CN2147534Y - 多功能弹性模量测定仪 - Google Patents

Abstract

一种具有超声装置、接口板与微机的多功能弹性 模量测定仪，工作时超声装置向工件发射超声波并接 收其底面之反射波，进行脉冲信号与超声波间的转 换，合成时间方波加以放大，形成计数方波，通过接口 板输入微机处理，测定各种固体材料的弹性模量、声 速与厚度。具有测量范围大，能测长度＞100mm的 工件；测量盲区小，能检测厚度≥0.4mm、测量面直径 ＞3mm的小型、薄型及不规则型件；检测精度高；测 量智能化；容易制造，成本较低等优点。

Description

本实用新型是一种能兼测工件厚度与声速的弹性模量（E）测定仪，属于固体材料性能超声检测技术领域。

弹性模量是固体材料的重要物理参数，对材料的一系列物理机械性能具有决定性影响。因此，测定弹性模量对研究和确定固体材料的许多性能有重要意义。测定弹性模量的现有方法与仪器有多种，例如共振法与敲击法及其相应测量仪。它们都要求试件形状规则，尺寸较大且公差严格，不能直接用来测量不规则型件、10mm以内小型及薄型件的弹性模量。在测量较小型试件的弹性模量时，要求使用复杂的悬挂装置或以同质材料制成100mm以上长杆型试件，因此测量工作复杂，检测精度较低，检测费用大。随着科技与工业的发展，新材料不断出现，其品种规格越来越多，应用越来越广，其中有些材料如超硬材料、工程陶瓷等具有一系列优异性能，对高新科技与许多工业的发展有重要影响，但其产品尺寸一般较小，甚至形状亦不规则，有些材料不可能制造大尺寸试件。因此，现有测量技术不能测定这些材料与制品的弹性模量，不能满足高性能新型材料及其制品研究开发的需要。

本实用新型的目的是根据弹性模量E与其相关物理量如声速等的函数关系，利用超声测量与现代化数据处理技术，设计一种能检测各种材料试件特别是不规则型件、小型件及薄型件弹性模量的仪器，提高检测精度与效率，实现一机多用，以满足各种固体材料特别是高性能新型材料及其制品研究发展对检测技术越来越高的要求。

本实用新型是一种多功能弹性模量测定仪，具有超声装置、接口板和微机。仪器工作时，超声装置向工件发射超声波并接收其底面之反射波，进行脉冲信号与超声波间的转换，合成时间方波加以放大，形成计数方波，进而通过接口板输入微机处理，测定工件之弹性模量、声速及厚度。

本仪器的其他特点包括：接口板具有光电隔离电路，且该电路由光耦合器IC1、IC2、档位开关K及电阻R1～R10连接而成；光耦合器的发光二极管接于超声装置，光敏三极管接于微机，二者不共电源；档位开关K与超声装置的档位开关同轴；微机为单板机或单片机。

本测定仪由超声装置、接口板和微机连接而成（图1）。超声装置具有发射板、接收板、时放逻缉板和探头。发射板向接收板与探头同时发射脉冲信号，探头将该脉冲信号转换为超声波，并在检测时接触涂有耦合剂的测量表面，使超声波射入工件且接收其底面之反射波，然后转换为脉冲信号送给接收板放大，并在那里与发射板直接送来的脉冲信号合成为时间方波，进而送入时放逻缉板放大，形成计数方波输入接口板。接口板具有由光耦合器IC、档位开关K与电阻R连接而成的光电隔离电路（图2）。档位开关根据仪器测量范围及精度要求设有若干档位，最好与超声装置的档位开关同轴。光耦合器可以为一个或者多个，只要它（们）的光耦组总数满足仪器设档要求。光耦合器有一个光耦组的发光二极管经过电阻连接于超声装置计数方波输出口，其光敏三极管输出端连接于微机的计数器输入口；所用其他光耦组的发光二极管经过电阻与档位开关的相应档位相连接，而其光敏三极管的发射极则相应连接于微机之各档输入口。电阻的个数与所用光耦组数目有关，二者均决定于档位开关的档数。电阻的作用是限制通过发光二极管和光敏三极管之电流，其阻值可据电源电压与额定电流按欧姆定律确定。微机可以是单板机或单片机，或者其他型式的微机，且根据需要均可配带打印机。接口板光电隔离电路的发光二极管与光敏三极管不共电源。在结构上，各组件按彼此隔离的方式布置并采取了屏蔽措施。这样，接口板就能以光电耦合方式将超声装置输出的计数方波传递给微机的计数器，而避免超声装置与微机之间发生相互干扰。仪器的各档都有适当的量程。一般Ⅰ档量程最小，它采用二次回波信号在放大后与发射波合成时间方波，以加大其波宽，从而减小盲区。接口电路空档各光敏三极管输出高电平，在位档光敏三极管则输出低电平。仪器工作时，微机对输入的计数方波进行计数，根据输入各档位电平的高低，判断当前所在档位，变更各功能测量所需的参数，利用所输入待测材料的泊松比、密度、厚度等相应数据，按照所输入的指令计算工件的弹性模量、声速或者厚度，并将结果显示或打印出来。前述之发射板、接收板、时放逻辑板、探头或者它们的总成超声装置、光耦合器IC、开关K、电阻R及微机均为市售标准产品。

由上述易见：接口板采用多档光电隔离电路连接超声装置与微机，超声装置和微机在空间上分开设置并采取屏蔽措施，这种结构保证了本仪器利用超声波特别是其二次反射波检测技术和微机数据处理技术测定固体材料的弹性模量、声速及厚度，并将结果显示或打印出来，而且能测定厚度不小于0.4mm、测量面直径超过3mm的薄型件、小型件与不规则型件。因此，本测定仪与现有技术相比具有下列优点：能测上述尺寸范围内的小型、薄型及不规则型工件，测量盲区小；测量范围大，能测长度超过100mm的工件，测量精度高，误差＜±1％；既能测定固体的弹性模量，亦能测量其厚度与声速，并将结果直接显示或打印出来，实现了一机多用与测量智能化；所用元器件均为市售标准化产品，故仪器容易制造，成本亦低。总之本测定仪解决了现有技术所存在的问题，实现了固体材料弹性模量等物理性能检测的现代化，为加速新材料特别是超硬材料、工程陶瓷等高性能材料与制品的研究发展，满足科技进步与工业发展对材料提出的越来越高的要求奠定了重要基础。

图1为本实用新型仪器结构原理框图。

图2为本测定仪接口板电路原理图。

实施例1

测定仪具有超声装置、接口板和微机（图1）。超声装置为市售CCH－30型，具有发射板、接收板、时放逻辑板和超声波探头。接口板具有光电隔离电路（图2），电路中有二个光耦合器即IC1、IC2，一个四档位开关K以及10个电阻R1～R10。光耦合器IC1为TLP521－4型，其四个发光二极管相应地经电阻R1～R4与开关K的Ⅰ～Ⅳ档位相连接，而四个光敏三极管的输出端则连接微机的Ⅰ～Ⅳ档输入口。光耦合器IC2为TLP521－2型，其一个发光二极管连接于超声装置计数方波输出端，而相应光敏三极管的输出端则与微机计数器输入口相连接。光耦合器的发光二极管与光敏三极管不共电源。开关K与超声装置的档位开关同轴。微机为SC801C型单板机。在仪器的结构布置上，超声装置远离单板机，并作了电磁屏蔽，但与接口板一起都装在同一壳体内。仪器工作时，发射板向接收板和探头同时发射脉冲信号，探头将脉冲信号转换成超声波，并通过所接触涂耦合剂测量表面将超声波射入工件，接收其底面之一次或二次反射波，再转换为脉冲信号送给接收板放大，然后与由发射板直接送来的相应脉冲信号合成时间方波，进而输入时放逻辑板放大，形成计数方波，输入接口板光电隔离电路的光耦合器输入口，通过电阻R5经光耦组进入单板机的计数器输入口，单板机对计数方波进行计数，并根据输入Ⅰ～Ⅳ档位电平的高低判断当前所在档位，变更各功能测量所需参数，利用所输入待测材料的泊松比、密度及厚度等相应数据，按输入的指令计算工件的弹性模量、声速或厚度，并将结果显示出来。利用本仪器测定弹性模量、声速及厚度的相对误差均小于±1％。例如测得钢材的E值为211GPa，其相对误差为±0.9％。

实施例2

使用实施例1所述之测定仪，但其微机为DVCC－51DB型单片机，且带有打印机，同样能测定固体材料的弹性模量、声速及厚度，并将结果显示或打印出来。

Claims (5)

1、一种多功能弹性模量测定仪，其特征是具有超声装置、接口板和微机，超声装置在仪器工作时向工件发射超声波，并接收其底面的反射波，进行脉冲信号与超声波间的转接，合成时间方波加以放大，形成计数方波通过接口板输入微机处理，测定工件之弹性模量、声速及厚度。

2、根据权利要求1所述之测定仪，其特征是接口板具有光电隔离电路。

3、根据权利要求2所述之测定仪，其特征是接口板光电隔离电路由光耦合器IC1、IC2、档位开关K及电阻R1～R10连接而成，其档位开关K与超声装置的档位开关同轴，光耦合器的发光二极管接于超声装置，光敏三极管接于微机，且二者不共电源。

4、根据权利要求1或2或3所述之测定仪，其特征在于微机为单板机。

5、根据权利要求1或2或3所述之测定仪，其特征在于微机为单片机。