基于过零检测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，具体涉及一种基于过零检测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。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术存在的问题，提供了一种基于过零检测法的单丝取向度测量装置及测量方法。

所述的基于过零检测法的单丝取向度测量装置，具体技术方案如下：

基于过零检测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超声波传感器支架，两个超声波传感器支架均活动安装在刻度底座上，且两个超声波传感器支架均可沿刻度底座的轴向滑动，两个超声波传感器支架的结构相同，均为顶端带有超声波传感器的杆状支架，每个超声波传感器均直立固定在超声波传感器支架上，测量时待测的单丝样品直接和超声波传感器表面保持接触，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，其中固定有发送功能的发送端超声波传感器的超声波传感器支架作为发送端超声波传感器支架，另一个固定有接收功能的接收端超声波传感器的超声波传感器支架作为接收端超声波传感器支架；

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、激励电平产生器和激励电平处理器；发送端超声波传感器支架上的发送端超声波传感器与激励电平处理器连接，接收端超声波传感器支架上的接收端超声波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、激励电平处理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：

样品固定支架顶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，单丝样品通过金属夹夹持固定在两个消音薄垫之间。

超声波传感器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，支架的底部与可移动底座上端面之间安装消音垫。

超声波传感器使用超声波传感器胶与超声波传感器支架顶端粘贴在一起。

所述的基于过零检测法的单丝取向度测量方法，具体步骤如下：

步骤一、将待测的单丝样品两端栓上重量相同的砝码后，再将待测的单丝样品搭在发送端超声波传感器上和接收端超声波传感器上，最后用两端的样品固定支架上的金属夹和消音薄垫将单丝样品固定，使待测的单丝样品保持自然伸直状态，打开电信号处理装置的电源；

步骤二、将发送端超声波传感器支架固定，将接收端超声波传感器支架移动至位置1处，位置1选择在发送端超声波传感器支架与距离发送端超声波传感器支架较远的样品固定支架之间，使激励电平产生器产生脉宽为12us、幅值为3.3V的单脉冲，进入激励电平处理器后产生脉宽为12us、幅值为5V的单脉冲和脉宽为12us、幅值为-5V的单脉冲，再分别将激励电平处理器产生的这两个单脉冲输出至发送端超声波传感器上，发送端超声波传感器接收单脉冲后产生振动信号在单丝样品中传播；振动信号经单丝样品传播，由接收端超声波传感器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500ns为采样间隔T进行采集后输入至数据处理器中并存储为数组s[N]，N为数组长度，记为信号组1；

步骤三、对采集到的信号组1的数据进行过零检测：

由于信号开始会有一些干扰，并且信号波峰的幅值都大于2V，波谷的幅值都小于1V，所以首先过滤掉信号中对波峰、波谷查找的干扰，即如果信号幅值大于2V或者小于1V，直接舍弃掉，不用于进行接下来的比较；首先查找第一个波峰，s[n]表示数组s[N]内的第n+1个元素，n＝1,2,3,4,……N-1；

从n＝1开始查询直至检测到第一个波峰，如果s[n]不小于它左右两侧的值，即s[n]≥s[n-1]且s[n]≥s[n+1]，那么n+1对应的值即是第一个波峰对应的时间点，找到第一个波峰对应的时间点后，从m＝n+1开始往后查询，如果s[m]比零点的幅值1.5V大，而且s[m+1]比零点的幅值1.5V小的话，即s[m]>1.5V并且s[m+1]<1.5V，就用m，s[m]，m+1，s[m+1]构建二元一次函数，设二元一次函数的斜率为k1，k1＝s[m+1]-s[m]；设二元一次函数的截距为b1，b1＝(m+2)*s[m]-(m+1)*s[m+1]；设信号组1过零点检测的零点处对应的信号采集序列号为a1，那么a1＝(1.5-b1)/k1；由此即可计算得到信号组1过零点检测的零点处对应的信号采集序列号a1；

步骤四、将接收端超声波传感器支架移动至位置2处，位置2选择在位置1与距离发送端超声波传感器支架较远的样品固定支架之间，使激励电平产生器产生脉宽为12us、幅值为3.3V的单脉冲，进入激励电平处理器后产生脉宽为12us、幅值为5V的单脉冲和脉宽为12us、幅值为-5V的单脉冲，再分别将激励电平处理器产生的这两个单脉冲输出至发送端超声波传感器上，发送端超声波传感器接收单脉冲后产生振动信号在单丝样品中传播；振动信号经单丝样品传播，由接收端超声波传感器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500ns为采样间隔T进行采集后输入至数据处理器中并存储为数组p[J]，J为数组长度，记为信号组2；

步骤五、对采集到的信号组2的数据进行过零检测：

由于信号开始会有一些干扰，并且信号波峰的幅值都大于2V，波谷的幅值都小于1V，所以首先过滤掉信号中对波峰、波谷查找的干扰，即如果信号幅值大于2V或者小于1V，直接舍弃掉，不用于进行接下来的比较；首先查找第一个波峰，p[j]表示数组p[J]内的第j+1个元素，j＝1,2,3,4,……J-1；

从j＝1开始查询直至检测到第一个波峰，如果p[j]不小于它左右两侧的值，即p[j]≥p[j-1]且p[j]≥p[j+1]，那么j+1对应的值即是第一个波峰对应的时间点，找到第一个波峰对应的时间点后，从q＝j+1开始往后查询，如果p[q]比零点的幅值1.5V大，而且p[q+1]比零点的幅值1.5V小的话，即p[q]>1.5V并且p[q+1]<1.5V，就用q，p[q]，q+1，p[q+1]构建二元一次函数，设二元一次函数的斜率为k2，k2＝p[q+1]-p[q]；设二元一次函数的截距为b2，b2＝(q+2)*p[q]-(q+1)*p[q+1]；设信号组2过零点检测的零点处对应的信号采集序列号为a2，那么a2＝(1.5-b2)/k2；由此即可计算得到信号组2过零点检测的零点处对应的信号采集序列号a2；

步骤六、通过式(1)计算超声波在单丝样品中从位置1传播至位置2的延迟时间△t，式中T为信号采集器采样间隔500ns；

记对单丝样品在位置1处采集到的信号组1的数据进行过零点检测的零点处和对单丝样品在位置2处采集到的信号组2的数据进行过零点检测的零点处之间的信号采集序列号差值为a，a＝a2-a1；

△t＝a*T (1)

根据式(2)计算振动信号在单丝样品中的传播声速Cx，式中s为位置1与位置2的距离，该距离s可以直接通过位置1与位置2在刻度底座上的刻度得到：

步骤七、根据式(3)计算待测的单丝样品的取向度F：

式中Cu是单丝样品无取向时的声速值，同一种材料的Cu是固定的常数；

步骤八、数据处理器将步骤七中计算得到的取向度F输入至显示器显示。

本发明采用过零检测法，是为了避免声波在单丝中的反射信号与待处理信号波形进行叠加对测量结果造成的影响，利用声波在单丝中的传播存在延时，可以只对信号波形中靠前的信号(即没有受反射影响的信号)进行处理。由于信号采集器只能采集大于等于0V的信号，故在采集之前把信号整体抬高了1.5V，所以这里的零点并不是真正的0，而是幅值为1.5V对应的点。具体的处理方法是查找第一个波峰后的零点左右两侧的两点，然后再用这两点拟合二元一次函数，最后将零点处的幅值带入函数即可求得零点处对应的时间点。避免了声波的反射对测量结果的影响，提高了测量的稳定性，减小了误差。

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，发送端超声波传感器支架和接收端超声波传感器支架的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500ns,测量精度比较高，减少测量误差，并降低测量成本。

4.本发明采用过零检测法测量单丝取向度，避免了传统方法中信号反射对测量造成的不确定性，提高了测量的准确性及稳定性。

5.本发明采用超声波传感器，与传统的声波传感器相比，不易受外界声音的干扰，提高了测量的准确性，减小误差。

6.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。

7.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过零检测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过零检测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过零检测法的单丝取向度测量装置中的声音信号传播装置中的超声波传感器支架的结构示意图；

图4为本发明所述的基于过零检测法的单丝取向度测量装置中的电信号处理装置结构示意图；

图5为本发明所述的基于过零点检测法的单丝取向度测量方法流程图；

图中：1.砝码，2.发送端超声波传感器，3.单丝样品，4.接收端超声波传感器，5.固定夹，6.超声波传感器支架，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：

基于过零检测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之间有两个竖直的超声波传感器支架6，两个超声波传感器支架6均活动安装在刻度底座7上，且两个超声波传感器支架6均可沿刻度底座7的轴向滑动，两个超声波传感器支架6的结构相同，均为顶端带有超声波传感器的杆状支架，超声波传感器支架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，支架11的底部与可移动底座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及超声波传感器支架6中的消音垫13的材料。测量时待测的单丝样品3直接与超声波传感器表面保持接触，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，其中一个装有发送端超声波传感器2的超声波传感器支架6作为发送端超声波传感器支架，则另一个装有接收端超声波传感器4的超声波传感器支架6作为接收端超声波传感器支架，将两端的样品固定支架8固定在刻度底座上10cm及90cm处，发送端超声波传感器支架固定在30cm处，接收端超声波传感器支架固定在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、激励电平产生器和激励电平处理器，发送端超声波传感器2与激励电平处理器连接，接收端超声波传感器4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、激励电平处理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74HC04芯片作为激励信号处理器及NJM082D芯片作为信号处理器。

基于过零检测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3两端栓上重量相同的砝码1后，再将待测的单丝样品3搭在发送端超声波传感器2上和接收端超声波传感器4上，用两端的样品固定支架8上的消音薄垫8将单丝固定，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、将发送端超声波传感器支架固定在刻度底座7的30cm刻度处，将接收端超声波传感器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12us、幅值为3.3V的单脉冲，进入激励电平处理器后产生脉宽为12us、幅值为5V的单脉冲和脉宽为12us、幅值为-5V的单脉冲，再分别将这两个单脉冲输出至发送端超声波传感器2上，发送端超声波传感器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，由接收端超声波传感器4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500ns为采样间隔T进行采集后输入至数据处理器中并存储为数组s[N]，N为数组长度；实际测量中为保证测量精度，通常N不少于1000。

步骤三、对采集到的信号组1的数据进行过零检测：

由于信号开始会有一些干扰，并且信号波峰的幅值都大于2V，波谷的幅值都小于1V，所以首先过滤掉信号中对波峰、波谷查找的干扰，即如果信号幅值大于2V或者小于1V，直接舍弃掉，不用于进行接下来的比较；首先查找第一个波峰，s[n]表示数组s[N]内的第n+1个元素，n＝1,2,3,4,……N-1；

从n＝1开始查询直至检测到第一个波峰，如果s[n]不小于它左右两侧的值，即s[n]≥s[n-1]且s[n]≥s[n+1]，那么n+1对应的值即是第一个波峰对应的时间点，找到第一个波峰对应的时间点后，从m＝n+1开始往后查询，如果s[m]比零点的幅值1.5V大，而且s[m+1]比零点的幅值1.5V小的话，即s[m]>1.5V并且s[m+1]<1.5V，就用m，s[m]，m+1，s[m+1]构建二元一次函数，设二元一次函数的斜率为k1，k1＝s[m+1]-s[m]；设二元一次函数的截距为b1，b1＝(m+2)*s[m]-(m+1)*s[m+1]；设信号组1过零点检测的零点处对应的信号采集序列号为a1，那么a1＝(1.5-b1)/k1；由此即可计算得到信号组1过零点检测的零点处对应的信号采集序列号a1；

步骤四、将接收端超声波传感器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12us、幅值为3.3V的单脉冲，进入激励电平处理器后产生脉宽为12us、幅值为5V的单脉冲和脉宽为12us、幅值为-5V的单脉冲，再分别将激励电平处理器产生的这两个单脉冲输出至发送端超声波传感器2上，发送端超声波传感器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，由接收端超声波传感器4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500ns为采样间隔T进行采集后输入至数据处理器中并存储为数组p[J]，J为数组长度，记为信号组2；

步骤五、对采集到的信号组2的数据进行过零检测：

由于信号开始会有一些干扰，并且信号波峰的幅值都大于2V，波谷的幅值都小于1V，所以首先过滤掉信号中对波峰、波谷查找的干扰，即如果信号幅值大于2V或者小于1V，直接舍弃掉，不用于进行接下来的比较；首先查找第一个波峰，p[j]表示数组p[J]内的第j+1个元素，j＝1,2,3,4,……J-1；

从j＝1开始查询直至检测到第一个波峰，如果p[j]不小于它左右两侧的值，即p[j]≥p[j-1]且p[j]≥p[j+1]，那么j+1对应的值即是第一个波峰对应的时间点，找到第一个波峰对应的时间点后，从q＝j+1开始往后查询，如果p[q]比零点的幅值1.5V大，而且p[q+1]比零点的幅值1.5V小的话，即p[q]>1.5V并且p[q+1]<1.5V，就用q，p[q]，q+1，p[q+1]构建二元一次函数，设二元一次函数的斜率为k2，k2＝p[q+1]-p[q]；设二元一次函数的截距为b2，b2＝(q+2)*p[q]-(q+1)*p[q+1]；设信号组2过零点检测的零点处对应的信号采集序列号为a2，那么a2＝(1.5-b2)/k2；由此即可计算得到信号组2过零点检测的零点处对应的信号采集序列号a2。

步骤六、通过式(1)计算超声波在单丝样品3中从位置1传播至位置2的延迟时间△t，式中T为信号采集器采样间隔500ns；

记对单丝样品3在位置1处采集到的信号组1的数据进行过零点检测的零点处和对单丝样品3在位置2处采集到的信号组2的数据进行过零点检测的零点处之间的信号采集序列号差值为a，a＝a2-a1；

△t＝a*T (1)

根据式(2)计算振动信号在单丝样品3中的传播声速Cx，式中s为位置1与位置2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：

步骤七、根据式(3)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；

步骤八、数据处理器将步骤七中计算得到的取向度F输入至显示器显示。