一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法、系统及装置与流程

1.本发明涉及密度检测技术领域，特别是涉及一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法、系统及装置。


背景技术：

2.现有方法例如沉降观察法、zeta电位法、流变测试法、多重光散射法、γ射线测试法能够从一定程度上获得陶瓷浆料状态信息，但上述方法都存在一个共同的问题，就是它们很难在确保精确测量精度和满足时效性的同时，从整体上获得浆料状态的数值表达，并且评估价格昂贵。而且过去的测量方法无法在浆料混合过程中实时反馈其状态信息，所以仍需要更先进的技术来实时监控浆料混合过程。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法、系统及装置，以实现对陶瓷浆料状态进行快速精确地检测并评估分析。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法、系统及装置。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法，所述方法包括以下步骤：
6.获取第一超声波换能器发出的超声波源信号和第二超声波换能器所接收的超声波回波信号；所述第一超声波换能器和第二超声波换能器分别设置在待测陶瓷浆料所在体积容器的相对应两侧，所述超声波回波信号与所述超声波源信号相对应；
7.根据所述超声波源信号和超声波回波信号，得到超声波在所述待测陶瓷浆料中的传输速度和待测陶瓷浆料声阻抗；
8.将待测陶瓷浆料声阻抗与所述传输速度相除，得到第一密度；
9.根据所述待测陶瓷浆料的温度和超声波在所述待测陶瓷浆料传播中的声衰减，通过温度补偿算法计算得到第二密度；
10.将所述第一密度和第二密度求和，得到待测陶瓷浆料密度。
11.进一步地，所述根据所述超声波源信号和超声波回波信号，得到超声波在所述待测陶瓷浆料中的传输速度和待测陶瓷浆料声阻抗，包括：
12.根据第一超声波换能器发出超声波源信号的时刻和第二超声波换能器接收超声波回波信号的时刻，得到传输时间，将第一超声波换能器与第二超声波换能器之间的距离除以传输时间，得到传输速度；
13.根据第二超声波换能器接收的超声波回波信号，得到待测陶瓷浆料声阻抗。
14.进一步地，所述根据所述待测陶瓷浆料的温度和超声波在所述待测陶瓷浆料传播中的声衰减，通过温度补偿算法计算得到第二密度，包括：
15.将陶瓷浆料传播中的声衰减与待测陶瓷浆料的温度以预设权重求和，得到第二密
度。
16.进一步地，所述第一密度采用如下方式计算：
[0017][0018]
其中：p0为第一密度，zx为待测陶瓷浆料声阻抗的电抗部分，v为超声波在所述待测陶瓷浆料中的传输速度。
[0019]
进一步地，所述第二密度采用如下方式计算：
[0020]
p1＝1.097.6α+2.04t-1.041
[0021]
其中：α为待测陶瓷浆料传播中的声衰减，t为待测陶瓷浆料的温度，p1为第二密度。
[0022]
第二方面，本发明实施例还提供了一种电感器等效电路建模系统，所述系统包括：
[0023]
数据获取模块，用于获取第一超声波换能器发出的超声波源信号和第二超声波换能器所接收的超声波回波信号；所述第一超声波换能器和第二超声波换能器分别设置在待测陶瓷浆料所在体积容器的相对应两侧，所述超声波回波信号与所述超声波源信号相对应；
[0024]
数据预处理模块，用于根据所述超声波源信号和超声波回波信号，得到超声波在所述待测陶瓷浆料中的传输速度和待测陶瓷浆料声阻抗；
[0025]
第一密度计算模块，用于将待测陶瓷浆料声阻抗与所述传输速度相除，得到第一密度；
[0026]
第二密度计算模块，用于根据所述待测陶瓷浆料的温度和超声波在所述待测陶瓷浆料传播中的声衰减，通过温度补偿算法计算得到第二密度；
[0027]
待测密度计算模块，用于将所述第一密度和第二密度求和，得到待测陶瓷浆料密度。
[0028]
进一步地，所述处理模块还包括：
[0029]
传输速度计算模块，用于根据第一超声波换能器发出超声波源信号的时刻和第二超声波换能器接收超声波回波信号的时刻，得到传输时间，将第一超声波换能器与第二超声波换能器之间的距离与传输时间相除，得到传输速度；
[0030]
声阻抗计算模块，用于根据第二超声波换能器接收的超声波回波信号，得到待测陶瓷浆料声阻抗。
[0031]
进一步地，所述第二密度计算模块，还用于：
[0032]
将陶瓷浆料传播中的声衰减与待测陶瓷浆料的温度以预设权重求和，得到第二密度。
[0033]
第三方面，本发明实施例还提供了一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测装置，所述装置包括第一超声波换能器、第二超声波换能器、陶瓷浆料体积容器、超声信号发射模块、a/d采样模块、单片机控制模块、温度模块和处理单元，所述第一超声波换能器和第二超声波换能器的探头置于陶瓷浆料体积容器的左右两侧，所述超声波换能器的探头与陶瓷浆料体积容器接触面覆盖有超声耦合剂，所述陶瓷浆料体积容器中置有待测陶瓷浆料，所述处理单元执行实现上述方法的步骤。
[0034]
进一步地，所述第一超声波换能器和第二超声波换能器均包括两个超声波换能
器，且第一超声波换能器和第二超声波换能器的两个超声波换能器之间相互对应。
[0035]
本发明提供的一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法、系统及装置。所述方法包括：获取第一超声波换能器发出的超声波源信号和第二超声波换能器所接收的超声波回波信号；两个超声波换能器分别设置在体积容器的相对应两侧；根据源信号和回波信号，得到超声波在待测陶瓷浆料中的传输速度和声阻抗；将待测陶瓷浆料声阻抗与传输速度相除，得到第一密度；根据浆料的温度和超声波在浆料中的声衰减，通过温度补偿算法计算得到第二密度，进而得到待测陶瓷浆料密度。本发明能够快速精确地对陶瓷浆料密度检测，且评估成本低。
附图说明
[0036]
图1是本发明实施例一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法流程示意图；
[0037]
图2是本发明实施例一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测系统的系统框图；
[0038]
图3是本发明实施例一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测装置的结构示意图；
[0039]
图4是本发明实施例交互界面中主页示意图；
[0040]
图5是本发明实施例交互界面中状态显示二级界面示意图；
[0041]
图6是本发明实施例交互界面中版本显示二级界面示意图；
[0042]
图7是本发明实施例交互界面中上部密度三级界面示意图；
[0043]
图8是本发明实施例交互界面中下部密度三级界面示意图。
具体实施方式
[0044]
为了使本技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明，显然，以下所描述的实施例是本发明实施例的一部分，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法，包括以下步骤：
[0046]
s11、获取第一超声波换能器发出的超声波源信号和第二超声波换能器所接收的超声波回波信号；所述第一超声波换能器和第二超声波换能器分别设置在待测陶瓷浆料所在体积容器的相对应两侧，所述超声波回波信号与所述超声波源信号相对应；
[0047]
其中，超声波换能器需要设置在相对应的位置上，如每组超声波换能器都包括两个时，分别设置在左右两侧的上下位置，且位置相对，避免位置偏差带来的检测误差进而影响检测结果。
[0048]
s12、根据所述超声波源信号和超声波回波信号，得到超声波在所述待测陶瓷浆料中的传输速度和待测陶瓷浆料声阻抗；
[0049]
根据第一超声波换能器发出超声波源信号的时刻和第二超声波换能器接收超声波回波信号的时刻，得到传输时间，将第一超声波换能器与第二超声波换能器之间的距离除以传输时间，得到传输速度；
[0050]
根据第二超声波换能器接收的超声波回波信号，得到待测陶瓷浆料声阻抗。
[0051]
其中，传输时间的获取可通过特征波查找算法，剔除掉冗余和异常误差数据，同时
可以获得特征波前后两个采样点的数据值，并根据软件细分算法可最终得到接收超声波回波信号的时刻。再依据发出超声波源信号的时刻，即可求得传播时间，声阻抗则取决于介质的密度与声波的速度，此处数据的获取在后续步骤中进一步进行处理。
[0052]
s13、将待测陶瓷浆料声阻抗与所述传输速度相除，得到第一密度；
[0053]
所述第一密度采用如下方式计算：
[0054][0055]
其中：p0为第一密度，zx为待测陶瓷浆料声阻抗的电抗部分，v为超声波在所述待测陶瓷浆料中的传输速度。
[0056]
上述公式能够通过如下方式进行推导：
[0057]
设第一超声波换能器所发出的超声波信号源振幅为p1，第二超声波换能器所接收的超声波回波信号振幅为p2，令：
[0058][0059]
式中，z1为已知的超声波换能器a1、b1的声阻抗，z2为超声波换能器a2、b2接收到的未知的待测陶瓷浆料声阻抗；
[0060]
同时，设超声波在待测陶瓷浆料传播中的声衰减为α，因此，
[0061][0062][0063]
令接收到的超声波回波信号振幅p2分成pr和px，令未知的待测陶瓷浆料声阻抗z2分成zr和zx，然后分别表示为
[0064][0065]
将等式zx＝zr+δz px＝pr+δp代入公式(2)得
[0066][0067]
由于δz2和δzδp的值非常微小，因此，可以忽略得
[0068][0069]
由公式(4)可知未知的待测陶瓷浆料声阻抗对于测量振幅的变化成正比，又因为令zx＝zr+δz，zx＝ρv，所以
[0070][0071]
此处通过考虑阻抗衰减的因素对待测浆料的密度进行测算，能够精确地得到待测浆料的密度值，同时便于与之后温度补偿算法得到的密度值进行综合分析。
[0072]
s14、根据所述待测陶瓷浆料的温度和超声波在所述待测陶瓷浆料传播中的声衰
减，通过温度补偿算法计算得到第二密度；
[0073]
将陶瓷浆料传播中的声衰减与待测陶瓷浆料的温度以预设权重求和，得到第二密度。
[0074]
所述第二密度采用如下方式计算：
[0075]
p1＝1.097.6α+2.04t-1.041
[0076]
其中α为待测陶瓷浆料传播中的声衰减，t为待测陶瓷浆料的温度，p1为第二密度。
[0077]
上述公式是通过实验分析得到的浆料密度、温度和超声波衰减之间的关系，本发明所提供的是在常态条件下的关系数据。在不同的实验条件下，公式中的权重数值应适当进行调整。
[0078]
s15、将所述第一密度和第二密度求和，得到待测陶瓷浆料密度。
[0079]
在此步骤中，因为阻抗衰减法和温度补偿算法是通过两个不同的角度进行密度检测，两种方法均具有一定优势但也会在不同方面存在误差，将两者综合得到最终的待测陶瓷浆料密度，使得测量结果更为准确。
[0080]
在一个实施例中，本发明还将得到的待测陶瓷浆料密度显示在lcd屏上，让使用者能够更方便直观的得到待测密度结果；还可以将得到的待测密度数据通过阿里云物联网平台发送给上位机，便于进一步地分析，处理。
[0081]
本发明提供的一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法，所述方法包括：获取第一超声波换能器发出的超声波源信号和第二超声波换能器所接收的超声波回波信号；两个超声波换能器分别设置在体积容器的相对应两侧；根据源信号和回波信号，得到超声波在待测陶瓷浆料中的传输速度和声阻抗；将待测陶瓷浆料声阻抗与传输速度相除，得到第一密度；根据浆料的温度和超声波在浆料中的声衰减，通过温度补偿算法计算得到第二密度，进而得到待测陶瓷浆料密度。本发明能够快速精确地对陶瓷浆料密度检测，且评估成本低。
[0082]
基于上述一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法，本发明实施例还提供了一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测系统，如图2所示，所述系统包括：
[0083]
数据获取模块1，用于获取第一超声波换能器发出的超声波源信号和第二超声波换能器所接收的超声波回波信号；所述第一超声波换能器和第二超声波换能器分别设置在待测陶瓷浆料所在体积容器的相对应两侧，所述超声波回波信号与所述超声波源信号相对应；
[0084]
数据预处理模块2，用于根据所述超声波源信号和超声波回波信号，得到超声波在所述待测陶瓷浆料中的传输速度和待测陶瓷浆料声阻抗；
[0085]
第一密度计算模块3，用于将待测陶瓷浆料声阻抗与所述传输速度相除，得到第一密度；
[0086]
第二密度计算模块4，用于根据所述待测陶瓷浆料的温度和超声波在所述待测陶瓷浆料传播中的声衰减，通过温度补偿算法计算得到第二密度；
[0087]
待测密度计算模块5，用于将所述第一密度和第二密度求和，得到待测陶瓷浆料密度。
[0088]
关于一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测系统的具体限定可以参见上文中对于一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法的限定，在此不再赘述。上述系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于
计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0089]
本发明实施例还提供了一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测装置，如图3所示，所述装置包括第一超声波换能器10、第二超声波换能器20、陶瓷浆料体积容器30、超声信号发射模块40、a/d采样模块50、单片机控制模块60、温度模块70和处理单元80，所述第一超声波换能器10和第二超声波换能器20的探头置于陶瓷浆料体积容器30的左右两侧，所述超声波换能器的探头与陶瓷浆料体积容器30接触面覆盖有超声耦合剂，所述陶瓷浆料体积容器30中置有待测陶瓷浆料，所述处理单元80执行实现上述方法的步骤。
[0090]
在本实施例中，第一超声波换能器10和第二超声波换能器20所起的作用是将输入的电信号转换成机械波进行传递，其自身损耗的功率很小，能够尽可能减少对待测密度结果带来的误差。第一超声波换能器10、第二超声波换能器20和陶瓷浆料体积容器30覆盖有超声耦合剂则能够有效避免超声波在传播过程中造成的衰减。超声信号发射模块40能够发射检测起始时所需的电信号，发射信号在发送过程中通常需要经过放大处理，使得后续产生的超声波信号能够被装置检测到。a/d采样模块50能够对超声波回波信号进行采样，获得超声波回波信号的相关数据，以便于后续环节进行进一步计算处理。单片机控制模块60能够将信号发送至各模块，也可以接受其他模块所发送数据并进行综合分析，温度模块70采用红外方式，能够实现非接触测量浆料外壁温度，避免物理接触对装置的影响。
[0091]
需要说明的是，待测陶瓷浆料是由陶瓷粉体、溶剂、粘结剂、塑化剂、分散剂等组分配成，是一种具有一般胶装性质的有机物质，能够在水或有机溶剂中溶解或膨胀时，能形成粘稠而富有可塑性的糨糊状物质。
[0092]
其中，第一超声波换能器和第二超声波换能器均包括两个超声波换能器，且第一超声波换能器和第二超声波换能器的两个超声波换能器之间相互对应。
[0093]
将上述第一和第二超声波换能器设置为相互对应的两个超声波换能器，能够更加精确地通过源信号与回波信号得到密度计算的相关数据，避免单个超声波换能器带来的误差。
[0094]
优选地，超声信号发射模块使用maxim公司生产的max038脉冲信号发生电路，便于进行脉冲宽度调制和产生锯齿波。
[0095]
优选地，a/d采样模块选择美国ns公司的adc12dlo40芯片。
[0096]
优选地，单片机选择stm32最小系统板stm32f407zgt6。
[0097]
优选地，温度模块选择mlx90614系列的gy－906温度传感器，其采用红外方式，能够非接触测量浆料外壁温度。
[0098]
优选地，本发明还可设置陀螺仪模块，集成9轴姿态角度传感器、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。
[0099]
优选地，本发明还可设置wifi模块，wifi模块选用esp－32f，以便将数据发送至阿里云物联网平台，进而进行密度数据的进一步分析。
[0100]
优选地，本发明还可设置前端屏幕，采用vgus串口屏组态编程，vgus组态串口屏采用变量驱动，所有显示的数字、字符、图标等都定义为一个变量，并通过上位机软件分配变量存储地址、定义显示格式，然后生成配置文件并下载保存到串口屏里。设置前端屏幕能够
显示人机交互界面，有助于使用者对装置进行操作和结果的显示。
[0101]
优选地，本发明还可设置支架平台，支架平台采用solidworks制图，3d打印机打印，该支架平台能够让超声波换能器更好地固定，避免位置出现偏差无法对应从而影响检测结果。
[0102]
在一个实施例中，本发明还能够设置人机交互界面，如图4所示，在主页上有装置整定、状态显示、时间设置、周期显示、装置测试和版本显示功能，状态显示二级界面如图5所示，可以进行电压显示、平衡状态显示、温度显示、上部密度显示、中部密度显示、下部密度显示、总体密度显示和返回操作，其中中部密度显示还可进行拓展；版本显示二级界面如图6所示，可以显示软件版本号、硬件版本号和显示版本号，并进行返回操作；上部密度三级界面如图7所示，能够显示测试时间和浆料上部密度，并进行返回；下部密度三级界面如图8所示，能够显示测试时间和浆料上部密度，并进行返回。上述人机交互界面能够显示各种相关数据且提供多种功能，以便快速精确地进行浆料密度检测。
[0103]
综上，本发明提供的一种基于超声波的陶瓷浆料密度检测方法、系统及装置。所述方法包括：获取第一超声波换能器发出的超声波源信号和第二超声波换能器所接收的超声波回波信号；两个超声波换能器分别设置在体积容器的相对应两侧；根据源信号和回波信号，得到超声波在待测陶瓷浆料中的传输速度和声阻抗；将待测陶瓷浆料声阻抗与传输速度相除，得到第一密度；根据浆料的温度和超声波在浆料中的声衰减，通过温度补偿算法计算得到第二密度，进而得到待测陶瓷浆料密度。本发明能够快速精确地对陶瓷浆料密度检测，且评估成本低。
[0104]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直接相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0105]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。