基于數字圖像相關法的紗線和織物微觀變形測量

王銘亮， 張慧樂， 岳曉麗， 陳慧敏

(1. 東華大學 機械工程學院， 上海 201620; 2. 電子科技大學長三角研究院(湖州)， 浙江 湖州 313000)

基于紡織結構的柔性應變傳感器以其可編織和可穿戴的優點，在智能紡織品領域具有廣泛的應用前景。在拉伸負載下，柔性傳感器的相對電阻或相對電容會發生變化從而產生信號響應[1]。對于纖維/紗線型和織物型應變傳感器，測量拉伸應變時，往往測定的是傳感器整體的變形量[2-3]。實際上，上述傳感器覆蓋的人體表面各微小處呈現了不同的變形，因此，如何有效地鑒別紗線和織物基本組織的微觀變形，是新型智能可穿戴電子紡織品設計的關鍵問題。

目前，對于織物微觀結構變形的研究成果，在實驗研究方面，包括針織物小變形下線圈形態的變化規律[4]，雙向拉伸條件下針織物單元的變形場分布[5]等；在仿真研究方面，通過準確的紗線材料定義和精細化的單胞建模，可以有效預測微觀結構的變形和織物整體的力學性能[6-7]，但傳統實驗方法無法連續、高效地測量織物細觀結構的變形歷程，且對單根紗線局部變形的測量方法較少，數值模擬中也存在著誤差累積和計算復雜等問題。近年來，數字圖像相關法(DIC)因具有非接觸、全場測量和高精度等特點，可以準確量化材料表面的應變場和位移場，同時避免了對材料本身力學性能的影響，相比采用應變片的方式也具有更高的精度和更全面的測量數據[8]，在材料研究領域有諸多應用成果，包括金屬拉伸[9]、織物泊松比[10]、紡織復合材料剪切變形[11-12]和微觀尺度變形[13-14]的測定等。目前，采用DIC方法對典型織物的紗線和線圈級別的拉伸測量相關研究鮮有文獻報道。

本文以1種常規平紋機織物和3種緯編針織物為例，從織物中抽取紗線、裁剪織物試樣，并根據紗線和織物特點在試樣表面分別設計合理的散斑，用相機全程跟蹤單軸拉伸過程。之后在DIC軟件中通過添加引伸計測定單軸拉伸過程中紗線軸向各小段線應變以及織物單元結構的微觀變形，揭示其變形規律，為研究智能紡織品的微觀尺度變形響應提供技術指導。

1 實驗準備

1.1 試 樣

本文選擇1種常規平紋機織物和3種緯編針織物，織物的具體規格參數見表1。

表1 試樣規格參數表Tab.1 Sample specification

從1#機織物中隨機抽取經紗和緯紗各3根，2#～4#的針織物中隨機抽取紗線3根；根據GB/T 3 923.1—2013《織物拉伸性能斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，將每種織物沿縱向和橫向各裁剪3塊試樣。本文定義1#-A1為織物1#的第1根紗線試樣，1#-A2為織物1#的第2根紗線試樣……1#-B1為織物1#的第1塊織物試樣，1#-B2為織物1#的第2塊織物試樣,以此類推。

1.2 散 斑

紗線和織物試樣及其散斑示意見圖1。

圖1 試樣示意圖Fig.1 Diagram of samples.(a) Sample of yarn; (b) Sample of fabric

紗線試樣有效長度為120 mm。為了防止紗線在拉伸實驗中發生打滑或夾斷，在紗線試樣兩端粘貼長、寬分別為30、15 mm的織物片。由于紗線拉伸過程中會產生退捻，用隨機噴涂的散斑不利于后期進行特征捕捉，因此用黑色中性筆在紗線上進行點涂制斑，每個黑斑包圍紗線一圈且間隔約為3 mm，保證黑白邊界清晰可辨。織物試樣的尺寸為150 mm×50 mm，夾持的有效尺寸為100 mm×50 mm。在不影響試樣力學性能的情況下，使用亞光白和亞光黑噴漆在試樣表面制作隨機均勻的散斑圖案。因為觀察的是線圈尺度的拉伸變形，制斑過程中，使油漆顆粒水平噴出并從最遠端自然飄落到織物表面，從而使散斑足夠細小且易于識別。由于試樣的材質和織構不同，制斑效果也存在差異。織物細觀結構上的散斑如圖2所示。

圖2 散斑分布Fig.2 Speckle pattern.(a) Fabric 1#; (b) Fabric 2#; (c) Fabric 3#; (d) Fabric 4#

比較圖2中各試樣的散斑圖可知，織物1#的平紋組織結構較為緊湊，散斑顆粒較好地附著在紗線表面；其余3種緯編針織物的線圈結構中因為紗線間縫隙較大，噴漆時過濾了部分較大的散斑顆粒，且各試樣都有一定數量散斑附著在紗線表面的毛羽上。

2 實驗過程與測量原理

DIC實驗環境如圖3所示，紗線和織物試樣在拉伸過程中分別用不同放大倍數的相機鏡頭進行圖像采集，同時使用藍光光源進行光照補償。為了保證紗線試樣可以清晰成像且散斑點易于捕捉，使用一張白紙作為拍攝背景，如圖3(a)所示；更換顯微鏡頭后對準織物試樣中央區域細觀組織進行拍攝，如圖3(b)所示。根據預實驗分析，本文做出2個假設。

圖3 實驗環境Fig.3 Lab environment.(a) Experimental scene of yarn; (b) Experimental scene of fabric

1)本文僅考慮紗線和織物微觀組織拉伸的二維平面變形行為，忽略紗線在直徑方向的變形和織物在厚度方向的變形，因此，本文的DIC實驗都是使用單相機采集。

2)基于紡織結構的柔性應變傳感器在小應變(5%)下對靈敏度的要求更高，因此，本文僅測定織物微觀結構的小變形行為。

2.1 拉伸設備與參數

試樣在制斑完成后，在溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(65±2)%的標準環境下靜置24 h。拉伸實驗在MTS E42電子萬能試驗機上進行。

1)紗線拉伸實驗參照GB/T 3362—2005《碳纖維復絲拉伸性能試驗方法》，配合相機的采集頻率設定拉伸速度為15 mm/min，等速拉伸至紗線斷裂。

2)織物拉伸實驗參照GB/T 3 923.1—2013《織物拉伸性能斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，在織物單向拉伸的過程中觀測其中心區域單元結構的變形。每個試樣分別從縱向和橫向進行拉伸。微觀鏡頭下為了避免大部分單元結構隨著拉伸離開視場，同時保證其清晰度，設定拉伸速度為5 mm/min，直至試樣的拉伸應變為5%。

2.2 相機參數與標定

試樣的拉伸過程使用相機全程拍攝。本文使用南京中迅微傳感技術公司(PMLAB)的PointGrey型相機，成像分辨率為4 096像素×3 000像素，圖片采集幀率都為2 幀/s。紗線實驗采用相機配套的50 mm焦距鏡頭，織物微觀實驗采用80 mm焦距的顯微鏡頭。

拉伸實驗之前需要先用相機采集靜態圖片進行DIC系統的標定。如圖4(a)所示，在夾持好的紗線試樣前方，采用12列×9行的圓陣標定板(圓點直徑2.5 mm，間距6 mm)進行標定，通過隨機更換標定板的擺放位置和角度共采集10張圖片，最終標定結果為2.954×10-2mm/像素。由于線圈級別的微觀鏡頭下對應的成像尺寸很小，故采用刻度尺代替標定板。如圖4(b)所示，對焦后將刻度(間距1 mm)平行放置在織物組織前方采集一張圖片，圖中微觀圓形視場直徑約為12 mm，標定結果為4.510×10-3mm/像素。

圖4 DIC標定Fig.4 Calibration of DIC measuring.(a) Calibration of yarn; (b) Calibration of fabric at micro level

2.3 DIC計算與原理

DIC測量的基本原理是通過捕捉試樣表面散斑圖案的變化來計算其位移和應變等信息，如圖5所示。在變形前的圖像中建立以某一待求點(x,y)為中心的矩形圖像子區，在變形后的子區像素集中尋找其相關系數為極值的相似點(x′,y′)，從而獲得該點的位移量。通過迭代法計算相關系數S(u,v)的極值，其表達式為

圖5 二維數字圖像相關測量原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of DIC-2D measuring

(1)

本文使用PMLAB的DIC-3D完成對圖像的采集、計算和分析。在計算欄目中，一段引伸計由2個關鍵點連接組成，通過計算關鍵點在圖像變形前后坐標值的變化可得出該段引伸計的線應變。參考圖5，一段引伸計的端點坐標在變形前分別為(x0,y0)和(x1,y1)，變形后經過相關性捕捉得到坐標變更為(x0′,y0′)和(x1′,y1′)，則該段引伸計的線應變εl計算方法為：

(2)

(3)

(4)

式中：L0為引伸計的初始長度，mm;L′為變形后的長度，mm。

實際選取引伸計時，為了保證在每1幀的變形圖中都能精準識別并捕捉2個端點，端點的位置處于散斑的黑白交界處最宜。如圖6(a)所示，從紗線試樣的中點開始往上下2個方向每3個散斑點設置一段引伸計，單根紗線試樣共8段，引伸計初始平均長度約為8 mm。分析織物單元結構變化時，由于受到散斑質量和紗線間縫隙的影響，計算出的單元結構拉伸應變云圖并不完整。因此，類似于紗線分段線應變的計算，將織物單元形態變化量用沿著縱向和橫向的兩段線應變來表征。如圖6(b)所示，以針織物為例，在視場中下方隨機選取10段引伸計，包含縱向和橫向各5段，長度分別對應線圈的圈高和圈寬，機織物的引伸計則是對應平紋單胞的長、寬。

圖6 引伸計選取示意圖Fig.6 Options of extensometers.(a) Selection of extensometers on yarn; (b) Selection of extensometers on loop

3 結果與分析

3.1 紗線線應變測量結果分析

通過DIC-3D軟件進行坐標重構后可以獲得紗線試樣各段引伸計每幀的線應變。單根紗線從上往下各段引伸計編號為0～7，其中1#平紋機織物3次經紗實驗的線應變變化曲線如圖7所示。

如圖7(a)所示，紗線1#-A1在拉伸至第51 s時斷裂，其中引伸計6的線應變最大為13.72%，引伸計4線應變最小為9.34%，并且各段引伸計的應變數值都存在一定程度的波動。散斑質量是造成數據波動的主要原因，部分散斑邊緣存在墨水暈染的效果，導致引伸計迭代計算過程中捕捉的關鍵點位置出現跳動。結合圖7(b)、(c)，織物1#經紗的3次實驗數據顯示，各段引伸計應變曲線都呈波動上升的趨勢且沒有明顯的重復性，說明紗線試樣單向拉伸至斷裂的過程中，各個位置處的變形并不一致。根據纖維集合體力學分析，紗線在單向拉伸過程中纖維的應變是不同的，不同位置的纖維在拉伸過程中對強力的貢獻也不同。各段引伸計的變化不一也反映出紗線拉伸的上述特征，為了更好地量化紗線各段位置的伸長趨勢，將引伸計變化曲線進行線性擬合來比較其應變速率。紗線試樣的引伸計應變速率極值如表2所示。

圖7 織物1#經紗引伸計變化曲線Fig.7 Variation curve of extensometers in warp yarn 1#

表2 紗線引伸計應變速率范圍Tab.2 Range of extensometers’ strain rate in yarn

由表2可知，同一種織物的紗線試樣在拉伸過程中，軸向各段會呈現出較大的應變速率差異。基于擬合后的數據結果，提取各段引伸計在不同拉伸時刻的應變值，可以更直觀地顯示出紗線各位置處的應變趨勢，其中試樣1#-A1～1#-A3的應變趨勢曲線如圖8所示。

如圖8(a)，可以發現在拉伸的初始階段，紗線1#-A1各段位置的應變沒有較大差異，而隨著拉伸進行，引伸計3和引伸計6的應變明顯突出，最終紗線將在應變最大處產生斷裂。如圖8(c)，同樣有2段位置的伸長速率較快；而圖8(b)中，引伸計3的伸長速率明顯大于其它位置，這表明紗線中應變速率較大的位置呈隨機性分布。紗線在拉伸過程中應變最大處的纖維斷裂和滑脫最為明顯，在斷裂的一瞬間纖維應力集中并不均勻，且纖維斷裂在紗線截面中是隨機的。

圖8 紗線各段引伸計應變趨勢Fig.8 Strain trend of extensometers in yarn

3.2 織物微觀測量結果分析

為了觀察微觀視場中織物單元結構的形態變化，導出不同位置處的引伸計應變曲線，其中織物1#的平紋單胞結構在縱向拉伸和橫向拉伸后的實驗數據分別如圖9、10所示。

圖9 縱向拉伸引伸計應變曲線Fig.9 Variation curve of extensometers by warp tensile

由圖9、10可知，引伸計0～4代表拉伸方向，引伸計5～9代表收縮方向，在小變形下平紋單胞的變化趨勢較為一致，但不同位置處的變形量仍存在一定差異。圖9中織物1#在縱向的延展性要優于橫向，在伸長率接近5%時橫向收縮應變均小于1%，呈現出明顯的各向異性；緯向與經向拉伸相比織物1#在橫向拉伸時平紋單胞的整體變形量更大。如圖10(a)和圖10(c)，應變只計算至40～50 s區間，因為織物1#在橫向拉伸時經緯紗之間的滑動更劇烈，導致觀察區域的引伸計應變曲線非線性程度較大，且數據波動明顯，誤差增大。

圖10 橫向拉伸引伸計應變曲線Fig.10 Variation curve of extensometers by weft tensile

實驗結果表明，從微觀角度觀察，織物內部結構呈不均勻變形。為比較另外3種針織物線圈變形的不均勻程度，將每種試樣3次實驗下同一方向的共15段引伸計取最后一幀的應變數值，并計算其應變標準差，結果見表3。

表3 引伸計應變標準差Tab.3 Standard deviation of extensometers’ strain

表3中，機織物1#的應變標準差相較其他3種緯編針織物偏小，說明平紋機織物的組織結構較為穩定。比較后3種試樣可以發現，緯編針織物在橫向拉伸時，標準差數值偏小，說明此時線圈變形相比縱向拉伸更為均勻和穩定。其中織物2#的標準差較大，數據離散程度較高。觀察圖2(b)后發現該種織物雖然紗線直徑大結構緊湊，但是織物表面毛羽過多，尤其在縱向拉伸過程中線圈結構的可見性較差。此外由于散斑顆粒較多地附著在毛羽上，拉伸過程中引伸計關鍵點隨著毛羽發生跳動，導致實驗誤差增大。

織物單元結構的拉伸變形表明，對于織物型的應變傳感器，由于微觀結構變形的不均勻性，在同種激勵下設計成平紋結構并且采用織物后整理技術控制表面毛羽，將獲得更為穩定的信號響應。

4 結 論

本文基于數字圖像相關法(DIC)提出了一種織物微觀尺度下的測量方法，研究了紗線和織物單元結構在單向拉伸工況下的變形情況，得到如下結論。

1) 紗線在拉伸過程中，軸向不同位置處在初始階段變形均勻，隨著拉伸進行應變差異將逐漸增大，其中應變速率較大的位置呈隨機分布且數量不一。

2) 在小變形范圍的拉伸情況下，DIC技術能完整地捕捉織物微觀結構的變形過程，其中平紋機織物的細觀結構更為穩定，變形差異較小；緯編針織物在橫向拉伸時線圈變形較為均勻，縱向拉伸時非均勻變形更明顯。

3) DIC方法可以有效地定量描述微觀尺度下材料的變形歷程，通過提高散斑質量，控制紗線和織物表面毛羽，將實現更加精確全面的變形測量，能為考慮微觀形變的智能可穿戴電子紡織品設計提供技術指導。