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木塑復合材料的多通道蠕變檢測系統(tǒng)設(shè)計*

張云鶴1，石龍1，楊鐵1，王清文2

(1.東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江哈爾濱150040；

2.東北林業(yè)大學 生物質(zhì)材料科學與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：為解決木塑復合材料(WPC)蠕變檢測耗時久、效率低的難題，以圖形化編程語言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，利用研華數(shù)據(jù)采集卡、位移傳感器等搭建硬件平臺，采用三點彎曲蠕變試驗方法，實現(xiàn)了多通道檢測的數(shù)據(jù)采集、存儲和顯示，設(shè)計了一套多通道蠕變檢測系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)采集到的蠕變實驗數(shù)據(jù)的準確性較高，可以實現(xiàn)同時多個試樣的蠕變性能檢測，這為木塑復合材料的蠕變性能的研究進度提供了有利的實驗條件保障。該系統(tǒng)不僅測量直觀，操作簡單易行，而且大大提高了蠕變檢測的效率。

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

木塑復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合材料，兼具木材和塑料的特點，在許多領(lǐng)域可作為木材的代替品，價廉且環(huán)保，具有良好的應用前景[1～2]，但在抗生物降解性、阻燃性等方面也存在著不足，尤其是木塑復合材料的蠕變問題，因此提高木塑復合材料的耐蠕變性能是木塑復合材料研究的重點方向[3]。耐蠕變木塑復合材料的研發(fā)過程中為獲得較為準確平均值需對大量試樣進行檢測，然而目前針對木塑復合材料的蠕變性能檢測裝置大部分屬于單一試樣檢測裝置，進行持久性蠕變檢測時將會耗費大量的時間，一般單個試樣的蠕變檢測需要2-4天，而且還不能保證多試樣在相同的環(huán)境下進行檢測，降低了實驗數(shù)據(jù)的可比性，因此不能滿足實驗的要求。

虛擬儀器是現(xiàn)代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，它充分利用了計算機的運算、存儲、回放顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合構(gòu)成一臺功能完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同的，同時又充分享用了計算機軟硬件資源的全新的虛擬儀器系統(tǒng)[4～6]。為了提高木塑復合材料蠕變檢測的實驗效率，有效縮短高性能木塑復合材料的研發(fā)周期，本研究將虛擬儀器技術(shù)與多通道檢測技術(shù)相結(jié)合設(shè)計出更加符合木塑復合材料多試樣同時進行蠕變檢測的系統(tǒng)。以期為解決木塑復合材料蠕變檢測耗費大量時間的問題，實現(xiàn)多試樣同時檢測的目的，為木塑復合材料的多通道蠕變檢測系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1蠕變檢測系統(tǒng)設(shè)計

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位移傳感器測得?；诖?，木塑復合材料的多通道蠕變檢測系統(tǒng)包含：一套加載裝置、多個位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機、數(shù)據(jù)采集軟件，木塑復合材料蠕變檢測系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1　蠕變檢測系統(tǒng)原理框圖

測量時，通過懸掛砝碼進行試樣加載，位移傳感器探頭與試樣中心位置接觸，通過計算機控制開始數(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)化為電壓信號送出，通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后由計算機處理并存儲、顯示，從而實現(xiàn)對木塑復合材料蠕變時的形變實時檢測。該系統(tǒng)設(shè)計為16通道，可一次安裝16個位移傳感器，可以實現(xiàn)木塑復合材料多通道蠕變檢測的目的。

2硬件設(shè)計

2.1加載裝置

該系統(tǒng)的蠕變檢測采用3點彎曲試驗方法[8]，通過懸掛砝碼等重物來完成加載，為此本研究項目自行設(shè)計制造了由支架和砝碼等組成的加載裝置。

2.2位移傳感器

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

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、方便地完成木塑復合材料蠕變時的形變檢測和數(shù)據(jù)分析處理，根據(jù)信號參數(shù)要求和性價比，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，安裝方便，功能強大。該卡有16路模擬信號輸入端，可構(gòu)成16個單通道輸入或8路差分輸入，采樣速率可達100 kS/s，板載4 K采用FIFO緩沖器，每個輸入通道增益可編程。

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

3軟件設(shè)計

該軟件系統(tǒng)是在WINDOWS環(huán)境下，基于LabVIEW平臺開發(fā)的，是整個多通道蠕變檢測系統(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合材料蠕變形變參數(shù)進行進一步采集、處理、顯示及儲存。為了實現(xiàn)以上功能，在多通道數(shù)據(jù)采集軟件的編制中進行了以下步驟。

(1)打開一個的空白VI(虛擬儀器)，在程序框圖中輸入選板上的“DAQ助手”Express VI，然后單擊采集信號下的模擬輸入，顯示模擬輸入選項，接下來創(chuàng)建一個新的電壓模擬輸入任務，在支持物理通道列表中，選擇儀器與信號連接的物理通道(如ai0)，列表中通道的數(shù)量取決于DAQ設(shè)備的實際通道數(shù)量，最后在設(shè)置選項卡的信號輸入范圍部分，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DAQ助手中的相應通道進行選擇。由于從數(shù)據(jù)采集卡上采集到的信號為電壓值，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，對位移傳感器進行了補償，在LabVIEW程序中進行相應的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集過程中利用“寫入測量文件”將采集到的蠕變形變信號存儲為數(shù)據(jù)文件，為后期數(shù)據(jù)處理做準備。

圖2　數(shù)據(jù)采集程序框圖

(3)由于木塑復合材料的蠕變應變率隨時間的變化而減小，為了盡可能少地占用內(nèi)存，程序中設(shè)計了換頻時間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集前期密集，后期分散。該過程通過已用時間時和真假判定程序決定，即將已用時間與換頻時間進行比較作為條件輸入至條件判定口，當已用時間小于換頻時間時，運行條件“真”的程序，反之則運行條件“假”的程序。

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

蠕變信號采集系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)采集界面采用模塊設(shè)計原則，主要分成圖像顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、系統(tǒng)運行控制區(qū)等3個區(qū)，其中參數(shù)設(shè)置區(qū)可根據(jù)木塑復合材料的蠕變特性來設(shè)定采集頻率。

圖3　LabVIEW下蠕變信號采集系統(tǒng)界面

4對比試驗

木塑復合材料的蠕變檢測系統(tǒng)設(shè)計完成后，在實驗室環(huán)境下，進行多道數(shù)據(jù)采集功能與分析處理功能測試，同時用RD-20D電子蠕變試驗儀(單試樣試驗儀)進行蠕變檢測，與本系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)進行對比分析。

圖4　多通道檢測試樣的形變—時間曲線

實驗裝置為本系統(tǒng)，試樣設(shè)計尺寸為(長×寬×高)：100 mm×10 mm×4 mm，試樣支撐跨距為64 mm，加載載荷為20 N，同時進行3個木塑復合材料的蠕變通道試樣測試。

3個試樣檢測后的變形-時間曲線如圖4所示，由圖4可知,3個試樣的蠕變形變曲線重合度較好，但在同一時刻的形變量仍存在著差異，同時曲線有波動，這主要有3方面原因：木塑復合材料制備時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，由于外界的震動導致某時刻加載載荷的變化，從而導致采集數(shù)據(jù)的波動，同時傳感器也存在不可避免的信號干擾；蠕變實驗本身的分散性也較大，即使在同一實驗機上每次實驗條件都相同時，所測的數(shù)據(jù)也會存在較大的差異[10]。以上因素，可以斷定，本系統(tǒng)的多通道檢測方案具有可行性，實驗結(jié)果可靠，并具有較高精度，能夠滿足實驗的需要。

實驗裝置為RD-20D電子蠕變試驗儀，試樣尺寸、試樣支撐跨距、加載載荷等測試條件與本系統(tǒng)測試條件相同。

圖5　 RD-20D試驗儀和自制系統(tǒng)檢測試樣的

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

RD-20D電子蠕變試驗儀每次只能測試1個試樣，并且一般蠕變測試的周期為2-4天甚至是10天，而本系統(tǒng)在相同時間下最多可同時檢出16個試樣的蠕變情況，不僅保證實驗環(huán)境相同，還大大提高了實驗效率。

5結(jié)論

本研究針對木塑復合材料蠕變檢測效率低這一現(xiàn)狀，設(shè)計了一套木塑復合材料的多通道蠕變檢測系統(tǒng)，并給出了具體的硬件和軟件設(shè)計，該系統(tǒng)經(jīng)過反復的對比實驗，性能穩(wěn)定，初步實現(xiàn)了多試樣蠕變檢測功能。該系統(tǒng)的設(shè)計將大大加快木塑復合材料蠕變檢測的速度，對促進我國生物質(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：TB 332

文獻標識碼：A

文章編號：1672-8246(2015)05-0022-04

作者簡介：第一 張云鶴(1978-)，男，副教授，博士，碩士生導師，主要從事木塑復合材料蠕變及檢測評價研究。 E-mail：zyh115@126.com

基金項目：黑龍江省博士后特別資助項目(LBH-TZ0412)，黑龍江省博士后資助項目(LBH-Z12019)，中央高校基本科研業(yè)務費專 項資金項目(2572014CB12)，黑龍江省科學基金項目(LC2015010)，黑龍江教育廳科學技術(shù)研究項目(12543018)。

收稿日期：*2015-07-28

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.05.005