[0001] 本发明涉及传感器测量技术领域，具体涉及一种埋入式超声辅助模压振动测量传感器及测量方法。

[0002] 超声辅助模压成型工艺主要应用于金属、玻璃以及复合有机材料粉体颗粒的压铸成形生产中，通过在模压模具上安装多个超声振子向模具内的受压材料施加多个方向的超声振动，在压力方向上产生应力叠加的效果，促进材料颗粒破碎和相互间的移动，降低颗粒间、颗粒与模具内壁之间的摩擦力，产生的热量也可以使颗粒软化、变形，从而提升模压成型生产的效率，提高成型零件的品质。模压成型工艺是一种高效、灵活的成型技术，可以方便快捷的生产出面型复杂、材料特殊的零件，而超声辅助的模压成型工艺则能够显著提升成型零件的密度和密度分布的均一性，以及成型零件的力学性能。

[0003] 超声辅助模压成型工艺是基于压机和超声振动系统两套设备输出配合而实现的，成型过程中，控制器通过控制压机的行程控制加载到模具上的压力，压机下压的速度决定了压力随时间的变化，加压的过程同步输出功率超声信号到模具上，超声信号的振幅变化也与时间相关。超声辅助模压成型设备的设计包含模压模具的结构设计和超声振动系统设计两部分，两部分设计各自独立又相互关联，整套系统设计的目标是获得更好的超声振动作用效果，因而设计的关键就是准确测量出超声振动传递到内部材料的效果，包括振动的幅度和频率。

[0004] 对于受压材料内部振动的测量，即为测量压力在超声辅助作用下产生的应力变化，常规的方法是在材料内部埋装应变测量元件，采样信号经过线缆进入高精度变送器，放大调理后进入数据记录仪，在时间轴上与压力和超声输出数据同步分析，使用分析的结果指导模压模具的结构设计和超声振动系统的设计。由于模压成型过程中使用的压力较大，内部应变元件与外部变送器之间的电缆在高压作用下会断裂，无法成功传递测量信号；而模具为金属材料加工而成，冲头和模套之间缝隙较小，有很强的屏蔽作用，也不能采用无线信道传递测量数据；安装于模具内壁的应力传感器可以采集内壁接触的振动信号，但该信号无法准确描述受压材料内部的振动情况。

[0020] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0021] 在一实施例中，图1是根据一示例性实施例示出的一种埋入式超声辅助模压振动测量传感器的结构装配爆炸图，在图1中，编号对应如下：1‑传感器外壳、2‑圆柱内切球面结构、3‑弹性力感应元件、4‑压电石英芯体、5‑信号转换存储板、6‑电荷信号放大板、7‑CR1632纽扣电池；图2是根据一示例性实施例示出的一种埋入式超声辅助模压振动测量传感器的剖面图，在图2中，编号对应如下：1‑传感器外壳、2‑圆柱内切球面结构、3‑弹性力感应元件、4‑压电石英芯体。参见图1和图2，提供一种埋入式超声辅助模压振动测量传感器，包括：
形状为圆球形的传感器外壳1，所述传感器外壳1上开有预设数量的台阶式沉孔；
每个台阶式沉孔的内部装有压电石英芯体4，外部装有弹性力感应元件3，所述弹性力感应元件3向内的凸起紧贴所述压电石英芯体4，以使外部压力作用到弹性力感应元件3产生的形变位移量传递到所述压电石英芯体4，使压电石英晶体4产生与形变位移等比例的电荷；
所述传感器外壳1的内部空间中装有压电信号采集电路，所述压电信号采集电路在感应到所述压电石英芯体4产生的电荷信号后，根据所述电荷信号计算得出对应的压力值。

[0022] 在具体实践中，本实施例示出的埋入式超声辅助模压振动测量传感器是这样实现的：将多个压电石英晶体镶嵌在一圆球形金属壳外壁（传感器外壳1），在传感器外壳1内部集成一套多路压电信号采集电路，该电路可依靠电池供电独立工作，在电池电量可维持的时段内，实时采集、处理并记录压电信号，整个装置可作为一套多向压力测量传感器工作在封闭的流体介质内。在超声辅助模压成型过程中，该传感器与受压成型颗粒材料混合在一起装入模具内部，在整个压制实验过程中，测量并记录压机加载到模具上的压力与功率超声耦合后作用到受压材料内部引起的振动。实验结束后从压坯内取出传感器，读取内部存储的振动测量数据，与时域内压机位移数据、轴向压力测量值和超声振幅输出信号叠加后分析，研究模具和功率超声系统的设计，改进超声辅助模压成型工艺。

[0023] 常规的模压成型模具参见图3，在图3中，编号对应如下：11‑冲头、12‑模套、13‑底座、14‑超声换能器、15‑上承力工装、16‑下承力工装、17‑受压成型材料、18‑埋入式振动测量传感器。如图3所示，冲头11、模套12和底座13组装成一个密闭的容器，被用于压制成型的颗粒材料预先放入容器内，采用压机在冲头11上施加压力实现模压成型。配备超声辅助的模压成型设备是分别在冲头11和底座13端面位置通过螺纹安装超声换能器14，在模套12外壁高度对齐最终压坯成型的位置、径向均布安装一定数量的超声换能器14，冲头11和底座13的换能器分别用独立的超声电源（超声信号发生器）驱动，模套12上的超声换能器14采用多路输出的超声电源驱动，同时在底座13和冲头11加装承力工装，防止压机的压力直接作用在超声换能器14上。将埋入式振动测量传感器随受压成型的颗粒材料一起装入模具内部，在压制过程中实时测量、记录压力与超声耦合后在材料内的产生的振动。

[0024] 所述传感器外壳1为圆球形设计，内部的压电信号采集电路采用小型化设计压缩传感器外壳1的体积，从而降低传感器对受压颗粒材料流动产生的阻力，使壳体周围的颗粒材料能够均匀的将压力传递给传感器。

[0025] 传感器外壳1周围的台阶式沉孔，其数量与上述模具上安装的超声换能器14（超声振子）数量一致，本实施例中以2个轴向和4个径向超声换能器14为例设计6个台阶式沉孔，参见图1和图2。在台阶式沉孔中依次装入一体式压电石英芯体4（通常由压电晶体和电桥组成）和弹性力感应元件3。优选的，所述弹性力感应元件3为钛合金材质，能够利用钛合金良好的弹性将振动（波动的压力）传递至压电晶体。

[0026] 需要说明的是，所述的埋入式超声辅助模压振动测量传感器，还包括：圆柱内切球面结构2；所述压电信号采集电路设置在所述圆柱内切球面结构2的内部空间中；
所述传感器外壳1设有开口，所述圆柱内切球面结构2通过所述开口推入所述传感器外壳1后，所述圆柱内切球面结构2与所述传感器外壳1在外表面保持为完整的圆球形。

[0027] 在具体实践中，为了便于将设置于传感器外壳1内部空间中的压电信号采集电路取出，因此设计了圆柱内切球面结构2，参见图1，传感器外壳1采用下开口的方式装入压电信号采集电路，采集电路安装在与开口圆直径相同的圆柱内切球面结构2上，该结构从下开口处推入球壳，并在外表面保持球壳的完整性。

[0028] 优选的，所述传感器外壳1为316L不锈钢材料，可承受最大300MPa的表面压力，壳体结构应力分析如图4所示，在300MPa的压力下，钛合金弹性元件的最大变形量为0.051mm，没有超出压电晶体的形变范围；最大屈服应力为233MPa，小于一般钛合金的屈服强度（686～1176MPa）。

[0029] 需要说明的是，所述压电信号采集电路包括一个信号转换存储板5和多个电荷信号放大板6，所述电荷信号放大板6的数量与所述台阶式沉孔的数量相同；所述一个信号转换存储板5和多个电荷信号放大板6采用板卡堆叠形式置于所述
圆柱内切球面结构2的内部空间中。板卡之间采用微型接插件实现机械连接与信号传递。

[0030] 可以理解的是，通过如此设置压电信号采集电路，能够极大程度的压缩压电信号采集电路的占用空间。

[0031] 压电晶体是力敏元件，压力与超声振动的叠加作用通过成型颗粒材料作为介质传导至钛合金弹性元件上，由于钛合金元件的弹性使石英晶体感受到动态力，在压电晶体表面就产生与受到的力成正比例的交变电荷。输出的电荷信号经前置放大器处理之后，把高输出阻抗的电荷信号Q转换成低阻抗的电压信号U，并将这个微弱的电压信号放大后输入到MCU的A/D采样通道，计算所受到的压力值。

[0032] 需要说明的是，参见图5，所述电荷信号放大板6包括运放芯片OP1和运放芯片OP2，其中，所述运放芯片OP1的反向输入端通过电阻R2和电容C3接收所述压电石英芯体4产
生的电荷信号，所述电阻R2的两端并联电容C2；所述运放芯片OP1的同相输入端通过电阻R3接地；所述运放芯片OP1的输出端通过电阻R1和电阻R2与所述运放芯片OP1的反向输入端相连，所述运放芯片OP1的输出端通过电容C1、电容C3和电阻R2与所述运放芯片OP1的反向输入端相连；所述运放芯片OP1的输出端通过电容C4、电阻R4与所述运放芯片OP2的反相输入端相连；
所述运放芯片OP2的同相输入端接地；所述运放芯片OP2的输出端通过电阻R5与所述运放芯片OP2的反相输入端相连；所述运放芯片OP2的V+引脚通过电容C5接地；所述运放芯片OP2的V‑引脚通过电容C6接地；所述运放芯片OP2的输出端与所述信号转换存储板5相连。

[0033] 优选的，上述电阻和电容的数值为：R1=22MΩ，R2=330Ω，R3=10KΩ，R4=10KΩ，R5=100KΩ，R5=9.1KΩ，C1=1uF，C2=1nF，C3=1nF，C4=1nF，C5=0.1uF，C6=0.1uF。

[0034] 在具体实践中，电荷信号放大板6的前置放大器选用集成双运放芯片AD8538，AD8538是一款低功耗、精密、自稳零运算放大器，具有高增益、高共模抑制比和高电源抑制比的特性，非常适合电池供电设备和便携式设备应用，主要参数如下：失调电压：13uV，电压漂移：0.03μV/°C，输入偏置电流：25 pA，电源电流：180 μA。

[0035] 每个AD8538负责一路压电信号的采集，内部的两个运放OP1和OP2分别构成电荷‑电压转换级和反向放大级串联工作。

[0036] 其中电荷‑电压转换级是一个具有深度负反馈的高增益积分放大器，电容C1和运放OP1构成反馈网络，积分电路的输出电压与输入电荷量成正比，与反馈电容C1成反比，输出与输入反相，改变C1的值可以改变电荷放大器的灵敏度，选择电容量稳定性好、高内阻和低漏电特性的CB10型聚苯乙烯薄膜电容做反馈电容。

[0037] 在反馈电容C1两端并联积分漂移泄漏电阻R1提供直流反馈，避免积分漂移造成的运放输出饱和或截止现象，同时防止低频信号增益过大，使电荷放大器稳定工作。在OP1反相端串接电阻R2以防止运放过载损坏；在R2两端并联电容C2，实现相位补偿作用，避免R2与OP1的输入电容构成另一个极点形成自激振荡；电容C3用来隔离压电晶体的直流漂移。

[0038] 运放OP2与R4、R5构成反比例放大电路，使最终输出电压与前级的积分电压反相；R6=R4//R5为平衡补偿电阻，引入电压并联负反馈，用以减少失调电压和失调电流；电容C4用来隔离两级放大器之间的直流零漂，C5和C6分别滤除电源对集成运放的干扰。

[0039] 中压电晶体的电荷灵敏度为4pC/N，等效电容值为1080pF，可测振动频率范围为：2
15kHz 50kHz。压电晶体受力面积为113mm ，最大工作压力为300MPa的情况下，压力值可达~
33.9kN，晶体受力产生的最大电荷量为135600pC，积分电容C1=1uF，则最大积分电压理论上为：

[0040] 电压信号经第2级反向放大10倍（R5/R4=10）后变为正电压（UOmax=1.356V），进入MCU的A/D通道，MCU内的12位A/D转换器使用内置的2.048V电压基准对其进行采样。

[0041] 需要说明的是，所述的埋入式超声辅助模压振动测量传感器，还包括：正负电源芯片LM27762，所述正负电源芯片LM27762从电池中获取电源，为所述电荷信号放大板6提供双极性电源。

[0042] 在具体实践中，电荷放大电路由正负电源芯片LM27762供电，LM27762内部集成了2MHz开关频率的反相电荷泵与低噪声正负输出LDO，输入正电压经反相电荷泵生成负电压，正负电压再经过正负LDO降压输出±3V电压，为积分放大电路提供稳定的双极性电源，输出电流可达250mA，具有较低的输出阻抗和电压纹波。

[0043] 整个电路系统采用低功耗设计，传感器工作原理示意框图参见图6，工作电流为96mA，由2块CR1632纽扣电池7（3.0V，140mAh）并联供电，电量可维持系统1小时的正常工作。

[0044] 需要说明的是，所述信号转换存储板5由低功耗MCU芯片STM32L011K4B、32.768KHzRTC晶振、FLASH存储卡（8GB TF卡，连序写速率可达100MB/s）和USB接口芯片CP2102组成。

[0045] 所述低功耗MCU芯片STM32L011K4B内部集成10通道12位AD转换器，采样频率为40kHz。针对20kHz的超声振动频率，将采样频率设为40kHz，可精确跟踪超声振幅的变化。

[0046] 需要说明的是，所述低功耗MCU芯片STM32L011K4B还包括RTC模块，利用所述RTC模块提供日历时间基准。RTC（实时时钟）模块用以提供日历时间基准，将传感器测量的内部振动数据在时间轴上与压力和超声输出控制数据同步。

[0047] 需要说明的是，所述低功耗MCU芯片STM32L011K4B还包括GPIO编程模块，通过所述GPIO编程模块与所述FLASH存储卡建立数据传输通道，将计算得出的压力值存储至所述FLASH存储卡。MCU通过对GPIO编程与TF卡建立支持4线高速数据传输的SD通讯模式，将AD转换后的数据存入存储卡，总线速率设为1MHz，满足6路12位40kHz压电信号采样数据的带宽（2.75Mb/s），最多可记录6小时的实验数据；所述GPIO编程模块还用于与超声辅助模压控制系统进行同步对时。

[0048] 而USB接口芯片CP2102将MCU的UART接口电平转换成USB协议的接口，实现传感器与数据分析计算机的通信，接收控制命令，传输采集到的振动数据。

[0049] 可以理解的是，本发明的技术方案，采用长时间离线采样并记录的方法，解决了在封闭、高压环境下对力与功率超声耦合作用引起的振动的测量，测量方式直接，获取的数据直观且有效，根本上解决了对模具内部声‑力耦合作用效果的度量，实现了对超声辅助模压成型工艺参数的定量分析，为超声辅助模压成型工艺的设计与修正提供了可靠的依据。

[0050] 根据本发明实施例的第二方面，提供一种超声辅助模压振动测量方法，应用于上述任意一项所述的埋入式超声辅助模压振动测量传感器，其特征在于，包括：将传感器与超声辅助模压控制系统进行同步对时；
在同步对时完成后，实时检测受到的压力值，若所述压力值达到预设阈值，则存储后续计算得出的压力值以及对应时间；
当传感器与数据分析计算机连接后，根据数据分析计算机的读取指令，将存储的压力值以及对应时间转至数据分析计算机。

[0051] 在具体实践中，参见图7和图8，超声辅助模压成型实验中，超声辅助模压控制系统将按时间进度控制压机推杆行程和超声振幅来改变超声耦合压力输出对模具的作用效果，埋入式振动传感器的测量数据需要与超声辅助模压控制系统的工艺数据（压机推杆的行程、轴向压力和超声功率）在统一的时间轴上分析，因此测量数据和工艺数据在时域上要有统一的时间基准，如图7所示，最后将采集到的振动监测数据与超声辅助模压控制系统的工艺数据（超声耦合压力）一同传输到数据分析计算机，由数据分析软件进行处理。需经图8所示步骤，逐步完成针对超声辅助模压工艺过程的数据采集与分析。

[0052] 同步对时：将采集系统同产触发信号引线与超声辅助模压控制系统相连，采集电路上电，采集板上的MCU启动内部RTC，同时给出同步启动触发电平信号，超声辅助模压控制系统收到信号后重置系统计时器。

[0053] 装模：断开同步触发信号引线，将采集电路装入传感器壳体内，在缝隙处用胶粘接并密封。再将传感器本体与待成型颗粒材料一同埋入模具内，调整球体姿态使钛合金感应片正对超声换能器的功率输出方向，完成装模。

[0054] 模压实验：启动功率超声发生器和压机推杆运动，按模压工艺控制推杆的行程和超声的输出振幅，埋入式振动传感器在压力达到阈值后开始采样数据，并记录启动时的RTC时间值，同时将转换处理后的数据写入flash存储卡，实验结束后压力撤消则停止采集。

[0055] 退模、破拆：实验结束后，停止超声功率输出，拆去底座，控制压机继续下压将已成型的压坯推出模套；采用物理手段将压坯破碎并取出埋入式传感器本体，用工具拉出圆柱内切球面结构，取出多路压电信号采集电路。

[0056] 数据读取：再次将采集电路通过USB接口与数据分析计算机连接，启动数据分析软件将传感器采集到的振动数据从TF卡中读入到数据分析计算机，由于超声耦合压力工艺数据在实验过程中已同步实时的传输到数据分析计算机，借助之前设定的时间基准，将两部分数据在时域内合并。

[0057] 可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

[0058] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

[0059] 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

[0060] 应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

[0061] 本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

[0062] 此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

[0063] 上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

[0064] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0065] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。