使用數(shù)學方法監(jiān)測熱固樹脂固化程度的研究

摘 要：文章研究目的在于針對目前國產(chǎn)樹脂固化監(jiān)測儀器的空白，解決普通測量介質(zhì)損耗因數(shù)的方法在樹脂固化程度監(jiān)控中遇到的問題。通過引入數(shù)學方法測量樹脂基體介質(zhì)損耗，直測數(shù)據(jù)經(jīng)高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)推算，根據(jù)其所呈現(xiàn)的規(guī)律對固化過程進行實時分析，確定固化所處階段，監(jiān)測固化整個過程。

關(guān)鍵詞：熱固樹脂；數(shù)學方法；固化程度；監(jiān)測

1 引言

熱固性樹脂固化物因其具有良好的化學穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性及優(yōu)異的機械性能、物理性能及良好的工藝操作性，而被廣泛應用于航天航空、汽車船舶、能源、電子信息等工業(yè)中[1]。

樹脂固化過程中聚合物在交變電場中固有偶極矩的極性分子在交變電場中將作沿著電場方向排列，而由于分子內(nèi)和分子間力的存在，偶極振蕩與外電場不同相，這個相位差將會引起能量的耗散，介質(zhì)損耗相應產(chǎn)生[2]。普通測量介損的方法在固化程度監(jiān)測中遇到問題：使用過零電壓比較法只能測量頻率和幅值相同的正弦電壓波的相角，雖抗干擾能力強對電路要求比較低，但其對試件的要求過于苛刻；使用過零時差比較法[3]雖測量結(jié)果分辨率較高、線性情況也較好易于進行數(shù)學化轉(zhuǎn)換，但由于零線漂移和波形畸變比較嚴重易產(chǎn)生嚴重的誤差；使用諧波分析法后期可用軟件對波形進行了處理，雖提高了系統(tǒng)的可靠性但對采樣信號進行DFT時會產(chǎn)生較大的誤差；使用自由矢量法[4]雖電路設計簡單價格便宜但是在現(xiàn)場測量時受干擾因素較多，影響測量精度及應用；使用異頻電源法[5]雖測量失真度小、可進行實時取樣、精準度高，但是其異頻電源的頻率范圍較小不適合實際應用。

2 硬件系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要包括采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等部分。首先將現(xiàn)場直測信號通過調(diào)理電路，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)實時同步采樣，采樣數(shù)據(jù)通過高速數(shù)字處理單元，基于以上算法對電流、電壓波形數(shù)據(jù)進行頻譜分析，分離出基波分量，完成介質(zhì)損耗因數(shù)的計算任務。為保證固化程度在線監(jiān)測系統(tǒng)精確監(jiān)測介電損耗所呈現(xiàn)的變化，在系統(tǒng)中加入kaiser窗采用數(shù)學方法對被試品采樣信號進行分析。結(jié)構(gòu)和功能框圖如下：

如上圖所示為提高測量的精度和儀器智能化監(jiān)測功能，首先將直測信號通過采集系統(tǒng)調(diào)理電路再經(jīng)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)實時同步采樣，數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過高速數(shù)字處理單元，通過kaiser窗的頻譜校正算法對電流、電壓波形數(shù)據(jù)進行頻譜分析，分離出基波分量，完成介質(zhì)損耗因數(shù)的計算任務。處理后的結(jié)果通過異步串口送至單片機管理單元，配合控制單元進行實時顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存儲以及通信等工作。

2.1 采集系統(tǒng)。現(xiàn)場采集信號受環(huán)境影響波動較大需經(jīng)過電壓互感器、電流互感器與電阻取樣網(wǎng)絡進行信號調(diào)理，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入。

2.2 變頻電源。將輸入的交流220V電壓經(jīng)保護、整流、濾波電路，再輸入單相橋逆變電路、高頻變壓器，最后加在被試品上。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在此監(jiān)測系統(tǒng)中，由于運用數(shù)學算法、頻譜分析算法，在實時監(jiān)測中需進行計算的點數(shù)相對較多，數(shù)據(jù)量大。經(jīng)測量、計算后將數(shù)據(jù)傳送到控制系統(tǒng)。為保證的測量精度，需采用高運算速度的數(shù)字信號處理芯片。

2.4 控制系統(tǒng)的軟件實施。通過比對-溫度曲線選取合適時間對工藝參數(shù)進行控制。加熱、恒溫過程由計算機控制，利用其邏輯判斷的準確性對監(jiān)控系統(tǒng)中整個工藝控制過程建立相互聯(lián)動關(guān)系表。在加熱、恒溫模塊動作前必須按程序敲定順序動作如出現(xiàn)判斷錯誤，立刻復位停止；為保證多電路系統(tǒng)的穩(wěn)定測量運行，采用模塊化設計，便于維護。

3 數(shù)學方法在測量過程中的應用

在實際監(jiān)測過程中使用數(shù)學方法分析、跟蹤介電損耗技術(shù)，利用加窗函數(shù)對樹脂基體在固化過程中介質(zhì)損耗角正切隨溫度、時間、頻率變化情況，依據(jù)計算機強大的邏輯判斷能力對測量曲線進行實時跟蹤判斷，結(jié)合高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)推算出最佳的固化參數(shù)。與普通測量介損的方法在系統(tǒng)中的應用比較，采用數(shù)學方法的優(yōu)點在于，Kaiser窗定義了一組可調(diào)的窗函數(shù)，其主瓣能量和旁瓣能量的比例近乎最大，且可自由選擇主瓣寬度和旁瓣高度之間的比重，因此可以全面地反應主瓣與旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，其不但設計靈活還可以很大程度的克服諧波的干擾、基波頻率的波動以及白噪聲對介質(zhì)損耗測量的影響。

4 固化溫度測定

利用基于kaiser窗數(shù)學算法搭建的系統(tǒng)對固化過程中介質(zhì)損耗因數(shù)進行連續(xù)測量相較于其他方法需將試件按一定要求從加熱箱取出再接入電路進行測量，測量結(jié)果更能反映出樹脂固化整個過程中基體變化情況。考慮到目前系統(tǒng)的搭建可能還尚未達到期望目標，將實驗分成3組進行平行實驗，將結(jié)果取平均值并繪圖。將試件按升溫速率為1℃/min進行升溫固化，測量其介電損耗隨溫度變化情況。

5 結(jié)束語

研究具有實用價值的樹脂固化程度監(jiān)控系統(tǒng)將對縮短樹脂的制造時間，增加產(chǎn)量提供有力條件；使提高我國環(huán)氧樹脂產(chǎn)品的總體質(zhì)量成為可能；為開發(fā)新型熱性樹脂提供技術(shù)支持，可省去部分重復試驗；通過數(shù)學方法的引入可大大降低信號取樣、隔離、變送等關(guān)鍵電路的復雜程度，使系統(tǒng)更穩(wěn)定也更易維護，相信此方法在未來將具有廣泛的應用；為樹脂固化專用監(jiān)測儀的國產(chǎn)化奠定了基礎。

由于此系統(tǒng)初次搭建、電路初次設計為保證可靠性系統(tǒng)選用了成本較高、口碑較好的芯片及輔助實驗儀器。在今后的實驗中可主要進行對系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)化的設計改良，逐步降低成本。希望此系統(tǒng)在今后的實驗中改良完善后能夠代替國外產(chǎn)品，結(jié)束其在此應用領(lǐng)域的壟斷。

參考文獻

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