羽绒制品中 PM2.5粉尘含量的研究

李艳军

1. 芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司，安徽 芜湖 241007

摘要：以羽绒布袋制品为研究对象，利用机械装置实现对其快速击打，将其中的粉尘激发至检测空间中，利用PM2.5粉尘含量传感器实时测量检测空间中粉尘的浓度，将数据导出至Matlab中进行数据处理，进而精确测定该羽绒布袋制品中PM2.5粉尘颗粒的含量，为生产商检测生产的羽绒是否合格及羽绒制品中PM2.5粉尘颗粒含量的优化提供了借鉴和参考。

关键字：羽绒制品； PM2.5；粉尘含量；Matlab

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：

The PM2.5 Dust-content Research on the Down Products

Li Yanjun

1. Wuhu ANPU Robot Technology Research Institute Co.LTD, Wuhu Anhui 241007,China;

Abstract: This article takes the down sack products as the research object, and using the mechanical device to pat against the down sack products rapidly, to release the dust-content hidden in the down sack products to the detection space. And taking use of the PM2.5 dust content sensor to measure the minute particles of the detection space, and pulling the data to Matlab to process the data. Then we can measure the PM2.5 dust content of the down sack products exactly. Through this mechanical equipment, the producer can detect and qualify the down product and provide the model and the reference for the optimization for the PM2.5 dust content of the down sack products.

Key words: down sack products; PM2.5; dust content; Matlab

0 引言

羽毛绒是保暖材料中保暖性能最佳的一种天然纤维，因独特的轻柔保暖，以及良好的吸湿发散性能和触肤感等，一直备受消费者欢迎^[1]。羽绒制品的主要检测内容包含绒子含量、蓬松度、耗氧指数、清洁度及异味等级等^[2]。粉尘含量是影响羽绒制品清洁度的重要因素，已经成为当前评价羽毛绒品质的一项重要指标^[3]。传统的羽绒制品中粉尘含量的检测是由检测人员双手快速击打，通过肉眼观察阳光下的粉尘含量，这种测试方法效率低，偏差大，缺乏统一标准，且结果不能精确量化因而缺乏权威性^[4]。因此，利用机械自动化装置实现对羽绒制品的快速拍打，将其中的粉尘激发至密闭的检测空间中，利用传感器检测相应的粉尘浓度含量，在进行数据处理准确量化，指定相应标准，为羽绒生产商检测生产的羽绒是否合格，以及羽绒制品中粉尘颗粒含量的优化提供了借鉴和参考，具有重要的实际意义。

1 PM2.5粉尘含量检测装置结构设计

结构设计是PM2.5粉尘含量检测装置设计和研发的重要组成部分，影响着测量过程的动作平稳和测量结果的准确性。PM2.5粉尘含量检测装置的结构设计主要包含结构设计、传动机构设计和开合抽风装置设计。

1.1 结构设计

P M2.5粉尘含量检测装置选取羽绒制品尺寸为300mm×200mm×100mm（长×宽×高），粉尘检测装置实现检测区域和传动控制区域相分离的设计，既保证了检测区域的密闭性，又保障了操作人员的安全性。人机交互界面保证了检测过程易操作，测试区域采用透明亚克力罩包围，采用胶条密封，保证了检测过程直观可见。整个PM2.5粉尘含量检测装置的外形尺寸约为：740mm×580mm×520mm，三维模型图和现场实物图如下图1所示。

图1 PM2.5粉尘含量检测装置三维模型图与实物图

1.2 传动机构设计

PM2.5粉尘含量检测装置的传动机构采用步进电机驱动双向螺旋滚珠丝杆转动，带动拍合板左右往复运动，实现对羽绒制品的快速拍打。滚珠丝杆的导程和螺距存在 确定的对应关系

^[5]如下：

滚珠丝杆导程=螺距×头数 (1)

考虑到羽绒制品重量轻，拍合速度较快，所以选择滚珠丝杆为双向螺旋滚珠丝杆，直径为25mm，螺距为5mm，设定拍合速度为100mm/s，结合所选步进电机的扭矩和转速，需要对整个传动机构利用同步齿形带轮进行增速，增速比为2。齿轮的传动比i和主动轮齿数Z₁及从动轮的齿数Z₂^[6]:

i=Z₁/Z₂ (2)

双向拍板连接在滚珠丝杆的滑块上，由轻型直线导轨做导向。双向拍板安装于滚珠丝杆的滑块上，滑块随着直线导轨移动。PM2.5粉尘含量检测装置的传动机构模型图如下图2所示：

图2 PM2.5粉尘含量检测装置的传动机构模型图

1.3 开合抽风装置设计

PM2.5粉尘含量检测装置需要保证整个测试区域的密闭性，在检测羽绒制品时，测试区域要形成密闭空间，传动机构的左右拍合不能影响测量区域的密封性。同时，在一种产品检测完成后，要打开抽气装置，由风机将测量区域中的PM2.5粉尘快速抽出去，不能影响下一组产品的检测。在抽气完成后，开合抽风装置自动关闭，再次形成密闭空间。PM2.5粉尘含量检测装置的开合抽风装置设计为自动开合装置，利用PLC控制相应的电磁推杆得电动作，进而带动开合板打开或关闭气孔。PM2.5粉尘含量检测装置的开合抽风装置如下图3所示：

图3 PM2.5粉尘含量检测装置的开合抽风装置模型图

2 PM2.5粉尘含量检测装置控制系统设计

控制系统设计是PM2.5粉尘含量检测装置设计和研发的核心，主要包含PM2.5粉尘浓度传感器、自动控制系统和人机交互界面。

2.1 PM2.5粉尘浓度传感器

PM2.5粉尘浓度传感器根据光的散射原理，内部对角安防红外线二极管和光电晶体管，光轴相交，当粉尘气流通过光轴相交区域时，光强的大小和经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求出衰减率，进而测出监测空间中的粉尘的浓度。PM2.5粉尘浓度传感器原理图如下图4所示：

图4 PM2.5粉尘浓度传感器原理图

2.2 自动控制系统

PM2.5粉尘含量检测装置的自动控制系统主要包含PLC、模拟量输入模块、步进电机及驱动器、电源模块、数字量输入输出模块、继电器模块和控制按钮等。采用西门子Smart PLC搭配模拟量输入模块，实现对步进电机的控制，保证电机转速可控可调，进而拍打速度可控可调。利用3组光电限位开关实现对双螺旋丝杆行程上限位、下限位及复位原点。利用继电器模块控制开合抽风装置的自动开合，利用人机交互界面设置相关参数，显示结果，控制相应动作等。PM2.5粉尘含量检测装置的控制流程图如下图5示：

图5 PM2.5粉尘含量检测装置的控制流程图

2.3 人机交互界面

粉尘测量装置整机侧面设计开关插槽，用来接入外部电源及开关机，操作按钮组用于实现对整机的启动、停止、复位及急停等。USB读取接口用于读取粉尘测量的数据，以太网接口用于与PLC通讯，触控屏用于显示实时浓度和设置相关参数，如抽气除尘时间，采集间隔时间，拍合速度，拍合距离等。人机交互界面部分界面图如下图6所示：

图6 PM2.5粉尘含量检测装置人机交互界面图

3 PM2.5粉尘含量检测装置实测

将目标羽绒制品放入PM2.5粉尘含量检测装置中的测量区域，为了将目标羽绒制品中的PM2.5粉尘充分激发至整个测量区域，设置拍合速度为100mm/s,记录实时粉尘的浓度。设置开合抽气装置在第13s开始运行，抽气时间为8s，经检测初始环境中PM2.5粉尘含量约为40μg/m³。将测得的整个测量区域的实时粉尘浓度P（μg/m³）与采样时间T（s）的实时数据导入至Matlab中进行处理，得到实时粉尘浓度P（μg/m³）与采样时间T（s）变化曲线如下图7所示：

图7 羽绒样品PM2.5粉尘含量实时浓度变化曲线图

4 结语

本文针对羽绒制品中粉尘含量的研究现状，提出了利用PM2.5粉尘含量检测装置定量地检测羽绒制品中粉尘的含量，同时对整个装置的机械结构和控制系统进行了详细的介绍，并基于PM2.5粉尘含量检测装置对目标羽绒制品中的粉尘含量进行检测。这种定量检测的装置及方法，有助于羽绒生产商制订企业和行业标准，检测所生产羽绒的质量，以及后期粉尘颗粒含量的优化提供了借鉴和参考。

参考文献：

[1] 郑淑芬 李小红 梁淑茹. 浅谈羽绒制品填充料质量问题[J].中国纤检，2015（1）：60-61

[2] 陈春侠 樊理山. 羽绒羽毛的检测研究[J].山东纺织科技，2011（1）：35-37

[3] 解项东 王宗乾. 羽毛绒粉尘的分类与识别[J].河南工程学院学报，2016（4）：1-3

[4] 闫畅 王浩 赵红. 羽毛羽绒标准和测试方法分析[J].中国纤检，2018（3）：104-107

[5] 王为 汪建晓 机械设计[M].华中科技大学出版社，2013：44-46

[6] 郑文纬 吴克坚 机械原理[M].高等教育出版社，2010：157-159

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作者简介：李艳军（1990.11—），男， 河南信阳，硕士，工程师，主要从事机电系统控制研究