内侧可放置一对矩形极 板，如图3 所示。 左极板 n 右极板 图3 左右极板示意图 F i g 3 S c h e m a t i cd r a w i n go fl e f ta n dr i g h te l e c t r o d e s 3 2 测试电路的设计 纤维高聚物的自身结构使得其电流非常微弱， 同时外界温湿度条件常常使得纤维的电流相差好几 个数量级，如天然棉纤维由于其具有良好的吸湿性， 回潮率在3 一1 5 纤维的电导率数量级从1 1 0 一1 1 0 一S c m 。要测量纤维的电流，第一要 对纤维的电流进行放大，第二要分档以提高测量范 围。电流测量的

15、核心是将电流信号转化成电压信 号，为了能测量微弱电流，放大器的放大级数不能太 多，否则会将纤维的电流信号淹没在噪声信号中，不 利于测量纤维电流信号，所以这里选择两级放大，放 大倍数设为6 0 0 倍以上。要使得流过纤维试样的电 流尽可能通过与之串联的标准电阻( 见图1 ) ，要求 放大器的输入电阻至少比标准电阻大1 0 0 倍以上。 这里采用I C L 7 6 5 0 斩波稳零式高精度运放，其输入 偏置电流小，失调小，增益高，共模抑制能力强，响应 快，漂移低，性能稳定，输入阻抗为1 1 0 ”Q 。采用 2 个相同的运放构成并集成差分放大电路，使其受 温度的影响在后面的差分运放中得到抵消，减小

16、温 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期贾高鹏等：基于L a b V I E W 的纤维集合体微电流测试仪的研制 1 2 1 度漂移对数据测量的影响。同时前端2 个相同的运 放组成的差分电路采用同向端输入可以获得很高的 输入阻抗。电路图如图4 所示。 注：砣= R 3 ，R 4 = R 5 ，R 6 = 1 7 0 图4 差分放大电路图 F i g 4 D i f f e r e n t i a la m p l i f y i n gc i

17、r c u i t 3 3 抗干扰设计 一般纤维电流微弱，极易受到高频和电源工频 的干扰。为了抑制干扰需要对电路进行抗干扰 设计。 3 3 1 屏蔽电磁干扰 将整个电路装在屏蔽箱体内以抑制高频电磁辐 射对测量信号的干扰。数据传输电缆采用屏蔽缆 线，并使接地端良好接地。信号输入端应加屏蔽环 以减少印刷线路板的泄露电流和接触噪声，布线分 布在较宽的允许范围内。屏蔽环设计如图5 所示。 图5I C L 7 6 5 0 输入端保护环不惹图 F i g 5 S c h e m a t i co fi n p u tt e r m i n a l sg u a r d i n g r i n go fI

18、C L 7 6 5 0 图5 为运放I C L 7 6 5 0 的引脚底部图，其中2 和3 为反相输入端子和同向输入端子。外边包围的为屏 蔽保护环。 3 3 2 滤波设计 由于所测电流很微弱，一般会有很多个频率的 干扰信号，为了抑制这些频率信号的干扰，需要在电 路中加入低通滤波电路，用来抑制较高的频率信号。 在所设计电路中加入二阶低通滤波电路，增益为1 ， 截止频率选择5 0H z 。 图6 二阶低通滤波电路 F i g 6 T w o - o r d e rl o w p a s sf i l t e r i n gc i r c u i t 4 软件设计 软件模块设计是系统设计的核心。仪器

19、测试功 能利用L a b V I E W 图形化编程语言实现。 L a b V I E W H q l 是一种图形化的编程语言一G 语言， 采用图形模式的结构框图构建程序代码，主要由前 面板和后面板2 部分组成。前面板是应用程序的界 面，是人际交换的窗口，主要由控件量和显示量构 成。当程序运行时，用户通过控制量输入数据和控 制程序运行，显示量主要用于显示程序运行的结果。 计算机通过数据采集卡采集指定通道中的电压 数据，将电压数据输入计算机进行处理，换算成电流 数据实时地显示在前面板，因此，测试者可直观地看 到测试电流的实时变化，以便于进一步的分析处理。 在对数据进行采集处理的过程中，通过L a

20、 b V I E W 软 件控制，将数据处理后得到的电流信号存入文档中， 以便后续分析0 。1 2 J 。选择3 2 路多通道P C I l 7 1 3 型 数据采集卡，其最大采样频率可达1 0 0k H z ，转换时 间为2 5 m ，触发模式采用软件触发。测试软件设 计示意图和前面板图分别如图7 、8 所示。 图7 测试软件设计示意图 F i g 7 S c h e m a t i co fp r o g r a md e s i g n b a s e do nL a b V I E W 5 结语 本文设计基于L a b V l E W 的纤维微电流实时采 万方数据 PDF Waterm

21、ark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 2 2 纺织学报第3 1 卷 图8 前面板设计 F i g 8 F r o n tp l a n ed e s i g n i n g 集系统，其可测量程较宽并能实现实时测量。通过 纤维微电流的实时测量仪器的设计可以看出，基于 虚拟仪器技术的纤维电流实时测试技术使纤维电流 测量相比传统的纤维测量仪更灵活，更轻便，更生动 地反映电流变化情况。该纤维微电流测试仪器为纺 织纤维性能分析和测试提供了全新的技术手段。 参考文献： 1 赵书经纺织材料试验

22、教程 M 2 版北京：中国纺 织出版社，2 0 0 2 ：6 5 。1 2 3 Z H A O S h u j i n g T e x t i l e M a t e r i a l E x p e r i m e n t T u t o r i a l M 2 n de d B e i j i n g ：C h i n aT e x t i l e A p p a r e l P r e s s ，2 0 0 2 ：6 5 ，1 2 3 2 石风俊，严灏景，吕柏祥纺织纤维电阻测试问题的 研究 J 郑州纺织工学院学报，1 9 9 5 ( 1 2 ) ：1 5 S H IF e n g j u

23、n ，Y A NH a o j i n g ，L UB o x i a n g As t u d yo n t h em e a s u r e m e n to ff i b e rr e s i s t a n c e J J o u r n a lo f Z h e n g z h o uF e x t i l eI n s t i t u t e 。1 9 9 5 ( 1 2 ) ：1 5 3 姚穆论纤维集合体的电阻 J 西北纺织工学院学 报，2 0 0 1 ( 6 ) ：1 7 8 1 8 5 Y A OM u T h ee l e c t r i c a lr e s i s t

24、a n c eo ff i b e ra s s e m b l i e s J J o u r n a lo fN o r t h w e s tI n s t i t u t eo fT e x t i l e S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 。2 0 0 1 ( 6 ) ：1 7 8 1 8 5 4 陆文华虚拟仪器思想在纤维和纺织品测试技术中 的应用 J 上海工程科技大学学报，2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 2 6 8 2 7 0 L UW e n h u a V i r t u a li n s t r u m e n ta n di t

25、 s a p p l i c a t i o ni n m e a s u r i n gt e c h n i q u e sf o rt e x t i l em a t e r i a l s J J o u r n a l 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 o f S h a n g h a iU n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n gS c i e n c e ， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ：2 6 8 2 7 0 赵晋宇，张瑞云，李汝勤纺织品虚拟设计方法 J 纺织学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 8 ) ：1 1 7

26、 1 1 9 Z H A OJ i n y u ，Z H A N G R u i y u n ，L IR u q i n T e x t i l e v i r t u a ld e s i g nm e t h o d J J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h ， 2 0 0 4 。2 5 ( 8 ) ：1 1 7 1 1 9 杨凯。陈益松，张渭源基于N IL a b V I E W 平台的织 物动态热湿测试仪开发 J 纺织学报，2 0 0 8 ，2 9 ( 3 ) ： 2 5 2 8 Y A N GK a i ，C H E N Y i s

27、 o n g ， Z H A N GW e i y u a n D e v e l o p m e n t o ft e x t i l e 8 d y n a m i c h e a t m o i s t u r e m e a s u r i n gi n s t r u m e n t b a s e do nN I L a b V I E W J 】 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 8 ，2 9 ( 3 ) ：2 5 2 8 张峰，张瑞云，李汝勤计算机新技术在纺织品设制 造中的应用 J 纺织学报，2 0 0 1

28、，2 2 ( 1 ) ：1 3 0 1 3 2 Z H A N GF e n g ，Z H A N GR u i y u n ，L IR u q i n A p p l i c a t i o n o fc o m p u t e ri n t e x t i l e d e s i g n a n dm a n u f a c t u r e J J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 1 ，2 2 ( 1 ) ：1 3 0 1 3 2 肖甘，成豪虚拟仪器技术及在实验仪器领域中的应 用 J 成都纺织高等专科学校学报，2 0 0

29、0 ( 1 ) ： 2 3 2 7 X I A OG a n ，C H E N GH a o V i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e s a n da p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d o fe x p e r i m e n ti n s t r u m e n t s J J o u r n a lo fC h e n g d uT e x t i l eC o l l e g e ，2 0 0 0 ( 1 ) ：2 3 2 7 王永明。于伟东基于虚拟仪器的束纤维强力测量方 法 J 中国纤检

30、，2 0 0 6 ( 2 ) ：2 9 3 1 W A N GY o n g m i n g ，Y UW e i d o n g M e t h o do f t e s t i n g s t r e n g t ho fb u n d l ef i b e r sb a s e d o nv i r t u a li n s t m - m e n t J C h i n aF i b e rI n s p e c t i o n ，2 0 0 6 ( 2 ) ：2 9 3 1 盛井龙，陈庆官，徐帅，等基于虚拟仪器的蚕丝细 度连续测量控制系统 J 纺织学报，2 0 0 8 ，2 9 ( 1

31、 1 ) ： 8 0 0 8 0 4 S H E N GJ i n g l o n g ，C H E NQ i n g g u a n ，X uS h u a i ，e ta 1 C o n t r o l l i n gs y s t e mf o rc o n t i n u o u st e s t i n ga p p a r a t u so f f i n e n e s so fc o c o o ns i l kb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t J J o u r n a lo f T e x t i l eR e s e

32、 a r c h ，2 0 0 8 ，2 9 ( 1 1 ) ：8 0 0 8 0 4 张涛，周凯聚合物绝缘研究中的微电流测量 J 长春师范学院学报：自然科学版，2 0 0 7 ( 4 ) ：4 5 4 8 Z H A N GT a o Z H O UK a i T h em e a s u r e m e n to fw e a k c u r r e n ti ni n s u l a t i o np o l y m e r J J o u r n a lo fC h a n g c h u n N o r m a lU n i v e r s i t y ：N a t u r a lS

33、 c i e n c eE d i t i o n ，2 0 0 7 ( 4 ) ： 4 5 4 8 于海洋微电流测量方法评述 J 华北电力技术， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ：5 1 5 3 Y UH a i y a n g O v e r v i e wo fl o wc u r r e n tm e a s u r e m e n t J N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e r 。2 0 0 6 ( 1 1 ) ：5 l 一5 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark