CN108693255B - 一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置，包括：底板、环形力传感器、下支柱、换能器、上支柱、上压板和固体待测件；其中，环形力传感器固定于底板的中心，下支柱、换能器和上支柱依次设置于环形力传感器的顶端；固体待测件设置于上支柱的顶端，上压板紧密贴合于固体待测件上，并通过紧固件与底板相连接，紧固件呈均匀分布设置。本发明能够用来准确控制作用于换能器上的压力，提高了界面耦合的重复性，进而实现减小测量的重复性误差的目的。

Description

一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置及方法
技术领域
本发明涉及界面耦合重复性的装置及方法，更具体的说是涉及一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置及方法，属于超声无损检测技术领域。
背景技术
随着超声波理论和计算机科学技术的发展，超声波的应用实例越来越多，应用范围越来越广泛，其中主要应用于无损检测、无损探伤、无损评价等领域。换能器是超声波设备的关键元件，通常为了让超声波更好的透射进入待测件中，会使用耦合剂来排除换能器与待测件之间的空气，增强声波的透射性能。在应用中，耦合剂随着时间变化可能发生一定程度的物性变化而影响测量结果，因此在实际测量中，会在一定时间内更换耦合剂以保证耦合情况一致。但是不同耦合剂的声接触压力敏感程度各不相同，作用在换能器上的力不能保持相同就会影响到测量的重复性和准确性；在不使用耦合剂的情况下，只要有拆装过程就难以保证耦合界面上的耦合力是均匀分布的，其他条件相同的情况下，拆装前后测量的结果也不尽相同，测量的重复性难以保证。目前尚无提升界面耦合重复性的研究。
因此，如何提供一种一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置及方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置及方法，用来准确控制作用于换能器上的压力，从而提高界面耦合的重复性，进而实现减小测量的重复性误差的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置，包括：底板、环形力传感器、下支柱、换能器、上支柱、上压板和固体待测件；其中，所述环形力传感器固定于所述底板的中心，所述下支柱、所述换能器和所述上支柱依次设置于所述环形力传感器的顶端；所述固体待测件设置于所述上支柱的顶端，所述上压板紧密贴合于所述固体待测件上，并通过紧固件与所述底板相连接，所述紧固件呈均匀分布设置。
本发明结构简单，能够准确控制作用于换能器上的压力，提高界面耦合的重复性，进而实现减小测量的重复性误差的目的。
优选的，所述固体待测件底端中心位置与所述上支柱顶面紧密贴合。保证了待测件能够对上支柱均匀施力。
优选的，所述固体待测件、所述环形力传感器、所述下支柱、所述换能器和所述上支柱均同心布置，保证了力传导的均匀性。
优选的，所述上压板与所述底板同心且平行布置。
优选的，所述底板上设置有均匀分布的安装孔一，所述上压板上设置有与所述安装孔一对应的安装孔二。安装孔二与紧固件相适配，实现了底板与上压板的紧固连接。
优选的，所述固体待测件侧面的底端设置有凸缘，所述上压板底端设置有与所述凸缘相适配的卡槽。通过上压板实现了固体待测件的固定。
一种实现超声换能器与固体耦合重复性的方法，使用均布的紧固件为换能器与固体待测件界面耦合施加压力，调节施加的力的数值，使用环形力传感器检测总耦合力，保证总耦合力在每次测量时均为相同值，使用超声法检测并调整紧固件的拉力，使其拉力保持一致，保证界面耦合力分布均匀；其中，
超声法检测紧固件拉力的原理为：在紧固件开始施加力之前，使用超声法测量其原始长度L0，在紧固件预紧并施加力初步保证了总耦合力F之后，再次使用相同的方法测量紧固件的实时长度L1，然后计算紧固件上的拉力FL(kN)，计算公式如下：
Figure BDA0001547181590000031
式中：E为紧固件材料的弹性模量(GPa)；D为紧固件的直径(mm)；
使用超声法测量紧固件长度的步骤为：在未预紧的情况下，将超声换能器安放在紧固件顶部，并使用耦合剂保证接触良好，通过读取和处理原始数据得到两次回波对应的零点精确的时刻tb1、tb2，计算紧固件的原始长度L0(mm)，计算公式如下：
Figure BDA0001547181590000032
同理可以测得紧固件在预紧施加力后的实时长度L1，
Figure BDA0001547181590000033
式中：c为超声波在紧固件中的传播速度(m/s)。
本发明通过超声法检测紧固件拉力实现作用于换能器上的压力控制，操作简单，控制效果比较好，适用范围广，测量精确度高，保证了界面耦合力分布均匀，从而提高界面耦合的重复性。
优选的，环形力传感器通过换能器与固体待测件刚性连接，在紧固件的作用下，底板与固体待测件之间界面的耦合力直接反映到环形力传感器上。使用环形力传感器检测总耦合力，保证总耦合力在每次测量时均为相同值。
优选的，通过检测环形力传感器和调节均布的紧固件的紧固力来控制耦合界面上的耦合力；使用超声法检测紧固件长度变化以确定各紧固件的紧固力的大小，使耦合界面上的耦合应力分布均匀，通过检测紧固件的长度即可得出紧固力的大小，检测方法简便，易于实现。
优选的，控制耦合界面上总耦合力的大小为设定值，保证该力在耦合界面上分布均匀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的主视图。
图2附图为本发明的俯视图。
其中，图中，
1-底板；2-环形力传感器；3-下支柱；4-换能器；5-上支柱；6-上压板；7-固体待测件；8-紧固件；9-凸缘；10-卡槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
本发明实施例公开了一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置及方法，不仅结构简单，能够准确控制作用于换能器上的压力，而且操作方法简便，保证了界面耦合力分布均匀，从而提高界面耦合的重复性。
请参阅附图1、附图2，本发明提供了一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置，包括：底板1、环形力传感器2、下支柱3、换能器4、上支柱5、上压板6和固体待测件7；其中，环形力传感器2固定于底板1的中心，下支柱3、换能器4和上支柱5依次设置于环形力传感器2的顶端；固体待测件7设置于上支柱5的顶端，固体待测件7、环形力传感器2、下支柱3、换能器4和上支柱5均同心布置，保证了力传导的均匀性。固体待测件7侧面的底端设置有凸缘9，上压板6底端设置有与凸缘9相适配的卡槽10，通过上压板实现了固体待测件的固定。上压板6紧密贴合于固体待测件7上，上压板6与底板1同心且平行布置，并通过紧固件8与底板1相连接；紧固件8呈均匀分布设置，并且紧固件8采用螺栓，在螺栓的紧固作用力作用下，环形力传感器2通过下支柱3、换能器4、上支柱5刚性连接，上支柱5与固体待测件7之间界面的总耦合力直接反映到环形力传感器2上，保持环形力传感器2的数值相同即可保证总耦合力具有很好的重复性。
为了进一步优化上述技术方案，底板1上设置有均匀分布的安装孔一，上压板6上设置有与安装孔一对应的安装孔二。安装孔二设置有内螺纹，安装孔二与螺栓相适配，实现了底板1与上压板6的紧固连接。
本发明结构简单，通过各部件的配合连接，能够准确控制作用于换能器4上的压力，提高界面耦合的重复性，进而实现减小测量的重复性误差的目的。
本发明还提供了一种实现超声换能器与固体耦合重复性的方法，使用均布的螺栓为换能器4与固体待测件7界面耦合施加压力，调节施加的力的数值，使用环形力传感器2检测总耦合力，保证总耦合力在每次测量时均为相同值，使用超声法检测并调整螺栓的拉力，使其拉力保持一致，保证界面耦合力分布均匀。
本发明利用超声法检测各螺栓上的拉力，并调节螺栓使每颗螺栓上的力值相同，保证耦合界面应力分布均匀。比对螺栓的原始长度和施力后的长度值得到变形量进而计算每颗螺栓上的拉力，根据计算结果适当调节各个螺栓上的扭力，确保力值相同。
本发明通过超声法检测紧固件拉力实现作用于换能器4上的压力控制，操作简单，控制效果比较好，适用范围广，测量精确度高，保证了界面耦合力分布均匀，从而提高界面耦合的重复性。
为了进一步优化上述技术方案，环形力传感器2通过换能器4与固体待测件7刚性连接，在螺栓的作用下，底板1与固体待测件7之间界面的耦合力直接反映到环形力传感器上2。使用环形力传感器2检测总耦合力，保证总耦合力在每次测量时均为相同值。
为了进一步优化上述技术方案，通过检测环形力传感器2和调节均布的螺栓紧固力来控制耦合界面上的耦合力；使用超声法检测螺栓长度变化以确定各螺栓紧固力的大小，使耦合界面上的耦合应力分布均匀，通过检测螺栓的长度即可得出紧固力的大小，检测方法简便，易于实现。
为了进一步优化上述技术方案，控制耦合界面上总耦合力的大小为设定值，保证该力在耦合界面上分布均匀。
本发明工作原理为:
(1)装置的使用
装置的底板1置于平整面上，依次将环形力传感器2、下支柱3、换能器4、上支柱5同心布置于底板1之上，将固体待测件7卡入压板6上，让固体待测件7底部平面与上支柱5完全接触，使用螺栓将压板6与底板1初步连接，不预紧。
(2)环形力传感器的使用
紧固装置装配完成后，由于装置本身的重力，环形力传感器2会生成一个初始力F0(减去换能器与上下支柱的重力后即为固体待测件与上支柱间的初始耦合力)，在施加力之后环形力传感器2会生成实时作用力F1，作用于耦合面的总耦合力为：F＝F0-F1。
(3)超声波测螺栓拉力原理
在螺栓开始施加力之前，使用超声法测量其原始长度L0，在螺栓预紧并施加力初步保证了总耦合力F之后，再次使用相同的方法测量螺栓的实时长度L1，然后计算螺栓上的拉力FL(kN)，计算公式如下：
Figure BDA0001547181590000071
式中：E为螺栓材料的弹性模量(GPa)；D为螺栓的直径(mm)；
使用超声法测量螺栓长度的步骤为：在未预紧的情况下，将超声换能器安放在螺栓顶部，并使用耦合剂保证接触良好，通过读取和处理原始数据得到两次回波对应的零点精确的时刻tb1、tb2，计算螺栓的原始长度L0(mm)，计算公式如下：
Figure BDA0001547181590000072
同理可以测得螺栓在预紧施加力后的实时长度L1，
Figure BDA0001547181590000073
式中：c为超声波在螺栓中的传播速度(m/s)。
(4)应力分布均匀性保证
由于螺栓是均匀分布的，为了保证耦合界面应力分布均匀，每颗螺栓上的力须保证相同；具体操作方法为：使用工具拧紧力偏小的螺栓，拧松力偏大的螺栓，整个过程需要保证总耦合力F为设定值；反复调整测量，直到F稳定为固定的预定值且各个螺栓上的力均相同为止。
(5)重复性保证
每一次拆装之后均需要进行上述操作，在保证总耦合力F为设定值且每颗螺栓上的拉力FL分布均匀的情况下，可以认为本次耦合与其他的耦合是处于相同条件的，界面耦合具有较好的重复性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置，其特征在于，包括：底板、环形力传感器、下支柱、换能器、上支柱、上压板和固体待测件；其中，所述环形力传感器固定于所述底板的中心，所述下支柱、所述换能器和所述上支柱依次设置于所述环形力传感器的顶端；所述固体待测件设置于所述上支柱的顶端，所述上压板紧密贴合于所述固体待测件上，并通过紧固件与所述底板相连接，所述紧固件呈均匀分布设置。
2.根据权利要求1所述的一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置，其特征在于，所述固体待测件底端中心位置与所述上支柱顶面紧密贴合。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置，其特征在于，所述固体待测件、所述环形力传感器、所述下支柱、所述换能器和所述上支柱均同心布置。
4.根据权利要求1所述的一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置，其特征在于，所述上压板与所述底板同心且平行布置。
5.根据权利要求1或4所述的一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置，其特征在于，所述底板上设置有均匀分布的安装孔一，所述上压板上设置有与所述安装孔一对应的安装孔二。
6.根据权利要求1所述的一种实现超声换能器与固体耦合重复性的装置，其特征在于，所述固体待测件侧面的底端设置有凸缘，所述上压板底端设置有与所述凸缘相适配的卡槽。
7.一种实现超声换能器与固体耦合重复性的方法，其特征在于，使用均布的紧固件为换能器与固体待测件界面耦合施加压力，调节施加的力的数值，使用环形力传感器检测总耦合力，保证总耦合力在每次测量时均为相同值，使用超声法检测并调整紧固件的拉力，使其拉力保持一致，保证界面耦合力分布均匀；其中，
超声法检测紧固件拉力的原理为：在紧固件开始施加力之前，使用超声法测量其原始长度L0，在紧固件预紧并施加力初步保证了总耦合力F之后，再次使用相同的方法测量紧固件的实时长度L1，然后计算紧固件上的拉力FL(kN)，计算公式如下：
Figure FDA0001547181580000021
式中：E为紧固件材料的弹性模量(GPa)；D为紧固件的直径(mm)；
使用超声法测量紧固件长度的步骤为：在未预紧的情况下，将超声换能器安放在紧固件顶部，并使用耦合剂保证接触良好，通过读取和处理原始数据得到两次回波对应的零点精确的时刻tb1、tb2，计算紧固件的原始长度L0(mm)，计算公式如下：
Figure FDA0001547181580000022
同理可以测得紧固件在预紧施加力后的实时长度L1，
Figure FDA0001547181580000023
式中：c为超声波在紧固件中的传播速度(m/s)。
8.根据权利要求7所述的一种实现超声换能器与固体耦合重复性的方法，其特征在于，环形力传感器通过换能器与固体待测件刚性连接，在紧固件的作用下，底板与固体待测件之间界面的耦合力直接反映到环形力传感器上。
9.根据权利要求7或8所述的一种实现超声换能器与固体耦合重复性的方法，其特征在于，通过检测环形力传感器和调节均布的紧固件的紧固力来控制耦合界面上的耦合力；使用超声法检测螺栓长度变化以确定各紧固件的紧固力的大小，使耦合界面上的耦合应力分布均匀。
10.根据权利要求9所述的一种实现超声换能器与固体耦合重复性的方法，其特征在于，控制耦合界面上总耦合力的大小为设定值，保证该力在耦合界面上分布均匀。
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