本發(fā)明涉及材料凝固檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種以光纖作為超聲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料凝固檢測(cè)的方法。

背景技術(shù)：

物質(zhì)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程叫做凝固，在這個(gè)過(guò)程中，它的物理和化學(xué)性質(zhì)都在發(fā)生改變。目前已有多種材料凝固檢測(cè)的方法，主要包括脈沖電流檢測(cè)、電磁檢測(cè)、化學(xué)檢測(cè)、圖像檢測(cè)與聲學(xué)檢測(cè)等。

公開(kāi)號(hào)為CN 1583326 A的中國(guó)專利《用于金屬凝固過(guò)程的電源控制系統(tǒng)》利用的是在金屬液中通入脈沖電流，可使電流幅值自動(dòng)維持穩(wěn)定，脈沖寬度和頻率連續(xù)可調(diào)，脈沖電流可在單極性和雙極性之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的特性來(lái)對(duì)金屬合金凝固過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確控制和分析。

公開(kāi)號(hào)為CN 102500747 A的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種利用電磁超聲技術(shù)來(lái)檢測(cè)連鑄坯凝固末端的技術(shù)方案，由于S/N低、精度差和損壞鋼坯質(zhì)量，以及不能擴(kuò)大電磁超聲波傳感器與連鑄坯的升離范圍且不能穩(wěn)定地長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量等諸多問(wèn)題，利用電磁超聲波技術(shù)來(lái)檢測(cè)連鑄坯凝固末端的技術(shù)沒(méi)有一例成功應(yīng)用于實(shí)踐的報(bào)道。

公開(kāi)號(hào)為CN 103048242 A的專利《連鑄坯固相率和凝固末端的檢測(cè)方法》通過(guò)采用直接向連鑄坯施加振蕩激勵(lì)，使連鑄坯發(fā)生彈性變形，進(jìn)而測(cè)量連鑄坯與振蕩激勵(lì)諧振后的最大應(yīng)變、施加在連鑄坯上的應(yīng)力和應(yīng)力/應(yīng)變相位差，即可根據(jù)連鑄坯的固相率-動(dòng)態(tài)模量特性曲線得到連鑄坯的固相率和凝固末端位置。

作為顯現(xiàn)鑄塊的凝固組織的方法，通常實(shí)施下述方法：使用將苦味酸作為主成分的腐蝕液等來(lái)腐蝕試樣表面。另外，作為記錄所顯現(xiàn)的凝固組織的方法，提出蝕刻印刷法的所謂蝕刻印刷法，是使試樣的研磨面接觸腐蝕液并腐蝕研磨面后，將試樣進(jìn)行洗滌、干燥，在腐蝕了的研磨面表面的腐蝕孔中埋入研磨粉，在研磨面表面粘貼透明膠粘帶，使腐蝕孔中的研磨粉粘著于透明膠粘帶后，剝離膠粘帶，接著在白色的硬紙板上粘貼膠粘帶的方法。埋入腐蝕孔中的研磨粉被轉(zhuǎn)印于膠粘帶上，通過(guò)在硬紙板上粘貼膠粘帶而使凝固組織顯示于硬紙板上。

日本專利JP52-130422利用電磁超聲橫波傳感器對(duì)連鑄坯投射電磁超聲橫波，并利用電磁超聲橫波不能透過(guò)液相的原理來(lái)判斷連鑄坯的完全凝固狀態(tài)。然而，透過(guò)連鑄坯CN 102500747A說(shuō)明書4 2/11頁(yè)5的電磁超聲波橫波的信號(hào)發(fā)生了減弱或消失并不能就唯一判定鑄件中存在殘留熔融金屬，因?yàn)檫€存在其它的導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生減弱或消失的因素。

當(dāng)前聲學(xué)檢測(cè)已經(jīng)能夠用于鋼坯的凝固檢測(cè)，利用的是超聲波在鋼坯上的傳播特性以及材料自身的變化。

凝固檢測(cè)不僅僅只運(yùn)用于工業(yè)當(dāng)中，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有廣泛的運(yùn)用。例如申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)CN 102478580 A《一種全血凝固功能的快速檢測(cè)方法》，該方法通過(guò)采用超聲波檢測(cè)全血標(biāo)本中金屬棒轉(zhuǎn)動(dòng)(移動(dòng))情況來(lái)檢測(cè)血液的凝固功能。該方法無(wú)需分離血漿，直接將全血采入檢測(cè)杯(抗凝或不抗凝)中，在檢測(cè)杯中有一金屬(或可以外包裹其它材料)棒狀的攪拌子，檢測(cè)時(shí)在檢測(cè)杯底部加裝一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)磁體。在血液未凝固前攪拌子隨著轉(zhuǎn)動(dòng)磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，血液凝固后攪拌子遇到阻力而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在檢測(cè)杯的側(cè)面加裝一超聲波檢測(cè)器，通過(guò)檢測(cè)在血液中攪拌子轉(zhuǎn)動(dòng)/靜止判斷血液凝固情況。

申請(qǐng)公布號(hào)CN 103543278 A《確定血液凝固特性》，該發(fā)明涉及確定血液凝固特性。在一些示例中，設(shè)備在血樣上施加電壓差。設(shè)備在一定持續(xù)時(shí)間內(nèi)測(cè)量經(jīng)過(guò)血樣的電信號(hào)，以獲得表示時(shí)間的測(cè)量函數(shù)的多個(gè)測(cè)量結(jié)果?？梢源_定測(cè)量函數(shù)的累計(jì)特性，使得累計(jì)特性與血液凝固特性相關(guān)。

綜上所述的檢測(cè)方法，都有很大的局限性，成本較大，而且操作過(guò)程都較為復(fù)雜。所以本專利發(fā)明利用的是超聲波在光纖中的傳播特性，光纖周圍環(huán)境的變化會(huì)影響超聲波在光纖中的傳播，通過(guò)對(duì)聲信號(hào)分析處理來(lái)判斷材料是否完全凝固。這種方法不僅僅局限于金屬材料的凝固檢測(cè)，還可用于混泥土結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料基底等非金屬材料凝固狀態(tài)的檢測(cè)。檢測(cè)范圍廣泛，操作簡(jiǎn)單高效，并且對(duì)材料本身不會(huì)帶來(lái)?yè)p傷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種適用范圍廣泛而且高效無(wú)損的材料凝固檢測(cè)方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：以光纖作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳播超聲波，利用光纖周圍環(huán)境的變化會(huì)影響超聲波在光纖中的傳播這一特性。物質(zhì)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程叫做凝固，在這個(gè)過(guò)程中，它的物理和化學(xué)性質(zhì)都在發(fā)生改變。當(dāng)材料在處于完全液態(tài)的狀態(tài)時(shí)，光纖與其耦合度最高，再加上超聲波在光纖中傳播時(shí)會(huì)通過(guò)液態(tài)物質(zhì)向周圍折射，能量衰減系數(shù)最大，所以造成得能量損失也是最大，因此接收到的反射波的能量最小，在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)為反射波幅值最小。然而在材料處于完全凝固的狀態(tài)時(shí)，耦合度和能量衰減系數(shù)都大大低于凝固過(guò)程中，超聲波在光纖中傳播時(shí)能量損失最小，因此接收到的反射波的能量最大，在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)為反射波幅值最大。這樣通過(guò)超聲波能量的變化可以來(lái)檢測(cè)材料的凝固狀態(tài)。本方法包括以下步驟：

1.選取合適的壓電片與光纖一端進(jìn)行耦合，壓電片的另一端則與信號(hào)激勵(lì)器和信號(hào)放大器耦合；

2.通過(guò)信號(hào)激勵(lì)裝置加載合適激勵(lì)信號(hào)至壓電片；

3.在壓電片上連接合適的放大器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大處理；

4.在放大器輸出端連接數(shù)據(jù)采集器；

5.將光纖的另一端置入待檢測(cè)的非凝固材料中；

6.采集數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)內(nèi)；

7.在計(jì)算機(jī)上對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到并顯示出接收到的壓電片信號(hào)；

8.隨著時(shí)間的推移，通過(guò)觀察比較信號(hào)幅值變化判斷材料是否凝固。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)光纖與壓電片較易獲得，制作成本低；

(2)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)加工；

(3)不會(huì)對(duì)一些材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)造成破壞；

(4)易操作，不需要很復(fù)雜的分析與計(jì)算。

附圖說(shuō)明

圖1為檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為5個(gè)周期經(jīng)過(guò)漢寧窗調(diào)制后的歸一化正弦信號(hào)；

圖3為α-氰基丙烯酸乙酯(俗稱502膠水)還未開(kāi)始凝固時(shí)接收端信號(hào)；

圖4為5分鐘后α-氰基丙烯酸乙酯正在凝固時(shí)接收端信號(hào)；

圖5為15分鐘后α-氰基丙烯酸乙酯完全凝固時(shí)接收端信號(hào)。

具體實(shí)施方式

結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下檢測(cè)材料凝固的實(shí)例，具體步驟如下：

1.選取長(zhǎng)條型PZT壓電陶瓷，尺寸為30mm×3mm×1mm；

2.選取光纖長(zhǎng)度為50mm，其中光纖外徑為62.5um。

3.使用502膠水將PZT壓電陶瓷片與光纖耦合在一起并保持壓電陶瓷長(zhǎng)度方向與光纖長(zhǎng)度方向一致；

4.搭建檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示；

5.通過(guò)超聲激勵(lì)器施加5個(gè)周期峰-峰值為10V，中心頻率為700kHz的漢寧窗調(diào)制后的正弦信號(hào)，歸一化曲線如圖2所示；

6.在計(jì)算機(jī)端對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到并顯示出壓電片信號(hào)；

7.取適量502膠水滴在光纖末端，記光纖剛接觸到膠水時(shí)為t＝0min，此時(shí)信號(hào)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析處理后得到信號(hào)如圖3所示，圖3中的標(biāo)號(hào)1是超聲波第一次反射的信號(hào)，由于液態(tài)狀態(tài)下信號(hào)衰減系數(shù)最大以至于只能接收到一次的反射信號(hào)，其峰-峰值為14.4mV；

8.光纖接觸到502膠水5min后計(jì)算機(jī)顯示信號(hào)如圖4所示，膠水正在凝固但未完全凝固，圖4中的標(biāo)號(hào)1、2、3、4、5分別是信號(hào)接收器接受到的第一次至第五次的反射信號(hào)，其峰-峰值分別為3.60mV、1.733mV、1.06mV、1.01mV、0.76mV。

9.光纖接觸到502膠水15min后計(jì)算機(jī)顯示信號(hào)如圖5所示，此時(shí)膠水已經(jīng)完全凝固，信號(hào)的衰減系數(shù)到達(dá)最小，接收到的反射信號(hào)幅值最大。圖5中的標(biāo)號(hào)1、2、3、4、5分別是信號(hào)接收器接受到的第一次至第五次的反射信號(hào)，其峰-峰值分別為5.70mV、3.16mV、2.610mV、2.30mV、1.91mV。

10.通過(guò)光纖接觸到膠水后信號(hào)幅值的明顯衰減，隨著膠水的凝固幅值衰減逐漸減弱最后趨于穩(wěn)定直至材料完全凝固，幅值不再變化，得出材料凝固的結(jié)論。