一种材料凝固的检测方法与流程

本发明涉及材料凝固检测领域，特别是涉及一种以光纤作为超声波导结构进行材料凝固检测的方法。

背景技术：

物质从液态变为固态的过程叫做凝固，在这个过程中，它的物理和化学性质都在发生改变。目前已有多种材料凝固检测的方法，主要包括脉冲电流检测、电磁检测、化学检测、图像检测与声学检测等。

公开号为CN 1583326 A的中国专利《用于金属凝固过程的电源控制系统》利用的是在金属液中通入脉冲电流，可使电流幅值自动维持稳定，脉冲宽度和频率连续可调，脉冲电流可在单极性和双极性之间进行转换的特性来对金属合金凝固过程进行准确控制和分析。

公开号为CN 102500747 A的中国专利申请公开了一种利用电磁超声技术来检测连铸坯凝固末端的技术方案，由于S/N低、精度差和损坏钢坯质量，以及不能扩大电磁超声波传感器与连铸坯的升离范围且不能稳定地长时间连续测量等诸多问题，利用电磁超声波技术来检测连铸坯凝固末端的技术没有一例成功应用于实践的报道。

公开号为CN 103048242 A的专利《连铸坯固相率和凝固末端的检测方法》通过采用直接向连铸坯施加振荡激励，使连铸坯发生弹性变形，进而测量连铸坯与振荡激励谐振后的最大应变、施加在连铸坯上的应力和应力/应变相位差，即可根据连铸坯的固相率-动态模量特性曲线得到连铸坯的固相率和凝固末端位置。

作为显现铸块的凝固组织的方法，通常实施下述方法：使用将苦味酸作为主成分的腐蚀液等来腐蚀试样表面。另外，作为记录所显现的凝固组织的方法，提出蚀刻印刷法的所谓蚀刻印刷法，是使试样的研磨面接触腐蚀液并腐蚀研磨面后，将试样进行洗涤、干燥，在腐蚀了的研磨面表面的腐蚀孔中埋入研磨粉，在研磨面表面粘贴透明胶粘带，使腐蚀孔中的研磨粉粘着于透明胶粘带后，剥离胶粘带，接着在白色的硬纸板上粘贴胶粘带的方法。埋入腐蚀孔中的研磨粉被转印于胶粘带上，通过在硬纸板上粘贴胶粘带而使凝固组织显示于硬纸板上。

日本专利JP52-130422利用电磁超声横波传感器对连铸坯投射电磁超声横波，并利用电磁超声横波不能透过液相的原理来判断连铸坯的完全凝固状态。然而，透过连铸坯CN 102500747A说明书4 2/11页5的电磁超声波横波的信号发生了减弱或消失并不能就唯一判定铸件中存在残留熔融金属，因为还存在其它的导致信号发生减弱或消失的因素。

当前声学检测已经能够用于钢坯的凝固检测，利用的是超声波在钢坯上的传播特性以及材料自身的变化。

凝固检测不仅仅只运用于工业当中，在医学领域也有广泛的运用。例如申请公开号CN 102478580 A《一种全血凝固功能的快速检测方法》，该方法通过采用超声波检测全血标本中金属棒转动(移动)情况来检测血液的凝固功能。该方法无需分离血浆，直接将全血采入检测杯(抗凝或不抗凝)中，在检测杯中有一金属(或可以外包裹其它材料)棒状的搅拌子，检测时在检测杯底部加装一个转动磁体。在血液未凝固前搅拌子随着转动磁体转动，血液凝固后搅拌子遇到阻力而停止转动。在检测杯的侧面加装一超声波检测器，通过检测在血液中搅拌子转动/静止判断血液凝固情况。

申请公布号CN 103543278 A《确定血液凝固特性》，该发明涉及确定血液凝固特性。在一些示例中，设备在血样上施加电压差。设备在一定持续时间内测量经过血样的电信号，以获得表示时间的测量函数的多个测量结果。可以确定测量函数的累计特性，使得累计特性与血液凝固特性相关。

综上所述的检测方法，都有很大的局限性，成本较大，而且操作过程都较为复杂。所以本专利发明利用的是超声波在光纤中的传播特性，光纤周围环境的变化会影响超声波在光纤中的传播，通过对声信号分析处理来判断材料是否完全凝固。这种方法不仅仅局限于金属材料的凝固检测，还可用于混泥土结构、复合材料基底等非金属材料凝固状态的检测。检测范围广泛，操作简单高效，并且对材料本身不会带来损伤。

技术实现要素：

本发明提供一种适用范围广泛而且高效无损的材料凝固检测方法。

本发明所采用的技术方案是：以光纤作为波导结构传播超声波，利用光纤周围环境的变化会影响超声波在光纤中的传播这一特性。物质从液态变为固态的过程叫做凝固，在这个过程中，它的物理和化学性质都在发生改变。当材料在处于完全液态的状态时，光纤与其耦合度最高，再加上超声波在光纤中传播时会通过液态物质向周围折射，能量衰减系数最大，所以造成得能量损失也是最大，因此接收到的反射波的能量最小，在实验中体现为反射波幅值最小。然而在材料处于完全凝固的状态时，耦合度和能量衰减系数都大大低于凝固过程中，超声波在光纤中传播时能量损失最小，因此接收到的反射波的能量最大，在实验中体现为反射波幅值最大。这样通过超声波能量的变化可以来检测材料的凝固状态。本方法包括以下步骤：

1.选取合适的压电片与光纤一端进行耦合，压电片的另一端则与信号激励器和信号放大器耦合；

2.通过信号激励装置加载合适激励信号至压电片；

3.在压电片上连接合适的放大器对接收信号进行放大处理；

4.在放大器输出端连接数据采集器；

5.将光纤的另一端置入待检测的非凝固材料中；

6.采集数据至计算机内；

7.在计算机上对采集数据进行分析处理得到并显示出接收到的压电片信号；

8.随着时间的推移，通过观察比较信号幅值变化判断材料是否凝固。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)光纤与压电片较易获得，制作成本低；

(2)测试系统结构比较简单，不需要复杂的设计加工；

(3)不会对一些材料的化学结构造成破坏；

(4)易操作，不需要很复杂的分析与计算。

附图说明

图1为检测系统结构框图；

图2为5个周期经过汉宁窗调制后的归一化正弦信号；

图3为α-氰基丙烯酸乙酯(俗称502胶水)还未开始凝固时接收端信号；

图4为5分钟后α-氰基丙烯酸乙酯正在凝固时接收端信号；

图5为15分钟后α-氰基丙烯酸乙酯完全凝固时接收端信号。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下检测材料凝固的实例，具体步骤如下：

1.选取长条型PZT压电陶瓷，尺寸为30mm×3mm×1mm；

2.选取光纤长度为50mm，其中光纤外径为62.5um。

3.使用502胶水将PZT压电陶瓷片与光纤耦合在一起并保持压电陶瓷长度方向与光纤长度方向一致；

4.搭建检测系统结构框图如图1所示；

5.通过超声激励器施加5个周期峰-峰值为10V，中心频率为700kHz的汉宁窗调制后的正弦信号，归一化曲线如图2所示；

6.在计算机端对采集数据进行分析处理得到并显示出压电片信号；

7.取适量502胶水滴在光纤末端，记光纤刚接触到胶水时为t＝0min，此时信号采集数据经过计算机分析处理后得到信号如图3所示，图3中的标号1是超声波第一次反射的信号，由于液态状态下信号衰减系数最大以至于只能接收到一次的反射信号，其峰-峰值为14.4mV；

8.光纤接触到502胶水5min后计算机显示信号如图4所示，胶水正在凝固但未完全凝固，图4中的标号1、2、3、4、5分别是信号接收器接受到的第一次至第五次的反射信号，其峰-峰值分别为3.60mV、1.733mV、1.06mV、1.01mV、0.76mV。

9.光纤接触到502胶水15min后计算机显示信号如图5所示，此时胶水已经完全凝固，信号的衰减系数到达最小，接收到的反射信号幅值最大。图5中的标号1、2、3、4、5分别是信号接收器接受到的第一次至第五次的反射信号，其峰-峰值分别为5.70mV、3.16mV、2.610mV、2.30mV、1.91mV。

10.通过光纤接触到胶水后信号幅值的明显衰减，随着胶水的凝固幅值衰减逐渐减弱最后趋于稳定直至材料完全凝固，幅值不再变化，得出材料凝固的结论。