本发明属于检测方法技术领域，具体是涉及一种聚合物中声速与衰减系数一体化检测方法。
背景技术：
聚合物零件多采用注塑方式成型，超声波在其中的传播速度和衰减系数是其微观结构的重要表征指标。声速可以表征聚合物零件的结晶度和取向度，衰减系数与结晶零件的晶粒粒度紧密关联。针对聚合物零件的声速，目前主要采用渡越时间法测量，即测量零件的壁厚以及超声波传播时间计算声速；针对衰减系数，目前主要是根据回波信号的幅值结合衰减系数定义进行计算。这些检测方式具有以下缺点：
(1)渡越时间法需要已知被测聚合物的壁厚，该方法不能用于聚合物注塑过程的在线监测。
(2)根据回波信号幅值计算衰减系数，所利用信息少且声压幅值受干扰因素众多，计算精度低。
技术实现要素：
本发明针对现有检测方式的问题，基于超声传播理论，提出了一种超声波声速与衰减系数的一体化检测方法，可用于在线监测，精度高。
一种聚合物中声速与衰减系数一体化检测方法，包括如下步骤：
(1)将超声探头正对待检测样品发射超声波；
(2)采集样品上下表面的反射回波，求取反射回波的幅值谱，所述样品正对超声探头的一侧定义为上表面，背对的一侧为下表面；
(3)根据得到的反射回波的幅值谱，求得待检测样品的超声传播速度、样品的厚度以及样品的衰减系数。
作为优选，步骤(3)中，具体包括：
(3-1)对得到的幅值谱H(f)求对数；其中U1(f)为上表面反射回波的频谱，U2(f)为下表面反射回波的频谱；
(3-2)求取反射回波的幅值谱的对数与频率f的关系图，并对其进行线性拟合得到线性函数关系图；其中，f为离散频率；
(3-3)求取得到的线性函数关系图的纵轴截距D，根据下式求取超声波在待检测样品的传播速度c：
Z＝ρc
D＝lnK
上述式中：Z0为待检测样品上表面与超声探头之间介质的声阻抗，Z为待检测样品的声阻抗，ρ为待检测样品的密度，c为超声波在待检测样品的传播速度；
(3-4)，通过上下表面反射回波的时间差Δt计算样品的厚度x，其表达式如下：
x＝c×Δt/2
(3-5)求取得到的线性函数关系图的斜率k，根据k＝-2mxα÷fc，求得衰减系数α；其中m＝0.115为衰减系数单位由dB/cm转化为Np/cm的系数，fc为超声探头的中心频率。
本发明中，所述的f为离散频率，具体讲在接收超声回波时按照一定的采样频率fs和采样点数：2N进行采样，f就是0-fs之间的离散值，步长为fs/2N，也就说f表示一系列离散的频率：0，fs/2N，(fs/2N)*2，(fs/2N)*2*2,......，fs。
本发明可以对离线样品(零件)进行检测，作为优选，所述样品为离线样品，检测前将所述样品置于介质液中，检测时，所述超声探头浸渍于所述介质液中，所述Z0为介质液的声阻抗。
所述介质液充当耦合剂，用于保证超声波能够有效进入被测样品。所述耦合剂为水或者甘油、机油等。
本发明也可以用于在线样品的检测，作为优选，所述样品为在线样品，所述超声探头紧贴在线样品外侧的模腔侧壁，所述Z0为所述模腔侧壁的声阻抗。可选择的，可在超声探头与模腔侧壁之间涂抹所述的耦合剂，以提高检测精度。
作为优选，所述待检测样品为表面平整的聚合物物品，比如可以为离线的塑料件或者在线的采用注塑成型的塑料件样品等。
以检测离线塑料件，并且采用水为介质液为例，上述基于超声传播理论的声速和衰减系数的一体化检测方法，其原理如下：超声波在塑料零件中传播时，会在塑料上下表面产生回波信号，上下表面回波信号之间的关系由传递函数决定：
其中H(f)为传递函数(即回波幅值谱)，U1(f)为上表面回波的频谱(U1(f)＝FT(u1(t)))，U2(f)为下表面回波的频谱。H(f)与介质的密度、声速、衰减系数有关：
式中：Z0为水的声阻抗，Z为塑料零件的声阻抗，Z＝ρc，ρ为塑料的密度，c为超声波在塑料中的传播速度。m＝0.115为衰减系数单位由dB/cm转化为Np/cm的系数。x为塑料零件厚度，α为衰减系数，fc为超声探头的中心频率，f为离散频率(比如采集数据的时候采样频率是50MHz，采样点数是128个点，那这个f就表示用128个点将0-50MHz平均等分的离散频率值)。Φ1(f)，Φ2(f)分别为上下表面反射回波的相位谱。对传递函数等式两边同时取对数可得：
其中|H(f)|表示对H(f)取模；
当作出f-ln|H(f)|曲线时，lnK为纵轴截距，-2mxa÷fc为斜率。因此得到样品的上下表面回波后，可以作出回波幅值谱的对数与频率的关系图，并对其进行线性拟合得到线性函数关系。通过该拟合直线得到K值，进而可以计算出超声传播速度c，通过上下表面反射回波的时间差计算壁厚，其表达式如下：
x＝c×Δt/2
式中x为塑料零件壁厚，Δt为上下表面反射回波的时间差。
上述基于超声传播理论的声速和衰减系数的一体化检测方法，应当在检测前已知被测塑料的密度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明检测方法操作简单，计算方便，检测成本低廉，不破坏被测样品，易于实现在线监测，可以同时检测聚合物零件的声速、衰减系数、壁厚。
附图说明
图1是本发明超声检测原理图。
图2是本发明用于PMMA检测的反射回波实测图。
图3是本发明用于PMMA检测的回波幅值谱的对数值与频率的关系图。
具体实施方式
为使本发明被更清楚地理解，下面根据本发明的具体实例及附图，对本发明进行进一步的说明。
如图1所示，是本发明的超声检测原理图，包括超声探头1，容器2，水3，样品4。
塑料零件的超声检测方法，包括：
将样品放置在装满水的容器中。
使用水浸超声探头发射具有一定中心频率的脉冲波。检测时保证超声探头正对样品上表面。
使用示波器采集接收样品上下表面的反射回波。
根据傅里叶变换计算样品上下表面反射回波的频谱。
做出反射回波幅值谱的对数值与频率的关系图，并进行线性拟合。
找到拟合直线的纵轴截距并计算K值。
根据K值计算超声波传播速度c。
根据声速c以及上下表面反射回波的时间差计算壁厚。
根据壁厚以及拟合曲线的斜率值计算衰减系数。
图2为PMMA的反射回波实测示意图。第一个波形为上表面反射回波，第二个波形为下表面反射回波，两个波形之间的时间差为3.28μs。超声波的中心频率为2.5MHz。
图3为用于PMMA检测的回波幅值谱的对数值与频率的关系图。通过线性拟合，得到lnK＝-0.1245，并已知PMMA密度为1.18g/cm3，进而计算出超声波在PMMA中传播速度为2547m/s，根据时间差计算出PMMA的壁厚为4.18mm，实测厚度为4.46mm，相对误差为6.3％，衰减系数为7.25dB/cm。对比表明该方法精度较高。
以上所述仅为本发明的一个应用实例，并非对适用被测样品范围的限定。可应用本发明测量的零件，这里无需也无法一一穷举，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明保护范围之内。