CN1133089A - 通过超声试验测定片材强度 - Google Patents

Abstract

一种利用连续超声波发射与接收***来联机和脱机地测量纸和类似产品的强度和相关力学性质的方法。本发明还提供一种用来测量纸和类似产品的强度和有关力学性质的设备。该设备包括一个信号产生装置(9)、一个包括发射装置(11)和接收装置(6)的样品测试装置(11)、和一个用于分析所接收到的信号的装置(10)。

Description

通过超声试验测定片材强度

本发明涉及一种利用超声波发射和接收***来联机和脱机地测定纸和类似产品的强度及有关力学性质的方法。本发明还提供一种用来测量纸和类似产品的强度和有关力学性质的设备。

纸和类似产品的制造商一般希望测量其产品的力学性质，以保证该产品满足其预期用途的要求。直到最近，为了试验这些性质，曾经需要在实验室中用从纸张上切下的样品来测量想要的性质。此方法是特别费时间的，并且所得到的结果决不代表整张或整卷纸的性质。

为了克服与脱机处理相关的这些问题，Baum和Habeger在美国专利4,291,572中讨论了用来测量纸的强度性质，特别是用来估计杨氏模量的联机方法和设备的发展。Baum和Habeger公开了采用对片状产品施加单个超声脉冲或一短列超声波脉冲，然后测量该脉冲到达接收器的“飞行时间”。知道了发射器与接收器之间的距离，就可以算出波的速度。然后可以从波的速度估计杨氏模量。然而，测量杨氏模量和其他强度特性的Habeger和Baum联机方法带来了许多问题。尤其是，由于与一个联机***相关联的噪声，所以难以把寄生(extraneous)噪声与所发射的脉冲信号相分离，因此很难准确地识别脉冲信号并由此计算该脉冲信号的“飞行时间”。除了噪声问题之外，还有一个界面问题，即在发射器/接收器与产品材料之间的阻抗失配可能在进行测量时引起问题的场合。通常，发射器/接收器对波的阻抗与片状产品对波的阻抗相比大不相同，从而，造成向片状产品发射的实际能量的损失。这造成单个脉冲信号的相位变化和失真，这就再次使识别所发射的信号和计算“飞行时间”变得困难。

与Habeger和Baum***，从而与准确地测量脉冲信号的“飞行时间”的能力相关联的另一个问题在于界面(如空气/纸之间)和样品边缘处存在着对脉冲信号的反射。反射以及噪声影响准确地测量脉冲信号“飞行时间”的能力，因此同样难以从反射信号中识别出原始脉冲信号。

Habeger和Baum采取了某些步骤来处理他们的***的问题，尤其是在与噪声、阻抗失配和反射相关的问题方面。对数据的额外的读数和处理，或者在反射的场合，等到反射已经减少，是在试图减少与Habeger和Baum***相关联的问题时已经采取的的步骤。然而，所有这些解决办法均需要相当长的时间，在联机程序中一般设有该时间可以利用。例如，已经发现由于噪声和之前所采用的测量方法，所以提供一个平均测量结果可能需要长达6分钟。在现代造纸机上6分钟的联机意味着几千米和/或几吨的纸张，这样地话如果片状产品不能满足所需目的用的强度要求，便造成了产品的很大浪费。

已经开发出另一种仪器，试图连续监测纸的力学性质。原本为监测连续运动的聚合物片材的弹性模量而设计的该仪器被改装成对运动着的湿纸的弹性模量。进行测量该设备在工作时向该样品发射一个具有已知的恒定频率的连续声波，测量在发射器与接收器之间的相位移，并根据测得的相位移确定波长。此方法称为“连续波相位移”测量法。像用Habeger和Baum的“脉冲技术”的场合一样，“连续波相位移”法有一个在片状产品中产生反射的问题，于是使对原发射波的识别极其困难。同样，为了保证所取读数是准确的测量，采用一种低恒定频率的信号，然而已经发现由先有技术所采用的声信号一般来说对噪声，通常是外界机器(或不相关)噪声很敏感，这又一次使得对所传播波的识别极其困难，导致得到不准确的测量。

于是，本发明的目的在于，提供将克服先有技术中的某些问题，并特别是比较准确地并且最好是联机测量材料，特别是纸片产品的强度和有关性质的一种方法和设备。

本发明针对一种测量片状产品中的强度特性和有关性质的方法，该方法包括以下步骤：(a)在该片状产品中提供一种连续声扫频波；(b)接收该连续声扫频波；以及(c)进行测量以确定该波在发射之后到达该接收器所用的时间。

由于信号的性质，特别是信号的频率与时间之间的关系，有可能利用一种装置从不需要的频率如噪声和反射之类中滤出想要的频率。在先有技术中该滤波是不可能的。

有利的是，通过采用一种连续的声扫频波，有可能比较快地、定量地和准确地测量该信号从发射到接收的“飞行时间”，从而较准确地测量沿纵向、横向和Z向的强度模量。这在先有技术的Baum和Habeger法和“连续相位移”法中是不可能的，这些方法依赖于所接收的信号与所发射信号的脉冲形状之间的比较，其中往往难以从噪声和反射中区分出所接收信号。

可取的是，该扫频频率为一种超声频率。

更可取的是，为了确定该波在发射之后到达接收器所用的时间，从而确定必要的强度性质，测定所发射信号的频率到所接收信号的频率变化。

可取的是，该连续超声扫频波是一种带有恒定振幅的线性扫频。一种线性扫频是，其中对于恒定的扫频速度来说，瞬时频率随着时间线性地变化。

于是，由于该瞬时频率随着时间线性地变化，根据测量的频率变化和已知的发射器与接收器之间的距离，可以算出波速。

更可取的是，线性扫频波期等于测量时间。

与发射和接收装置一样，该方法最好利用一种用来从相关噪声(由激励信号引起的，例如失真和混响)和不相关噪声(该噪声与激励信号无关，例如片状产品的运动和机器噪声)以及反射中滤波或分离并且比较想要频率的装置。一种可取的用来滤波或分离并且比较所需频率的装置是锁相环。也可以有利地采用其他合适的基于频率的滤波器和跟踪装置，其中包括晶体滤波器。

本发明还提供一种用来测量片材中的强度特性和有关性质的设备，该设备包括：(a)在该片状产品中发射一种连续超声扫频波的装置；(b)接收该连续超声扫频波的装置；以及(c)进行测量以确定该波在发射之后到达该接收器所用时间的装置。可取的是，用来进行测量的该装置包括一个用来滤波、分离并且、比较所需的信号，最好是诸信号频率的装置。可取的是，用来滤波并且比较所需信号的该装置包括一个锁相环。

可取的是，该设备将至少包括一个发射装置，并可取地包括一个或多个接收装置。然而在某些实施例中，例如Z向测量，该发射器还可以起接收器的作用。

如果采用一个以上的接收装置，则它们可以围绕该发射器最好按圆形布置成一个阵列。

有利的是，可以用同一发射/接收配置来测量纵向、横向和Z向模量，而在先有技术的配置中这是不可能的，每个测量需要不同的装备。

此外，由于使用了连续扫频波，有可能横跨片状产品设置一组发射/接收***，其中各自的发射频率有选择地在一个预定的频率范围内工作，于是每个***将互不干扰。于是，与先有技术的方法不同，在先有技术中同时得到横跨整个材料宽度的联机强度值如果不是不可能的也是极其困难的，本发明有利地提供一种得到此宝贵信息的比较快速且准确的装置。

下面将对照附图描述本发明的一个实施例。

图1表示生成的和接收的波形的最佳实施例；

图2表示本发明设备的基本最佳组件的方块图；

图3表示适于测量Z向模量的试验台的一个例子；

图4表示一个纸样品的分散图。

所生成的线性波形或信号最好是一种连续扫频波。这种连续波具有随着时间线性变化的瞬时频率，于是在发射波一接收波之间瞬时频率之差是发射与接收之间延迟的一种度量。参见图1，该图表示生成的和接收的波形的一个最佳实施例。

图2表示本发明的设备的基本组件的概图。该设备一般包括一个生成信号的装置1、2、3和4，一个发射信号的装置5，一个接收该信号的装置6和一个分离或有选择地滤波并比较所接收信号的装置7。

波形最好用一个主控制单元(MCU)1生成，该单元控制一个可调节的斜坡发生器2以产生一个斜坡波形，然后该波形馈入电压控制振荡器(VCO)3。该VCO3的输出是扫频波，然后该扫频波最好在发射之前被放大(组件4)。向片状产品发射该波形的装置5通常是压电装置。同样，接收该波形的装置6也是压电装置。在某些场合，例如Z向测量，发射器也可以作为接收器工作。

至少用一个发射器发射该波形，而可取的是可以用一个或多个接收器。诸接收器可以围绕该发射装置适当布置，可取的是围绕该发射装置按圆形布置。同样，多个发射器/接收器***可以沿片状产品的宽度布置，以便得到横跨材料宽度的强度读数。

有选择地滤波并比较接收信号的装置7最好根据频率来选择想要的信号。如上所述，有选择地滤波并比较该信号的装置7可取地收集并滤波该接收信号，然后把该接收信号与该发射信号相比较。用来有选择地滤波并比较该信号的装置7最好包括一个锁相环，但同样可以使用一个晶体滤波器。此外，用来分离并比较该接收信号的装置可以包括一个高增益放大器(未画出)和一个比较器波“硬化器”(未画出)。

该高增益放大器(未画出)提高低电平的接收信号和环境噪声。该比较器波“硬化器”可取地放在该高增益放大器之后，并且顾名思义“硬化”该信号：把该信号转换成一种方波形状。

用于有选择地滤波并比较该信号的装置7中优选的锁相环(未画出)是一个控制***，该***产生一个在频率和相位上与输入信号同步的输出信号。于是，该锁相环(未画出)被连接到该波发生器并且更可取地连接到该电压控制振荡器3，其中该电压控制振荡器3的输出与该锁相环(未画出)的牵引(pull)范围同步。该“牵引范围”是一个频率范围，在该范围内该锁相环(未画出)能达到与输入信号锁相。在此场合，至该锁相环(未画出)的输入信号将是该接收信号。

可取的是，该锁相环(未画出)将在前向信号通路(从该接收器6)中包括一个相位探测器和一个低通滤波器，并在反馈通路(至该发射器5)中包括一个电压控制振荡器(VCO)。每个发射器/接收器配置将可取地利用一个锁相环装置(PLL)和最可取地利用一个数字PLL。使用数字锁环的优点在于，基准输入(该PLL把输入频率与之相比较)是一个数字(于是漂移最小)并且得自该发射信号。这意味着在该PLL基准与该放大器输出信号之间有一种比较恒定的关系。此关系被看成一个频率差，因而看成所经历的延迟时间的一个稳定的度量。

此外，在该锁相环之后可能需要一个简单的滤波器(未画出)以便产生一个与该频率差线性相关的连续电压输出。

在使用中，发射器/接收器配置将可取地横跨片状产品的宽度分布。这是可能的，因为有可能设置每个发射器/接收器配置以便发射并接收一个预定的频带。锁相环机构在每个配置中的使用使得每个单独的连续扫频波得以彼此区分开。可取的是，压电装置将至少接触片状产品的一侧。

各自的连续扫频波可在片状产品中传播(当联机时)并被接收器接收和被锁相环进一步滤波。输入(或生成)信号的频率与接收信号的频率相比较，而任何差值是由于发射与接收之间的延迟。已知发射器与接收器之间的距离，可以算出波速并能得到强度模量的近似。

同样，通过使基准波的频率偏移，有可能用同一个设备既测量纵向模量又测量横向模量。此外，通过使用本发明的方法和设备还能得到Z向的模量。

图3中所示的试验设备包括一个生成信号的装置(9)，一个样品试验装置(11)和一个用来分析结果的装置(10)。在大多数场合用一个计算机来分析结果。样品试验装置(11)包括一个发射装置(5)和一个接收装置(6)。样品(未画出)放在发射装置与接收装置之间进行测量。

纸样品的性能可以用一个分散图来表达。这可取地在垂直轴上用速度而在水平轴上用频率表达成一种曲线。沿一个纸样品的纵向产生的分散图的一个例子示于图4。所示的速度和频率二者均针对穿过纸样品发射的超声波。分散图将视该纸样品究竟是沿纵向还是沿横向取向而变化。

分散是材料中波速的频率相关性。波的频率改变该波在材料中传播的速度。在纸的场合，穿过纸传播的声波的该频率相关性是相当显著的。这是由于纤维的分散和它们相对于所传播波的波长尺寸所致。

由本发明的设备和方法所产生的分散图可以用来提供关于纸样品的宝贵的进程中信息，此外，由于该设备和方法可以联机使用，故能很容易、很迅速地得到关于纸样品的信息。

在开发本发明所提供的该方法之前，用飞行时间脉冲法很难产生分散曲线，因为在同一频率下出现很多波模。这些波模彼此干扰，使测量难以解释。然而，连续扫频波法接受一个落在一定的传播延迟间隔中的接收信号。通过扫描该发射频率但仅接受与一个波速窄范围相对应的接收频率来绘制该分散图。发射频率的合适范围从10kHz至2MHz。

造纸过程在纸中造成由9个弹性性质定义的对称状态。

C₁₁是纵向弹性刚度常数

C₂₂是横向弹性刚度常数

C₃₃是Z向弹性刚度常数(Z模量)

C₄₄是纵向-Z向抗剪刚度

C₅₅是横向-Z向抗剪刚度

C₆₆是纵向-横向抗剪刚度

C₁₂是面内刚度

C₁₃是面外抗剪刚度

C₂₃是面外刚度

对一个样品沿纵向产生的一个分散图提供一个C₁₁值，该值是纵向的弹性刚度常数。这是由分散曲线S₁至Sn的水平渐近线来表达的(见图4)。根据此渐近线得到的速度测量值等于(C₁₁/ρ)^0.5(ρ是表观密度)。

此外，通过测量分散曲线Ao的平直段可以得到面外抗剪模量C₅₅。此测量值也沿纵向用样品取得，而该速度等(C₅₅/ρ)^0.5。

运用此信息，结合面外模量C₃₃的值，可以计算C₁₃(面外抗剪模量)的值。(C₃₃可以用例如飞行时间之类技术上公知的方法独立地测量)。 ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{2\mathrm{\πn}}{h}\sqrt{\frac{C_{11}}{\mathrm{\ρ}}\frac{C_{33}{C}_{55}}{C_{13}(2C_{55}+C_{13})+C_{11}{C}_{55}}}----\left(1\right)$ 式中n是波模的阶；

Wn是出现明显的垂直渐近线的频率；

h是纸的表观厚度；以及

Cij是各种弹性刚变。(Mann，R.W.，Baum，G.A.和Habeger，C.C.，“机制涂料纸的所有九种正交弹性常数的测定。”Tappi，1980年2月，Vol.63，No.2，163～166页)。

沿横向一个分散图的产生也给出宝贵的信息。分散曲线S₁至Sn的水平渐近线的速度等于(C₂₂/ρ)^0.5(C₂₂是横向弹性刚度常数)。此外，Ao的平直段的速度等于(C₄₄/ρ)^0.5(C₄₄是纵向-Z向抗剪刚度)。因而运用上面公式(1)可以用C₂₂代替C₁₁并用C₄₄代替C₅₅以便代替C₁₃得到C₂₃。

根据已经得到的信息还能计算C₆₆(由纸片平面内的剪切波速度所定义的刚度)和C₁₂。 $C_{66}=0.387\sqrt{C_{11}{C}_{22}}----\left(2\right)$ (Mann等人)和 $C_{12}=\sqrt{[2\mathrm{\ρ}{V}_{s45}^2-\frac{1}{2}(C_{11}+C_{22})-C_{66}{]}^2-[\frac{(C_{11}-C_{22})}{2}{]}^2}-C_{66}----\left(3\right)$ 式中V_s45是沿与纵向和横向成45°的方向传播的面内剪切波的速度(Mann等人)。由于已经发现该面内剪切速度与传播方向的关系不大，故可用得自式(2)的剪切速度适当地代替V_s45而给出： $C_{12}\≈\sqrt{[C_{66}-\frac{1}{2}(C_{11}+C_{22}){]}^2-[\frac{(C_{11}-C_{22})}{2}{]}^2}-C_{66}----\left(4\right)$ (Mann等人)。

于是，针对与面外刚度耦合的各种波模的垂直渐近线和水平渐近线的测量潜在地提供所有***参数。

要不然由一个样品产生的分布贡线可以提供关于面外模量C₃₃的信息。利用下式： $C_{33}=\mathrm{\ρ}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{o}h}{2\mathrm{\πn}}\right)}^2----\left(5\right)$ 式中Wn可以根据分散图来测量；而

h＝样品的厚度。此式基于C₁₃(和C₂₃)比较小的假设，对于大多数纸样品来说情况就是如此。

结合本发明的设备和方法运用此公式(5)可以在进行面内测量的同时测定面外模量。

一般来说，样品的厚度是脱机测量的。这是用任何一种公知的方法进行的。

要不然的话，可以通过测量样品的弯曲刚度来确定纸样品的厚度。这可以根据分散图上作为第0个非对称弯曲波的Ao来测定。弯曲在该频率的1/4波长处出现，因而有可能从该分散图的垂直轴读取相应的速度。

然后把该速度用于下式：

              v＝d/t_d式中V是速度；

d是样品厚度；以及

t_d是穿过该样品的波的飞行时间(秒)以确定样品厚度。

此外，连续波方法能用来直接测量Z模量。此方法依赖于随着扫频在量值上提供零值或负值的表面之间的反射。随着波频率的改变，在传感器之间建立起给出最小值的驻波。这种驻波与该波穿过它而传播的材料的尺雨和声速有关。通过增加传感器之间的时间延迟，将改变出现这种最小值的频率。这是通过向该设备***该样品来进行的。于是对该样品厚度的了解可以解释零点频率的移动以给出穿过样品厚度方向的波速，从而给出对弹性Z模量的估计。

于是，有利的是，本发明提供一种方法，其中噪声、反射和阻抗失配问题大大减少，而且实时地得到数据结果。通过测量可取的频率，这提供了一种测定穿过片状产品的波速的比较准确的、定量的方法。比较起来，上述依速于所发射和接收的脉冲振幅和形状的对比的先有技术的方法，由于信号的敏感性尤其是不准确的，并且是耗费时间的，因为该方法必须克服***的诸问题。

Claims (13)

1.一种测量片状产品中的强度特性和有关性质的方法，该方法包括步骤：

(a)在该片状产品中提供一种连续声扫频波；

(b)接收该连续声扫频波；

(c)进行测量以确定该波在发射之后到达该接收器所用的时间。

2.根据权利要求1中所述的方法，其中该扫频波为超声扫频波。

3.根据权利要求1或权利要求2中所述的方法，其中为了确定该波在发射之后到达接收器所用的时间，测定所发射信号的频率到所接收信号的频率的变化。

4.根据权利要求1至3中任何一项中所述的方法，其中该超声扫频波是一种带有恒定振幅的线性扫频。

5.根据权利要求1至4中任何一项中所述的方法，其中该线性扫频的波期等于测量时间。

6.根据权利要求1至5中任何一项中所述的方法，其中用一个锁相环来分离并比较想要的频率。

7.根据权利要求6中所述的方法，其中该锁相环是一个数字锁相环。

8.一种用来测量片材中的强度特性和有关性质的设备，该设备包括：

(a)在该片状产品中发射一种连续超声扫频波的装置；

(b)接收该连续声扫频波的装置；以及

(c)用来进行测量以确定该波在发射之后到达该接收器所用的时间的装置。

9.根据权利要求8中所述的设备，其中发射一种连续扫频波的该装置发射一种超声扫频波。

10.根据权利要求8或9中所述的设备，其中用来进行测量的该装置包括一个用来分离并比较想要的信号，更可取的是诸信号的频率的装置。

11.根据权利要求10中所述的设备，其中用来分离并比较想要的信号的该装置包括一个锁相环。

12.根据权利要求8至11中任何一项中所述的设备，该设备至少包括一个发射装置。

13.根据权利要求12中所述的设备，该设备至少包括一个接收装置。

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