CN105158339A - 纵横波一体化超声波探头、弹性模量及分布的测试***和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵横波一体化超声波探头、弹性模量及分布的测试***和测试方法。本发明通过设计横纵波一体化超声波探头，将其搭载于手动C成像扫查器，获得自由滑移运动XY两轴位置信息反馈，利用成像技术实现弹性模量及分布定量表征。本发明基于横纵波一体化超声波探头的弹性模量及分布测试方法，综合超声自动扫查、虚拟仪器技术及超声信号分析与处理、数字成像等技术快速准确获得非均质各向同异性材料的弹性模量及分布，适用于非均质各向异性平板类复合材料弹性模量及分布测试。

Description

纵横波一体化超声波探头、弹性模量及分布的测试***和测试方法

技术领域

本发明涉及一种无损检测类，具体涉及一种纵横波一体化超声波探头、弹性模量及分布的测试***和测试方法。

背景技术

无损检测NDT是现代工业领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。其技术水平能反映该部门、该行业、该地区甚至该国家的工业技术水平。

而超声检测技术UT一直都是无损检测研究的热点，国外无损检测的文献资料中，有关超声检测内容的比例约占45％，超声检测技术也是五大常规无损检测技术中使用得最多的一种。与其它常规无损检测技术相比，它具有检测对象范围广，检测深度大；缺陷定位准确，灵敏度高；成本低，使用方便；速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点。因此，UT是国内外应用最广泛、使用频率最高，且发展较快的一种无损检技术，这体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及设备服役的各个阶段和保证机器零件的可靠性和安全性上。

现有技术中，利用超声检测技术进行弹性模量的检测，是分别测试超声波在试样中的传播时间及试样长度得到纵向或横向传播速度，然后计算求得弹性模量数值。但是上述方法所用设备复杂且价格昂贵，普遍应用受到限制；并且上述检测方法是单值测量，不能直接获得整个平面材料的弹性模量分布；同时，现有技术的超声检测技术在进行弹性模量检测时，不能实现自动化、图像化。

发明内容

[要解决的技术问题]

本发明的目的是解决上述现有技术问题，提供一种纵横波一体化超声波探头、弹性模量及分布的测试***和测试方法。本发明提出的基于横纵波一体化超声波探头的弹性模量及分布测试方法，综合超声自动扫查、虚拟仪器技术及超声信号分析与处理、数字成像等技术快速准确获得非均质各向同异性材料的弹性模量及分布，适用于非均质各向异性平板类复合材料弹性模量及分布测试。

[技术方案]

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

本发明通过设计横纵波一体化超声波探头，将其搭载于手动C成像扫查器，获得自由滑移运动XY两轴位置信息反馈，利用成像技术实现弹性模量及分布定量表征。

一种纵横波一体化超声波探头，它包括底部开口的外壳，外壳内的阻尼块、压电晶片和斜楔；所述压电晶片分别置于阻尼块底部并放置于斜楔上，所述外壳与阻尼块、斜楔之间填充吸声材料；所述第一压电晶片放置在斜楔水平面上以使第一压电晶片产生的超声波纵波垂直于测试件平面，所述第二压电晶片放置在斜楔倾斜面上；所述斜楔倾斜面由上下两部分材料组成，所述上下两部分材料的接触面与水平面呈一夹角；所述压电晶片分别引出电缆线，并通过外壳侧面的开口牵出外壳；所述开口用橡胶圈密封。

本发明更进一步的技术方案，所述斜楔水平面材料与所述斜楔倾斜面下部分材料一致。

本发明更进一步的技术方案，所述斜楔水平面材料、斜楔倾斜面下部分材料与测试件材料的声阻抗差为0～8Pa.s/m，密度差为0～1.0kg/m²。

本发明更进一步的技术方案，所述斜楔的制备材料均为透声材料；所述上下两部分材料的接触面与水平面的夹角角度根据斜楔倾斜面的倾斜角度和上下部分使用的材料确定，以使第二压电晶片产生的超声波纵波完全转化为与测试件平面垂直的横波。

一种弹性模量及分布的测试***，它包括上述的纵横波一体化超声波探头，还包括电脑显示终端、数据采集仪、手动C成像扫查器和双向拉线编码器。

本发明更进一步的技术方案，所述纵横波一体化超声波探头搭载于手动C成像扫查器上，并通过纵横波一体化超声波探头上的两条电缆线连接在数据采集仪上；所述双向拉线编码器安装在所述手动C成像扫查器上，与位移传感器连接，所述位移传感器上的两条电缆线连接在数据采集仪上；所述数据采集仪连接电脑显示终端并将数据传送电脑显示终端进行分析。

上述弹性模量及分布的测试***的测试方法，它包括以下步骤：

首先，将搭载有纵横波一体化超声波探头和双向拉线编码器的手动C成像扫查器放置于测试件平面上进行接触式平面扫查；

然后，所述纵横波一体化超声波探头选用接触式脉冲回波法进行超声声时的检测，获得并反馈第一压电晶片入射到测试件工作位置的纵波声速和第二压电晶片入射到测试件工作位置的横波声速；同时利用所述双向拉线编码器确定X、Y双向位置信息，然后通过所述位移传感器反馈位置信息到数据采集仪；

最后，数据采集仪将纵波声速、横波声速及其相对位置进行分析，基于时差算法计算出测试件平面内各点的弹性模量值，并传输信息至电脑显示终端，得到弹性模量及其分布并进行灰度或彩色成像。

本发明中，使用的压电晶片是实现声电相互转换的作用；阻尼块用于吸收声能加大阻尼；所述阻尼块和压电晶片外还设有固定外壳以便于固定内部元件；由于斜楔具有保护膜的作用，因此本发明不需要再单独安装保护膜。

弹性波传播原理，当一束超声波以一定的倾斜角到达两种不同声阻抗介质间的界面时，会在界面处发生波型的转换。此时，一部分能量在第一种介质中被界面反射，反射角等于入射角，另一部分能量进入到第二种介质中，形成纵波和横波两种类型的超声波。每种介质中声波传播的速度由介质本身的某些特性决定，如弹性模量和密度等。

横波的产生基于Snell定理，即：

$\frac{C_{L1}}{{\mathrm{sin\α}}_L}=\frac{C_{L1}}{{\mathrm{sin\γ}}_L}=\frac{C_{S1}}{{\mathrm{sin\γ}}_S}=\frac{C_{L2}}{{\mathrm{sin\β}}_L}=\frac{C_{S1}}{{\mathrm{sin\β}}_S}$

其中，C为声速，L1为第一介质的纵波，L2为第二介质的纵波，S1为横波，α为入射角，β为折射角。

当纵波从波速较慢的有机玻璃传播到波速较快的斜楔时，或者从波速较快的有机玻璃传播到波速较慢的斜楔复合材料时，大于一个特殊的入射角，使折射纵波消失，而只保留折射横波，并使得折射横波的传播方向与斜楔的底端垂直，并通过斜楔进入到被测平面试件内。上述的特殊入射角度就是第一临界角。

本发明为保证穿过斜楔横波的大部分能量能够进入被测平面试件内，应使斜楔的材料性质尽量与被测平面试件材料一致或接近，其主要体现在声阻抗或密度等物理性质接近的材料。当介质确定时，通过Snell定律可以计算出第一临界角：

${\mathrm{\α}}_L={\sin }^{-1}\frac{C_{L1}}{C_{L2}}$

本发明在测试件材料确定的基础上，首先选择斜楔的上下部分材料，然后通过对上述的接触面与水平面的夹角角度的调整，获得纵波入射角度大于第一临界角度，已使纵波完全转化为横波，并且横纵波均垂直于测试件平面，而保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按照原来的传播方向前进，不发生相互干扰。由于横纵波互不干涉、互不影响、独立工作，分别起到横纵波共同检测的目的。

本发明的弹性模量及分布的测试***首先是基于时差算法计算弹性模量；然后能够实现对超声激励接收装置的脉冲收发及数据采集功能控制；最后能够获取双向位置编码器反馈的信号为形成分布图提供位置。

由于液体没有剪切模量，横波无法通过液体传播，所以不能使用水浸式，只能选用接触式脉冲回波法进行超声声时检测来得到试件的弹性模量。横纵波一体化超声探头搭载于手动C成像扫查器上，扫查器配套双向拉线编码器可以实现带有位置信息反馈的XY两轴自由滑移运动。数据采集仪采用带有两编码器接口和双通道超声数据采集接口，同一时间对两个超声收发模块的数据及XY两轴位置反馈信息进行处理反馈。

本发明纵横波一体化探头发射接收的纵波、横波信号并不是同一位置信号，通过记录保存所有位置的纵波、横波信号并进行位置匹配，可获得每一位置对应的纵波、横波声速，从而获得每一位置的弹性模量，以灰度或彩色图像定量表征非均质各向异性平板类复合材料弹性模量及分布。

[有益效果]

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明利用纵横波一体化超声波探头，集合常规纵波直探头和常规横波斜探头为一体，实现纵波和横波同时检测，保证纵波和横波入射方向均垂直于非均质各向异性平板类复合材料内。

本发明利用弹性模量及分布测试***，记录保存材料平面内所有位置的纵波、横波信号及XY位置反馈信息并进行位置匹配，可获得每一位置对应的纵波、横波声速，从而获得每一位置的弹性模量，以灰度或彩色图像定量表征非均质各向异性平板类复合材料弹性模量及分布。

并且本发明通过测试非均质各向异性平板类复合材料弹性模量及分布，有利于定量表征材料力学性能。

附图说明

图1为本发明的纵横波一体化超声波探头结构示意图；图中显示的实线表示纵波；虚线表示为横波；

图2为本发明弹性模量及分布测试***测试方法的流程图。

附图标记如下：

1为外壳；21为第一阻尼块；22为第二阻尼块；31为第一压电晶片；32为第二压电晶片；4为斜楔；5为电缆线；6为开口；7为吸声材料；8为测试件。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

如图1所示，本发明的纵横波一体化超声波探头包括底部开口的外壳1，外壳内的第一阻尼块21和第二阻尼块22、压电晶片，斜楔4；所述压电晶片分别置于阻尼块底部并放置于斜楔4上，所述外壳1与阻尼块、斜楔4之间填充吸声材料7；所述第一压电晶片31放置在斜楔水平面上以使第一压电晶片31产生的超声波纵波垂直于测试件平面，所述第二压电晶片32放置在斜楔倾斜面上；所述斜楔倾斜面由上下两部分材料组成，所述上下两部分材料的接触面与水平面呈一夹角以使第二压电晶片32产生的超声波纵波从上部分材料入射到下部分材料后，完全转化为横波并垂直于测试件平面；所述压电晶片分别引出电缆线5，并通过外壳侧面的开口6牵出外壳1；所述开口6用橡胶圈密封；在图1中，本发明的纵横波放置于测试件8上。所述斜楔水平面材料、斜楔倾斜面下部分材料声阻抗差为0～8Pa.s/m，密度差为0～1.0kg/m²。所述斜楔水平面材料与所述斜楔倾斜面下部分材料与测试件材料一致。制备的所述斜楔4材料均为透声材料；所述斜楔倾斜面上下两部分材料的接触面与水平面的夹角角度根据斜楔倾斜面的倾斜角度和上下部分使用的材料确定，以使第二压电晶片32产生的超声波纵波完全转化为与测试件平面垂直的横波。

实施例1：

一种弹性模量及分布的测试***，它包括纵横波一体化超声波探头、电脑显示终端、数据采集仪、手动C成像扫查器和双向拉线编码器；所述纵横波一体化超声波探头搭载于手动C成像扫查器上，并通过纵横波一体化超声波探头上的两条电缆线连接在数据采集仪上；所述双向拉线编码器安装在所述手动C成像扫查器上，与位移传感器连接，所述位移传感器上的两条电缆线连接在数据采集仪上；所述数据采集仪连接电脑显示终端并将数据传送电脑显示终端进行分析。

如图2所示，首先，将搭载有纵横波一体化超声波探头和双向拉线编码器的手动C成像扫查器放置于测试件平面上进行接触式平面扫查；

然后，所述纵横波一体化超声波探头选用接触式脉冲回波法进行超声声时的检测，获得并反馈第一压电晶片31入射到测试件工作位置的纵波声速和第二压电晶片32入射到测试件工作位置的横波声速；同时利用所述双向拉线编码器确定X、Y双向位置信息，然后通过所述位移传感器反馈位置信息到数据采集仪；

最后，数据采集仪将纵波声速、横波声速及其相对位置进行分析，基于时差算法计算出测试件平面内各点的弹性模量值，并传输信息至电脑显示终端，得到弹性模量及其分布并进行灰度或彩色成像。

本发明测试非均质各向异性平板类复合材料弹性模量及分布。

通过一种基于横纵波一体化超声波探头的弹性模量及分布测试方法，可解决目前材料弹性模量人工检测的复杂性，费时性，快速有效准确地同时测量杨氏模量E和切变模量G，实现试件全覆盖、无盲区的弹性模量检测，自动化程度高，检测效率高，具有其它方法无法比拟的优越性。

通过测试非均质各向异性平板类复合材料弹性模量及分布，有利于定量表征材料力学性能，是深入全面研究材料力学行为的技术基础，对于材料使用寿命、安全性和作用可靠性分析具有重要的意义。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种纵横波一体化超声波探头，其特征在于它包括底部开口的外壳(1)，外壳内的阻尼块(21、22)、压电晶片(31、32)和斜楔(4)；所述压电晶片(31、32)分别置于阻尼块(21、22)底部并放置于斜楔(4)上，所述外壳(1)与阻尼块(21、22)、斜楔(4)之间填充吸声材料(7)；所述第一压电晶片(31)放置在斜楔水平面上以使第一压电晶片(31)产生的超声波纵波垂直于测试件平面，所述第二压电晶片(32)放置在斜楔倾斜面上；所述斜楔倾斜面由上下两部分材料组成，所述上下两部分材料的接触面与水平面呈一夹角；所述压电晶片(31、32)分别引出电缆线(5)，并通过外壳侧面的开口(6)牵出外壳(1)；所述开口(6)用橡胶圈密封。

2.根据权利要求1所述的纵横波一体化超声波探头，其特征在于所述斜楔水平面材料与所述斜楔倾斜面下部分材料一致。

3.根据权利要求1所述的纵横波一体化超声波探头，其特征在于斜楔水平面材料、斜楔倾斜面下部分材料与测试件材料的声阻抗差为0～8Pa.s/m，密度差为0～1.0kg/m²。

4.根据权利要求2所述的纵横波一体化超声波探头，其特征在于所述斜楔(4)的制备材料均为透声材料；所述上下两部分材料的接触面与水平面的夹角角度根据斜楔倾斜面的倾斜角度和上下部分使用的材料确定，以使第二压电晶片(32)产生的超声波纵波完全转化为与测试件平面垂直的横波。

5.一种弹性模量及分布的测试***，其特征在于它包括权利要求1～4任一项所述的纵横波一体化超声波探头，还包括电脑显示终端、数据采集仪、手动C成像扫查器和双向拉线编码器。

6.根据权利要求5所述的弹性模量及分布的测试***，其特征在于所述纵横波一体化超声波探头搭载于手动C成像扫查器上，并通过纵横波一体化超声波探头上的两条电缆线连接在数据采集仪上；所述双向拉线编码器安装在所述手动C成像扫查器上，与位移传感器连接；所述位移传感器上的两条电缆线连接在数据采集仪上；所述数据采集仪连接电脑显示终端并将数据传送电脑显示终端进行分析。

7.一种如权利要求6所述的弹性模量及分布的测试***的测试方法，其特征在于它包括以下步骤：

首先，将搭载有纵横波一体化超声波探头和双向拉线编码器的手动C成像扫查器放置于测试件平面上进行接触式平面扫查；

然后，所述纵横波一体化超声波探头选用接触式脉冲回波法进行超声声时的检测，获得并反馈第一压电晶片(31)入射到测试件工作位置的纵波声速和第二压电晶片(32)入射到测试件工作位置的横波声速；同时利用所述双向拉线编码器确定X、Y双向位置信息，然后通过所述位移传感器反馈位置信息到数据采集仪；

最后，数据采集仪将纵波声速、横波声速及其相对位置进行分析，基于时差算法计算出测试件平面内各点的弹性模量值，并传输信息至电脑显示终端，得到弹性模量及其分布并进行灰度或彩色成像。