專利名稱：高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種材料檢測方法，特別涉及一種高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法。
背景技術：
在航空航天領域，為了提高有效載荷，高強度的輕質(zhì)高分子聚合物材料得到了一定應用。在高溫，高壓惡劣的工作環(huán)境下，高分子聚合物工程材料的密度值以及密度分布的均勻性直接關系到其力學強度，散熱均勻性以及疲勞壽命。目前，對高分子材料的密度測量一般采用天平稱重方法即將材料放到水中，根據(jù)阿基米德定理得到其體積；再用天平稱出其質(zhì)量，然后換算成平均密度。這種方法雖然簡單，但很難得到大塊高分子聚合物材料的密度分布均勻特性，且在航空航天等特殊領域有時也不允許將材料浸泡在水中進行測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)在航空航天領域，高分子聚合物材料的密度分布均勻特性很難檢測的問題，提出了一種高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法，利用超聲波技術，得到高分子聚合物材料的密度值及其密度分布圖，實現(xiàn)高分子聚合物材料的密度分布均勻特性的檢測。本發(fā)明的技術方案為一種高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法，包括如下步驟
1)建立超聲波信號發(fā)射與采集模塊模擬信號發(fā)生器與超聲波發(fā)射接收一體化探頭連接，經(jīng)高分子材料透射后的微弱超聲波信號由超聲波信號放大器放大，之后送入超聲波信號采集板進行數(shù)據(jù)采集，VC ++編寫了數(shù)據(jù)采集程序，實現(xiàn)對超聲波發(fā)射與接收信號的記錄與特征分析；
2)建立基于工控機的機械運動平臺控制模塊運動控制板卡通過接線端子將控制信號送入兩臺步進電機驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器輸出轉角和方向控制信號，采用差分連接方式接兩臺步進電機運動，I號步進電機控制機械平臺的升降，用于掃描面的切換，2號步進電機控制平臺的旋轉運動，用于掃描角度的控制；
3)建立測量控制軟件模塊在圖形化人機交換界面上設定超聲波信號發(fā)射與采集模塊以及機械運動平臺控制模塊的工作參數(shù)。實時接收并處理超聲波信號，顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)和和各掃描點的密度值；
4)信號同步機械運動平臺控制模塊內(nèi)運動控制板卡和超聲波信號發(fā)射與采集模塊內(nèi)超聲波信號采集板卡分別安裝在工控機的兩個PCI插槽上，采用MFC定時器觸發(fā)編程的方法，讓機械運動平臺的運動和超聲波信號的采集動作協(xié)調(diào)一致，滿足掃描點的定位和掃描面切換所需時間的要求；
5)原點開關通過接線端子輸入運動控制板卡，用于設定運動坐標原點，機械運動平臺控制模塊按步驟2)控制超聲波探頭到原點，超聲波信號發(fā)射與采集模塊按步驟I)采集信號后處理信號，將信號實時送測量控制軟件模塊顯示，然后機械運動平臺控制模塊控制超聲波探頭到下一個位置進行測試，直到滿足設定的測試要求，得到高分子聚合物材料的密度值及其密度分布圖。所述超聲波探頭選用直徑30mm，諧振頻率為IMHz的超聲波直探頭，采用O. 8MHz的方波信號激勵。所述超聲波信號放大器選用精儀專用AD8042型號。所述超聲波信號采集板選用AD-LINK的20MHz高速信號采集板卡PCI — 9826H。所述步進電機選型深圳Leisai公司的57HS22型號,運動控制板卡選用Leisai公司的DMC1380，驅(qū)動器選用DM556。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方 法，利用超聲波技術，自動無損檢測高分子聚合物材料密度分布，實時顯示測試的結果，測試精度高。


圖I為本發(fā)明超聲波信號的發(fā)射接收采集原理框 圖2為本發(fā)明超聲波信號放大電路 圖3為本發(fā)明機械平臺運動控制框圖。
具體實施例方式檢測原理當高分子材料的密度發(fā)生變化時，超聲波在高分子材料中的傳播特性也會隨著變化。這種變化主要體現(xiàn)在二個方面超聲波速度的變化和超聲波透射信號強度的變化。我們利用超聲波探傷儀和超聲波厚儀等專用儀器進行了多次現(xiàn)場試驗，試驗數(shù)據(jù)分析表明第一、超聲波信號完全可以穿透高分子材料；第二、高分子材料密度變化時，超聲波透射信號的強度有所變化，但規(guī)律性不明顯；第三、高分子材料密度與超聲波信號速度變化的關系相對明確在允許的密度范圍內(nèi)，高分子材料密度越高，超聲波在其中的傳播速度越大。高分子材料密度與超聲波傳播速度之間呈非線性單調(diào)函數(shù)關系。根據(jù)上述原理需要主要功能模塊超聲波信號發(fā)射與采集模塊，基于工控機的機械運動平臺控制模塊，測量控制軟件模塊。機械運動平臺控制模塊控制驅(qū)動超聲波探頭運動，超聲波信號發(fā)射與采集模塊采集信號后處理信號，將信號實時送測量控制軟件模塊，測量控制軟件模塊支持界面顯示測試狀態(tài)。在精密機械運動平臺的驅(qū)動下超聲波探頭掃描多個測點，當測點的密度發(fā)生變化，測點的超聲波傳播速度也會發(fā)生變化。通過對各測點超聲波傳播速度的計算處理，得到高分子聚合物材料的密度值及其密度分布云圖。如圖I所示，模擬信號發(fā)生器I與超聲波發(fā)射接收一體化探頭2連接。經(jīng)高分子材料3透射后的微弱超聲波信號由超聲波信號放大器4放大，之后送入超聲波信號采集板5進行數(shù)據(jù)采集，超聲波信號采集板5選用型號為PCI-9826H，利用VC + +編寫了數(shù)據(jù)采集程序，實現(xiàn)對超聲波發(fā)射與接收信號的記錄與特征分析。超聲波透射信號的放大若沒有放大環(huán)節(jié)，超聲波接收探頭接收到的超聲波衰減信號只有5mV的數(shù)量級，極易受干擾，亦難以進行精確的ADC(模數(shù)轉化)。為此，我們專門開發(fā)了超聲波信號放大模塊，如圖2所示超聲波信號放大電路圖。微弱信號放大芯片選用精儀專用AD8042型號。放大器采用正負5伏電源供電；增益系數(shù)=R2/R1 = 100。電容Cl C4設置一 3dB帶寬于10MHz，放大倍數(shù)為100倍，達到了預期效果。超聲波探頭的選型經(jīng)反復試驗，直徑30mm，諧振頻率為IMHz的超聲波直探頭較為合適。采用O. 8MHz的方波(脈沖)信號激勵，則發(fā)射探頭輸出的信號強度更大。其物理解釋是方波信號含有多階諧波。超聲波信號的采集與存儲按照采樣定理，考慮工程需要，ADC的采樣頻率一般為分析信號頻率的10倍左右?？紤]到脈沖激勵含有多階高次諧波。最終選用AD-LINK的20MHz高速信號采集板卡PCI - 9826H。它含有512 MB的板上數(shù)據(jù)采集內(nèi)存，分辨率為16bits，有利于對信號的相頻特性進行精確識別。信號發(fā)生器的選型由于超聲波探頭的主要元件一壓電陶瓷具有高阻抗特性， 故需要采用模擬信號發(fā)生器進行激勵。數(shù)字式信號發(fā)生器由于功率難以匹配，在本試驗中容易燒壞。最后選擇國產(chǎn)DF1641型模擬信號發(fā)生器。為了進一步降低干擾信號，便于發(fā)射超聲波和接收超聲波之間的時差計算，我們采用了無風扇、帶大散熱片的工控機。測量控制軟件模塊為我們開發(fā)的軟件運行界面。如圖3所示機械平臺運動控制框圖，機械平臺運動采用步進電機控制策略，其特點是開環(huán)控制，控制成本低。同時，通過驅(qū)動器9的細分與步進電機10的合理選型仍然可以實現(xiàn)相當精度的控制。運動控制系統(tǒng)選型運動控制板卡7通過接線端子8將控制信號送入兩臺步進電機驅(qū)動器9，驅(qū)動步進電機10運動。步進電機10的選型主要考慮額定輸出力矩和步距角，以及供應廠商的資質(zhì)問題。所需力矩由機械設計計算得到，步距角一般為I. 8度。綜上所述，采用深圳Leisai公司的57HS22型號。步進電機驅(qū)動器選型為了配套方便，運動控制板卡7選用Leisai公司的DMC1380，驅(qū)動器選用DM556，它內(nèi)置細分技術，噪音小?？刂菩盘柌捎貌罘址绞?，抗干擾能力強?？刂菩盘柨垢蓴_2個步進電機驅(qū)動器的脈沖，方向控制信號均采用差分連接方式，可有效地克服傳輸中的干擾問題。啟?？刂破椒€(wěn)步進電機10的運動采用梯形圖控制方式，有利于減小起停階段對信號采集系統(tǒng)的沖擊?；卦c運動控制圖3中的原點開關用于設定I號軸的運動坐標原點，以便精確計算控制運動距離。原點開關12V外接直流電源供電，常開型行程開關。其兩端分別連接接線端子的9號(ORGX)和37號(GND)針腳?？刂茀?shù)的確定1號步進電機控制機械平臺的升降，用于掃描面的切換。2號步進電機控制平臺的旋轉運動，用于掃描角度的控制。綜合絲杠螺母結構的誤差以及步進電機步距角的誤差積累，經(jīng)過反復實驗確認1號步進電機每接收1000個脈沖，平臺運動約為Imm0 2號步進電機每接收420個脈沖，轉動30度。上述參數(shù)的確定為軟件編程提供了原始數(shù)據(jù)。超聲波信號采集板卡5PCI-9826H和運動控制板卡7PCI — DMC1380的協(xié)調(diào)動作為了做到運動控制和信號采集的“同步”，我們采取了如下措施
(I)首先單獨開發(fā)運動控制模塊和信號采集模塊，經(jīng)測試2個模塊都可以正常工作后，再將其集成在一起。(2)兩個模塊統(tǒng)一采用MFC編程，便于子函數(shù)的調(diào)用和界面的統(tǒng)一。(3)采用定時器Timer的編程方法。在實際裝置上進行反復測試，確定合適的定時時間。時間一到，兩個功能模塊(對應2個子函數(shù))先后觸發(fā)，運動控制模塊帶動超聲波探頭到達預訂掃描點后，經(jīng)過3秒的延時以消除振動，超聲波信號采集模塊隨即觸發(fā)。經(jīng)測試，可以滿足掃描點的定位和掃描面切換所需時間的要求。高分子材料密度計算機成像高分子材料密度計算機成像是通過計算可視化技術，對高分子材料的密度均勻特性進行一個直觀的判斷。為此，我們借助專用ActiveX繪圖控件，利用MFC(Microsoft Foundation Class)編程實現(xiàn)了高分子材料密度的計算機成像?；舅悸肥?
(I)把測點的密度值按照掃描順序依次保存到一個數(shù)組中。(2)按照“密度大小對應圖案顏色明暗”的算法，生成高分子材料在多個測點的密度分布圖像，實現(xiàn)計算可視化。高分子材料密度實時顯示(I)編程設置PCI - 9826H工作在最高采集速率20MHz。(2)PCI-9826H的板上數(shù)據(jù)緩沖區(qū)BUFFER為512MB，這為數(shù)據(jù)的實時存儲和讀取提供了硬件支持。(3)將信號采集模塊編寫為單獨的一個子函數(shù)，正確注冊、釋放內(nèi)存。(4)在MFC平臺上借助C語言直接對PCI - 9826H的底層寄存器進行讀寫，進一步提高運算速度。(5)此外，由于PCI - 9826H自帶的WD-DASK函數(shù)庫的數(shù)據(jù)類型與C語言的數(shù)據(jù)類型有所差異，必須注意數(shù)據(jù)類型的轉化。
權利要求
1.一種高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法，其特征在于，包括如下步驟 1)建立超聲波信號發(fā)射與采集模塊模擬信號發(fā)生器與超聲波發(fā)射接收一體化探頭連接，經(jīng)高分子材料透射后的微弱超聲波信號由超聲波信號放大器放大，之后送入超聲波信號采集板進行數(shù)據(jù)采集，VC ++編寫了數(shù)據(jù)采集程序，實現(xiàn)對超聲波發(fā)射與接收信號的記錄與特征分析； 2)建立基于工控機的機械運動平臺控制模塊運動控制板卡通過接線端子將控制信號送入兩臺步進電機驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器輸出轉角和方向控制信號，采用差分連接方式接兩臺步進電機運動，I號步進電機控制機械平臺的升降，用于掃描面的切換，2號步進電機控制平臺的旋轉運動，用于掃描角度的控制； 3)建立測量控制軟件模塊在圖形化人機交換界面上設定超聲波信號發(fā)射與采集模塊以及機械運動平臺控制模塊的工作參數(shù)，實時接收并處理超聲波信號，顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)和和各掃描點的密度值； 4)信號同步機械運動平臺控制模塊內(nèi)運動控制板卡和超聲波信號發(fā)射與采集模塊內(nèi)超聲波信號采集板卡分別安裝在工控機的兩個PCI插槽上，采用MFC定時器觸發(fā)編程的方法，讓機械運動平臺的運動和超聲波信號的采集動作協(xié)調(diào)一致，滿足掃描點的定位和掃描面切換所需時間的要求； 5)原點開關通過接線端子輸入運動控制板卡，用于設定運動坐標原點，機械運動平臺控制模塊按步驟2)控制超聲波探頭到原點，超聲波信號發(fā)射與采集模塊按步驟I)采集信號后處理信號，將信號實時送測量控制軟件模塊顯示，然后機械運動平臺控制模塊控制超聲波探頭到下一個位置進行測試，直到滿足設定的測試要求，得到高分子聚合物材料的密度值及其密度分布圖。
2.根據(jù)權利要求I所述高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法，其特征在于，所述超聲波探頭選用直徑30mm，諧振頻率為IMHz的超聲波直探頭，采用O. 8MHz的方波信號激勵。
3.根據(jù)權利要求I所述高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法，其特征在于，所述超聲波信號放大器選用精儀專用AD8042型號。
4.根據(jù)權利要求I所述高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法，其特征在于，所述超聲波信號采集板選用AD-LINK的20MHz高速信號采集板卡PCI — 9826H。
5.根據(jù)權利要求I所述高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法，其特征在于，所述步進電機選型深圳Leisai公司的57HS22型號,運動控制板卡選用Leisai公司的DMC1380，驅(qū)動器選用DM556。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法，機械運動平臺控制模塊控制驅(qū)動超聲波探頭運動，超聲波信號發(fā)射與采集模塊采集信號后處理信號，將信號實時送測量控制軟件模塊，測量控制軟件模塊支持界面顯示測試狀態(tài)。利用超聲波探頭掃描多個測點，當測點的密度發(fā)生變化，測點的超聲波傳播速度也會發(fā)生變化。通過對各測點超聲波傳播速度的計算處理，得到高分子聚合物材料的密度值及其密度分布云圖。檢測方法實時顯示測試的結果，測試精度高。
文檔編號G01N9/24GK102692362SQ201210206918
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權日2012年6月21日
發(fā)明者孫玉國 申請人:上海理工大學