CN104502463A - 一种基于超声检测的胶体耦合介质 - Google Patents

Abstract

一种基于超声检测的胶体耦合介质，属于耦合介质与超声检测领域。所述胶体耦合介质以水为载、魔芋粉与海藻粉组成；魔芋粉与海藻粉按9：1质量比混合；1.3g混合粉末配200ml水，水为沸水，倒入混合粉末的同时，搅动沸水，混合均匀待其冷却即可。应用于超声检测，胶体耦合介质厚度比探头半径长10mm以内。本发明能够进行常规直接反射回波测量，也能够实现在超声显微***中对各种材料的各种波速的测量，从而计算出各种材料的泊松比与弹性模量。测量结果与理论值一致，脱离了水的束缚，可以对不防水的试件以及斜面进行测量，具有良好的使用前景。

Description

一种基于超声检测的胶体耦合介质

技术领域

本专利属于耦合介质、超声测量领域。

背景技术

在常规的超声检测中，由于声波在空气中衰减很大，所以，为了提高检测灵敏度，使声波能有效的达到试件以实现声能的传递，探头与工件之间必须填充耦合介质。耦合介质在工件与探头接触面上具有排除空气，填充不平的间隙传递声波的功能。通常，在检测部位或试件上先涂耦合介质，防水试件也可以直接放入水中，将空气排除，再安装探头进行检测。在对粗糙表面、斜面弯曲表面及垂直平面检测时，一般的耦合介质由于是液体的原因，会造成流失严重，耦合损耗大，进而降低了声能的透过率，最终影响检测。若使用半液体类耦合介质，如润滑剂、蜂蜜等，又会给涂抹以及回收带来不必要的麻烦。鉴于常规的耦合介质问题较多，所以研究新型的耦合介质迫在眉睫。

为了解决常规耦合介质在超声检测中的这些问题，本专利对胶体耦合介质进行了研究。该胶体耦合介质是以水作载体配制而成的。它的声阻抗与透声性较水来说都有明显提高，从而提高了检测的灵敏度。由于该耦合介质为胶体，在一定程度上解决了被测试件非水浸的问题。而且，该耦合剂制备简单，成本也较低，具有很好的应用前景。

发明内容

常规的高频超声检测都需要水做耦合介质，本发明开发了一种基于超声检测的胶体耦合介质，将耦合介质填充到超声显微***的探头与试件之间，通过超声显微镜***，能更好地测得材料的弹性常数。并且脱离的水的束缚，实现了试件的非水浸测量。

为了实现上述目的，本专利采用了如下方案：

测量基于超声检测的胶体耦合介质密度及声阻抗。通过多次测量密度及声阻抗可以得出结论，此胶体耦合介质可以重复制备。并且声阻抗高，可以 完全替代水做耦合介质。

一种基于超声检测的胶体耦合介质，其特征在于所述胶体耦合介质以水为载、魔芋粉与海藻粉组成；魔芋粉与海藻粉按9：1质量比混合；1.3g混合粉末配200ml水，水为沸水，倒入混合粉末的同时，搅动沸水，混合均匀待其冷却即可。

应用于超声检测，胶体耦合介质厚度比探头半径长5mm以内。

进一步：超声检测***的硬件设备包括嵌入式计算机、运动驱动器、示波器、四轴运动机构、超声脉冲激励/接收仪、线聚焦PVDF超声波探头以下简称探头，其中嵌入式计算机与示波器连接，探头与超声脉冲激励/接收仪相连，测量时，将探头固定在四轴运动机构的Z轴上，试件平台上，试件上面放上胶体耦合介质，让探头与胶体耦合介质耦合在一起；通过调节校准装置和底座，使探头与试件表面垂直，当回波信号幅值最大时，认为此时探头与表面垂直，开始进行散焦测量。

应用基于超声检测的胶体耦合介质对铝块的聚焦位置表面直接回波信号、表面波波速、纵波波速、泊松比、弹性常数进行测量：包括包含超声显微镜***、胶体耦合介质与试件铝块。常规测量的超声显微镜***如图1所示。包含有：PXI总控制***、TDS3K示波器、XYZ轴移动平台平台、5900PR脉冲激励/接受仪、线聚焦探头、水槽、水作耦合剂、试件、校准装置。应用基于超声检测的胶体耦合介质后，就不在需要水槽与水。只需要胶体耦合介质即可。

超声波在材料中的传播速度，取决于材料的弹性常数以及密度。如果已知材料的纵波波速与表面波波速即可求得泊松比，如果已知材料的密度，可以进一步计算出材料的弹性常数。基于声学显微镜原理的超声***，利用PVDF探头从聚焦位置向下散焦发射和接受的信号，可以实现试件的纵波及横波测量。如图2所示。

该专利实现了在超声显微镜***硬件平台下，对铝材料试件的表面波波速、纵波波速、泊松比、弹性模量的测量，从效果来看比用水做耦合介质时的效果好，而且与铝材料试件的表面波波速、纵波波速、泊松比、弹性模量 的理论值一致，使实验脱离了水的束缚，可以实现非水浸或者斜面的检测。

附图说明

图1超声显微镜***

图2测量原理图

图3胶体耦合介质粉

图4胶体耦合介质与水作耦合介质的对比

图5胶体耦合介质应用于超声显微镜***

图6应用胶体耦合介质测出的铝的表面波波速

图7水与四种不同配比的胶体分别作耦合介质时测得的铝的表面波波速

具体实施方式

此超声检测***的硬件设备由嵌入式计算机、运动驱动器、示波器、自主设计集成四轴精密运动机构、超声脉冲产生/接收仪、自主研制线聚焦PVDF超声波探头、组成，***联线示意图如图5。其中嵌入式计算机与示波器用GPIB连接，探头与超声脉冲产生/接收仪用UHF转接头相连，测量时，将探头固定在Z轴上，试件平台上，试件上面放上胶体耦合介质，让探头与它们耦合在一起。通过调节校准装置和底座，使探头与试件表面垂直，当回波信号幅值最大时，可认为此时探头与表面垂直，可以开始进行散焦测量。

下面对本专利做实施方式的说明：

1、制作基于超声检测的胶体耦合介质，选用电子秤，分别秤出质量为1.3g的胶体耦合介质粉末(魔芋粉与海藻粉按9：1比例混合，混合好的成品如图3所示)轻轻倒入烧杯中，倒入的同时，搅动沸水，使其充分接触并融合均匀，待其冷却即可。

2、测量其对铝块的聚焦位置表面直接回波信号并与相同情况下水做耦合介质的信号作对比，将基于超声检测的胶体耦合介质填充到试件与超声显微镜***的探头之间，调整探头位置，观察示波器在探头聚焦位置时的结果。对比结果如图4，可以明显看出胶体耦合介质具有更强的回波信号，比水作耦 合介质的效果更佳。进一步，探头下部分表面为部分圆柱侧面，里面都填充有胶体耦合介质，胶体耦合介质填充后形状为部分圆柱体，是平行于圆柱的中心线切割出来的形状，但胶体耦合介质厚度最厚处比探头半径长2mm以内。

3、应用基于超声检测的胶体耦合介质对铝块的表面波波速、纵波波速、泊松比、弹性常数进行测量。将胶体耦合介质填充到超声显微镜***的探头与铝试件之间。如图5所示。测量原理如图2所示。图2为线聚焦探头散焦测量原理图。其中，F为传感器的焦距，θ_R为瑞利角，z为散焦距离。当传感器聚焦在试件表面时，只能够接收到一个直接表面回波D波和底面反射波B波。当传感器向下散焦运动时，会产生两个分离的回波，一个为直接表面回波D波，另一个为沿试件表面传播的漏表面波R波。如果已经知道被测试件的高度h、水中超声波的波速C_W、散焦距离z、直接反射回波与底面回波时间差t_B-t_D，以及漏表面波在传播时间与散焦距离平面上曲线的斜率m(散焦距离和漏表面波与直接反射回波信号时间差的比值)，则纵波波速和漏表面波波速可由下式计算得出：

$C_L=\frac{2h}{t_B-t_D}---\left(1\right)$

$C_R=C_W{[1-{(1-\frac{C_W}{2m})}^2]}^{-\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

m＝z/Δt   (3)

如果被检测的材料密度ρ、纵波波速C_L、以及漏表面波波速C_R已知，可得到被测材料的泊松比θ：

${({2.5088C}_L^2-{2C}_R^2)}^{{\mathrm{\θ}}^2}+{({2.6432C}_L^2-{2C}_R^2)}^{{\mathrm{\θ}}^2}-{({0.4350C}_L^2-{2C}_R^2)}^{\mathrm{\θ}}-({0.7569C}_L^2-{2C}_R^2)---\left(4\right)$

材料的弹性模量E可由下式得到：

$E=\frac{C_L^2(1+\mathrm{\θ})(1-2\mathrm{\θ})\mathrm{\ρ}}{(1-\mathrm{\θ})}---\left(5\right)$

由式(4)、式(5)可知，只要测得材料的纵波波速与漏表面波波速即可获得材料的弹性常数。

最终使用基于超声检测的胶体耦合介质测得铝的表面波波速如图6所示。测得其平均值为2945m/s，测出的铝的纵波波速为6314m/s，计算出铝的泊松比为0.333，弹性模量为71.8495GPa。每个实验结果都与理论值相符合。验证了此专利的应用前景。

通过此一系列的实验证明了该专利的成功性，实现了脱离传统超声检测水的束缚，也达到了实验的要求。

声阻抗：

对胶体耦合介质的声阻抗进行测量。耦合介质声阻抗越大，则与探头和试件的声阻抗越匹配。1#-4#代表不同配比下的新型胶体耦合介质。1#为配比为(0.0065g/ml),2#为配比为(0.008g/ml),3#为配比为(0.01g/ml),4#为配比为(0.012g/ml)。从测量结果来看1#效果最佳。即1.3g粉与200ml水配比。

表1  某些耦合介质与制作的胶体耦合介质的密度、声速及声阻抗比较

波速：

应用1#-4#与水对铝的表面波波速进行测量。测量结果如图。

如图7可以看出1#时与水水的测量及结果最吻合，而且测量结果与铝的表面波波速理论值一致。所以1.3g配200ml水不止声阻抗最匹配，在测量方面也是最好的。

因为我们要测量材料的表面波波速，需要进行散焦测试，即探头向下运动，实时采集波形情况。所以配置成的胶体耦合介质不宜过厚，比探头半径长5mm即可。由于此耦合介质没有粘性，所以不用担心清除问题。

Claims (3)

1.一种基于超声检测的胶体耦合介质，其特征在于所述胶体耦合介质以水为载、魔芋粉与海藻粉组成；魔芋粉与海藻粉按9：1质量比混合；1.3g混合粉末配200ml水，水为沸水，倒入混合粉末的同时，搅动沸水，混合均匀待其冷却即可。

2.根据权利要求1中所述的基于超声检测的胶体耦合介质的应用，其特征在于：应用于超声检测，胶体耦合介质厚度比探头半径长5mm以内。

3.根据权利要求2中所述的应用，其特征在于：超声检测***的硬件设备包括嵌入式计算机、运动驱动器、示波器、四轴运动机构、超声脉冲激励/接收仪、线聚焦PVDF超声波探头以下简称探头，其中嵌入式计算机与示波器连接，探头与超声脉冲激励/接收仪相连，超声脉冲激励/接收仪连接示波器；测量时，将探头固定在四轴运动机构的Z轴上，试件平台上，试件上面放上胶体耦合介质，让探头与胶体耦合介质耦合在一起；通过调节校准装置和底座，使探头与试件表面垂直，当回波信号幅值最大时，认为此时探头与表面垂直，开始进行散焦测量。