专利名称：高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法
技术领域：
本发明涉及一种材料检测方法，特别涉及一种高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法。
背景技术：
在航空航天领域，为了提高有效载荷，高强度的轻质高分子聚合物材料得到了一定应用。在高温，高压恶劣的工作环境下，高分子聚合物工程材料的密度值以及密度分布的均匀性直接关系到其力学强度，散热均匀性以及疲劳寿命。目前，对高分子材料的密度测量一般采用天平称重方法即将材料放到水中，根据阿基米德定理得到其体积；再用天平称出其质量，然后换算成平均密度。这种方法虽然简单，但很难得到大块高分子聚合物材料的密度分布均匀特性，且在航空航天等特殊领域有时也不允许将材料浸泡在水中进行测试。
发明内容
本发明是针对现在航空航天领域，高分子聚合物材料的密度分布均匀特性很难检测的问题，提出了一种高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法，利用超声波技术，得到高分子聚合物材料的密度值及其密度分布图，实现高分子聚合物材料的密度分布均匀特性的检测。本发明的技术方案为一种高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法，包括如下步骤
1)建立超声波信号发射与采集�？槟Ｄ庑藕欧⑸饔氤ǚ⑸浣邮找惶寤酵妨樱叻肿硬牧贤干浜蟮奈⑷醭ㄐ藕庞沙ㄐ藕欧糯笃鞣糯螅笏腿氤ㄐ藕挪杉褰惺莶杉琕C ++编写了数据采集程序，实现对超声波发射与接收信号的记录与特征分析；
2)建立基于工控机的机械运动平台控制�？樵硕刂瓢蹇ㄍü酉叨俗咏刂菩藕潘腿肓教ú浇缁鳎浇缁魇涑鲎呛头较蚩刂菩藕牛捎貌罘至臃绞浇恿教ú浇缁硕琁号步进电机控制机械平台的升降，用于扫描面的切换，2号步进电机控制平台的旋转运动，用于扫描角度的控制；
3)建立测量控制软件模块在图形化人机交换界面上设定超声波信号发射与采集�？橐约盎翟硕教ǹ刂颇？榈墓ぷ鞑问Ｊ凳苯邮詹⒋沓ㄐ藕牛允鞠低车脑诵凶刺秃透魃璧愕拿芏戎担�
4)信号同步机械运动平台控制�？槟谠硕刂瓢蹇ê统ㄐ藕欧⑸溆氩杉？槟诔ㄐ藕挪杉蹇ǚ直鸢沧霸诠た鼗牧礁鯬CI插槽上，采用MFC定时器触发编程的方法，让机械运动平台的运动和超声波信号的采集动作协调一致，满足扫描点的定位和扫描面切换所需时间的要求；
5)原点开关通过接线端子输入运动控制板卡，用于设定运动坐标原点，机械运动平台控制�？榘床街�2)控制超声波探头到原点，超声波信号发射与采集�？榘床街鐸)采集信号后处理信号，将信号实时送测量控制软件�？橄允荆缓蠡翟硕教ǹ刂颇？榭刂瞥ㄌ酵返较乱桓鑫恢媒胁馐裕钡铰闵瓒ǖ牟馐砸螅玫礁叻肿泳酆衔锊牧系拿芏戎导捌涿芏确植纪�。所述超声波探头选用直径30mm，谐振频率为IMHz的超声波直探头，采用O. 8MHz的方波信号激励。所述超声波信号放大器选用精仪专用AD8042型号。所述超声波信号采集板选用AD-LINK的20MHz高速信号采集板卡PCI — 9826H。所述步进电机选型深圳Leisai公司的57HS22型号,运动控制板卡选用Leisai公司的DMC1380，驱动器选用DM556。本发明的有益效果在于本发明高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方 法，利用超声波技术，自动无损检测高分子聚合物材料密度分布，实时显示测试的结果，测试精度高。
图I为本发明超声波信号的发射接收采集原理框 图2为本发明超声波信号放大电路 图3为本发明机械平台运动控制框图。
具体实施例方式检测原理当高分子材料的密度发生变化时，超声波在高分子材料中的传播特性也会随着变化。这种变化主要体现在二个方面超声波速度的变化和超声波透射信号强度的变化。我们利用超声波探伤仪和超声波厚仪等专用仪器进行了多次现场试验，试验数据分析表明第一、超声波信号完全可以穿透高分子材料；第二、高分子材料密度变化时，超声波透射信号的强度有所变化，但规律性不明显；第三、高分子材料密度与超声波信号速度变化的关系相对明确在允许的密度范围内，高分子材料密度越高，超声波在其中的传播速度越大。高分子材料密度与超声波传播速度之间呈非线性单调函数关系。根据上述原理需要主要功能�？槌ㄐ藕欧⑸溆氩杉？椋诠た鼗幕翟硕教ǹ刂颇？椋饬靠刂迫砑？椤；翟硕教ǹ刂颇？榭刂魄ㄌ酵吩硕ㄐ藕欧⑸溆氩杉？椴杉藕藕蟠硇藕牛藕攀凳彼筒饬靠刂迫砑？椋饬靠刂迫砑？橹С纸缑嫦允静馐宰刺�。在精密机械运动平台的驱动下超声波探头扫描多个测点，当测点的密度发生变化，测点的超声波传播速度也会发生变化。通过对各测点超声波传播速度的计算处理，得到高分子聚合物材料的密度值及其密度分布云图。如图I所示，模拟信号发生器I与超声波发射接收一体化探头2连接。经高分子材料3透射后的微弱超声波信号由超声波信号放大器4放大，之后送入超声波信号采集板5进行数据采集，超声波信号采集板5选用型号为PCI-9826H，利用VC + +编写了数据采集程序，实现对超声波发射与接收信号的记录与特征分析。超声波透射信号的放大若没有放大环节，超声波接收探头接收到的超声波衰减信号只有5mV的数量级，极易受干扰，亦难以进行精确的ADC(模数转化)。为此，我们专门开发了超声波信号放大�？椋缤�2所示超声波信号放大电路图。微弱信号放大芯片选用精仪专用AD8042型号。放大器采用正负5伏电源供电；增益系数=R2/R1 = 100。电容Cl C4设置一 3dB带宽于10MHz，放大倍数为100倍，达到了预期效果。超声波探头的选型经反复试验，直径30mm，谐振频率为IMHz的超声波直探头较为合适。采用O. 8MHz的方波(脉冲)信号激励，则发射探头输出的信号强度更大。其物理解释是方波信号含有多阶谐波。超声波信号的采集与存储按照采样定理，考虑工程需要，ADC的采样频率一般为分析信号频率的10倍左右。考虑到脉冲激励含有多阶高次谐波。最终选用AD-LINK的20MHz高速信号采集板卡PCI - 9826H。它含有512 MB的板上数据采集内存，分辨率为16bits，有利于对信号的相频特性进行精确识别。信号发生器的选型由于超声波探头的主要元件一压电陶瓷具有高阻抗特性， 故需要采用模拟信号发生器进行激励。数字式信号发生器由于功率难以匹配，在本试验中容易烧坏。最后选择国产DF1641型模拟信号发生器。为了进一步降低干扰信号，便于发射超声波和接收超声波之间的时差计算，我们采用了无风扇、带大散热片的工控机。测量控制软件�？槲颐强⒌娜砑诵薪缑�。如图3所示机械平台运动控制框图，机械平台运动采用步进电机控制策略，其特点是开环控制，控制成本低。同时，通过驱动器9的细分与步进电机10的合理选型仍然可以实现相当精度的控制。运动控制系统选型运动控制板卡7通过接线端子8将控制信号送入两台步进电机驱动器9，驱动步进电机10运动。步进电机10的选型主要考虑额定输出力矩和步距角，以及供应厂商的资质问题。所需力矩由机械设计计算得到，步距角一般为I. 8度。综上所述，采用深圳Leisai公司的57HS22型号。步进电机驱动器选型为了配套方便，运动控制板卡7选用Leisai公司的DMC1380，驱动器选用DM556，它内置细分技术，噪音小。控制信号采用差分方式，抗干扰能力强。控制信号抗干扰2个步进电机驱动器的脉冲，方向控制信号均采用差分连接方式，可有效地克服传输中的干扰问题。启�？刂破轿炔浇缁�10的运动采用梯形图控制方式，有利于减小起停阶段对信号采集系统的冲击。回原点运动控制图3中的原点开关用于设定I号轴的运动坐标原点，以便精确计算控制运动距离。原点开关12V外接直流电源供电，�？托谐炭�。其两端分别连接接线端子的9号(ORGX)和37号(GND)针脚。控制参数的确定1号步进电机控制机械平台的升降，用于扫描面的切换。2号步进电机控制平台的旋转运动，用于扫描角度的控制。综合丝杠螺母结构的误差以及步进电机步距角的误差积累，经过反复实验确认1号步进电机每接收1000个脉冲，平台运动约为Imm0 2号步进电机每接收420个脉冲，转动30度。上述参数的确定为软件编程提供了原始数据。超声波信号采集板卡5PCI-9826H和运动控制板卡7PCI — DMC1380的协调动作为了做到运动控制和信号采集的“同步”，我们采取了如下措施
(I)首先单独开发运动控制�？楹托藕挪杉？椋馐�2个�？槎伎梢哉９ぷ骱螅俳浼稍谝黄�。(2)两个�？橥骋徊捎肕FC编程，便于子函数的调用和界面的统一。(3)采用定时器Timer的编程方法。在实际装置上进行反复测试，确定合适的定时时间。时间一到，两个功能�？�(对应2个子函数)先后触发，运动控制�？榇ㄌ酵返酱镌ざ┥璧愫螅�3秒的延时以消除振动，超声波信号采集�？樗婕创シ�。经测试，可以满足扫描点的定位和扫描面切换所需时间的要求。高分子材料密度计算机成像高分子材料密度计算机成像是通过计算可视化技术，对高分子材料的密度均匀特性进行一个直观的判断。为此，我们借助专用ActiveX绘图控件，利用MFC(Microsoft Foundation Class)编程实现了高分子材料密度的计算机成像。基本思路是
(I)把测点的密度值按照扫描顺序依次保存到一个数组中。(2)按照“密度大小对应图案颜色明暗”的算法，生成高分子材料在多个测点的密度分布图像，实现计算可视化。高分子材料密度实时显示(I)编程设置PCI - 9826H工作在最高采集速率20MHz。(2)PCI-9826H的板上数据缓冲区BUFFER为512MB，这为数据的实时存储和读取提供了硬件支持。(3)将信号采集�？楸嘈次ザ赖囊桓鲎雍纷⒉�、释放内存。(4)在MFC平台上借助C语言直接对PCI - 9826H的底层寄存器进行读写，进一步提高运算速度。(5)此外，由于PCI - 9826H自带的WD-DASK函数库的数据类型与C语言的数据类型有所差异，必须注意数据类型的转化。
权利要求
1.一种高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法，其特征在于，包括如下步骤 1)建立超声波信号发射与采集�？槟Ｄ庑藕欧⑸饔氤ǚ⑸浣邮找惶寤酵妨樱叻肿硬牧贤干浜蟮奈⑷醭ㄐ藕庞沙ㄐ藕欧糯笃鞣糯螅笏腿氤ㄐ藕挪杉褰惺莶杉琕C ++编写了数据采集程序，实现对超声波发射与接收信号的记录与特征分析； 2)建立基于工控机的机械运动平台控制模块运动控制板卡通过接线端子将控制信号送入两台步进电机驱动器，步进电机驱动器输出转角和方向控制信号，采用差分连接方式接两台步进电机运动，I号步进电机控制机械平台的升降，用于扫描面的切换，2号步进电机控制平台的旋转运动，用于扫描角度的控制； 3)建立测量控制软件�？樵谕夹位嘶换唤缑嫔仙瓒ǔㄐ藕欧⑸溆氩杉？橐约盎翟硕教ǹ刂颇？榈墓ぷ鞑问凳苯邮詹⒋沓ㄐ藕牛允鞠低车脑诵凶刺秃透魃璧愕拿芏戎担� 4)信号同步机械运动平台控制�？槟谠硕刂瓢蹇ê统ㄐ藕欧⑸溆氩杉？槟诔ㄐ藕挪杉蹇ǚ直鸢沧霸诠た鼗牧礁鯬CI插槽上，采用MFC定时器触发编程的方法，让机械运动平台的运动和超声波信号的采集动作协调一致，满足扫描点的定位和扫描面切换所需时间的要求； 5)原点开关通过接线端子输入运动控制板卡，用于设定运动坐标原点，机械运动平台控制�？榘床街�2)控制超声波探头到原点，超声波信号发射与采集�？榘床街鐸)采集信号后处理信号，将信号实时送测量控制软件�？橄允荆缓蠡翟硕教ǹ刂颇？榭刂瞥ㄌ酵返较乱桓鑫恢媒胁馐裕钡铰闵瓒ǖ牟馐砸螅玫礁叻肿泳酆衔锊牧系拿芏戎导捌涿芏确植纪�。
2.根据权利要求I所述高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法，其特征在于，所述超声波探头选用直径30mm，谐振频率为IMHz的超声波直探头，采用O. 8MHz的方波信号激励。
3.根据权利要求I所述高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法，其特征在于，所述超声波信号放大器选用精仪专用AD8042型号。
4.根据权利要求I所述高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法，其特征在于，所述超声波信号采集板选用AD-LINK的20MHz高速信号采集板卡PCI — 9826H。
5.根据权利要求I所述高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法，其特征在于，所述步进电机选型深圳Leisai公司的57HS22型号,运动控制板卡选用Leisai公司的DMC1380，驱动器选用DM556。
全文摘要
本发明涉及一种高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法，机械运动平台控制�？榭刂魄ㄌ酵吩硕ㄐ藕欧⑸溆氩杉？椴杉藕藕蟠硇藕牛藕攀凳彼筒饬靠刂迫砑？椋饬靠刂迫砑？橹С纸缑嫦允静馐宰刺�。利用超声波探头扫描多个测点，当测点的密度发生变化，测点的超声波传播速度也会发生变化。通过对各测点超声波传播速度的计算处理，得到高分子聚合物材料的密度值及其密度分布云图。检测方法实时显示测试的结果，测试精度高。
文档编号G01N9/24GK102692362SQ201210206918
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者孙玉国 申请人:上海理工大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
