木塑复合材料的多通道蠕变检测系统设计*



木塑复合材料的多通道蠕变检测系统设计*

张云鹤1，石龙1，杨铁1，王清文2

(1.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江哈尔滨150040；

2.东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：为解决木塑复合材料(WPC)蠕变检测耗时久、效率低的难题，以图形化编程语言LabVIEW为软件开发平台，利用研华数据采集卡、位移传感器等搭建硬件平台，采用三点弯曲蠕变试验方法，实现了多通道检测的数据采集、存储和显示，设计了一套多通道蠕变检测系统。试验结果表明，本系统采集到的蠕变实验数据的准确性较高，可以实现同时多个试样的蠕变性能检测，这为木塑复合材料的蠕变性能的研究进度提供了有利的实验条件保障。该系统不仅测量直观，操作简单易行，而且大大提高了蠕变检测的效率。

关键词：木塑复合材料；蠕变检测；多通道；数据采集

木塑复合材料是一种以塑料为基体，以木粉或其他植物纤维为填充物的一种新型复合材料，兼具木材和塑料的特点，在许多领域可作为木材的代替品，价廉且环保，具有良好的应用前景[1～2]，但在抗生物降解性、阻燃性等方面也存在着不足，尤其是木塑复合材料的蠕变问题，因此提高木塑复合材料的耐蠕变性能是木塑复合材料研究的重点方向[3]。耐蠕变木塑复合材料的研发过程中为获得较为准确平均值需对大量试样进行检测，然而目前针对木塑复合材料的蠕变性能检测装置大部分属于单一试样检测装置，进行持久性蠕变检测时将会耗费大量的时间，一般单个试样的蠕变检测需要2-4天，而且还不能保证多试样在相同的环境下进行检测，降低了实验数据的可比性，因此不能满足实验的要求。

虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，它充分利用了计算机的运算、存储、回放显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台功能完全与传统硬件仪器相同的，同时又充分享用了计算机软硬件资源的全新的虚拟仪器系统[4～6]。为了提高木塑复合材料蠕变检测的实验效率，有效缩短高性能木塑复合材料的研发周期，本研究将虚拟仪器技术与多通道检测技术相结合设计出更加符合木塑复合材料多试样同时进行蠕变检测的系统。以期为解决木塑复合材料蠕变检测耗费大量时间的问题，实现多试样同时检测的目的，为木塑复合材料的多通道蠕变检测系统设计提供参考。

1蠕变检测系统设计

所谓蠕变，是指在一定温度和较小恒定外力的作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增加的现象[7]。温度设定为室温，材料的形变可以通过位移传感器测得。基于此，木塑复合材料的多通道蠕变检测系统包含：一套加载装置、多个位移传感器、数据采集卡、计算机、数据采集软件，木塑复合材料蠕变检测系统的原理如图1所示。

图1　蠕变检测系统原理框图

测量时，通过悬挂砝码进行试样加载，位移传感器探头与试样中心位置接触，通过计算机控制开始数据采集。位移传感器在垂直方向上受到力的作用而发生形变从而转化为电压信号送出，通过数据采集卡转换成数字信号，然后由计算机处理并存储、显示，从而实现对木塑复合材料蠕变时的形变实时检测。该系统设计为16通道，可一次安装16个位移传感器，可以实现木塑复合材料多通道蠕变检测的目的。

2硬件设计

2.1加载装置

该系统的蠕变检测采用3点弯曲试验方法[8]，通过悬挂砝码等重物来完成加载，为此本研究项目自行设计制造了由支架和砝码等组成的加载装置。

2.2位移传感器

木塑复合材料的蠕变形变与时间的关系一般分成3个阶段，即初期阶段、稳定阶段和最后阶段。初期阶段的应变率(应变的时间变化率)随时间增加而逐渐减小，到稳定阶段时应变率近似为常值[9]。由于稳定阶段材料的蠕变形变较小，通过传感器传递出的电压信号也随之变小，为了能精准的检测出这个阶段的蠕变形变，对传感器的精度要求十分严格，因此位移传感器采用KTC拉杆系列直线位移传感器，型号为KTC 350，线性度为±0.05 %，重复精度为0.013 mm，输出电压0～5 v，可以直接用电压表或数据采集卡进行数据测量和采集。

2.3数据采集卡

数据采集卡是蠕变检测系统完成数据分析与处理的基础。为了更快捷、方便地完成木塑复合材料蠕变时的形变检测和数据分析处理，根据信号参数要求和性价比，本系统选用研华公司的PCI1710HGU数据采集卡，它是一款即插即用型PCI总线卡，具有高精度、高增益的优点，安装方便，功能强大。该卡有16路模拟信号输入端，可构成16个单通道输入或8路差分输入，采样速率可达100 kS/s，板载4 K采用FIFO缓冲器，每个输入通道增益可编程。

经过A/D转换后的信号可以由PCI1710HGU数据采集卡输送给计算机的虚拟工作环境，进行下一步工作。

3软件设计

该软件系统是在WINDOWS环境下，基于LabVIEW平台开发的，是整个多通道蠕变检测系统的核心部分，主要是将先前数据采集卡采集到的各种木塑复合材料蠕变形变参数进行进一步采集、处理、显示及储存。为了实现以上功能，在多通道数据采集软件的编制中进行了以下步骤。

(1)打开一个的空白VI(虚拟仪器)，在程序框图中输入选板上的“DAQ助手”Express VI，然后单击采集信号下的模拟输入，显示模拟输入选项，接下来创建一个新的电压模拟输入任务，在支持物理通道列表中，选择仪器与信号连接的物理通道(如ai0)，列表中通道的数量取决于DAQ设备的实际通道数量，最后在设置选项卡的信号输入范围部分，将最大值和最小值分别设为5 v和-5 v。

(2)采用索引数组对DAQ助手中的相应通道进行选择。由于从数据采集卡上采集到的信号为电压值，其与蠕变形变关系存在着线性换算关系，为了在LabVIEW显示界面中得到直观的蠕变形变信号，对位移传感器进行了补偿，在LabVIEW程序中进行相应的数据处理。数据采集过程中利用“写入测量文件”将采集到的蠕变形变信号存储为数据文件，为后期数据处理做准备。

图2　数据采集程序框图

(3)由于木塑复合材料的蠕变应变率随时间的变化而减小，为了尽可能少地占用内存，程序中设计了换频时间，实现数据采集前期密集，后期分散。该过程通过已用时间时和真假判定程序决定，即将已用时间与换频时间进行比较作为条件输入至条件判定口，当已用时间小于换频时间时，运行条件“真”的程序，反之则运行条件“假”的程序。

在程序中采用多个索引数组依次读取即可实现多通道的同时采集数据，具有操作方便，设备简单的优点，数据采集程序框图如图2所示。

蠕变信号采集系统如图3所示，系统采集界面采用模块设计原则，主要分成图像显示区、参数设置区、系统运行控制区等3个区，其中参数设置区可根据木塑复合材料的蠕变特性来设定采集频率。

图3　LabVIEW下蠕变信号采集系统界面

4对比试验

木塑复合材料的蠕变检测系统设计完成后，在实验室环境下，进行多道数据采集功能与分析处理功能测试，同时用RD-20D电子蠕变试验仪(单试样试验仪)进行蠕变检测，与本系统检测的数据进行对比分析。

图4　多通道检测试样的形变—时间曲线

实验装置为本系统，试样设计尺寸为(长×宽×高)：100 mm×10 mm×4 mm，试样支撑跨距为64 mm，加载载荷为20 N，同时进行3个木塑复合材料的蠕变通道试样测试。

3个试样检测后的变形-时间曲线如图4所示，由图4可知,3个试样的蠕变形变曲线重合度较好，但在同一时刻的形变量仍存在着差异，同时曲线有波动，这主要有3方面原因：木塑复合材料制备时由于混合不均匀等原因导致试样各部分的蠕变形变有所差异；本系统的加载装置采用悬挂砝码的加载方式，由于外界的震动导致某时刻加载载荷的变化，从而导致采集数据的波动，同时传感器也存在不可避免的信号干扰；蠕变实验本身的分散性也较大，即使在同一实验机上每次实验条件都相同时，所测的数据也会存在较大的差异[10]。以上因素，可以断定，本系统的多通道检测方案具有可行性，实验结果可靠，并具有较高精度，能够满足实验的需要。

实验装置为RD-20D电子蠕变试验仪，试样尺寸、试样支撑跨距、加载载荷等测试条件与本系统测试条件相同。

图5　 RD-20D试验仪和自制系统检测试样的

RD-20D试验仪和自制系统对木塑复合材料试样的蠕变测试的结果如图5所示，较粗曲线为RD-20D电子蠕变试验仪检测的结果，较细曲线为采用本系统测试的式样蠕变曲线。从图5中可以看出，较粗曲线在蠕变150 s时曲线变化趋于平稳，较细曲线在蠕变50 s之前就趋于平稳，而两条曲线趋于平稳时的形变值较为接近，这是由于本系统悬挂砝码加载时载荷瞬间达到20 N，而RD-20D电子蠕变试验仪采用的是逐渐加载方式，因此两曲线趋于平稳的前期阶段会存在很大的差异，但是其趋于平稳时的形变值相近，证明了本系统的准确性。

RD-20D电子蠕变试验仪每次只能测试1个试样，并且一般蠕变测试的周期为2-4天甚至是10天，而本系统在相同时间下最多可同时检出16个试样的蠕变情况，不仅保证实验环境相同，还大大提高了实验效率。

5结论

本研究针对木塑复合材料蠕变检测效率低这一现状，设计了一套木塑复合材料的多通道蠕变检测系统，并给出了具体的硬件和软件设计，该系统经过反复的对比实验，性能稳定，初步实现了多试样蠕变检测功能。该系统的设计将大大加快木塑复合材料蠕变检测的速度，对促进我国生物质材料的高效、低成本利用具有重要意义。

参考文献：

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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

中图分类号：TB 332

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2015)05-0022-04

作者简介：第一 张云鹤(1978-)，男，副教授，博士，硕士生导师，主要从事木塑复合材料蠕变及检测评价研究。 E-mail：zyh115@126.com

基金项目：黑龙江省博士后特别资助项目(LBH-TZ0412)，黑龙江省博士后资助项目(LBH-Z12019)，中央高校基本科研业务费专 项资金项目(2572014CB12)，黑龙江省科学基金项目(LC2015010)，黑龙江教育厅科学技术研究项目(12543018)。

收稿日期：*2015-07-28

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.05.005