一种面条面带单轴拉伸特性的测定方法与流程

1.本发明属于食品力学质地特性检测领域，涉及一种面条面带单轴拉伸特性的测定方法。


背景技术：

2.机制面条是深受我国人民喜爱的工业化的传统主食品，消费量大，生产企业众多，在国民经济中占有重要地位，与人民生活密切相关。随着城市居民生活节奏的加快和农村居民生活条件的改善，挂面、保鲜面条作为一种方便、可口、营养、健康的大众消费主食品，具有广阔的发展前景。
3.近年来，面条行业发展迅速，对面条的品质要求也越来越高。食品的力学特性是评价食品质地和品质的重要物理性质之一，对于面条制品来说，其拉伸特性可以反映其质地特性，也反映其加工工艺的好坏，是许多科研工作者研究的重点。面条面带作为面条生产过程中的中间产物，是面粉、水、盐等原料经过和面、熟化、压延等加工工艺形成的具有复杂力学特性的材料，因此，对面条面带拉伸特性的测定并表征可以为面条面带品质评价和加工工艺调控提供理论依据。
4.目前，面条面带拉伸特性主要是采用kieffer拉伸装置进行测定，该方法是采用一个钩子将两端夹紧的样品向上拉伸，钩子的直径远小于试样宽度和厚度，因此，在测试过程中，试样承受的载荷既有斜向上的拉伸作用又有剪切作用，测试结果不能准确反映面带的拉伸力学特性；另外一种测试方法是采用矩形的样品进行轴向拉伸，但在测试过程中容易在夹持部位产生应力集中，导致测得断裂应变和断裂强度过小。
5.在对材料单轴拉伸性能测试中，测量样品在拉伸过程中形变量的变化是一项重要工作，常用的测定方法为接触式测量。接触式测量通常需将测量元件与被测物粘贴在一起，伴随被测物的变形而改变形状，从而通过测量元件自身的性质而获取变形的信息，但不能测量大变形，且易导致被测样品发生变形，因此，并不适用于面带单轴拉伸过程中形变量的测量。


技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本发明提供一种基于图像相关法的面条面带单轴拉伸特性的测定方法，包括面条面带的制备，在所述面带上裁取哑铃形试样，对面带试样表面制作散斑，采用物性仪的拉伸模式，将所述试样夹持于物性仪的夹具内，通过物性仪将试样拉至断裂，且通过图像采集装置采集试样拉至断裂的过程形变图像，获取拉伸过程中面带试样应变随时间变化的数据，并通过物性仪获取加载过程中应力随时间变化的数据，将所得到的应力数据与应变数据结合，得到面带在拉伸载荷下的应力-应变曲线，根据获取的面带拉伸应力-应变曲线，可以得到不同条件下面带拉伸特性的特征参数，本发明可为面条面带的质地特性和品质特性的准确测定提供技术保障。
7.本发明试样在拉伸过程中形变量的测定方法为非接触式，具有基于数字图像相关
方法(digital image correlation，dic)进行具有非接触、测量范围大、全场测量、操作简单和灵敏度高等优点。面带质地柔软，韧性好，应变容限大，其变形测试要求测量范围大、可连续测量，因此，在面带的应变测量中，非接触式测试方法比接触式测试方法更为合适，但目前尚无面带的单轴拉伸力学特性测定中采用非接触式方法测量其变形过程的相关研究。
8.本发明的技术方案是：一种面条面带单轴拉伸特性的测定方法，包括如下步骤：
9.面条面带的制备:获得所需厚度的面带；
10.试验样品制备：在所述面带上裁取哑铃形试样，对面带试样表面制作散斑；
11.试验模式选择：采用物性仪的拉伸模式；
12.面带单轴拉伸试验：将所述试样夹持于物性仪的夹具内，通过物性仪将试样拉至断裂，且通过图像采集装置采集试样拉至断裂的过程形变图像；
13.面带拉伸曲线获取：通过计算获取拉伸过程中面带试样应变随时间变化的数据，通过物性仪获取加载过程中应力随时间变化的数据，将应力数据与应变数据结合，得到面带在拉伸载荷下的应力-应变曲线；
14.面带拉伸特性特征参数获取：根据获取的面带拉伸应力-应变曲线，得到面带拉伸特性的特征参数。
15.上述方案中，所述试验样品制备具体为：在所制备的面带上裁取哑铃形试样，对面带试样表面采用印章法制作散斑，并在面带表面涂一层石蜡油。
16.上述方案中，所述试验模式的选择具体为：采用物性仪的拉伸模式，设置测试条件参数，包括拉伸速度和拉伸距离。
17.上述方案中，所述面带单轴拉伸试验具体为：将所述试样夹持于物性仪夹具内，调整图像采集装置与试样之间的距离进行对焦，并进行照明补偿，同时开启图像采集装置和物性仪，物性仪将试样拉至断裂，图像采集装置采集试样拉至断裂的过程形变图像。
18.上述方案中，所述面带拉伸曲线获取具体为：
19.采集得到试样拉伸变形前后的灰度散斑图像，对散斑图像进行处理，计算试样表面散斑在拉伸过程中的位移场，进而将位移场转换为应变场，获取拉伸过程中面带试样应变随时间变化的数据；
20.通过物性仪的载荷传感器得到加载过程中应力随时间变化的数据，将应力数据与应变数据结合，得到面带在拉伸载荷下的应力-应变曲线。
21.上述方案中，所述面带拉伸特性特征参数包括抗拉强度、弹性模量、断裂应变和拉伸能量。
22.进一步的，所述抗拉强度为试验拉伸断裂断前其拉伸曲线上最大应力；所述弹性模量为应力-应变曲线上初始段的斜率；所述断裂应变为面带断裂时的应变；所述拉伸能量为面带拉伸应力-应变曲线和横坐标围成的图形的面积。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.本发明利用图像相关法(dic)对面条面带的进行拉伸试验，获取面带的拉伸应力-应变曲线，并得到不同条件下面带的拉伸特性特征参数包括抗拉强度、弹性模量、断裂应变和拉伸能力，为面条面带的品质检测和加工工艺参数调控提供技术依据。
附图说明
25.图1是本发明一实施方式所述面带试样示意图；
26.图2是本发明一实施方式带散斑的面带试样；
27.图3是dic应变测量系统；
28.图4是面带的拉伸曲线；
29.图5是面带沿压延方向和垂直于压延方向的示意图；
30.图6是不同加载速率下面带的拉伸应力-应变曲线；
31.图7是沿压延方向面带和垂直于压延方向面带的单轴拉伸曲线；
32.图8是不同水分含量面带的单轴拉伸曲线；
33.图9是不同压延速度下面带的单轴拉伸曲线。
具体实施方式
34.下面结合附图详细描述本发明的实施例，通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.本发明所述面条面带单轴拉伸特性的测定方法，是一种基于数字图像相关法的面条面带单轴拉伸特性测定方法，包括如下步骤：
36.面条面带的制备：
37.优选的，称取一定量小麦粉和水制备成特定水量含量的面带，优选的，含水量为28％-38％，将小麦粉和水在和面机中充分混合，再将和面机中的面絮放置于的恒温恒湿箱中熟化，熟化结束后，用一定辊间距的压面机将面絮压制成面带，后经不同辊间距的复合压延和连续压延形成所需厚度的面带。
38.试验样品制备：
39.如图1所示，在所制备的面带上裁取哑铃形试样，对面带试样表面采用印章法制作散斑，如图2所示，并在面带表面涂一层石蜡油，以防止测试过程中水分挥发。哑铃形试样的两端固定并作轴向拉伸，可获取样品在拉伸过程的准确、完整的应力和应变信息。
40.试验模式选择：
41.优选的，采用ta-xt plus物性仪的拉伸模式(return to start)，安装夹具，设置测试条件参数，包括拉伸速度和拉伸距离。
42.面带单轴拉伸试验：
43.将试样夹持于物性仪的夹具，调整高速相机与试样之间的距离进行对焦，并采用led灯进行照明补偿，该过程示意图如图3所示，同时开启相机和物性仪，将试验样品拉至断裂。
44.面带拉伸曲线获取：
45.应变获取：使用图像采集装置，优选的，使用ccd相机采集得到材料拉伸变形前后的灰度散斑图像，通过计算参考图像中感兴趣点与变形后图像中搜索点的相关系数来确定位移大小，其原理为通过ccd相机采集灰度散斑图，图像上每一个的像素点都有一个具体的灰度值，根据灰度值信息，计算某个像素点的位移变化来计算区域的位移或形变。优选的，采用vic-2dv6图像后处理软件，通过对试件表面标距变化的识别，计算试件在加载过程中的位移场，进而将位移场转换为应变场，获取拉伸过程中面带试样应变随时间变化的数据，
软件图像识别的最大精度误差为1.5
×
10-3
mm。
46.应力获取：通过物性仪的载荷传感器可以得到加载过程中应力随时间变化的数据。将物性仪测量得到的应力数据与应变数据结合，得到面带在拉伸载荷下的应力-应变曲线。
47.应力(σ)、应变(ε)分别为：
[0048][0049]
式中，f为载荷，n；s为试样初始截面积，mm；δl为试样伸长部分，mm；l0为试样初始长度，mm。
[0050]
面带拉伸特性特征参数获取：
[0051]
由获取的面带拉伸应力-应变曲线，如图4所示，得到面带拉伸特性的特征参数，具体如下：
[0052]
(1)抗拉强度：试验拉伸断裂断前，其拉伸曲线上最大应力即为抗拉强度，pa；
[0053]
(2)弹性模量：试样初始拉伸段应力和应变呈线性关系，该线性段的斜率即为弹性模量，pa；
[0054]
(3)断裂应变：面带断裂时的应变；
[0055]
(4)拉伸能量：拉伸曲线和横坐标围成的图形的面积，即pa。
[0056]
实例1：不同加载速度下面带的拉伸特性
[0057]
面条面带的制备：
[0058]
称取500g小麦粉和一定量的水制备成水量含量35％的面带。(1)和面：将小麦粉和水放入和面机中，常压和面10min；(2)熟化：将和面机中的面絮装入盆中并用湿润的毛巾遮盖，放入恒温恒湿箱中，设定温度35℃、相对湿度80％，熟化时间30min；(3)压延：设定压延速度为14mm/s，将熟化后的面絮用一段式制面机在辊间距为2.6mm处压延1次，将面带折叠复合压延3次，再依次在2.6、2.2、1.8、1.4、1.0mm处各压延一次，最终形成厚度为1.5mm的面带。
[0059]
试验样品制备：
[0060]
如图1所示，采用哑铃型裁刀，如图5所示，取沿压延方向面带的试样，测试前对面带试样表面采用印章法制作散斑，如图2所示，并在面带表面涂一层石蜡油，以防止测试过程中水分挥发。
[0061]
试验方法选择：
[0062]
采用ta-xt plus物性仪的拉伸模式(return to start)，设置测试条件参数为：测试探头选择a/tg；测前速度1mm/s，测试后速度10mm/s，测试中速度分别为0.5、2.5、10.0mm/s，触发力0n。
[0063]
面带单轴拉伸试验：
[0064]
将试样两端分别夹持在物性仪夹具的上和下夹头中，根据相机所拍摄的范围，调整相机与试样之间的距离进行对焦，保证图像采集系统获取清晰的图片，并采用led灯进行照明补偿，启动物性仪，通过相机记录样品拉伸直至断裂过程，相机每秒拍摄20张照片。
[0065]
面带拉伸曲线获取：
[0066]
采用vic-2d v6软件对图像进行处理，获得拉伸过程中面带试样应变随时间变化的数据，同时通过物性仪的载荷传感器可以得到加载过程中应力与时间的变化关系，将应力、应变数据结合可得到面带在拉伸载荷下不同加载速率面带的拉伸应力-应变曲线，如图6所示。
[0067]
面带拉伸特征参数获取：
[0068]
根据图6所示面带拉伸应力-应变曲线，得到不同加载速度下面带拉伸力学特征参数的拉伸力学特征参数如表1所示。通过实例1可以看出，在相同制备条件下，随加载速率的增加，面带的抗拉强度、弹性模量、断裂应变和拉伸能量均逐渐增大。
[0069]
表1不同加载速度下面带单轴拉伸力学特性
[0070][0071]
实例2：沿压延方向和垂直于压延方向面带的拉伸特性
[0072]
面条面带的制备：
[0073]
称取500g小麦粉和一定量的水制备成水分含量为35％的面带。(1)和面：将小麦粉和水放入和面机中，常压和面10min；(2)熟化：将和面机中的面絮装入盆中并用湿润的毛巾遮盖，放入恒温恒湿箱中，设定温度35℃、相对湿度80％，熟化时间30min；(3)压延：设定压延速度为14mm/s，将熟化后的面絮用一段式制面机在辊间距为2.6mm处压延1次，将面带折叠复合压延3次，再依次在2.6、2.2、1.8、1.4、1.0mm处各压延一次，最终形成厚度为1.5mm的面带。
[0074]
试验样品制备：
[0075]
如图5所示，分别沿压延方向和垂直于压延方向取面带试样，采用哑铃型裁刀如图1所示，在所制备的面带上取样，在测试前对面带试样表面采用印章法制作散斑如图2所示，并在面带表面涂一层石蜡油，以防止测试过程中水分挥发。
[0076]
试验方法选择：
[0077]
采用ta-xt plus物性仪的拉伸模式(return to start)，设置测试条件参数为：测试探头选择a/tg；测前速度1mm/s，测试中速度2.5mm/s，测试后速度10mm/s，触发力0n。
[0078]
面带单轴拉伸试验：
[0079]
将试样两端分别夹持在物性仪的上下夹具中，根据相机所拍摄的范围，调整相机与试样之间的距离进行对焦，保证图像采集系统获取清晰的图片，并采用led灯进行照明补偿，启动物性仪，通过相机记录样品拉伸直至断裂过程，相机每秒拍摄20张照片。
[0080]
面带拉伸曲线获取：
[0081]
采用vic-2d v6软件对图像进行处理，获得拉伸过程中面带试样应变随时间变化的数据，同时通过物性仪的载荷传感器可以得到加载过程中应力与时间的变化关系，将应力、应变数据结合可得到面带在拉伸载荷下沿压延方向面带和垂直于压延方向面带的单轴
拉伸应力-应变曲线，如图7所示。
[0082]
面带拉伸特征参数获取：
[0083]
根据图7所示的面带拉伸应力-应变曲线，得到面带沿压延方向和垂直于压延方向的拉伸力学特征参数如表2所示。通过实例2可以看出，沿压延方向面带的抗拉强度、弹性模量、拉伸能量显著高于垂直于压延方向面带，但其断裂应变显著小于垂直于压延方向面带。
[0084]
表2面带沿压延方向和垂直于压延方向的单轴拉伸力学特性
[0085][0086]
实例3：不同水分含量面带的拉伸特性
[0087]
面条面带的制备：
[0088]
称取500g小麦粉和一定量的水分别制备水量含量35％和37％的面带，(1)和面：将小麦粉和水放入和面机中，常压和面10min；(2)熟化：将和面机中的面絮装入盆中并用湿润的毛巾遮盖，放入恒温恒湿箱中，设定温度35℃、相对湿度80％，熟化时间30min；(3)压延：设定压延速度为14mm/s，将熟化后的面絮用一段式制面机在辊间距为2.6mm处压延1次，将面带折叠复合压延3次，再依次在2.6、2.2、1.8、1.4、1.0mm处各压延一次，最终形成厚度为1.5mm的面带。
[0089]
试验样品制备：
[0090]
如图1所示，采用哑铃型裁刀，如图5所示，取沿压延方向面带的试样，测试前对面带试样表面采用印章法制作散斑，如图2所示，并在面带表面涂一层石蜡油，以防止测试过程中水分挥发。
[0091]
试验方法选择：
[0092]
采用ta-xt plus物性仪的拉伸模式(return to start)，设置测试条件参数为：测试探头选择a/tg；测前速度1mm/s，测试速度分别为2.5mm/s，测试后速度10mm/s，触发力0n。
[0093]
面带单轴拉伸试验：
[0094]
将试样两端分别夹持在物性仪探头的上和下夹头中，根据相机所拍摄的范围，调整相机与试样之间的距离进行对焦，保证图像采集系统获取清晰的图片，并采用led灯进行照明补偿，启动物性仪，通过相机记录样品拉伸直至断裂过程，相机每秒拍摄20张照片。
[0095]
面带拉伸曲线获取：
[0096]
采用vic-2d v6软件对图像进行处理，获得拉伸过程中面带试样应变随时间变化的数据，同时通过物性仪的载荷传感器可以得到加载过程中应力与时间的变化关系，将应力、应变数据结合可得到面带在拉伸载荷下不同水分含量面带的单轴拉伸应力-应变曲线，如图8所示。
[0097]
面带拉伸特征参数获取：
[0098]
根据图8所示的面带拉伸应力-应变曲线，得到不同水分含量面带拉伸力学特征参数的拉伸力学特征参数如表3所示。通过实例3可以看出，在相同制备条件下，水分含量为
35％时，面带的抗拉强度、弹性模量和拉伸能量显著高于水分含量为37％的面带，但其断裂应变较小。
[0099]
表3不同水分含量时面带的单轴拉伸力学特性
[0100][0101]
实例4：不同压延速度下面带的拉伸特性
[0102]
面条面带的制备：
[0103]
称取500g小麦粉和一定量的水制备水量含量35％的面带，(1)和面：将小麦粉和水放入和面机中，常压和面10min；(2)熟化：将和面机中的面絮装入盆中并用湿润的毛巾遮盖，放入恒温恒湿箱中，设定温度35℃、相对湿度80％，熟化时间30min；(3)压延：设定压延速度分别为14、171mm/s，将熟化后的面絮用一段式制面机在辊间距为2.6mm处压延1次，将面带折叠复合压延3次，再依次在2.6、2.2、1.8、1.4、1.0mm处各压延一次，最终形成厚度为1.5mm的面带。
[0104]
试验样品制备：
[0105]
如图1所示，采用哑铃型裁刀，如图5所示，取沿压延方向面带的试样，测试前对面带试样表面采用印章法制作散斑如图2所示，并在面带表面涂一层石蜡油，以防止测试过程中水分挥发。
[0106]
试验方法选择：
[0107]
采用ta-xt plus物性仪的拉伸模式(return to start)，设置测试条件参数为：测试探头选择a/tg；测前速度1mm/s，测试中速度分别为2.5mm/s，测试后速度10mm/s，触发力0n。
[0108]
面带单轴拉伸试验：
[0109]
将试样两端分别夹持在物性仪探头的上和下夹头中，根据相机所拍摄的范围，调整相机与试样之间的距离进行对焦，保证图像采集系统获取清晰的图片，并采用led灯进行照明补偿。启动物性仪，通过相机记录样品拉伸直至断裂过程，相机每秒拍摄20张照片。
[0110]
面带拉伸曲线获取：
[0111]
采用vic-2d v6软件对图像进行处理，获得拉伸过程中面带试样应变随时间变化的数据。同时通过物性仪的载荷传感器可以得到加载过程中应力与时间的变化关系，将应力、应变数据结合可得到面带在拉伸载荷下不同压延速度面带的单轴拉伸应力-应变曲线。
[0112]
面带拉伸特征参数获取：
[0113]
根据图9所示的面带拉伸应力-应变曲线，得到不同压延速度面带拉伸力学特征参数的拉伸力学特征参数如表4。通过实例4可以看出，压延速度为14mm/s时，面带的抗拉强度和弹性模量高于压延速度为171mm/s时的面带，但其断裂应变和拉伸能量较小。
[0114]
表4不同压延速度下面带单轴拉伸力学特征参数
[0115][0116]
通过实例1可以看出，在相同制备条件下，沿压延方向面带和垂直于压延方向面带具有明显差异。通过实例2可以看出，在相同制备条件下，加载速率增大，面带的弹性模量、抗拉强度和拉伸能量明显增大，可为面带单轴拉伸力学特性测试参数的选择提供依据。通过实例3可以看出，含水35％和37％面带的单轴拉伸力学特征参数具有明显的差异，可为面条加工过程中的含水量的选择提供依据。通过实例4可以看出，在相同制备条件下，压延速度较低的面带具有较高的抗拉强度、弹性模量，较低的断裂应变和拉伸能量，可为压延工艺参数的选择和调控提供依据。
[0117]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。