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数字信号处理的动态弹性模量测定新方法-【新闻】热弯炉

发布时间:2021-04-20 12:26:46 阅读: 来源:黑退火带钢厂家

数字信号处理的动态弹性模量测定新方法

2 引言

动力学测定材料弹性模量的方法是国家标准GB/T2225-92、GB2225-82所推荐的方法。该方法能准确反映材料在微小形变时的物理性能,测得值精确稳定,对脆性材料如石墨、陶瓷、玻璃、塑料、复合材料等也能测定,该方法测定的温度范围极广,从液氮温度~2622℃范围内均可。采用数字信号处理技术可以自动测定出被测材料的弹性模量,解决了人工操作寻找材料共振峰的操作复杂、易出现误判的问题;由于采用计算机进行信息处理,具有局部人工智能及测量结果的二次使用。

2 材料动态弹性模量测量基本原理

图2 弹性模量测量基本原理

材料动态弹性模量测量基本原理如图2所示。信号源输出正弦周期信号给换能器2,换能器2将周期性电信号转换为机械振动,机械波在被测样品中传播到换能器2,换能器2又将机械波转换为电信号:用示波器可以观测电信号的波形;通过改变信号源的输出频率可以将各种频率信号逐次施加到被测样口上,当信号源的输出频率等于被测样品的自然振动频率时,两者产生共振,此时在接受器上得到的电信号振幅亦为最大,通过示波器可以观测到样品是否产生共振。材料的弹性模量计算公式为:

3 数字信号处理动态弹性模量测量基本原理

图2 窄脉冲冲击信号和频谱

将图2示波器换为计算机数据采集系统,就成为数字信号处理的动态弹性模量测定原理。信号源将周期电信号传到换能器2,换能器2将周期性电信号转换为机械振动,机械波在被测样品中传播到换能器2,换能器2又将机械波转换为电信号;由计算机控制对换能器2输出的电信号进行连续采样及离散数字化处理,计算出信号频谱及被测样品中最大共振峰的频率,最后计算出被测样品的弹性模量。此处信号源采用窄脉冲冲击周期信号;已知单位冲击信号的频谱为一常数,也即在整个频率范围内频谱是均匀分布的。这意味着在时域上变化异常激烈的冲击信号,在频域中包含着极丰富的高频分量,而且与低频分量幅度相等而不衰减,这种谱又称自色谱。周期性单位冲击信号的频谱是帽值为常数的离散谱。单个窄脉冲信号及其频谱如图2所示,当τ趋于零时,F趋于直线,即F趋于常数。将单个窄脉冲信号周期化,则其频谱是离散化,这个离散化的频谱包络线与单个窄脉冲信号的频谱一样。将窄脉冲信号周期性加到被测材料上,以克服被测材料自身对机械振动的内耗,产生包括共振信号在内的复合连续信号。将具有频谱均匀的信号加到被测材料上,激发被测材料能够产生具有共振波在内的复合信号。换能器2将含有共振波在内的复合机械信号变飞换为相应的电信号传给电信号采集及计算机数字化频谱分析系统,计算出信号的最大共振峰;最后换算为被测材料的弹性模量。

4 数字化频谱分析方法及频谱细化

对换能器2变换出的电信号进行数字化频谱分析。首先对连续时间的电输入信号进行取样;取样脉冲序列由一个冲击函数序列表示。模拟信号经取样离融化变为离散取样信号,取样脉冲周期T的确定可根据:文献[2]的结果,即在输入模拟信号频带受限的情况下,取样频率应等于或大于模拟信号中最高频率的两倍。其目的是使离散数字信号的频谱与原模拟信号的频谱基本一样,不产生混迭失真。离散数字信号的频谱计算;对离散化的取样信号采用快速傅立叶变换算法计算信号的频谱[2]。快速傅立叶变换FFT算法使计算速度得到极大提高。

连续信号X2在[2,tp]内以采样周期Ts,作M点采样后,频谱被周期延拓,延拓周期为采样频率fs=2/Ts。用FFT计算信号频谱时,只能观测到f=kΔf频率点上的频谱,频率抽样点之间的频谱无法反应出来。当第一次FFT计算确定共振峰初步位置,为了确定频率抽样点之间是否有更大的峰值,可以采用ZFFT算法。ZFFT算法仅对某一需特殊关注的频段作局部放大,得到该频段的高分辨率谱[2]。在给定的频率分辨率范围内可以确定峰值最大时的频率值,该频率值可以确认为被测材料的共振频率。

5 结论

采用数字化测量材料的弹性模量是一种新的测量方法,具有自动测量、自动识别共振峰的特点,避免人工操作复杂易误判等问题。用此方法对己知弹性模量的材料进行测量,结果与理论值基本吻合。

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