基于互相关算法的单丝取向度测量装置及测量方法与流程

本发明属于测量控制领域，具体涉及一种基于互相关算法的单丝取向度测量装置及测量方法。

背景技术：

单丝是化学纤维生产中用单孔喷丝头所制得的支数较小的单根长丝，广泛应用在生产生活中。取向度是指高分子材料在加工制造中受外力作用，高分子链会沿着作用力的方向进行某种程度的有序排列，排列的整齐程度称作取向度。高分子材料取向度不同，其表现出来的强度、硬度等各方面性质不同，因此对取向度的测量就很有必要。

目前测量高分子取向度主要有光学双折射法、红外二向色性法、x射线衍射法、声速法。其中双折射法主要应用光学原理，但只能测量透明的高分子材料，应用范围小。红外二色性法应用于非结晶型和结晶型的高分子材料，但检测时需要对样品进行切片处理，损坏样品，制作较为麻烦，且检测周期时间长。x射线衍射法测量结果只可以用于对比，做定性测量，并且所需仪器昂贵，不适用于工业应用。声速法常用在取向度高的材质上，例如薄膜，丝等。有实现无损检测、穿透力强等优点。此方法原理简单，安装方便，使用仪器成本较低，但反映的是材料取向度的平均值。综合考虑各种因素，本发明拟采用声速法测量单丝取向度。

相关检测技术是为了去除信号中的噪声等无用信号，利用信号的周期性的特点和噪声随机性的性质，基于自相关或互相关的关系处理信号，将噪音去掉。由于噪声和信号是相互独立的，因此信号与噪声无关，只与自身信号相关。互相关检测即是将两个具有相关性的信号通过函数进行互相关运算，从而提高信号处理结果的稳定性及准确率。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术存在的问题，提供了一种基于互相关算法的单丝取向度测量装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于互相关算法的单丝取向度测量装置，具体技术方案如下：

基于互相关算法的单丝取向度测量装置，由声音信号传播装置和电信号处理装置组成，其特征在于，声音信号传播装置的结构包括一个水平设置的、轴向带有刻度的杆状的刻度底座，刻度底座两端固定安装有竖直的杆状的样品固定支架，每个样品固定支架顶端均有一个固定夹，两端的两个样品固定支架之间有两个竖直的压电陶瓷支架，两个压电陶瓷支架均活动安装在刻度底座上，且两个压电陶瓷支架均可沿刻度底座的轴向滑动，两个压电陶瓷支架的结构相同，均为顶端带有压电陶瓷传感器的杆状支架，每个压电陶瓷传感器上均焊接带有圆孔的导电金属，测量时待测单丝样品穿过两个压电陶瓷传感器的导电金属的圆孔，令单丝样品和导电金属保持接触，单丝样品的两端拴住两个重量相同的砝码后经固定夹固定在两端的样品固定支架上，其中一个压电陶瓷支架作为发送端压电陶瓷支架，另一个压电陶瓷支架作为接收端压电陶瓷支架，电信号处理装置包括电源、电源转换器、信号处理器、信号采集器、数据处理器、显示器和激励电平产生器，发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器与激励电平产生器连接，接收端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器与信号处理器连接，信号处理器经过信号采集器和数据处理器与显示器连接，信号处理器、信号采集器、数据处理器、显示器、激励电平产生器分别通过电源转换器与电源连接。

进一步的技术方案包括：

样品固定支架上端的固定夹由两个消音薄垫及一个金属夹构成，两个消音薄垫通过金属夹与样品固定支架顶端相连，单丝样品固定在两个消音薄垫之间。

压电陶瓷支架由竖直的杆状的支架、位于支架底部的可移动底座和消音垫构成，可移动底座通过自身底部的滑槽与刻度底座滑动配合安装,使电陶瓷支架可沿刻度底座的轴向滑动，支架的底部与移动底座上端面之间安装有消音垫。

本发明还提供了一种基于互相关算法的单丝取向度测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、将待测的单丝样品(3)穿过两个压电陶瓷传感器(2)上的导电金属(4)后，再将待测的单丝样品(3)两端栓上重量相同的砝码(1)并由两端的样品固定支架(8)上的消音薄垫(9)固定，使待测的单丝样品(3)保持自然伸直状态，打开电信号处理装置的电源；

步骤二、将发送端压电陶瓷支架固定，将接收端压电陶瓷支架移动至位置1处，位置1选择在发送端压电陶瓷支架与距离发送端压电陶瓷支架较远的样品固定支架(8)之间，使激励电平产生器产生脉宽为300ms、幅值为-12v—12v的单脉冲，输入至声音信号传播装置中的发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器(2)，发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器(2)接收单脉冲后产生振动信号在单丝样品(3)中传播；振动信号经单丝样品(3)传播，由接收端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器(2)接收并将振动信号转换为电信号，输入至信号处理器，信号处理器将接收到的电信号进行滤波和放大，处理后的电信号记为电信号a，电信号a经信号采集器以1us为采样间隔进行采集后输入至数据处理器中并存储为数组s[n1]，n1为数组长度，记为信号组1；

步骤三、将接收端压电陶瓷支架移动至位置2处，位置2选择在位置1与距离发送端压电陶瓷支架较远的样品固定支架(8)之间，使激励电平产生器产生脉宽为300ms、幅值为-12v—12v的单脉冲，输入至声音信号传播装置中发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器(2)，发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器(2)接收单脉冲后产生振动信号在单丝样品(3)中传播；振动信号经单丝样品(3)传播，由接收端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器(2)接收并将振动信号转换为电信号，输入至信号处理器，信号处理器将接收到的电信号进行滤波和放大，处理后的电信号记为电信号b，电信号b经信号采集器以1us为采样间隔进行采集后输入至数据处理器中并存储为数组k[n2]，n2为数组长度，记为信号组2；

步骤四、由于信号组1与信号组2由同一个压电陶瓷传感器(2)即发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器(2)产生，因此接收到的两个信号组具有相关性，因此根据互相关算法公式(1)计算数组s[n1]和数组k[n2]的互相关函数rsk[m]：

式中rsk[m]为s[n1]与k[n2]的互相关函数，n为互相关函数的数组长度，且n2>＝2n，n＝n1，其中n＝0,1,2,3……n-1，s[n]表示数组s[n1]内的第n+1个元素，m＝0,1,2,3……n-1，k[n+m]为数组k[n2]内的第n+m+1个元素，计算m取值不同时的互相关函数rsk[m]，组成互相关函数数组rsk[n]；

举例：当m＝0时，n＝0,1,2,3……n-1，公式(1)可表述为：

rsk[0]＝s[0]*k[0+0]+s[1]*k[1+0]+s[2]*k[2+0]……+s[n]k[n+m]；

当m＝1时，n＝0,1,2,3……n-1，公式(1)可表述为：

rsk[1]＝s[0]*k[0+1]+s[1]*k[1+1]+s[2]*k[2+1]……+s[n]k[n+1]；

当m＝2时，n＝0,1,2,3……n-1，公式(1)可表述为：

rsk[2]＝s[0]*k[0+2]+s[1]*k[1+2]+s[2]*k[2+2]……+s[n]k[n+2]；

……

当m＝n-1时，n＝0,1,2,3……n-1，公式(1)可表述为：

rsk[n-1]＝s[0]*k[0+n]+s[1]*k[1+n]+s[2]*k[2+n]……+s[n]k[n+n-1]；

步骤五、找出互相关函数数组rsk[n]中各元素rsk[m]的最大值并记为rsk[a]，取rsk[a]中对应的a，通过公式(2)计算延迟时间τ，式中t为信号采集器采样间隔1us；

τ＝a*t(2)

根据公式(3)计算振动信号在单丝样品(3)中的传播声速cx，式中s为接收端压电陶瓷支架在位置1时与接收端压电陶瓷支架在位置2时的距离，该距离s可以直接通过位置1与位置2在刻度底座(7)上的刻度得到：

步骤六、根据公式(4)计算待测的单丝样品(3)的取向度f：

式中cu是单丝样品(3)无取向时的声速值，同一种材料的cu是固定的常数；

步骤七、数据处理器将步骤六中计算得到的取向度f输入至显示器显示。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明基于声速法测量单丝取向度，由于声速法测量取向度原理简单，操作方便，实用性强，因此可广泛应用于工业生产及实验室研究中。

2.声音信号传播装置如图1所示，发送端压电陶瓷支架和接收端压电陶瓷支架的可移动底座与支架之间的消音垫、以及单丝样品与两端固定夹接触处的消音薄垫均使用消音材料，可对振动信号进行吸收，以保证振动信号仅能从单丝样品中传播，从而有效提高单丝取向度的测量精度。

3.本方法采样间隔设置为1us,可提高测量精度，减少测量误差，并降低测量成本。

4.本发明采用互相关算法测量单丝取向度，改善了传统方法中由于不同传感器，不同设置阈值引入的误差，提高了测量的精确性及稳定性。

5.非破坏式的测量方法，实现了单丝取向度的无损检测，避免了对单丝样品的破坏性测量，减少了样品消耗，降低测量成本。

6.本发明方法适用于任何丝状高分子聚合物的取向度测量中。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的基于互相关算法的单丝取向度测量装置中的声音信号传播装置结构示意图；

图2为本发明所述的基于互相关算法的单丝取向度测量装置中的声音信号传播装置中的固定夹的结构示意图；

图3为本发明所述的基于互相关算法的单丝取向度测量装置中的声音信号传播装置中的压电陶瓷支架的结构示意图；

图4为本发明所述的基于互相关算法的单丝取向度测量装置中的信号处理装置结构示意图；

图中：1.砝码，2.压电陶瓷传感器，3.单丝样品，4.导电金属，5.固定夹，6.压电陶瓷支架，7.刻度底座，8.样品固定支架，9.消音薄垫，10.金属夹，11.支架，12.可移动底座，13.消音垫。

具体实施方式

下面结合附图和一个具体的实施例对本发明作详细的描述：

实施例：

基于互相关算法的单丝取向度测量装置，由声音信号传播装置和电信号处理装置组成，声音信号传播装置的结构包括一个水平设置的、轴向带有刻度的杆状的刻度底座7，刻度范围为0-1m，刻度底座7两端固定安装有竖直的杆状的样品固定支架8，每个样品固定支架8顶端均有一个固定夹5，固定夹5由两个消音薄垫9和一个金属夹10组成。两端的两个样品固定支架8之间有两个竖直的压电陶瓷支架6，两个压电陶瓷支架6均活动安装在刻度底座7上，且两个压电陶瓷支架6均可沿刻度底座7的轴向滑动，两个压电陶瓷支架6的结构相同，均为顶端带有压电陶瓷传感器2的杆状支架，压电陶瓷支架6由竖直的杆状的支架11、位于支架11底部的可移动底座12和消音垫13构成，可移动底座12通过自身底部的滑槽与刻度底座滑动配合安装使电陶瓷支架6可沿刻度底座7的轴向滑动，支架11的底部与移动底座12上端面之间安装有消音垫13，其中选用吸音海绵作为固定夹5中的消音薄垫9及压电陶瓷支架6中的消音垫13的材料。每个压电陶瓷传感器2上均焊接带有圆孔的导电金属4，选用以黄铜作为基板材料的压电陶瓷，金属片直径为27mm，陶瓷片直径为17mm。测量时待测的单丝样品3穿过两个压电陶瓷传感器2的导电金属4的圆孔，令单丝样品3和导电金属4保持接触，单丝样品3的两端拴住两个重量相同的砝码1后经金属夹10固定在两端的样品固定支架8上，其中一个压电陶瓷支架6作为发送端压电陶瓷支架，则另一个压电陶瓷支架6作为接收端压电陶瓷支架，将两端的样品固定支架8固定在刻度底座上10cm及90cm处，发送端压电陶瓷支架固定在30cm处，接收端压电陶瓷支架固定在50cm处。

电信号处理装置包括电源、电源转换器、信号处理器、信号采集器、数据处理器、显示器和激励电平产生器，发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器2与激励电平产生器连接，接收端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器2与信号处理器连接，信号处理器经过信号采集器和数据处理器与显示器连接，信号处理器、信号采集器、数据处理器、显示器、激励电平产生器分别通过电源转换器与电源连接。电信号处理装置中将各部分电路集成为一个电路板，选用12v作为供电电压；选用stm32f103vet6作为电信号处理装置的核心控制器；选用lm1117及lm2576作为电源转换器芯片；选用ad623芯片及不同外部电路作为电路结构中的激励电平产生器和信号处理器。

基于互相关算法的单丝取向度测量方法的具体步骤如下：

步骤一、将待测的单丝样品3穿过两个压电陶瓷传感器2上的导电金属4后再将待测的单丝样品3两端栓上重量相同的砝码1并由两端的样品固定支架8上的消音薄垫9固定，使待测的单丝样品3保持自然伸直状态，打开电信号处理装置的电源，选用12v作为供电电压，使系统处于工作状态。

步骤二、将发送端压电陶瓷支架固定在刻度底座7的30cm刻度处，将接收端压电陶瓷支架移动到刻度底座7的50cm刻度处(位置1)，使激励电平产生器产生脉宽为300ms、幅值为-12v—12v的单脉冲，输入至声音信号传播装置中的发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器2，发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器2接收单脉冲后产生振动信号在单丝样品3中传播，振动信号经单丝样品3传播，由接收端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器2接收并将振动信号转换为电信号，输入至信号处理器，信号处理器将接收到的电信号进行滤波和放大，处理后的电信号记为电信号a，电信号a经信号采集器以1us为采样间隔进行采集后输入至数据处理器中存储为数组s[n1]，n1为数组长度，记为信号组1，实际测量中为保证测量精度，通常n1不少于1000。

步骤三、将接收端压电陶瓷支架移动到刻度底座7的80cm刻度处(位置2)，使激励电平产生器产生脉宽为300ms、幅值为-12v—12v的单脉冲，输入至声音信号传播装置中发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器2，发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器2接收单脉冲后产生振动信号在单丝样品3中传播；振动信号经单丝样品3传播，由接收端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器2接收并将振动信号转换为电信号，输入至信号处理器，信号处理器将接收到的电信号进行滤波和放大，处理后的电信号记为电信号b，电信号b经信号采集器以1us为采样间隔进行采集后输入至数据处理器中并存储为数组k[n2]，n2为数组长度，记为信号组2,实际测量中为保证测量精度，通常n2不少于2000。

步骤四、由于信号组1与信号组2由同一个压电陶瓷传感器2即发送端压电陶瓷支架上的压电陶瓷传感器2产生，因此接收到的两个信号组具有相关性，因此根据互相关算法公式(1)计算数组s[n1]和数组k[n2]的互相关函数rsk[m]：

式中rsk[m]为s[n1]与k[n2]的互相关函数，n为互相关函数的数组长度，且n2>＝2n，n＝n1，其中n＝0,1,2,3……n-1，s[n]表示数组s[n1]内的第n+1个元素，m＝0,1,2,3……n-1，k[n+m]为数组k[n2]内的第n+m+1个元素，计算m取值不同时的互相关函数rsk[m]，组成互相关函数数组rsk[n]；

举例：当m＝0时，n＝0,1,2,3……n-1，公式(1)可表述为：

rsk[0]＝s[0]*k[0+0]+s[1]*k[1+0]+s[2]*k[2+0]……+s[n]k[n+m]；

当m＝1时，n＝0,1,2,3……n-1，公式(1)可表述为：

rsk[1]＝s[0]*k[0+1]+s[1]*k[1+1]+s[2]*k[2+1]……+s[n]k[n+1]；

当m＝2时，n＝0,1,2,3……n-1，公式(1)可表述为：

rsk[2]＝s[0]*k[0+2]+s[1]*k[1+2]+s[2]*k[2+2]……+s[n]k[n+2]；

……

当m＝n-1时，n＝0,1,2,3……n-1，公式(1)可表述为：

rsk[n-1]＝s[0]*k[0+n]+s[1]*k[1+n]+s[2]*k[2+n]……+s[n]k[n+n-1]；

步骤五、找出互相关函数数组rsk[n]中各元素rsk[m]的最大值并记为rsk[a]，取rsk[a]中对应的a，通过公式(2)计算延迟时间τ，式中t为信号采集器采样间隔1us；

τ＝a*t(2)

根据公式(3)计算振动信号在单丝样品3中的传播声速cx，式中s为接收端压电陶瓷支架在位置1时与接收端压电陶瓷支架在位置2时的距离，该距离s可以直接通过位置1与位置2在刻度底座7上的刻度得到：

步骤六、根据公式(4)计算待测的单丝样品3的取向度f：

式中cu是单丝样品3无取向时的声速值，同一种材料的cu是固定的常数；

步骤七、数据处理器将步骤六中计算得到的取向度f输入至显示器显示。