纺织纤维含水率的测量方法

摘 要：

依照纺织纤维含水率和介电常数影响的关系,提出一些纺织纤维对于含水率测量比较快速的方法,应用电容传感器的信号逐渐转换为电压信号集成的芯片C424来构成信号进行电路的处理,并经A/D单片机与采样的处理,来测试出物料之中含水的数量；在测试的结果之中表明了,这种仪器可以代替传统的测量方法,可以更好地将我国纺织企业纤维水分测试的技术进行更新,有利于国内纺织企业的有效发展.

关 键 词：含水率；纺织纤维；测量方法

现在国内外比较成熟纤维含水量测量的方法主要有直流电阻的测湿方法和烘箱法.其中烘箱法的测量结果比较稳定、准确,在我们国家这种方法被定为标准的仲裁检验方法以及纺织企业质量控制与检验的方法；而直流电阻的测湿方法,优点就是比较方便、快速,一般被纺织厂检验室与棉花收购部门所应用.但是,上述两种方法依然存在着一定缺陷.烘箱法比较费时耗能、不利于在生产的现场使用；而直流电阻的测湿方法却因为纤维直流电阻比较大,并且极板在直流电场之中非常容易极化等一些缺陷,导致了其测试的稳定性较差、通用性较低、误差较大等一些缺点.在本文之中是依照纺织纤维对于含水率测试的原理,应用C424芯片设计的一种测试电路,这种电路有着灵敏度较高等优点.经过试验表明,这种仪器能够替代传统的测量方式,用来更新国内纺织企业纤维水分的测试技术,会更好地促进我国纺织行业发展.

1C424的测试原理

C424测试的原理一般是经过外界的一个电容（COSC）和内部来构成能够调试频率的一种参数振荡器,将两构造相互对称的一种积分器进行驱动,同时让这两个构造在相位和时间上同步（如图1）.对于这被控制的两个积分器,其振幅主要是电容CX2与CX1决定的,CX2表现的是被测电容,而CX1表示的是参考电容.一般CX2与CX1这两种包括地端和输入端所有的电容,而且其特性也相同,在这样的环境发生变化的时候,芯片两端会同时发生变化,而且差值不会变化.当被测电容传感器的电容变化时,因为积分器有着很好的分辨率,因此在对两个振幅差值进行比较的时候,会得出CX2与CX1相对的变化量,这个差值的信号会经后级低通滤的滤波来达到可调增益差分的输出级.

将振荡器对外接振荡器的电容COSC与其相关内部的寄生电容以及外接的寄生电容充电,之后放电作为参考.振荡器会取电容值约为COSC16倍的CX1.将振荡器的电流IOSC让参考的电压VM与外接的电阻ROSC确定为IOSC等于VM除以ROSC作为参考.

图1C424原理框图

两个对称的构造内置的电容式积分器作用原理和上述所参考的振荡器类似.两者的区别就是放电时间一般为充电时间的一半,另外,它放电的电压一般被钳制在了内置固定电压的VCLMP之上,在图2之中显示的是电容CX2与CX1电压的信号.

图2两个积分器的电压输出

2对纺织纤维在含水率测量上电路的设计

2.1对于含水率的测量原理与传感器的设计

测量含水率的原理为：对于含水率有一定差别的纺织纤维,对应介电常数也是不相同的,应用纺织纤维的水介电常数在数值上差异的电物理特性,应用变介电常数电容式传感器的原理,可以让被测的信号转变成电容量方面的变化.之后经C424的处理让电容的信号逐渐转变为电压的信号,再用A/D来采样与单片机进行有效的处理,就可以测试出纤维中含水的数量了.

为了能够保证极板和纤维真实的接触面积不发生变化,可以应用弹簧加压方法.因为弹簧弹性变形时,其压力与变形度是成正比的.它的关系式是：

F等于X*K

其中X是弹簧的变形,m；F是弹簧受到的压力,N；K是弹簧弹性的系数,N/m.

所以,一旦每一次试验的时候质量的试样能够保持相同,让顶压在基板上弹簧压缩变形保持相同,就基本上能够保证每一次试验的时候极板与纤维接触面积一致.对于传感器的极板加压的原理和方式,如图3.

图3传感器极板加压方式原理图

依照上面的分析,设计制作之中选取的极板参数是：极板的面积100mm×235mm两块；极板的材料是钢板镀铬,其中极板对于纤维压力基本保持在大约31kPa,一旦纤维与电极的压力达到定值之后,因为纤维基本和极板充分接触,一般极板压力增加,对于纤维的阻抗值在影响上也不是很大,这个时候纤维的含水率数值会比较平稳.

2.2在C424基础上电容电压转换的电路设计

在C424基础上电容电压转换的电路图,如图4所示.

图4基于C424电容电压转换电路

在这之中RCX2与RCX1用作零点的调整,COSC作为参考振荡器电容,CX2为被测电容,CX1为标准电容.而CL1与CL2决定的是低通的滤波器.ROSC是用来设定参考的振荡器电流的.而RL2与RL1是用来调节放大器增益的,因为C424属于差动的输出,经过放大器逐渐转变成单端电压的输出.

对于测量系统后续的电路之中,让电容转换所得到电压的信号通过A/D的转换,成为数字信号来送到单片机之中进行处理.其中对于含水量的测量仪组成,如图5.

图5纺织纤维含水率测量仪组成框图

3数据的标定和测试的办法

利用图5中传感器对于测试系统纤维材料之中含有水分的测试,测试的步骤分成：使待测的纺织纤维均匀摆放于传感器的两个极板之间,同时施加压力,于放大器上得到直流单端的输出电压U,含水率的信息会经A/D的转换,转换成数字信号,传送于单片机之中,经过单片机的计算处理之后,就可以在电路之中显示出来.同时和传统烘箱法来进行对比,传感器的测试结构一般表现成电压值为U,烘箱方法测试的结构表现成纤维材料,其含水率的数值是W.此仪器会先经过试验来标定,并测试出输出电压和含水量相对的曲线,同时将曲线用0.5%的含水率的间隔逐点应用表格的形式存入,而实际的测量需要依照被测的电压和表格之中对应数据的比较,应用线形的插值法来计算含水率.在实际应用上,水介电的常数是会随着温度逐渐变化,为了消除温度的变化对于测量结果一系列的影响,此仪器可以应用软件来实现对于温度的补偿.

4结语

当前纺织纤维的水分测试办法上,大多数都是利用电导或者电容的方式,测量的原理一般都为测量电容的传感器的介质阻抗特性确定的含水率,一般这些方法都要求信号的频率达到10kHz以上,并需要有整流的滤波电路,所以电路比较复杂,成本也很高,同时还会受到环境影响,很难实现高精度的测量.本文中这种电路不仅简单,而且体积还缩小很多,并有着方便、低耗与快速等优点,希望可以代替传统的测量方法,来更新我国的纺织行业纤维水分的测量技术.

（作者单位：河北省纺织纤维玖仟质量认证咨询中心）