使用數(shù)學(xué)方法監(jiān)測(cè)熱固樹(shù)脂固化程度的研究

摘 要：文章研究目的在于針對(duì)目前國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂固化監(jiān)測(cè)儀器的空白，解決普通測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)的方法在樹(shù)脂固化程度監(jiān)控中遇到的問(wèn)題。通過(guò)引入數(shù)學(xué)方法測(cè)量樹(shù)脂基體介質(zhì)損耗，直測(cè)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(duì)固化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，確定固化所處階段，監(jiān)測(cè)固化整個(gè)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：熱固樹(shù)脂；數(shù)學(xué)方法；固化程度；監(jiān)測(cè)

1 引言

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

樹(shù)脂固化過(guò)程中聚合物在交變電場(chǎng)中固有偶極矩的極性分子在交變電場(chǎng)中將作沿著電場(chǎng)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(chǎng)不同相，這個(gè)相位差將會(huì)引起能量的耗散，介質(zhì)損耗相應(yīng)產(chǎn)生[2]。普通測(cè)量介損的方法在固化程度監(jiān)測(cè)中遇到問(wèn)題：使用過(guò)零電壓比較法只能測(cè)量頻率和幅值相同的正弦電壓波的相角，雖抗干擾能力強(qiáng)對(duì)電路要求比較低，但其對(duì)試件的要求過(guò)于苛刻；使用過(guò)零時(shí)差比較法[3]雖測(cè)量結(jié)果分辨率較高、線性情況也較好易于進(jìn)行數(shù)學(xué)化轉(zhuǎn)換，但由于零線漂移和波形畸變比較嚴(yán)重易產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差；使用諧波分析法后期可用軟件對(duì)波形進(jìn)行了處理，雖提高了系統(tǒng)的可靠性但對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行DFT時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差；使用自由矢量法[4]雖電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜但是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)受干擾因素較多，影響測(cè)量精度及應(yīng)用；使用異頻電源法[5]雖測(cè)量失真度小、可進(jìn)行實(shí)時(shí)取樣、精準(zhǔn)度高，但是其異頻電源的頻率范圍較小不適合實(shí)際應(yīng)用。

2 硬件系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)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(chǎng)直測(cè)信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步采樣，采樣數(shù)據(jù)通過(guò)高速數(shù)字處理單元，基于以上算法對(duì)電流、電壓波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，分離出基波分量，完成介質(zhì)損耗因數(shù)的計(jì)算任務(wù)。為保證固化程度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精確監(jiān)測(cè)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(xué)方法對(duì)被試品采樣信號(hào)進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)和功能框圖如下：

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

2.1 采集系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)受環(huán)境影響波動(dòng)較大需經(jīng)過(guò)電壓互感器、電流互感器與電阻取樣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)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(hù)、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(cè)系統(tǒng)中，由于運(yùn)用數(shù)學(xué)算法、頻譜分析算法，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中需進(jìn)行計(jì)算的點(diǎn)數(shù)相對(duì)較多，數(shù)據(jù)量大。經(jīng)測(cè)量、計(jì)算后將數(shù)據(jù)傳送到控制系統(tǒng)。為保證的測(cè)量精度，需采用高運(yùn)算速度的數(shù)字信號(hào)處理芯片。

2.4 控制系統(tǒng)的軟件實(shí)施。通過(guò)比對(duì)-溫度曲線選取合適時(shí)間對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行控制。加熱、恒溫過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制，利用其邏輯判斷的準(zhǔn)確性對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)中整個(gè)工藝控制過(guò)程建立相互聯(lián)動(dòng)關(guān)系表。在加熱、恒溫模塊動(dòng)作前必須按程序敲定順序動(dòng)作如出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤，立刻復(fù)位停止；為保證多電路系統(tǒng)的穩(wěn)定測(cè)量運(yùn)行，采用模塊化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)。

3 數(shù)學(xué)方法在測(cè)量過(guò)程中的應(yīng)用

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中使用數(shù)學(xué)方法分析、跟蹤介電損耗技術(shù)，利用加窗函數(shù)對(duì)樹(shù)脂基體在固化過(guò)程中介質(zhì)損耗角正切隨溫度、時(shí)間、頻率變化情況，依據(jù)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的邏輯判斷能力對(duì)測(cè)量曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)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(cè)量介損的方法在系統(tǒng)中的應(yīng)用比較，采用數(shù)學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)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(yīng)主瓣與旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，其不但設(shè)計(jì)靈活還可以很大程度的克服諧波的干擾、基波頻率的波動(dòng)以及白噪聲對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量的影響。

4 固化溫度測(cè)定

利用基于kaiser窗數(shù)學(xué)算法搭建的系統(tǒng)對(duì)固化過(guò)程中介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)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(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果更能反映出樹(shù)脂固化整個(gè)過(guò)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(dá)到期望目標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)分成3組進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，將結(jié)果取平均值并繪圖。將試件按升溫速率為1℃/min進(jìn)行升溫固化，測(cè)量其介電損耗隨溫度變化情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究具有實(shí)用價(jià)值的樹(shù)脂固化程度監(jiān)控系統(tǒng)將對(duì)縮短樹(shù)脂的制造時(shí)間，增加產(chǎn)量提供有力條件；使提高我國(guó)環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)品的總體質(zhì)量成為可能；為開(kāi)發(fā)新型熱性樹(shù)脂提供技術(shù)支持，可省去部分重復(fù)試驗(yàn)；通過(guò)數(shù)學(xué)方法的引入可大大降低信號(hào)取樣、隔離、變送等關(guān)鍵電路的復(fù)雜程度，使系統(tǒng)更穩(wěn)定也更易維護(hù)，相信此方法在未來(lái)將具有廣泛的應(yīng)用；為樹(shù)脂固化專用監(jiān)測(cè)儀的國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

由于此系統(tǒng)初次搭建、電路初次設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)儀器。在今后的實(shí)驗(yàn)中可主要進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)改良，逐步降低成本。希望此系統(tǒng)在今后的實(shí)驗(yàn)中改良完善后能夠代替國(guó)外產(chǎn)品，結(jié)束其在此應(yīng)用領(lǐng)域的壟斷。

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