聚合物共混状态超声在线监测关键技术研究

摘要

在聚合物共混过程中，对聚合物混合状态的实时监测具有重要的意义，它可以有效地提高生产效率，缩短新产品的研发周期，降低生产和研发成本。本文针对聚合物共混过程中混合状态的监测问题，提出了超声在线监测方案，并研制了适用于熔态聚合物监测的高信噪比超声传感器，探讨超声信号特征参数表征聚合物混合状态的方法及其相应的信号处理技术。
　　本文的主要研究内容包括：
　　（1）针对超声波在缓冲杆中传播存在尾随回波的现象，采用波导理论分析了超声波在杆中传播的边界反射、波型转换等情况，给出了尾随信号的间隔与杆直径和声速的确定关系；提出了超声波在有限长中传播的系统仿真方法，剖析了杆长度、直径对回波信号幅值、尾随回波幅值以及信噪比的影响；建立了超声波在缓冲杆中传播的有限元模型，分析了超声波在圆柱杆、包覆圆柱杆、双锥形杆、包覆双锥形杆中传播的回波信号；综合上述的研究结果，探讨了抑制尾随回波的措施。研究成果也可应用于不同监测领域高信噪比缓冲杆的设计和加工。
　　（2）为了设计高信噪比的超声缓冲杆，试验分析了声衰减、声速、声阻抗对缓冲杆端面回波信号、尾随信号和检测特征回波信号的影响，结果表明，当使用温度和强度满足要求的情况下，非金属缓冲杆用于检测熔态聚合物时比金属缓冲杆更有优势。
　　（3）针对聚合物混合状态的在线监测要求，提出了适用于熔态聚合物监测的超声传感器设计方案；结合超声波在缓冲杆中传播的理论分析和试验结果，以聚醚醚酮（PEEK）作为缓冲杆材料，设计了多种不同结构、不同长度缓冲杆的超声传感器；测试了所设计传感器在熔态聚合物中的超声传输性能和检测能力，并将其应用于多种聚合物/填充料混合物的高温检测试验，结果表明所研制的传感器在150℃下工作的信噪比达20dB。
　　（4）为了在监测过程中准确获取表征聚合物混合状态的超声参数，探究了特征回波信号与螺杆运转的准周期性，确定了以同一位置不同旋转周期的回波信号的幅值偏差度作为表征聚合物混合状态的参数；利用秩滤波和低通滤波有效地校正了由于温度等外界因素影响所造成的幅度变化趋势，采用相关系数法进行不同旋转周期间同一位置的数据匹配；探讨了获取同一位置幅值偏差度的差值比较法和比值比较法。
　　（5）在单螺杆挤出机上完成了聚合物/填充料混合物、两种聚合物混合物以及多种原料混合物挤出过程的超声在线监测试验，采用扫描电镜观测了试验样品，并分析了各种试验过程的超声特征参数；研制了螺杆挤出机聚合物混合状态超声在线监测系统样机。
　　论文的研究为拓展超声检测技术在新领域的应用和聚合物生产过程的可视化具有重要的理论意义和实用价值。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 课题的背景、目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的研究内容及结构安排

2 聚合物共混状态的在线监测方案

2.1 聚合物混合挤出的工作原理

2.2 超声检测原理及特征参数

2.3聚合物共混状态的超声在线监测方案及关键技术

2.4本章小结

3超声波在缓冲杆中的传播研究

3.1超声波在缓冲杆中传播的波导理论分析

3.2 超声波在缓冲杆中传播的系统模型研究

3.3 超声波在缓冲杆中传播的有限元模型

3.4 本章小结

4超声传感器的设计及性能分析

4.1 超声传感器的设计

4.2 超声传感器的性能测试

4.3 超声传感器在熔体聚合物检测中的应用

4.4 本章小结

5 聚合物混合状态的在线监测试验及信号处理技术研究

5.1 在线监测试验装置与信号采集

5.2特征参数提取与处理

5.3 聚合物共混超声在线监测试验

5.4 系统样机

5.5 本章小结

6 结论

6.1论文所做的工作

6.2本论文的创新点

6.3研究中的不足及今后研究的课题

参考文献

攻读博士学位期间所取得的研究成果

致谢