CN103884774A - 一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置及方法。本发明包括Z轴运动及控制装置、水流泵送及水压控制装置、超声发射与接收装置、超声信号采集装置、负载测量装置、计算机；本发明使用点聚焦超声探头发射聚焦声束到材料表面，并控制点聚焦超声探头在材料表面法线方向（Z轴）上移动，结合一定压力的水流冲击材料表面，并以水流作为耦合介质采集材料的超声回波。通过分析点聚焦超声探头在Z轴不同位置的回波信号的幅值信息、时域信息和频域信息，可无损测量和评估材料的粘弹性属性。本发明所提供的测量装置结构简单，适用于橡胶类聚合物或生物软组织的粘弹性测量与分析。

Description

一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置及方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，特别涉及一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置及方法。

背景技术

目前在材料粘弹性定征领域，大部分测量手段都是采用印压、拉伸、应压、扭转等传统力学手段。著名的INSTRON电子万能材料试验机即是采用印压方法，通过测量载荷与应变的变化关系确定材料的力学特性，但其无法确定材料的应力松弛、滞后等粘弹性特征。在医学领域，使用流变仪可以通过加载动态（正弦）和静态载荷确定组织样本的形变，从而确定剪切模量、滞后等力学特性，但其样本的大小受限。

在超声材料定征方面，王丛知在专利201210568367.4中提出一种生物组织粘弹性测量方法，通过在组织表面施加驱动激励形成振荡，并在组织内部产生剪切波，通过测量超声回波分析剪切波成分可以得到组织的剪切弹性模量和粘性系数。

目前，针对人体组织超声定征的研究集中在弹性成像方面，但弹性成像的分析具有一些声速标定的缺陷，绝大多数技术采用的是平均声速，即不同的组织间采用相同的声速，这对于形变的分析是非常不利的。而超声材料定征技术则集中在杨氏模量、剪切模量等静态量的分析与测量。通过一种技术既能解决材料杨氏模量、剪切模量等参数的测定，又能分析其应力松弛、蠕变、滞后等动态特性，对于工程分析、医学诊断都极具价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置及方法，通过点聚焦超声探头测量材料的厚度、声速、杨氏模量、应力松弛、蠕变、滞后等性质，适用于橡胶类聚合物或生物软组织的粘弹性测量与分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，包括Z轴运动及控制装置、水流泵送及水压控制装置、超声发射与接收装置、超声信号采集装置、负载测量装置、计算机；

Z轴运动及控制装置包括运动控制器、光栅尺读数头、Z轴运动平台、光栅尺；Z轴运动平台的不动侧安装有光栅尺，光栅尺读数头安装在平台运动侧，光栅尺读数头的信号线缆连接到运动控制器上；运动控制器通过USB线缆与计算机相连；计算机内安装有数据处理软件，计算机中的数据处理软件通过编程接口获取光栅尺读数头的计数编码；Z轴运动平台负载面安装有转接板，转接板用于安装喷水容器；所述的Z轴运动平台安装在运动平台基座上；

水流泵送及水压控制装置包括水槽、水泵、比例压力阀、喷水容器、电液比例阀控制器、压力变送器、第一信号调理放大器及便携式数据采集模块；水泵的输入端通过软管与水槽的侧壁开口相连接，水泵的泵出端通过软管连接到比例压力阀的输入端；比例压力阀的输出端通过软管连接到喷水容器的入口，比例压力阀的控制端通过线缆连接到电液比例阀控制器；压力变送器的传感器接口安装在喷水容器上，压力变送器的信号输出端经线缆连接到第一信号调理放大器的输入端，第一信号调理放大器的输出端连接到便携式数据采集模块的一个输入通道，便携式数据采集模块的输出通道通过USB接口与计算机相连，计算机获取喷水容器内的水压值；

超声发射与接收装置包括点聚焦超声探头和超声发射/接收器；超声信号采集装置包括一个模数转换器；点聚焦超声探头密封安装在喷水容器内，点聚焦超声探头的轴向与喷嘴方向重合；喷水容器通过夹具安装在Z轴运动平台负载面的转接板上，Z轴运动平台上下运动时带动喷嘴容器及点聚焦超声探头同步运动；点聚焦超声探头的接线端与超声发射/接收器相连；经超声发射/接收器调理后的信号输入至模数转换器，模数转换器经PCI总线接入计算机，计算机获取超声回波的数字信号；

负载测量装置包括待测材料安装平台、基座、负载传感器、第二信号调理放大器；基座安装在水槽的底板上，负载传感器固定在基座的上表面，待测材料安装平台放置在负载传感器的测试面上，待测材料则固定在待测材料安装平台上；负载传感器的接线端经线缆与第二信号调理放大器相连，经第二信号调理放大器调理放大的负载信号进入便携式数据采集模块的另一个输入通道，计算机获取负载数字信号。

所述的Z轴运动平台采用直线电机运动平台或步进电机加滚珠丝杠运动平台。

所述的点聚焦超声探头与喷水容器需满足如下要求：

设点聚焦超声探头的焦距为f，超声波振面开角为α，则f即为点聚焦超声探头的声透镜输出面顶部到焦平面的距离；喷嘴开口位置与点聚焦超声探头的声透镜输出面顶部之间的距离为f/2；喷嘴的开口大小w限制为：w＞f×tanα，且w＞2f×sinα。

所述的运动控制器为单轴控制器，具有AB向编码读取能力，并集成驱动模块；比例压力阀的工作压力0.1～1.2MPa；负载传感器的量程为0～110N，其工作温度为-9℃～60℃，其线性误差在±3%以内；压力变送器的量程为0.1～1.5MPa，输出信号为电流信号4～20mA；点聚焦超声探头的中心频率为5MHz、10MHz、15MHz或20MHz，焦距大于10mm且小于20mm；超声发射/接收器的发射脉冲宽度为10ns～20ms可调，接收放大器频带宽度大于200MHz；模数转换器采集峰-峰值为2V的信号，最高采样频率大于500MHz；便携式数据采集模块具有两个输入信号通道，信号范围为0～5V；第一信号调理放大器的信号带宽大于10KHz，放大倍数为10～2000倍可调；第二信号调理放大器的信号带宽大于5KHz，放大倍数为5～1000倍可调；电液比例阀控制器的输入信号为4～20mA，输出电流为0～2.5A，精度分级大于128。

一种超声水冲印压测量材料粘弹性的方法，包括如下步骤：

步骤1.使用超声自动聚焦技术测量待测材料的厚度H；

步骤2.分析待测材料上下表面的回波信号，得到超声在材料中的渡越时间TOF；

步骤3.使用压力值为P的水流冲击待测材料上表面，利用超声信号得到冲压位置的形变，计算待测材料的杨氏模量；

步骤4.通过控制水流压力维持待测材料形变在时间T内恒定，记录待测材料所受的压力，得到待测材料的应力松弛相关曲线；

步骤5.通过控制水流压力维持待测材料所受的压力在时间T内恒定，记录待测材料所发生的形变，得到待测材料的蠕变相关曲线；

步骤6.通过控制水流压力使水压在时间T内呈现固定频率的余弦变化，记录待测材料所发生的形变及所受的压力，得到待测材料的动态迟滞曲线。

所述的步骤1具体如下：

（1-1）将待测材料固定在待测材料安装平台上，向水槽内注水，并保证水槽内水平面高于待测材料的上表面，且水平面与待测材料上表面的距离大于焦距f；

（1-2）开启计算机，开启运动控制器及超声/发射接收器的电源，预热时间10分钟以上；

（1-3）控制Z轴运动平台移动，使点聚焦超声探头发射的超声声束聚焦到待测材料的上表面，记录Z轴运动平台上光栅尺读数头的数值Z₁；

（1-4）控制Z轴运动平台移动,使点聚焦超声探头发射的超声声束聚焦到待测材料的下表面，记录Z轴运动平台上光栅尺读数头的数值Z₂；

（1-5）计算待测材料的厚度H=Z₂-Z₁。

所述的步骤2具体如下：

（2-1）获取待测材料上下表面的完整回波信号S_tb(t)；

（2-2）从完整回波信号S_tb(t)中截取上表面回波信号S_t(t)；

（2-3）使用上表面回波信号S_t(t)与完整回波信号S_tb(t)进行相关性运算；

（2-4）求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，并按照波峰幅值由大到小排序，前两个波峰幅值之间的信号时刻分别为t₁和t₂，渡越时间TOF＝|t₁-t₂|。

所述的步骤3具体如下：

（3-1）在计算机中设定符合要求的门宽及门前沿位置，保证整个实验过程中待测材料上下表面的完整回波都在门限范围内；

（3-2）获取待测材料在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号S′_tb(t)，从中截取上表面回波信号S′_t(t)，并记录负载传感器的初始输出值P_s；

（3-3）使用上表面回波信号S′_t(t)与完整回波信号S′_tb(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为t′_max；

（3-4）在计算机设定水压值，完成电液比例阀控制器的设置，开启水流冲击开关，等到负载传感器的输出值P_n稳定时，记录待测材料第n次上下表面的完整回波信号S_n(t)，其中1≤n≤N;

（3-5）使用上表面回波信号S′_t(t)与第n次完整回波信号S_n(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，第一个波峰出现的信号时刻记录为t₁(n)，第二个波峰出现的信号时刻记录为t₂(n)；

（3-6）计算待测材料的杨氏模量为:

$E_n=\frac{C_0(t_1\left(n\right)-t_{\max }^{\′})}{2\mathrm{rH}}f(t_2\left(n\right)-t_1\left(n\right),H)$

式中H为步骤（1-5）中测得的待测材料的厚度，C₀为实验条件下水中的声速，r为水流喷头的半径，f(t₂(n)-t₁(n),H)为调整比例系数；

（3-7）待测材料形变恢复后，设定N个不同的水压值重复步骤（3-4）到步骤（3-6），N为预先设定的值，且N大于5，求取待测材料杨氏模量的均值E_mean:

$E_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_n.$

所述的步骤4具体如下：

（4-1）获取待测材料在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号S″_tb(t)，从中截取上表面回波信号S″_t(t)，并记录负载传感器的初始输出值P_s；

（4-2）使用上表面回波信号S″_t(t)与完整回波信号S″_tb(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为t″_max；

（4-3）在计算机中设定预期形变值、数字PID控制参数和形变测量时间间隔Δt，完成电液比例阀控制器的初始设置，开启水流冲击开关；

（4-4）每隔Δt，记录负载传感器的输出值P_k，记录待测材料上下表面的第k次完整回波信号S_k(t)，使用上表面回波信号S″_t(t)与完整回波信号S_k(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，第一个波峰出现的信号时刻记录为t₁(k)，第二个波峰出现的信号时刻记录为t₂(k)；冲击位置的形变δ_k＝C₀×(t₁(k)-t₂(k))，记录δ_k值并将其代入数字PID反馈控制环；所述的k为整数，取值范围如下：1≤k≤T/Δt；

（4-5）到达设定时间后，关闭水流冲击开关，继续测量并记录δ_k值与负载传感器的输出值P_k，直至δ_k值稳定，即待测材料冲击位置的形变恢复；

（4-6）显示δ_k值与时间t的变化曲线，典型的载荷-时间测量结果，即应力松弛曲线相关。

所述的步骤5具体实现如下：

（5-1）获取待测材料在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号S′″_tb(t)，从中截取上表面回波S′″_t(t)，并记录负载传感器108的初始输出值P_s；

（5-2）使用上表面回波S′″_t(t)与回波信号S′″_tb(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为t′″_max；

（5-3）在计算机中设定预期固定负载值P_d，设定数字PID控制参数，设定形变测量时间间隔Δt，完成电液比例阀控制器的初始设置，开启水流冲击开关；

（5-4）每隔Δt，测量并记录待测材料冲击位置的第m次形变值δ_m，记录负载传感器的第m次输出值P_m，并将P_m代入数字PID反馈控制环；

（5-5）到达设定时间T后，关闭水流冲击开关，继续测量并记录δ_m值与负载传感器的输出值P_m，直至δ_m值稳定，即待测材料冲击位置的形变恢复；

（5-6）显示δ_m值与时间t的变化曲线，形变-时间测量结果与待测材料112的蠕变曲线相关；

所述的步骤6具体实现如下：

（6-1）获取待测材料在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号

，从中截取上表面回波

，并记录负载传感器的输出值P_s；

（6-2）使用上表面回波

与回波信号进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为；

（6-3）在计算机中使用数据处理软件设定数字PID控制参数，设定形变测量时间间隔Δt，设定水压正弦变化的周期T_p及预期负载峰值

，T_p大于16Δt，完成电液比例阀控制器的初始设置，开启水流冲击开关；

（6-4）每隔Δt，设定期望值

，测量并记录待测材料冲击位置的形变δ_i值，记录负载传感器的输出值P_i，并将P_i代入数字PID反馈控制环；所述的i为整数，取值范围如下：1≤i≤T/Δt；

（6-5）到达设定时间后，关闭水流冲击开关，停止测量记录δ_i值与负载传感器的输出值P_i；

（6-6）显示δ_i值与时间t的变化曲线，显示P_i值与时间t的变化曲线。

本发明有益效果如下：

本发明将可以测量材料厚度及超声渡越时间，因此可以获得材料中的准确声速，这对于进一步精确测量形变奠定了基础。本方案结构比传统的力学测量手段结构简单，而且本发明不但可以精确测量材料的杨氏模量，还可以分析材料的应力松弛、蠕变、滞后等动态特性。因此，本发明具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中超声水冲印压测量材料粘弹性的装置框架图；

图2是本发明实施例中喷水容器设计尺寸示意图；

图3是本发明实施例中待测材料的上下表面完整回波示意图；

图4是本发明实施例中的上表面回波与完整回波进行相关性运算的结果示意图；

图5是本发明实施例中相关性运算结果的包络线示意图；

图6是本发明实施例中待测材料的固定形变控制方法示意图；

图7是本发明实施例中待测材料的固定载荷控制方法示意图；

图8（a）是本发明实施例中典型的形变-时间曲线示意图；

图8（b）是本发明实施例中典型的载荷-时间曲线示意图；

图8（c）是本发明实施例中典型的形变-时间曲线示意图；

图8（d）是本发明实施例中典型的载荷-时间曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，包括Z轴运动及控制装置、水流泵送及水压控制装置、超声发射与接收装置、超声信号采集装置、负载测量装置、计算机101；

Z轴运动及控制装置包括运动控制器102、光栅尺读数头103、Z轴运动平台104、光栅尺105；

Z轴运动平台104的不动侧安装有光栅尺105，光栅尺读数头103安装在平台运动侧，光栅尺读数头103的信号线缆连接到运动控制器102上；运动控制器102通过USB线缆与计算机101相连；计算机101内安装有数据处理软件，计算机101中的数据处理软件通过编程接口获取光栅尺读数头103的计数编码，从而确定精确的运动位置；Z轴运动平台104负载面安装有转接板121，转接板121用于安装喷水容器120；所述的Z轴运动平台104安装在运动平台基座106上，采用直线电机运动平台或步进电机加滚珠丝杠运动平台；

所述的数据处理软件包括用户界面、数据采集、控制逻辑、算法实现等部分，计算机软件著作权名称为《扫描超声波显微镜软件V1.0》，著作权编号为2012SR018842;数据处理软件的具体工作过程如下：控制逻辑部分通过编程接口实现与运动控制器102的数据交互，控制Z轴运动平台104精确运动，并获取光栅尺读数头103的计数编码；另外控制逻辑部分通过编程接口与超声发射/接收器122进行通信，从而控制点聚焦超声探头119发射和接收超声回波信号；数据采集部分通过模数转换器123的编程接口采集经超声发射/接收器122调理放大后的超声回波信号，并显示在用户界面上；算法实现部分负责分析由数据采集部分获取到的回波数据，并依照本实施例中的相关数据处理方法和计算公式，计算得到所需测量的参量，并通过用户界面告知用户运算结果。

水流泵送及水压控制装置包括水槽109、水泵116、比例压力阀115、喷水容器120、电液比例阀控制器127、压力变送器118、第一信号调理放大器124及便携式数据采集模块126；

水泵116的输入端通过软管110与水槽109的侧壁开口相连接，水泵116的泵出端通过软管连接到比例压力阀115的输入端；比例压力阀115的输出端通过软管连接到喷水容器120的入口117，比例压力阀115的控制端通过线缆连接到电液比例阀控制器127；压力变送器118的传感器接口安装在喷水容器上120，压力变送器118的信号输出端经线缆连接到第一信号调理放大器124的输入端，第一信号调理放大器124的输出端连接到便携式数据采集模块126的一个输入通道，便携式数据采集模块126的输出通道通过USB接口与计算机101相连，计算机101获取喷水容器120内的水压值。

工作时，水槽109内的水经软管110到达水泵116，由水泵116的泵出端输送进入比例压力阀115；经比例压力阀115调节，输出水流的水压符合系统要求，然后进入喷水容器120；之后水流经喷水容器120的喷嘴113喷射到待测材料112的上表面，最终回到水槽109。

超声发射与接收装置包括点聚焦超声探头119和超声发射/接收器122；超声信号采集装置包括一个模数转换器123，点聚焦超声探头119密封安装在喷水容器内120，点聚焦超声探头119的轴向与喷嘴113方向重合；喷水容器120通过夹具安装在Z轴运动平台104负载面的转接板121上，Z轴运动平台104上下运动时带动喷嘴容器120及点聚焦超声探头119同步运动；点聚焦超声探头119的接线端与超声发射/接收器122相连；经超声发射/接收器122调理后的信号输入至模数转换器123，模数转换器123经PCI总线接入计算机101，计算机101获取超声回波的数字信号。

负载测量装置包括待测材料安装平台111、基座107、负载传感器108、第二信号调理放大器125；基座107安装在水槽109的底板上，负载传感器108固定在基座107的上表面，待测材料安装平台111放置在负载传感器108的测试面上，待测材料112则固定在待测材料安装平台111上；负载传感器108的接线端经线缆与第二信号调理放大器125相连，经第二信号调理放大器125调理放大的负载信号进入便携式数据采集模块126的另一个输入通道，计算机101获取负载数字信号。

所述的运动控制器102为单轴控制器，具有AB向编码读取能力，并集成驱动模块；比例压力阀115的工作压力0.1～1.2MPa；负载传感器108的量程为0～110N，其工作温度为-9℃～60℃，其线性误差在±3%以内；压力变送器118的量程为0.1～1.5MPa，输出信号为电流信号4～20mA；点聚焦超声探头119的中心频率为5MHz、10MHz、15MHz、20MHz之一，焦距大于10mm且小于20mm；超声发射/接收器122的发射脉冲宽度为10ns～20ms可调，接收放大器频带宽度大于200MHz；模数转换器123可采集峰-峰值为2V的信号，最高采样频率大于500MHz；便携式数据采集模块126具有两个输入信号通道，信号范围为0～5V；第一信号调理放大器124的信号带宽大于10KHz，放大倍数为10～2000倍可调；第二信号调理放大器125的信号带宽大于5KHz，放大倍数为5～1000倍可调；电液比例阀控制器127的输入信号为4～20mA，输出电流为0～2.5A，精度分级大于128。

如图2所示，点聚焦超声探头119与喷水容器120需满足如下要求：

设点聚焦超声探头119的焦距为f，超声波振面开角202为α，则f即为点聚焦超声探头119的声透镜输出面顶部到焦平面201的距离。喷嘴113理想开口位置与点聚焦超声探头119的声透镜输出面顶部之间的距离为f/2。喷嘴113的开口大小w限制为：w＞f×tanα，且w＞2f×sinα。

一种超声水冲印压测量材料粘弹性的方法，具体包括如下步骤：

步骤1.使用超声自动聚焦技术测量待测材料112的厚度H：

（1-1）将待测材料112固定在待测材料安装平台111上，向水槽109内注水，并保证水槽109内水平面高于待测材料112的上表面，且水平面与待测材料112上表面的距离大于焦距f；

（1-2）开启计算机101，开启运动控制器102及超声/发射接收器122的电源，预热时间10分钟以上；

（1-3）控制Z轴运动平台104移动，使点聚焦超声探头119发射的超声声束114聚焦到待测材料112的上表面，记录Z轴运动平台104上光栅尺读数头103的数值Z₁（具体的聚焦判定方法参考居冰峰等在专利ZL201010520433.1中提供的方法）；

（1-4）控制Z轴运动平台104移动,使点聚焦超声探头119发射的超声声束114聚焦到待测材料112的下表面，记录Z轴运动平台104上光栅尺读数头103的数值Z₂；

（1-5）计算待测材料112的厚度H=Z₂-Z₁。

步骤2.分析待测材料112上下表面的回波信号，测量超声在待测材料112中的渡越时间TOF:

（2-1）获取待测材料112上下表面的完整回波信号S_tb(t)，如图3所示波形301即表示完整回波信号S_tb(t)；

（2-2）从波形301即完整回波信号S_tb(t)中截取波形302即上表面回波信号S_t(t)；

（2-3）使用波形302即上表面回波信号S_t(t)与波形301即表示完整回波信号S_tb(t)进行相关性运算，图4中波形401表示相关性运算结果；

（2-4）求取波形401相关性运算结果的包络线，图5中501表示包络线的上半部分，502表示包络线的下半部分，对包络线的上半部分501进行波峰判定，并按照波峰幅值由大到小排序，前两个波峰幅值之间的信号时刻分别为t₁和t₂，图4和图5中的402代表t₁时刻，403代表t₂时刻，则渡越时间为t₁和t₂之差的模，即渡越时间TOF＝|t₁-t₂|；

（2-5）求取待测材料112中超声的纵波声速C_L＝H/TOF。

步骤3.使用压力值为P的水流冲击待测材料112上表面，利用超声信号得到冲压位置的形变，计算待测材料112的杨氏模量：

（3-1）在计算机101中设定符合要求的门宽及门前沿位置，保证整个实验过程中待测材料112上下表面的完整回波都在门限范围内；

（3-2）获取待测材料112在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号S′_tb(t)，从中截取上表面回波信号S′_t(t)，并记录负载传感器108的初始输出值P_s；

（3-3）使用上表面回波信号S′_t(t)与完整回波信号S′_tb(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为t′_max；

（3-4）在计算机101设定水压值，完成电液比例阀控制器127的设置，开启水流冲击开关，等到负载传感器108的输出值P_n稳定时，记录待测材料112第n次上下表面的完整回波信号S_n(t)，其中1≤n≤N;

（3-5）使用上表面回波信号S′_t(t)与第n次完整回波信号S_n(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，第一个波峰出现的信号时刻记录为t₁(n)，第二个波峰出现的信号时刻记录为t₂(n)；

（3-6）计算待测材料的杨氏模量为:

$E_n=\frac{C_0(t_1\left(n\right)-t_{\max }^{\′})}{2\mathrm{rH}}f(t_2\left(n\right)-t_1\left(n\right),H)$

式中H为步骤（1-5）中测得的待测材料114的厚度，C₀为实验条件下水中的声速，r为水流喷头的半径，f(t₂(n)-t₁(n),H)为调整比例系数；

（3-7）待测材料114形变恢复后，设定N个不同的水压值重复步骤（3-4）到步骤（3-6），N为预先设定的值，且N大于5，求取待测材料杨氏模量的均值E_mean:

$E_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_n.$

步骤4.通过控制水流压力维持待测材料112形变在时间T内恒定（T为预先设定的时间长度，因材料而异），记录负载传感器108的输出值P_k，得到待测材料112的应力松弛相关曲线；图6为其中一种待测材料112形变控制方法，以待测材料112冲击位置的形变作为反馈信息，通过数字PID控制电液比例阀控制器127的驱动输出，进而控制比例压力阀115的水压输出；操作过程及应变测量601方法如下：

（4-1）获取待测材料112在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号S″_tb(t)，从中截取上表面回波信号S″_t(t)，并记录负载传感器108的初始输出值P_s；

（4-2）使用上表面回波信号S″_t(t)与完整回波信号S″_tb(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为t″_max；

（4-3）在计算机101中设定预期形变值、数字PID控制参数和形变测量时间间隔Δt，完成电液比例阀控制器127的初始设置，开启水流冲击开关；

（4-4）每隔Δt，记录负载传感器108的输出值P_k，记录待测材料上下表面的第k次完整回波信号S_k(t)，使用上表面回波信号S″_t(t)与完整回波信号S_k(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，第一个波峰出现的信号时刻记录为t₁(k)，第二个波峰出现的信号时刻记录为t₂(k)；冲击位置的形变δ_k＝C₀×(t₁(k)-t₂(k))，记录δ_k值并将其代入数字PID反馈控制环；所述的k为整数，取值范围如下：1≤k≤T/Δt；

（4-5）到达设定时间后，关闭水流冲击开关，继续测量并记录δ_k值与负载传感器108的输出值P_k，直至δ_k值稳定，即待测材料112冲击位置的形变恢复；

（4-6）显示δ_k值与时间t的变化曲线，典型的形变-时间测量结果如图8（a）中波形801所示；显示P_k值与时间t的变化曲线，典型的载荷-时间测量结果如图8（b）中波形802所示；802为待测材料112的应力松弛曲线相关。

步骤5.通过控制水流压力维持待测材料112所受的压力在时间T内恒定（T为预先设定的时间长度，因材料而异）内恒定，记录待测材料112所发生的形变，得到待测材料112的蠕变相关曲线；图7显示了本发明实施例中提供的一种待测材料112载荷控制方法，以待测材料112下的负载传感器108的输出值P_m作为反馈信息，通过数字PID控制电液比例阀控制器127的驱动输出，进而控制比例压力阀115的水压输出，保持负载传感器108的输出值P_m恒定，过程如下：

（5-1）获取待测材料112在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号S′″_tb(t)，从中截取上表面回波S″_t(t)，并记录负载传感器108的初始输出值P_s；

（5-2）使用上表面回波S″_t(t)与回波信号S′″_tb(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为t′″_max；

（5-3）在计算机101中设定预期固定负载值P_d，设定数字PID控制参数，设定形变测量时间间隔Δt，完成电液比例阀控制器127的初始设置，开启水流冲击开关；

（5-4）每隔Δt，测量并记录待测材料112冲击位置的第m次形变值δ_m，记录负载传感器108的第m次输出值P_m，并将P_m代入数字PID反馈控制环；

（5-5）到达设定时间T后，关闭水流冲击开关，继续测量并记录δ_m值与负载传感器108的输出值P_m，直至δ_m值稳定，即112待测材料冲击位置的形变恢复；

（5-6）显示δ_m值与时间t的变化曲线，典型的形变-时间测量结果如图8（c）中波形803所示；显示P_m值与时间t的变化曲线，典型的载荷-时间测量结果如图8（d）中波形804所示；803与待测材料112的蠕变曲线相关。

步骤6.通过控制水流压力使水压在设定时间T内呈现固定频率的余弦变化，记录待测材料112所发生的形变及所受的压力，得到待测材料112的动态迟滞曲线；其过程及控制方法与步骤5相似，区别在于预期的负载值是随正弦变化的，具体如下：

（6-1）获取待测材料112在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号

，从中截取上表面回波，并记录108负载传感器的输出值P_s；

（6-2）使用上表面回波与回波信号

进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为

；

（6-3）在计算机101中使用数据处理软件设定数字PID控制参数，设定形变测量时间间隔Δt，设定水压正弦变化的周期T_p及预期负载峰值

，T_p大于16Δt，完成电液比例阀控制器127的初始设置，开启水流冲击开关；

（6-4）每隔Δt，设定期望值，测量并记录待测材料112冲击位置的形变δ_i值，记录负载传感器108的输出值P_i，并将P_i代入数字PID反馈控制环；所述的i为整数，取值范围如下：1≤i≤T/Δt；

（6-5）到达设定时间后，关闭水流冲击开关，停止测量记录δ_i值与负载传感器108的输出值P_i；

（6-6）显示δ_i值与时间t的变化曲线，显示P_i值与时间t的变化曲线。

以上对本发明实施例所提供的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的方法及装置进行了详细介绍。显然，所描述的实施例仅仅是一部分的实施例，而不是全部的实施例。对于不采用图2所示喷水容器设计尺寸限制的相关装置，本发明测量方法依然适用。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，其特征在于包括Z轴运动及控制装置、水流泵送及水压控制装置、超声发射与接收装置、超声信号采集装置、负载测量装置、计算机；

Z轴运动及控制装置包括运动控制器、光栅尺读数头、Z轴运动平台、光栅尺；Z轴运动平台的不动侧安装有光栅尺，光栅尺读数头安装在平台运动侧，光栅尺读数头的信号线缆连接到运动控制器上；运动控制器通过USB线缆与计算机相连；计算机内安装有数据处理软件，计算机中的数据处理软件通过编程接口获取光栅尺读数头的计数编码；Z轴运动平台负载面安装有转接板，转接板用于安装喷水容器；所述的Z轴运动平台安装在运动平台基座上；

水流泵送及水压控制装置包括水槽、水泵、比例压力阀、喷水容器、电液比例阀控制器、压力变送器、第一信号调理放大器及便携式数据采集模块；水泵的输入端通过软管与水槽的侧壁开口相连接，水泵的泵出端通过软管连接到比例压力阀的输入端；比例压力阀的输出端通过软管连接到喷水容器的入口，比例压力阀的控制端通过线缆连接到电液比例阀控制器；压力变送器的传感器接口安装在喷水容器上，压力变送器的信号输出端经线缆连接到第一信号调理放大器的输入端，第一信号调理放大器的输出端连接到便携式数据采集模块的一个输入通道，便携式数据采集模块的输出通道通过USB接口与计算机相连，计算机获取喷水容器内的水压值；

超声发射与接收装置包括点聚焦超声探头和超声发射/接收器；超声信号采集装置包括一个模数转换器；点聚焦超声探头密封安装在喷水容器内，点聚焦超声探头的轴向与喷嘴方向重合；喷水容器通过夹具安装在Z轴运动平台负载面的转接板上，Z轴运动平台上下运动时带动喷嘴容器及点聚焦超声探头同步运动；点聚焦超声探头的接线端与超声发射/接收器相连；经超声发射/接收器调理后的信号输入至模数转换器，模数转换器经PCI总线接入计算机，计算机获取超声回波的数字信号；

负载测量装置包括待测材料安装平台、基座、负载传感器、第二信号调理放大器；基座安装在水槽的底板上，负载传感器固定在基座的上表面，待测材料安装平台放置在负载传感器的测试面上，待测材料则固定在待测材料安装平台上；负载传感器的接线端经线缆与第二信号调理放大器相连，经第二信号调理放大器调理放大的负载信号进入便携式数据采集模块的另一个输入通道，计算机获取负载数字信号。

2.如权利要求1所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，其特征在于所述的Z轴运动平台采用直线电机运动平台或步进电机加滚珠丝杠运动平台。

3.如权利要求2所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，其特征在于所述的点聚焦超声探头与喷水容器需满足如下要求：

设点聚焦超声探头的焦距为f，超声波振面开角为α，则f即为点聚焦超声探头的声透镜输出面顶部到焦平面的距离；喷嘴开口位置与点聚焦超声探头的声透镜输出面顶部之间的距离为f/2；喷嘴的开口大小w限制为：w＞f×tanα，且w＞2f×sinα。

4.如权利要求3所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，其特征在于所述的运动控制器为单轴控制器，具有AB向编码读取能力，并集成驱动模块；比例压力阀的工作压力0.1～1.2MPa；负载传感器的量程为0～110N，其工作温度为-9℃～60℃，其线性误差在±3%以内；压力变送器的量程为0.1～1.5MPa，输出信号为电流信号4～20mA；点聚焦超声探头的中心频率为5MHz、10MHz、15MHz或20MHz，焦距大于10mm且小于20mm；超声发射/接收器的发射脉冲宽度为10ns～20ms可调，接收放大器频带宽度大于200MHz；模数转换器采集峰-峰值为2V的信号，最高采样频率大于500MHz；便携式数据采集模块具有两个输入信号通道，信号范围为0～5V；第一信号调理放大器的信号带宽大于10KHz，放大倍数为10～2000倍可调；第二信号调理放大器的信号带宽大于5KHz，放大倍数为5～1000倍可调；电液比例阀控制器的输入信号为4～20mA，输出电流为0～2.5A，精度分级大于128。

5.一种超声水冲印压测量材料粘弹性的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.使用超声自动聚焦技术测量待测材料的厚度H；

步骤2.分析待测材料上下表面的回波信号，得到超声在材料中的渡越时间TOF；

步骤3.使用压力值为P的水流冲击待测材料上表面，利用超声信号得到冲压位置的形变，计算待测材料的杨氏模量；

步骤4.通过控制水流压力维持待测材料形变在时间T内恒定，记录待测材料所受的压力，得到待测材料的应力松弛相关曲线；

步骤5.通过控制水流压力维持待测材料所受的压力在时间T内恒定，记录待测材料所发生的形变，得到待测材料的蠕变相关曲线；

步骤6.通过控制水流压力使水压在时间T内呈现固定频率的余弦变化，记录待测材料所发生的形变及所受的压力，得到待测材料的动态迟滞曲线。

6.如权利要求5所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的方法，其特征在于所述的步骤1具体如下：

（1-1）将待测材料固定在待测材料安装平台上，向水槽内注水，并保证水槽内水平面高于待测材料的上表面，且水平面与待测材料上表面的距离大于焦距f；

（1-2）开启计算机，开启运动控制器及超声/发射接收器的电源，预热时间10分钟以上；

（1-3）控制Z轴运动平台移动，使点聚焦超声探头发射的超声声束聚焦到待测材料的上表面，记录Z轴运动平台上光栅尺读数头的数值Z₁；

（1-4）控制Z轴运动平台移动,使点聚焦超声探头发射的超声声束聚焦到待测材料的下表面，记录Z轴运动平台上光栅尺读数头的数值Z₂；

（1-5）计算待测材料的厚度H=Z₂-Z₁。

7.如权利要求6所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的方法，其特征在于所述的步骤2具体如下：

（2-1）获取待测材料上下表面的完整回波信号S_tb(t)；

（2-2）从完整回波信号S_tb(t)中截取上表面回波信号S_t(t)；

（2-3）使用上表面回波信号S_t(t)与完整回波信号S_tb(t)进行相关性运算；

（2-4）求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，并按照波峰幅值由大到小排序，前两个波峰幅值之间的信号时刻分别为t₁和t₂，渡越时间TOF＝|t₁-t₂|。

8.如权利要求7所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的方法，其特征在于所述的步骤3具体如下：

（3-1）在计算机中设定符合要求的门宽及门前沿位置，保证整个实验过程中待测材料上下表面的完整回波都在门限范围内；

（3-2）获取待测材料在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号S′_tb(t)，从中截取上表面回波信号S′_t(t)，并记录负载传感器的初始输出值P_s；

（3-3）使用上表面回波信号S′_t(t)与完整回波信号S′_tb(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为t′_max；

（3-4）在计算机设定水压值，完成电液比例阀控制器的设置，开启水流冲击开关，等到负载传感器的输出值P_n稳定时，记录待测材料第n次上下表面的完整回波信号S_n(t)，其中1≤n≤N;

（3-5）使用上表面回波信号S′_t(t)与第n次完整回波信号S_n(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，第一个波峰出现的信号时刻记录为t₁(n)，第二个波峰出现的信号时刻记录为t₂(n)；

（3-6）计算待测材料的杨氏模量为:

$E_n=\frac{C_0(t_1\left(n\right)-t_{\max }^{\′})}{2\mathrm{rH}}f(t_2\left(n\right)-t_1\left(n\right),H)$

式中H为步骤（1-5）中测得的待测材料的厚度，C₀为实验条件下水中的声速，r为水流喷头的半径，f(t₂(n)-t₁(n),H)为调整比例系数；

（3-7）待测材料形变恢复后，设定N个不同的水压值重复步骤（3-4）到步骤（3-6），N为预先设定的值，且N大于5，求取待测材料杨氏模量的均值E_mean:

$E_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_n.$

9.如权利要求8所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的方法，其特征在于所述的步骤4具体如下：

（4-1）获取待测材料在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号S″_tb(t)，从中截取上表面回波信号S″_t(t)，并记录负载传感器的初始输出值P_s；

（4-2）使用上表面回波信号S″_t(t)与完整回波信号S″_tb(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为t″_max；

（4-3）在计算机中设定预期形变值、数字PID控制参数和形变测量时间间隔Δt，完成电液比例阀控制器的初始设置，开启水流冲击开关；

（4-4）每隔Δt，记录负载传感器的输出值P_k，记录待测材料上下表面的第k次完整回波信号S_k(t)，使用上表面回波信号S″_t(t)与完整回波信号S_k(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，第一个波峰出现的信号时刻记录为t₁(k)，第二个波峰出现的信号时刻记录为t₂(k)；冲击位置的形变δ_k＝C₀×(t₁(k)-t₂(k))，记录δ_k值并将其代入数字PID反馈控制环；所述的k为整数，取值范围如下：1≤k≤T/Δt；

（4-5）到达设定时间后，关闭水流冲击开关，继续测量并记录δ_k值与负载传感器的输出值P_k，直至δ_k值稳定，即待测材料冲击位置的形变恢复；

（4-6）显示δ_k值与时间t的变化曲线，典型的载荷-时间测量结果，即应力松弛曲线相关。

10.如权利要求8所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的方法，其特征在于所述的步骤5和步骤6分别如下：

针对步骤5具体实现如下：

（5-1）获取待测材料在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号S′″_tb(t)，从中截取上表面回波S″_t(t)，并记录负载传感器108的初始输出值P_s；

（5-2）使用上表面回波S″_t(t)与回波信号S′″_tb(t)进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为t′″_max；

（5-3）在计算机中设定预期固定负载值P_d，设定数字PID控制参数，设定形变测量时间间隔Δt，完成电液比例阀控制器的初始设置，开启水流冲击开关；

（5-4）每隔Δt，测量并记录待测材料冲击位置的第m次形变值δ_m，记录负载传感器的第m次输出值P_m，并将P_m代入数字PID反馈控制环；

（5-5）到达设定时间T后，关闭水流冲击开关，继续测量并记录δ_m值与负载传感器的输出值P_m，直至δ_m值稳定，即待测材料冲击位置的形变恢复；

（5-6）显示δ_m值与时间t的变化曲线，形变-时间测量结果与待测材料112的蠕变曲线相关；

针对步骤6具体实现如下：

（6-1）获取待测材料在未受水流冲击时上下表面的完整回波信号

，从中截取上表面回波

，并记录负载传感器的输出值P_s；

（6-2）使用上表面回波

与回波信号

进行相关性运算，求取相关性运算结果的包络线，并对包络线进行波峰判定，幅值最大的波峰出现的信号时刻记录为

；

（6-3）在计算机中使用数据处理软件设定数字PID控制参数，设定形变测量时间间隔Δt，设定水压正弦变化的周期T_p及预期负载峰值

，T_p大于16Δt，完成电液比例阀控制器的初始设置，开启水流冲击开关；

（6-4）每隔Δt，设定期望值

，测量并记录待测材料冲击位置的形变δ_i值，记录负载传感器的输出值P_i，并将P_i代入数字PID反馈控制环；所述的i为整数，取值范围如下：1≤i≤T/Δt；

（6-5）到达设定时间后，关闭水流冲击开关，停止测量记录δ_i值与负载传感器的输出值P_i；

（6-6）显示δ_i值与时间t的变化曲线，显示P_i值与时间t的变化曲线。

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