数字式纤维声速取向度测量仪的研制

    引言

    分子沿纤维轴方向排列的程度就是取向度。对于同一种材料的纤维取向度越高,声波在纤维中传播的速度也就越快,因此可以通过测量声波在纤维中传播速度的方法来计算它的取向度。本文介绍一种基于声波的取向度测量仪。该仪器具有成本低、测试简单、易行、速度快等优点。

    1 纤维声速取向度测量原理

    声波传播速度沿着分子主链方向要比垂直主链方向快得多,因为在主链方向上,振动在原子间的传递是靠化学键来实现的,而在垂直于主链的方向上,原子间只有弱得多的分子间力。如果无规取向的纤维中的声速用Cu表示,待测样品的速度为Cx,则可得待测样品取向度(F)为:

    测量纤维声速,包括声波的产生,在纤维中传播以及声波的接收。压电陶瓷是一种具有正压电效应(把电信号转化成压力)和逆压电效应(把压力转化成电信号)的器件。压电陶瓷贴在铜基片上就成压电蜂鸣片,可以完成电信号到声波及声波到电信号的转化过程。压电蜂鸣片铜基片的一侧加上固定纤维的挂勾,即可在纤维传播声波及接收纤维中声波信号,压电接收器可以在测试架上移动,测量不同距离的接收时间(见图1)。接收到信号Trev的时间由两部分构成:声波传播时间Tran和系统误差Tsys。系统误差可以看作是恒定不变的,距离为L1时测得的值:Trevl=Ttran1+Tsys,距离为L2时测得的值:Trev2=Ttran2+Tsys,L1到L2间传输时间为Ttran2-Ttran1=Trev2-Trev1(L2>L1),于是可得V=(L2-L1)/(Trev2-Trev1),同理在纤维的不同距离处测试,根据测量结果进行线性拟合,就可以得此段纤维的声波传播速度。

    2 测量仪硬件设计

    2.1 总体设计

    纤维声速取向度测量仪选用Motorola公司的68VZ328处理器芯片,该处理器功能强大,具有CFI接口和SDRAM接口,还支持最大640@512点阵16级灰度的液晶屏。系统中使用2片2MB的Flash(一片存储数据一片存储程序)和4MB的SDRAM存储器,较大的程序及数据存储空间可以专注于功能设计不必为硬件资源担心。系统采用517英寸四级灰度320@240液晶做显示屏,以显示各种信息。UART到USB的转换为仪器增加USB从设备功能,并可利用USB接口向PC传递实验结果;压电陶瓷驱动电路用于驱动压电发送器发声波;在接收信号处理单元完成信号的滤波、放大、整形、电平匹配后与发送信号接合并送到MC68VZ328的计数器触发端,这样可以测量得到发送与接收间的时差;矩阵键盘用地输入,完成人机对话;在仪器中用到的电源的电压值较多,所以电源的实现也是很重要。

    2.2 压电陶瓷驱动电路