指導(dǎo)學(xué)生研制織物經(jīng)緯密度測量裝置的體會

趙 杰

（遼東學(xué)院化工與機(jī)械學(xué)院，遼寧 丹東 118003）

一、探究利用莫爾現(xiàn)象測量織物密度的原理

由于莫爾現(xiàn)象至今未列入大中學(xué)生的物理教學(xué)中，學(xué)生與指導(dǎo)教師都是第一次接觸莫爾現(xiàn)象，指導(dǎo)教師需要督促學(xué)生查閱材料，了解什么是莫爾現(xiàn)象。通過查閱資料了解到莫爾現(xiàn)象是一種光學(xué)現(xiàn)象，是兩個具有亮暗重復(fù)性結(jié)構(gòu)的圖案重疊時出現(xiàn)新的明暗相間條紋的現(xiàn)象[1]，生活中經(jīng)常能看到這種現(xiàn)象：如兩層篩網(wǎng)疊加時、兩個木梳疊放時都能看到。

分析題面，明確任務(wù)。設(shè)計一個明暗相間的類似光柵的透明片；分析機(jī)織物的特點：織物同一根紗線上浮點凸起，而相鄰兩根紗線之間的空隙向下凹，所以從視覺上看類似亮暗交替的周期性結(jié)構(gòu)。

但是織物密度與莫爾條紋有什么關(guān)系呢？由于很長時間找不出兩者關(guān)系，參加研究的三組學(xué)生有兩組學(xué)生放棄了這個題目，轉(zhuǎn)向其他題目的研究中，剩下的小組聽從指導(dǎo)教師的提議，類比兩個頻率相近振動疊加形成的拍現(xiàn)象來研究莫爾現(xiàn)象，從而走出了思維困境。

1.類比拍現(xiàn)象，得到莫爾條紋與線密度的關(guān)系

織物密度表示經(jīng)紗或者緯紗排列的疏密程度，紡織行業(yè)的定義為沿織物緯向（經(jīng)向）方向10 cm長度內(nèi)排列的經(jīng)（緯）紗線的根數(shù)[2]，是表征織物質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，于是，學(xué)生將10cm長的周期個數(shù)n比作聲波的單位時間內(nèi)的振動次數(shù)f，10cm內(nèi)莫爾條紋數(shù)量N比做拍頻數(shù)F，拍頻與兩個振動頻率的關(guān)系F=|fa-fb|，類比可得：10cm內(nèi)莫爾條紋數(shù)量與兩個周期排列密度的關(guān)系：N=|nx-n0|，如此，已知一個光柵片密度，數(shù)出莫爾條紋數(shù)量就可以得到另一個重復(fù)性結(jié)構(gòu)的排列密度。

2.證實

利用作圖軟件模擬莫爾現(xiàn)象：分別在10cm長度白紙上繪制不同數(shù)目的平行黑直線，如圖1所示，圖中左邊10cm長度有74根黑線，圖中右邊10cm長度有82根黑線，在二者重疊區(qū)形成的莫爾條紋數(shù)目有8個（82-74=8），說明莫爾條紋數(shù)目等于兩個光柵的密度之差。

圖1 作圖軟件呈現(xiàn)的莫爾條紋

3.制做透明平行光柵測量織物密度

兩個實物光柵相互疊加時，位于前面的光柵其平行黑線之間是透明的，而在白紙上打印的平行黑線之間是不透光白紙，學(xué)生想到的方法很簡單：在白紙上打印間隔均勻的平行黑線，然后黏在透明膠帶上，將之侵入熱水中浸泡，剝掉紙漿，只有黑線條印在透明膠帶上，形成透明光柵，如圖2所示。

圖2 自制透明平行光柵片

用自制的透明平行光柵測量多種不同織物的經(jīng)緯密度，測量結(jié)果與清點法得到的結(jié)果高度吻合，說明測量方法可行。

二、基于TRIZ理論改進(jìn)織物密度測量裝置

利用平行光柵片測量織物密度省力快速，但是，每片的測量范圍有限，由于量程的限制，一個光柵只能測量密度與光柵排列密度相近的織物，測物密度不同需要更換不同的光柵來測量，比較麻煩，此外，光柵片與顏色深暗的織物形成的條紋不易辨認(rèn)，因此不適合測量顏色深的織物密度，因此指導(dǎo)教師又給研究小組提出了新的要求：利用TRIZ發(fā)明創(chuàng)造理論繼續(xù)改進(jìn)織物密度測量裝置。

下面將采用TRIZ理論中技術(shù)矛盾方法來改進(jìn)光柵片，利用技術(shù)矛盾解決問題的步驟分四步：對實際問題精準(zhǔn)描述——?dú)w納技術(shù)參數(shù)矛盾——借助矛盾矩陣表找到相應(yīng)的發(fā)明原理——實際解決方案。

1.問題描述

自制光柵片的測量量程小，由于量程的限制，一個光柵只能測量密度與光柵排列密度相近的織物，超過量程的織物密度需要更換不同的光柵來測量，希望重新設(shè)計光柵片，擴(kuò)大量程，達(dá)到用一個光柵片能夠完成各種密度的測量。由于莫爾條紋是光柵片和織物疊放在一起才形成的，因此系統(tǒng)包括兩部分：光柵片與織物。改進(jìn)的方向有兩個：改變光柵片結(jié)構(gòu)與改變織物密度。

2.技術(shù)參數(shù)矛盾

①改變光柵片結(jié)構(gòu)，需重新設(shè)計光柵的周期結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)將由簡單走向復(fù)雜，會給制作帶來麻煩，因此確定要解決的技術(shù)矛盾參數(shù)為TRIZ新版48個參數(shù)中的（45）系統(tǒng)復(fù)雜性與（41）可制造性。

②改變織物密度，需要改變織物形狀，然而織物密度是不能改變的，即在操作性方面是難以實現(xiàn)的，因此確定要解決的技術(shù)矛盾參數(shù)為TRIZ新版48個參數(shù)中的（9）形狀與（34）方便性操作性。

3.借助矛盾矩陣表，找到相應(yīng)的發(fā)明原理

在48×48矛盾矩陣表內(nèi)，解決技術(shù)矛盾Ⅰ的發(fā)明原理有3，13,26等；解決技術(shù)矛盾Ⅱ的發(fā)明原理有32,26,25等。發(fā)明原理3的內(nèi)容為局部質(zhì)量，具體是：將物體或環(huán)境的同類結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成異類結(jié)構(gòu)，如采用溫度、密度或壓力的梯度而不用恒定的溫度密度或壓力。現(xiàn)有的光柵是由間隔均勻的平行黑線形成的，應(yīng)用這一原理，可將光柵設(shè)計成黑線間隔不均勻、成梯度分布的形狀，發(fā)明原理26內(nèi)容為復(fù)制，具體是：用光學(xué)拷貝或圖像代替實物，可以按比例放大或縮小圖像。研究小組應(yīng)用這一原理，將待測織物先拍成照片，利用手機(jī)將相片連續(xù)放大或縮小，從而改變相片中的織物密度，將平行光柵覆蓋在相片上，觀察透明光柵片與織物相片形成的莫爾條紋。

4.根據(jù)發(fā)明原理改進(jìn)的織物密度測量方法與裝置

將莫爾條紋數(shù)與光柵密度的關(guān)系式改寫成莫爾條紋寬度與光柵密度的關(guān)系，有由此可見，當(dāng)nx=n0時，條紋寬度D=∝，因此連續(xù)放大（或縮小）織物照片，莫爾條紋將經(jīng)歷由密變稀，由窄變寬，直至發(fā)散消失，然后又從消失處回來，由稀變密，由寬變窄的變化過程，當(dāng)莫爾條紋變化出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點時，相片織物密度等于光柵片的密度，確定此時相片的放大比例k，則織物密度=kn0，實驗簡易裝置如圖4所示，絲綢上衣1平放，直尺2沿徑向放置，手機(jī)4置于織物上方的平臺4上，拍下織物與直尺的照片5，將光柵片沿徑向平放在手機(jī)屏幕上，捏滑屏幕放大或縮小照片，根據(jù)相片中直尺讀數(shù)可確定相片的縮放比例。

圖3 簡易織物經(jīng)緯密度測量裝置

三、結(jié)束語

歷經(jīng)一年時間，研究小組學(xué)生終于完成了參賽作品——《織物經(jīng)緯密度測量裝置與方法》，由于作品創(chuàng)新點明顯，測量快速、準(zhǔn)確、且量程大，在2020年遼寧省大學(xué)生物理實驗儀器競賽中該作品取得了一等獎的好成績。更重要的是，通過參與競賽活動，學(xué)生拓展了知識面，了解了發(fā)明創(chuàng)造理論，提升了創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。此外，學(xué)生課外競賽研究的順利開展離不開指導(dǎo)教師的正確指導(dǎo)。