CN114487118A - 一种嵌入式超声系统及冰力学参数在线测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种嵌入式超声系统及冰力学参数在线测试方法，属于冰力学参数测试领域，包括：在信号发生器上生成一个激励信，激励信号从信号发射端传出，通过激励端进入冰内部，由响应端传入放大器，最后回到信号接收器中，此时得到了放大信号，同时在温度传感器上读取实时温度，此过程温度变化是连续的，选取的响应信号是随机的；对放大信号进行去趋势和小波去噪处理，得到去噪后的信号；从去噪后的波形图中获得纵波波速和横波波速；由不同温度下的纵波波速和横波波速计算出冰的力学特性参数。本发明克服了传统破坏性试验中单个试验只能获取单个温度下的结果的局限性，不仅可以减少材料的损耗，同时获得的参数值更加准确。
Description
技术领域
本发明属于冰力学参数测试领域，具体涉及一种嵌入式超声系统及冰力学参数在线测试方法。
背景技术
杨氏模量、泊松系数、剪切模量和体积模量等力学参数是冰的主要力学特性参数，这些参数的确定对于研究寒冷地区冰以及冰与冰场中结构的相互作用等问题至关重要。在自然状态下，大气温度随时变化，而实时变化的温度显著影响着冰的力学特性。现有的冰的力学性能检测方法主要依赖于单轴压缩、三轴压缩或弯曲强度等试验。
尽管现有方法在估算冰参数方面取得了一些成果，但由于这些方法具有一次性和破坏性的特点，并且一个试件在一次试验中只能得到一个固定温度下冰的参数结果，无法连续表征冰的特性随温度变化的过程。
基于现有方法存在的破坏性和非连续性等不足，本发明提出了一种基于嵌入式超声系统的冰力学参数在线测试方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种嵌入式超声系统及冰力学参数在线测试方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种嵌入式超声系统，包括：
信号发生器，用于生成激励信号；
激励PZT传感器，其激励端与所述信号发生器的信号发射端连接，用于接收激励信号，并生成随机响应信号；
响应PZT传感器，其响应端接收所述随机响应信号；
放大器，其信号输入端与所述响应PZT传感器的响应端连接，用于接收所述响应PZT传感器发送的随机响应信号并对其进行放大处理；
信号接收器，其信号输入端与所述放大器的信号输出端连接，用于接收所述放大器发送的放大信号，并将放大信号转换为数字信号。
优选地，所述激励PZT传感器和响应PZT传感器设置在同一水平面上。
本发明的另一目的在于提供一种基于嵌入式超声系统的冰力学参数在线测试方法，包括以下步骤：
将激励PZT传感器、响应PZT传感器及温度传感器冻结到冰试件中；
所述温度传感器采集冰试件中的实时温度Ti；
所述信号发生器生成一个激励信号W：(t，y)，并将激励信号W：(t，y)从信号发射端传入激励PZT传感器的激励端，激励信号W：(t，y)通过激励端进入冰内部，在冰内部生成随机响应信号；
所述响应PZT传感器的响应端接收所述随机响应信号，并将随机响应信号发送至放大器；
所述放大器对接收到的随机响应信号进行放大，得到放大后的随机响应信号Wi：(ti，yi)，并将放大后的随机响应信号Wi：(ti，yi)发送至信号接收器中；
所述信号接收器分析放大后的随机响应信号Wi：(ti，yi)，得到波在冰中传播的纵波波速和横波波速；
根据不同实时温度Ti及波在冰中传播的纵波波速和横波波速之间的关系计算出不同温度下冰的力学特性参数。
优选地，在所述信号接收器根据放大后的随机响应信号Wi：(ti，yi)得到波在冰中传播的纵波波速和横波波速之前，对放大后的随机响应信号Wi：(ti，yi)进行去趋势和小波去噪处理，得到去噪后的信号W**：(ti，yi)；
所述信号接收器分析去噪后的信号W**：(ti，yi)，得到波在冰中传播的纵波波速和横波波速；
根据不同实时温度Ti及波在冰中传播的纵波波速和横波波速之间的关系计算出不同温度下冰的力学特性参数。
优选地，所述对放大后的随机响应信号Wi：(ti，yi)进行去趋势和小波去噪处理的具体方式为：
去趋势处理：
对去趋势后的信号进行去噪处理：选择小波函数(如：rbio2.2、rbio4.4、bior2.2、bior4.4、sym4、db5等，选取的小波函数不同，得到的结果就会不同)，进行软阈值去噪，得到去噪后的信号W**：(ti，yi)
其中，σ代表噪声强度，e(ti，yi)代表信号中参入的噪声。
优选地，所述冰的力学特性参数包括弹性模量、泊松比、剪切模量和体积模量。
优选地，所述根据不同实时温度Ti及波在冰中传播的纵波波速和横波波速之间的关系计算出不同温度下冰的力学特性参数，具体方法为：
波速和材料特性参数之间的关系如下式所示；
式中，ρ是冰的密度；E是杨氏模量；μ是泊松比；Vl和Vs分别是纵波和横波的速度，将两公式进行转化后得到以下公式：
式中，E是杨氏模量；G是剪切模量；K是体积模量。
优选地，所述温度传感器、激励PZT传感器及响应PZT传感器设置在冰试件中同一水平面上。
优选地，所述温度传感器位于所述激励PZT传感器和响应PZT传感器之间。
优选地，所述信号发生器为Agilent 33250A任意波发生器，所述放大器为前置放大器PXPA3，所述信号接收器为Agilent DSO7034B示波器。
本发明提供的嵌入式超声系统及冰力学参数在线测试方法具有以下有益效果：
本发明采用嵌入式超声系统，可以在线检测冰的力学参数；
本发明在不破坏冰材料的情况下，能够获得连续的随温度变化的冰力学参数，克服了传统破坏性试验中单个试验只能获取单个温度下的结果的局限性，不仅可以减少材料的损耗，同时获得的参数值更加准确；
本发明在变温条件下，通过测试超声波在冰中的传播速度，依据理论公式计算出不同温度下冰的力学参数值，计算结果精确度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例2的基于嵌入式超声系统的冰力学参数在线测试方法的流程图；
图2为本发明实施例2的各传感器在冰试件中的布设图：(a)传感器布设的示意图；(b)具体冰试件中传感器的布设图；
图3为本发明实施例2所用到的嵌入式超声系统的硬件连接图；
图4为调制出的激励信号图；
图5为放大后的随机响应信号的原始响应信号和去噪后的响应信号；
图6为选取的四个温度对应的波形图；
图7为波速和温度的关系曲线：(a)纵波波速和温度之间的关系曲线；(b)横波波速和温度之间的关系曲线；
图8不同温度下冰的力学参数图：(a)泊松比和温度的关系曲线；(b)弹性模量和温度的关系曲线；(c)剪切模量和温度的关系曲线；(d)体积模量和温度的关系曲线。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种嵌入式超声系统包括信号发生器、激励PZT传感器(压电陶瓷piezoelectric ceramic transducer，PZT传感器)传感器、响应PZT传感器、放大器和信号接收器。
其中信号发生器用于生成激励信号；激励PZT传感器(压电陶瓷piezoelectricceramic transducer，PZT传感器)传感器的激励端与信号发生器的信号发射端连接，用于接收激励信号，并生成随机响应信号。响应PZT传感器的响应端接收随机响应信号；放大器的信号输入端与响应PZT传感器的响应端连接，用于接收响应PZT传感器发送的随机响应信号并对其进行放大处理。信号接收器的信号输入端与放大器的信号输出端连接，用于接收放大器发送的放大信号，并将放大信号转换为数字信号。具体的，为了信号传输的准确性，本实施例中激励PZT传感器和响应PZT传感器设置在同一水平面上。
实施例2
基于以上嵌入式超声系统，本实施例还提供了一种基于嵌入式超声系统的冰力学参数在线测试方法，在进行测试之前首先需要制作冰试件。
本实施例选用泡沫盒制作冰试件，为避免杂质对结果的影响，本实施例使用蒸馏水制备冰标本，试件尺寸为150*150*200mm，冰试件的具体制作过程如下。
A、制作嵌入式压电陶瓷传感器(PZT传感器)。将BNC电缆焊接在PZT传感器片的正负极上，正负极分别位于PZT传感器片的两面，在焊接好BNC电缆的PZT传感器两面均匀涂抹透明绝缘胶进行防水处理。其中BNC是一种用于同轴电缆的连接器，全称是Bayonet NutConnector，卡扣配合型连接器，方便元器件之间的连接。本实施例中用到的传感器包括接好BNC电缆的两PZT传感器和温度传感器，其中一个是激励PZT传感器和响应PZT传感器。温度传感器由直径为4mm的防水铂金探头制成，见图2(b)，其测量范围在-50℃～200℃之间。
B、在冰样中固定传感器的位置。经研究表明，外界温度变化时，冰内温度会在垂直方向上出现分层现象，即同一水平面内的温度相同，为了较准确的获得温度和波速的对应关系，将温度传感器、激励PZT传感器和响应PZT传感器用钢丝固定在模具中间，温度传感器放置在与两个PZT传感器同一水平面上，且温度传感器位于两个PZT传感器之间。本实施例中两个PZT传感器之间距离的选择为70mm。传感器布设的示意图见图2(a)，具体冰样中传感器的布设见图2(b)。
C、冻制冰样。将固定好所有传感器的模具放入冰箱冷冻，初始冷冻温度设置为-5℃，并观察冷冻情况。当表面水结冰后，以每两小时降低5℃的频率降低冰箱温度，直到温度降到-35℃。这样就可以避免冰温差过大造成的裂纹。试验前，冰样在-35℃冰箱中保存48小时，以保证冰样内温度均匀。
通过以上步骤就将激励PZT传感器、响应PZT传感器及温度传感器嵌入到了冰样中，为在线检测冰力学参数提供了条件。超声波系统由信号发生器、激励PZT传感器、响应PZT传感器、放大器和信号接收器组成，具体硬件连接示意图如图3所示。本实施例中，信号发生器为Agilent 33250A任意波发生器，所述放大器为前置放大器PXPA3，所述信号接收器为Agilent DSO7034B示波器。Agilent 33250A任意波发生器的输出端子通过BNC电缆连接到激励PZT传感器的激励端。
接下来是变温条件下冰力学参数的超声测试方法，如图1所示，本实施例提供的冰力学参数在线测试方法具体包括以下步骤：
步骤1、调制初始的激励信号。在本实施例中，将一个音调脉冲信号设置为初始的激励信号，该信号由汉宁函数加窗的两周期正弦信号构成。音调脉冲信号的表达如下
式中，fc是中心频率，T是信号周期。在本实施例中心频率选用250KHz，周期选用2周期，调制出的初始的激励信号如图4所示。
步骤2、生成激励信号W：(t，y)。将调制出的初始的激励信号输入到Agilent33250A任意波发生器中，该发生器将激励从数字信号转换为模拟信号，获得响应的激励信号W：(t，y)。波形发生器的输出电压设置为10V，以确保压电陶瓷片充分变形。
步骤3、发射信号并采集响应结果进行放大。Agilent 33250A任意波发生器将响应的激励信号W：(t，y)从信号发射端传入激励PZT传感器的激励端，激励信号W：(t，y)通过激励端进入冰内部，在冰内部生成随机响应信号；响应PZT传感器的响应端接收所述随机响应信号，并将随机响应信号发送至放大器；随机响应信号经由固定增益通用型前置放大器PXPA3放大以增加其幅度。电荷放大器的传输增益为10mv/pc，得到放大后的随机响应信号Wi：(ti，yi)，本实施例中随机响应信号Wi：(ti，yi)为电流信号。
步骤4、由于得到的放大后的随机响应信号Wi：(ti，yi)中不可避免的夹杂着电信号和其他噪声的干扰，需要对响应信号进行去趋势和小波去噪处理，具体处理步骤如下：
步骤4.1、信号去趋势处理。为了防止信号数据偏移，首先采用公式(1)对数据进行去趋势处理。
步骤4.2、对去趋势后的信号进行去噪处理。本实施例可选用小波函数db4(如：rbio2.2、rbio4.4、bior2.2、bior4.4、sym4、db4、db5等，选取的小波函数不同，得到的结果就会不同)，本实施例选择db4对去趋势后的信号进行软阈值去噪，得到去噪后的信号W**：(ti，yi)，原始信号如图5(a)所示，去噪后的信号如图5(b)所示。
其中，σ代表噪声强度，e(ti，yi)代表信号中参入的噪声。
在去噪后的信号W**：(ti，yi)中区分出两个波包，由于纵波的传播速度快于横波，因此接收信号中的第一个波峰对应于纵波，第二个波峰对应横波。第一个波包所在时间对应的是纵波到达接收端的时间，第二个波包所在时间对应的是横波到达接受端的时间，结合接收端与发射端的间距d，可以得到该温度下的纵波波速Vl和横波波速Vs；
步骤5、将去噪后的信号W**：(ti，yi)发送至Agilent DSO7034B示波中，AgilentDSO7034B示波器将导入的电流信号转换为数字信号。示波器的采样频率设置为50MHz。由此获得波形图，获得响应信号的同时读取温度传感器上的温度读数。
步骤6、重复操作获得不同温度下的波形图。随机选取时间点发出激励信号，获得相应的响应信号和对应的温度值。图6展示了本实施例中得到的4个温度下的响应信号，这只是整个数据组中的一小部分。
步骤7、分析本实施例中的全部数据得到不同温度下波在冰中传播的纵波波速和横波波速，波速和温度之间的关系如图7所示。
步骤8、利用公式(5)-(9)可以计算出不同温度下冰的力学特性参数，本实施例包含的力学参数有：弹性模量，泊松比，剪切模量和体积模量，结果如图8所示。图8中实线是通过拟合得到的各参数和温度之间的关系，由于冰受地域、环境、水质等各方面的影响，这种关系不唯一。
波速和材料特性参数之间的关系如公式(5)和(6)所示；
式中，ρ是冰的密度；E是杨氏模量；μ是泊松比；Vl和Vs分别是纵波速度和横波速度，将两公式进行转化后得到以下公式：
式中，E是杨氏模量；G是剪切模量；K是体积模量。
通过以上公式就可以通过不同波速得到对应的材料力学参数，对应得到不同温度下的材料力学参数。
本实施例中提供的基于嵌入式超声系统的冰力学参数在线测试方法通过该系统可获得不同温度下冰的纵波和横波波速。利用波传播速度与材料力学特性的内在关系的先验知识，依据实测波传播速度计算出冰力学特性参数。该方法可以在不损伤测试材料的同时，获得随温度连续变化的冰力学特性参数，所获得的冰参数以及参数与温度之间的关系将更好的应用于寒区冰及冰场中结构等方面的研究。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种嵌入式超声系统，其特征在于，包括：
信号发生器，用于生成激励信号；
激励PZT传感器，其激励端与所述信号发生器的信号发射端连接，用于接收激励信号，并生成随机响应信号；
响应PZT传感器，其响应端接收所述随机响应信号；
放大器，其信号输入端与所述响应PZT传感器的响应端连接，用于接收所述响应PZT传感器发送的随机响应信号并对其进行放大处理；
信号接收器，其信号输入端与所述放大器的信号输出端连接，用于接收所述放大器发送的放大信号，并将放大信号转换为数字信号。
2.根据权利要求1所述的嵌入式超声系统，其特征在于，所述激励PZT传感器和响应PZT传感器设置在同一水平面上。
3.一种基于权利要求1或2所述的嵌入式超声系统的冰力学参数在线测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激励PZT传感器、响应PZT传感器及温度传感器冻结到冰试件中；
所述温度传感器采集冰试件中的实时温度Ti；
所述信号发生器生成一个激励信号W:(t,y)，并将激励信号W:(t,y)从信号发射端传入激励PZT传感器的激励端，激励信号W:(t,y)通过激励端进入冰内部，在冰内部生成随机响应信号；
所述响应PZT传感器的响应端接收所述随机响应信号，并将随机响应信号发送至放大器；
所述放大器对接收到的随机响应信号进行放大，得到放大后的随机响应信号Wi:(ti,yi)，并将放大后的随机响应信号Wi:(ti,yi)发送至信号接收器中；
所述信号接收器分析放大后的随机响应信号Wi:(ti,yi)，得到波在冰中传播的纵波波速和横波波速；
根据不同实时温度Ti及波在冰中传播的纵波波速和横波波速之间的关系计算出不同温度下冰的力学特性参数。
4.根据权利要求3所述的冰力学参数在线测试方法，其特征在于，在所述信号接收器根据放大后的随机响应信号Wi:(ti,yi)得到波在冰中传播的纵波波速和横波波速之前，对放大后的随机响应信号Wi:(ti,yi)进行去趋势和小波去噪处理，得到去噪后的信号W**:(ti,yi)；
所述信号接收器分析去噪后的信号W**:(ti,yi)，得到波在冰中传播的纵波波速和横波波速；
根据不同实时温度Ti及波在冰中传播的纵波波速和横波波速之间的关系计算出不同温度下冰的力学特性参数。
5.根据权利要求4所述的冰力学参数在线测试方法，其特征在于，所述对放大后的随机响应信号Wi:(ti,yi)进行去趋势和小波去噪处理的具体方式为：
去趋势处理：
对去趋势后的信号进行去噪处理：选择小波函数，进行软阈值去噪，得到去噪后的信号W**:(ti,yi)
其中，σ代表噪声强度，e(ti,yi)代表信号中参入的噪声。
6.根据权利要求5所述的冰力学参数在线测试方法，其特征在于，所述冰的力学特性参数包括弹性模量、泊松比、剪切模量和体积模量。
7.根据权利要求6所述的冰力学参数在线测试方法，其特征在于，所述根据不同实时温度Ti及波在冰中传播的纵波波速和横波波速之间的关系计算出不同温度下冰的力学特性参数，具体方法为：
波速和材料特性参数之间的关系如下所示；
式中，ρ是冰的密度；E是杨氏模量；μ是泊松比；Vl和Vs分别是纵波和横波的速度，将上面两公式进行转化后得到以下公式：
式中，E是杨氏模量；G是剪切模量；K是体积模量。
8.根据权利要求3所述的冰力学参数在线测试方法，其特征在于，所述温度传感器、激励PZT传感器及响应PZT传感器设置在冰试件中同一水平面上。
9.根据权利要求8所述的冰力学参数在线测试方法，其特征在于，所述温度传感器位于所述激励PZT传感器和响应PZT传感器之间。
10.根据权利要求3所述的冰力学参数在线测试方法，其特征在于，所述信号发生器为Agilent 33250A任意波发生器，所述放大器为前置放大器PXPA3，所述信号接收器为Agilent DSO7034B示波器。
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2022
- 2022-01-21 CN CN202210071529.7A patent/CN114487118B/zh active Active
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|---|---|
| CN114487118B (zh) | 2024-05-31 |
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