使用數學方法監測熱固樹脂固化程度的研究

摘 要：文章研究目的在于針對目前國產樹脂固化監測儀器的空白，解決普通測量介質損耗因數的方法在樹脂固化程度監控中遇到的問題。通過引入數學方法測量樹脂基體介質損耗，直測數據經高速數據處理系統推算，根據其所呈現的規律對固化過程進行實時分析，確定固化所處階段，監測固化整個過程。

關鍵詞：熱固樹脂；數學方法；固化程度；監測

1 引言

熱固性樹脂固化物因其具有良好的化學穩定性、電絕緣性、耐腐蝕性及優異的機械性能、物理性能及良好的工藝操作性，而被廣泛應用于航天航空、汽車船舶、能源、電子信息等工業中[1]。

樹脂固化過程中聚合物在交變電場中固有偶極矩的極性分子在交變電場中將作沿著電場方向排列，而由于分子內和分子間力的存在，偶極振蕩與外電場不同相，這個相位差將會引起能量的耗散，介質損耗相應產生[2]。普通測量介損的方法在固化程度監測中遇到問題：使用過零電壓比較法只能測量頻率和幅值相同的正弦電壓波的相角，雖抗干擾能力強對電路要求比較低，但其對試件的要求過于苛刻；使用過零時差比較法[3]雖測量結果分辨率較高、線性情況也較好易于進行數學化轉換，但由于零線漂移和波形畸變比較嚴重易產生嚴重的誤差；使用諧波分析法后期可用軟件對波形進行了處理，雖提高了系統的可靠性但對采樣信號進行DFT時會產生較大的誤差；使用自由矢量法[4]雖電路設計簡單價格便宜但是在現場測量時受干擾因素較多，影響測量精度及應用；使用異頻電源法[5]雖測量失真度小、可進行實時取樣、精準度高，但是其異頻電源的頻率范圍較小不適合實際應用。

2 硬件系統

監測系統的硬件主要包括采集系統、電源系統、數據處理系統、軟件系統等部分。首先將現場直測信號通過調理電路，再經轉換器進行數據實時同步采樣，采樣數據通過高速數字處理單元，基于以上算法對電流、電壓波形數據進行頻譜分析，分離出基波分量，完成介質損耗因數的計算任務。為保證固化程度在線監測系統精確監測介電損耗所呈現的變化，在系統中加入kaiser窗采用數學方法對被試品采樣信號進行分析。結構和功能框圖如下：

如上圖所示為提高測量的精度和儀器智能化監測功能，首先將直測信號通過采集系統調理電路再經轉換器進行數據實時同步采樣，數據傳送到數據處理系統通過高速數字處理單元，通過kaiser窗的頻譜校正算法對電流、電壓波形數據進行頻譜分析，分離出基波分量，完成介質損耗因數的計算任務。處理后的結果通過異步串口送至單片機管理單元，配合控制單元進行實時顯示、數據統計、存儲以及通信等工作。

2.1 采集系統。現場采集信號受環境影響波動較大需經過電壓互感器、電流互感器與電阻取樣網絡進行信號調理，使其適合于模/數轉換器的輸入。

2.2 變頻電源。將輸入的交流220V電壓經保護、整流、濾波電路，再輸入單相橋逆變電路、高頻變壓器，最后加在被試品上。

2.3 數據處理系統。在此監測系統中，由于運用數學算法、頻譜分析算法，在實時監測中需進行計算的點數相對較多，數據量大。經測量、計算后將數據傳送到控制系統。為保證的測量精度，需采用高運算速度的數字信號處理芯片。

2.4 控制系統的軟件實施。通過比對-溫度曲線選取合適時間對工藝參數進行控制。加熱、恒溫過程由計算機控制，利用其邏輯判斷的準確性對監控系統中整個工藝控制過程建立相互聯動關系表。在加熱、恒溫模塊動作前必須按程序敲定順序動作如出現判斷錯誤，立刻復位停止；為保證多電路系統的穩定測量運行，采用模塊化設計，便于維護。

3 數學方法在測量過程中的應用

在實際監測過程中使用數學方法分析、跟蹤介電損耗技術，利用加窗函數對樹脂基體在固化過程中介質損耗角正切隨溫度、時間、頻率變化情況，依據計算機強大的邏輯判斷能力對測量曲線進行實時跟蹤判斷，結合高速數據處理系統推算出最佳的固化參數。與普通測量介損的方法在系統中的應用比較，采用數學方法的優點在于，Kaiser窗定義了一組可調的窗函數，其主瓣能量和旁瓣能量的比例近乎最大，且可自由選擇主瓣寬度和旁瓣高度之間的比重，因此可以全面地反應主瓣與旁瓣衰減之間的交換關系，其不但設計靈活還可以很大程度的克服諧波的干擾、基波頻率的波動以及白噪聲對介質損耗測量的影響。

4 固化溫度測定

利用基于kaiser窗數學算法搭建的系統對固化過程中介質損耗因數進行連續測量相較于其他方法需將試件按一定要求從加熱箱取出再接入電路進行測量，測量結果更能反映出樹脂固化整個過程中基體變化情況。考慮到目前系統的搭建可能還尚未達到期望目標，將實驗分成3組進行平行實驗，將結果取平均值并繪圖。將試件按升溫速率為1℃/min進行升溫固化，測量其介電損耗隨溫度變化情況。

5 結束語

研究具有實用價值的樹脂固化程度監控系統將對縮短樹脂的制造時間，增加產量提供有力條件；使提高我國環氧樹脂產品的總體質量成為可能；為開發新型熱性樹脂提供技術支持，可省去部分重復試驗；通過數學方法的引入可大大降低信號取樣、隔離、變送等關鍵電路的復雜程度，使系統更穩定也更易維護，相信此方法在未來將具有廣泛的應用；為樹脂固化專用監測儀的國產化奠定了基礎。

由于此系統初次搭建、電路初次設計為保證可靠性系統選用了成本較高、口碑較好的芯片及輔助實驗儀器。在今后的實驗中可主要進行對系統經濟優化的設計改良，逐步降低成本。希望此系統在今后的實驗中改良完善后能夠代替國外產品，結束其在此應用領域的壟斷。

參考文獻

[1]吳良義，羅蘭，溫曉蒙.熱固性樹脂基體復合材料的應用及其工業進展[J].熱固性樹脂，2008，23（增刊）：22-31.

[2]李玉彬，張佐光，楊嘉陵.環氧樹脂電子束固化過程中的電子能量傳播機制[J].高等學校化學學報，2007，7：1383-1387.

[3]王海霞.介電分析法在熱固性樹脂固化研究中的應用[J].化工發展，1998，6：46-49.

[4]孫慕瑾.扭辮分析及其應用[J].玻璃鋼/復合材料，1990，03：33-40.

[5]許珉，張鴻博.基于異步順序采樣值精確測量電量的方法[J].繼電器，2005，15：82-85.