CN102411030A - 非常规材料小尺寸试件弹性常数超声无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非常规材料小尺寸试件弹性常数超声无损检测装置，可实现块体纳米材料、块体金属玻璃以及涂层结构等非常规金属材料弹性常数的无损检测。该装置主要包括有嵌入式微机、四轴运动控制卡、四轴运动控制器、四轴运动机构、校准装置、超声脉冲激励/接收仪和超声波聚焦探头几部分；通过精密校准装置，保证探头和被测试件的垂直定位精度；超声脉冲激励/接收仪实现聚焦探头超声信号的发射与接收。特别针对涂层材料对检测设备要求高的特点，对超声聚焦探头与试件上表面间的垂直度、散焦定位精度做了特殊设计，形成了一套高精度超声散焦定位无损检测装置，为新型非常规材料弹性常数无损检测提供了技术手段和可靠保证。

Description

非常规材料小尺寸试件弹性常数超声无损检测装置

技术领域

非常规试件材料弹性常数超声无损检测装置属于无损检测领域。 

背景技术

近年来，在材料科学与工程领域中，涌现出多种性能优异的新型材料及结构，诸如，块体纳米材料，块体金属玻璃，各向异性复合材料以及各种涂层结构等非常规材料。这些材料/结构具有独特的物理、化学、电学、磁学、热学及力学等性能，在机械工程、航空航天、电子信息、生物工程、国防科技及日常生活中有着广泛的应用前景。 

实际工程中对材料力学性能(弹性性质)的要求，利用常规的力学性能破坏试验进行测试足以满足，各种测试手段也比较完备。但对于前述的新型非常规材料，由于其尺寸的特殊性，达不到标准试件尺寸要求，传统的力学性能测试方法受到很大的挑战，新型测量方法受到国内外学者的极大关注。在新的测试技术还未成熟之前，目前主要采用纳米压痕方法和激光超声方法，但都存在一些各自的缺点，如设备昂贵、技术复杂，操作不便等，并且在国内没有形成专用的测试仪器。为此，研制具有自主知识产权的新型检测装置具有重要的学术意义和广泛的应用价值。 

本发明采用声学显微镜技术，利用线聚焦超声探头激励/接收超声波，通过对探头不同散焦位置下，超声波经试件发射、透射和波型转换的回波信号的采集、分析和处理，进而反演非常规材料小尺寸试件的弹性常数。但该方法需要连续测量探头不同散焦距离下的回波信号，方可实现有效测量。这需要在测量过程中，实现小间距精确定位散焦，一般情况下，间距为0.01mm，散焦次数不少于500次。因此，设计研制一套高精度超声无损检测装置是该方法实现的前提和关键。 

发明内容

本发明目的在于实现非常规试件材料弹性常数超声无损检测。本发明研制了一套非常规材料小尺寸试件弹性常数超声测量装置，可实现小尺寸常规试件和块体纳米材料、块体金属玻璃以及涂层结构等非 常规金属材料弹性常数超声无损检测。本发明特别针对涂层材料对检测设备要求高的特点，对超声聚焦探头与试件上表面间的垂直度、散焦定位精度做了特殊设计，形成了一套高精度超声散焦定位无损检测装置，为新型非常规材料弹性常数无损检测提供了技术手段和可靠保证。 

为了实现上述目的，本发明专利采用了如下方案：非常规材料小尺寸试件弹性常数超声无损检测装置，其特征在于：包括有包含有嵌入式控制器8的嵌入式微机1、四轴运动控制卡2、四轴运动控制器3、四轴运动机构4、校准装置5、超声脉冲激励/接收仪6和超声波聚焦探头7；所述包含有嵌入式控制器8的嵌入式微机1与四轴运动控制卡2和数字化仪9相连接；所述四轴运动控制卡2和四轴运动控制器3相连接；四轴运动控制器3与四轴运动机构4相连接；所述超声脉冲激励/接收仪6通过数字化仪9和嵌入式微机1相连接；所述四轴运动机构4通过校准装置5与超声波聚焦探头7相连接。所述的校准装置5由连接杆16、校准器10组成，超声波聚焦探头7通过校准装置5的连接杆16与超声脉冲激励/接收仪6相连接。 

进一步，所述的非常规材料小尺寸试件弹性常数超声无损检测装置，其特征在于：所述的校准装置5由连接杆16、校准器10组成，所述校准器10由校准旋钮11、装夹块15、连接杆顶丝14、连接杆孔12和校准平台13组成；校准平台13上部有与四轴运动机构4Z轴相连的装夹块15，在校准平台上有插入探头连接杆的连接杆孔12和连接杆顶丝14，装夹块上设有使校准平台水平的校准旋钮11，装夹块固定在四轴运动机构4的Z轴上；校准器10通过连接杆顶丝14与连接杆16相连。 

如图1所示，所述非常规试件材料弹性常数超声无损检测装置包括：嵌入式微机、四轴运动控制卡、四轴运动控制器、四轴运动机构。嵌入式微机检测需要的精度得到控制输出信号，经四轴运动控制卡传送给四轴运动控制器，经驱动器放大，输出给X、Y、Z轴方向和Z轴旋转方向的电机，电机带动四轴运动机构移动，运动位移经四轴运动控制卡输入到嵌入式微机中，便于运动控制算法程序处理给出 新的运动控制信号，从而调整运动平台位置，实现探头的精确定位。 

所述校准装置包括精探头连接杆、校准器。使用时校准器卡紧探头连接杆，并通过校准器上的装夹块固定在四轴运动机构的Z轴上；校准器如图2的a、b、c所示，通过调整校准器的两个旋钮可以调整超声波探头的聚焦线与被测试件表面平行，从而增加检测精度；所述校准器由校准旋钮、装夹块、连接杆顶丝、连接杆孔和校准平台组成；校准平台上部有与四轴运动机构Z轴相连的装夹块，在校准平台上有插入探头连接杆的连接杆孔和连接杆顶丝，装夹块上设有使校准平台水平的校准旋钮，装夹块固定在四轴运动机构的Z轴上；校准器通过连接杆顶丝与连接杆相连。 

所述超声脉冲激励/接收装置包括Olympus MODEL5900PR超声脉冲激励/接收仪和聚焦探头，实现超声信号的发射与接收。脉冲激励/接收仪工作时发射电脉冲于探头，经压电薄膜转变为机械波后沿聚焦线传播，经耦合液(如水)遇到试件反射被探头的压电薄膜接收，经波型转换为表面波或Lamb沿试件表面传播，再以漏表面波或漏Lamb反射回探头并被压电薄膜接收，压电薄膜将接收各种机械波回波信号转化为回波电信号，通过脉冲激励/接收仪接收传输给信号采集系统，进行分析和处理。 

该装置通过调节校准装置，使探头与试件表面垂直，从降低了试件与探头垂直度不高带来的检测误差，可以完成很精确的检测实验，如块体纳米材料，块体金属玻璃，各向异性复合材料以及各种涂层结构等非常规材料的材料性能的检测。 

附图说明

图1非常规试件材料弹性常数超声无损检测装置的组成框图 

图2a校准器结构侧俯视图 

图2b校准器结构演示图图 

图2c校准器结构侧俯视图 

图3校准器连接图 

图4检测波形实时图 

图5波形叠加图 

图6漏表面波波速拟合图 

具体实施方式

结合图1至3对本发明做进一步说明： 

参照图1：非常规试件材料弹性常数超声无损检测装置，主要由嵌入式微机1、四轴运动控制卡2、高速数字化仪、四轴运动控制器3、四轴运动机构4、超声脉冲激励/接收仪6、无透镜聚焦PVDF探头7、精密校准装置5、水槽及主控PC机组成。装置以NI PXI总线嵌入式控制器8110为核心，利用PXI-7344四轴步进/伺服电机控制卡及MSST5-I-AN-004四轴运动控制器驱动四轴运动机构实现探头的位置移动；利用编码器或线性光栅进行位置检测，通过控制算法程序，实现运动平台X、Y、Z三轴位移与Z轴旋转角度的精密自动控制；利用Olympus MODEL5900超声脉冲激励/接收仪激励无透镜聚焦探头发射超声波，经试件反射回波，再被超声脉冲激励/接收仪所接收；利用NI PXI总线5154高速数字化仪采集超声波回波信号，经反演算法程序分析和处理，获得所需材料弹性性质的数据等实验结果。嵌入式微机是整套超声波测量系统的核心控制部件，主要实现精密四轴移动/旋转平台运动位移的自动检测与控制、探头高频超声回波信号的采集、分析与处理、信号的存储、波形显示和结果显示、材料弹性性质的反演表征等功能。 

参照图1所示：NI公司PXI总线嵌入式微机测控系统是整套超声波测量系统的核心控制部件，主要实现精密四轴移动/旋转平台运动位移的自动检测与控制、探头高频超声回波信号的采集、分析与处理、信号的存储、波形显示和结果显示、材料弹性性质的反演表征等功能。 

PXI总线嵌入式微机测控系统由PXI总线机箱、嵌入式控制器和外设模块三个部分组成。本系统所用嵌入式微机的机箱为通用的8槽机箱(PXI1042)，机箱内装有嵌入式控制器模块(PXI8110)和运动控制(PXI7344)与高速数字化仪(PXI5154)两块外设模块。 

●嵌入式控制器模块(PXI-8110)是一种高性能的内嵌式处理器， 具有2.2GHz Intel酷睿2Quad Q91004核处理器，120GB硬盘，2GB内存。 

●运动控制模块PXI7344为4轴步进/伺服控制器，每轴均可设定为步进或伺服运动，62微秒PID回路更新速率。 

●高速数字化仪模块PXI-5154具有两路8位垂直分辨率的模拟输入通道，最高实时采样率为2G/s，用于重复信号的随机隔行扫描采样率为2.5GS/s；具有CH0(通道0)、CH1(通道1)、TRIG(触发器)三路硬件触发通道，每通道内存为256MB，触发方式包括数字触发和模拟触发，带宽为1GHz。 

参照图1所示：运动机构由PI公司的M-L03/M-L01和M-062.2S系列步进电机驱动型移动平台(即X、Y、Z轴)及金属支撑框架搭建。根据定位精度要求X、Y轴电机采用编码器实现电机转角的闭环反馈控制，Z轴则采用直线光栅实现精确位移量的闭环反馈控制。根据旋转精度要求或测试需要旋转轴可采用Z轴加装旋转步进电机(即θZ₁)实现线聚焦探头的旋转或采用底部旋转定位台(即θZ₂)实现水槽中试件的旋转。四轴运动控制器由Moon公司的4个独立的步进电机单轴控制器(MSST5-I-AN-004)组成，分别控制四路步进电机。控制器通过4个RS-232接口实现4路步进电机的控制输出和接收编码器或直线光栅的实时检测结果。嵌入式控制器还通过一个68针接口与NI公司7344运动控制卡相连，接收PXI总线嵌入式微机测控系统发出的运动控制指令，并将4轴控制器得到的编码器和直线光栅的实时检测结果反馈给控制系统，从而，实现运动系统的自动控制，保证运动位移的精确定位。由于NI公司7344运动控制卡为4轴运动控制卡，所以选用4个步进电机单轴控制器，故旋转定位台与R轴共用一个，实际操作时二者只能二选一。 

参照图2至图3所示：为保证探头与小尺寸试件表面的垂直度，特在运动机构Z轴夹具与探头连接杆间加装精密校准装置，便于探头调整，保证在测试中探头的聚焦线或聚焦点始终处于试件的同一位置，提高测量准确度。校准器如图2所示，校准平台13上部有与夹具相连的装夹块15，在校准平台上有插入探头连接杆的连接杆孔12和连接杆 顶丝14，通过微调固定在装夹块对角上下的校准旋钮11使校准平台水平。各部件装配时如图3所示，首先将校准装置的装夹块固定在运动机构的Z轴上，用夹紧螺钉将其夹紧。第二步将探头连接杆从校准装置的连接杆孔插入，目测使其与校准平台上表面基本垂直，用连接杆顶丝夹紧。第三步将装有校准装置和探头连接杆固定到Z轴上。 

实验测量前再将后端带有螺纹的探头与连接杆旋紧连接，连接探头与超声脉冲激励/接收仪间的信号线，并通过超声脉冲激励/接收仪将探头接收的回波信号传输到信号采集系统。因为只有当探头与试件表面垂直时，在不同焦距下探头才能始终得到当前位置的最大回波信号幅度。因此，测量时利用运动位移调整探头散焦距，并观察采集到的回波信号幅度，通过调整校准装置的校准旋钮，使在任意散焦位置时探头回波信号幅度均为该散焦位置时的最大，由此保证探头与试件表面垂直。 

本装置在使用时，操作人员只需将被测试件浸入水槽中、放到超声探头下方，然后使用PC机调节探头位置至试件正上方，根据检测的波形来调节校准装置，使探头与试件表面垂直。该装置降低了试件与探头垂直度不高带来的检测误差，可以完成很精确的检测实验。 

下面结合附图4-6通过具体实施例对本发明作进一步的说明，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。本实施例的具体工作过程如下： 

(1)连接设备，将校准器通过夹具固定到四周运动机构的Z轴上，将被测试件(小块表面光滑的不锈钢片)放在水槽中使探头置于其正上方；调整校准器的校准旋钮，使在任意散焦位置时探头回波信号幅度均为该散焦位置时的最大，由此保证探头与试件表面垂直。 

(2)设定0.2mm步进量进行试验，所测得的测试波形如图5所示。由图可见，3个不同的波形清晰可见，信号的幅度较大，信噪比较高。从图6波形上看，直接反射纵波D和底面反射波B在时间轴上的位置保持不变，而漏表面波尺随着散焦距离的增大而远离直接反射纵波D，二者时间差变大。 

(3)测量得到的散焦距与时间的测量分析波形如图7所示，探头测量 结果取平均为3077m/s，即为漏表面波波速，而不锈钢的表面波波速理论值3050m/s，误差很小仅为0.885％，证明测试方法及数值处理算法程序可靠。此外，从各分析处理波形来看，其测量结果波形清晰，表明数据采集分析系统信噪比高，满足测量需要。 

Claims (2)

1.非常规材料小尺寸试件弹性常数超声无损检测装置，其特征在于：包括有包含有嵌入式控制器(8)的嵌入式微机(1)、四轴运动控制卡(2)、四轴运动控制器(3)、四轴运动机构(4)、校准装置(5)、超声脉冲激励/接收仪(6)和超声波聚焦探头(7)；所述包含有嵌入式控制器(8)的嵌入式微机(1)与四轴运动控制卡(2)和数字化仪(9)相连接；所述四轴运动控制卡(2)和四轴运动控制器(3)相连接；四轴运动控制器(3)与四轴运动机构(4)相连接；所述超声脉冲激励/接收仪(6)通过数字化仪(9)和嵌入式微机(1)相连接；所述四轴运动机构(4)通过校准装置(5)与超声波聚焦探头(7)相连接。所述的校准装置(5)由连接杆(16)、校准器(10)组成，超声波聚焦探头(7)通过校准装置(5)的连接杆(16)与超声脉冲激励/接收仪(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的非常规材料小尺寸试件弹性常数超声无损检测装置，其特征在于：所述的校准装置(5)由连接杆(16)、校准器(10)组成，所述校准器(10)由校准旋钮(11)、装夹块(15)、连接杆顶丝(14)、连接杆孔(12)和校准平台(13)组成；校准平台(13)上部有与四轴运动机构(4)Z轴相连的装夹块(15)，在校准平台上有插入探头连接杆的连接杆孔(12)和连接杆顶丝(14)，装夹块上设有使校准平台水平的校准旋钮(11)，装夹块固定在四轴运动机构(4)的Z轴上；校准器(10)通过连接杆顶丝(14)与连接杆(16)相连。

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