CN114137073A - 测量固态介质对超声频振动激励响应的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量固态介质对超声频振动激励响应的装置，包括工作台、设置在所述工作台上的悬空夹紧装置、活动放置在所述工作台上的基座和压电传感器；所述悬空夹紧装置包括若干钳口，若干所述钳口围成的区域形成工件夹持区，每个所述钳口内均设置有工件夹持固支点以便夹持工件时保持点接触；所述基座位于所述工件夹持区下方，所述基座上设置有升降机构，所述压电传感器由所述升降机构带动升降；本发明还提供了一种测量固态介质对超声频振动激励响应的方法。该测量固态介质对超声频振动激励响应的装置和方法具有能够直接测量扰动力的大小和变化、工件焊接模拟度高、测量结果准确度高、测量成本低的优点。

Description

测量固态介质对超声频振动激励响应的装置和方法
技术领域
本发明涉及固体中超声导波测量技术领域，具体的说，涉及了一种测量固态介质对超声频振动激励响应的装置和方法。
背景技术
超声辅助焊接是指将超声波作为一种外加辅助物理场引入到焊接工艺中，其一方面能大幅提升焊接接头的质量，另一方面能够拓展一些新材料在焊接工艺中的应用，因此超声辅助焊接受到了广泛关注。利用超声波激励待焊板材是超声辅助焊接的一种形式，为了达到更好的辅助效果，需要对超声波激励的板材特性进行研究。
超声频振动激励装置作为一个超声波发生装置，能够较为便捷地产生超声频振动，施加到与超声频激振头接触的介质中，特别是在固态介质中，超声物理能场能够很容易地激发出来，并且对超声频振动有较好的响应形式。具体地，在受到超声频振动激励后，超声波会在固态介质中以纵波和横波的形式传播，并在与空气接触的界面发生全反射，表现在固态介质中就是扰动力和位移的变化，对超声波激励响应的测量既可以用扰动力来表征，也可以用位移来表征。
现有技术中，一般采用激光测振仪对固态介质产生的位移进行测量，测得位移数据后，再采用位移波去预测扰动力的形式及分布，这种方式受环境影响因素太大，固态介质的表面状态和空气介质的状态参数均在很大程度上影响着扰动力的预测，这使得扰动力的预测与实际情况可能产生较大偏差，而且激光测振仪的价格比较高，也会导致测量成本的增加。
由于受到振动激励产生的扰动力具有幅值小、频率高的特点，固态介质对于振动的响应总是表现为小变形和小应力，且其方向一直变化，现有技术中还没有专门测量扰动力的设备，故对扰动力的直接测量一直是本领域的难题。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种能够直接测量扰动力的大小和变化、工件焊接模拟度高、测量结果准确度高、测量成本低的测量固态介质对超声频振动激励响应的装置和方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种测量固态介质对超声频振动激励响应的装置，包括工作台、设置在所述工作台上的悬空夹紧装置、活动放置在所述工作台上的基座和压电传感器；所述悬空夹紧装置包括若干钳口，若干所述钳口围成的区域形成工件夹持区，每个所述钳口内均设置有工件夹持固支点以便夹持工件时保持点接触；所述基座位于所述工件夹持区下方，所述基座上设置有升降机构，所述压电传感器由所述升降机构带动升降。
基于上述，它还包括电荷放大器和数据采集器，所述压电传感器的信号输出端连接所述电荷放大器，所述电荷放大器将压电信号放大后传输给所述数据采集器。
基于上述，所述升降机构包括水平驱动螺栓、底部楔形滑块和上部楔形滑块，所述基座对应所述底部楔形滑块和所述上部楔形滑块开设有长方体导向槽，所述长方体导向槽的前壁对应所述水平驱动螺栓开设有螺纹通孔，所述水平驱动螺栓的端部可自转地连接在所述底部楔形滑块正面，所述底部楔形滑块与所述长方体导向槽的底面、侧壁滑动配合，所述上部楔形滑块与所述长方体导向槽的背面、侧壁滑动配合，所述底部楔形滑块顶面和所述上部楔形滑块底面为相互配合的斜面，所述压电传感器安装在所述上部楔形滑块的水平顶面上。
基于上述，所述钳口共设置有四个，四个所述钳口分布在一矩形的四角。
基于上述，所述压电传感器测量面上可拆卸地安装有一尖端朝上的圆锥形测量头。
本发明还提供了一种测量固态介质对超声频振动激励响应的方法，其利用上述的测量固态介质对超声频振动激励响应的装置进行测量，包括以下步骤：（1）将固体介质工件置于所述工件夹持区，用若干所述钳口上的工件夹持固支点将工件边缘以点固支的方式夹持固定；（2）移动所述基座，使所述压电传感器对准测量点位置，利用所述升降机构驱动所述压电传感器上升，使所述压电传感器顶在固体介质工件下表面，并所述压电传感器检测到的压力大于要测的扰动力极值，该压力值作为预加力值；（3）用超声频激振头接触固体介质工件上表面的设定激振位置，利用所述压电传感器实时采集压电信号；（4）将响应形式由压电信号转变为压力波，对压力波剔除掉所述预加力值，得到被测点处受到超声频振动激励的响应压力波；（5）重复步骤（2）-（4），测量不同位置的响应压力波，得到固态介质工件对于振动激励的响应形式。
基于上述，步骤（4）中，压力利用公式F=Q/d11计算，其中F为所述压电传感器测量表面受到的力，Q为所述压电传感器受压产生的电荷，d11为所述压电传感器的压电模数。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明具有以下优点：
（1）利用所述悬空夹紧装置对固态介质工件刚性固定，能够在固态介质工件中得到对超声频振动激励的强烈响应，所述工件夹持固支点保证了刚性固定过程中以最小的接触面积与固态介质工件接触，有效减小面接触时超声波振动的投射损失，整体夹持效果使得对振动激励的响应集中在固态介质工件中，不会因为与之面接触的阻抗相近的材料而造成振动激励的损失，得到的激励响应值与薄板工件焊接时的响应形式也更为接近，使振动激励形成的扰动力更加接近超声辅助焊接技术中工件响应的状况。
（2）利用所述压电传感器的压电效应能够将小幅值的力信号转变为电信号，所述升降机构驱动所述压电传感器上升，可在所述压电传感器与固态介质工件之间施加预加力，这使得所述压电传感器不但能测出固态介质工件被测面向下位移的扰动力，测量值表现为预加力加扰动力，同时由于也能够检测到被测面向上位移的扰动力，测量值表现为预加力减扰动力，从而有效克服了扰动力幅值小、方向变化频率高的测量难题。
（3）所述电荷放大器能够将压电信号放大，方便对数据进行更准确的处理。
（4）所述水平驱动螺栓、所述底部楔形滑块和所述上部楔形滑块共同组成了升降机构，利用所述长方体导向槽对方向进行引导，通过所述水平驱动螺栓的旋进、旋出，能够方便地驱动所述压电传感器平稳升降。
（5）所述圆锥形测量头的设置，能够将测量对象精确到一点上。
附图说明
图1是本发明中测量固态介质对超声频振动激励响应的装置的结构示意图。
图2是本发明中带有升降机构细节的测量固态介质对超声频振动激励响应的装置的前视图。
图3是本发明中测量固态介质对超声频振动激励响应的方法的流程框图。
图4是本发明中数据采集器的数据处理示意图。
图5是本发明中数据处理后的扰动力数据图。
图中：1. 工作台；2. 悬空夹紧装置；3. 紧固螺栓；4. 钳口；5. 水平驱动螺栓；6.固态介质工件；7. 超声频激振头；8. 压电传感器；9. 基座；10. 底部楔形滑块；11. 工件夹持固支点；12. 上部楔形滑块；13. 长方体导向槽；14. 信号输出端。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
如图1和图2所示，一种测量固态介质对超声频振动激励响应的装置，包括工作台1、设置在所述工作台1上的悬空夹紧装置2、活动放置在所述工作台1上的基座9、压电传感器8、电荷放大器和数据采集器，其中，所述压电传感器8的信号输出端14连接所述电荷放大器，所述电荷放大器将压电信号放大后传输给所述数据采集器。
所述悬空夹紧装置2通过紧固螺栓3安装在工作台1上，所述悬空夹紧装置2具体包括四个钳口4，四个所述钳口4分布在一矩形的四角，四个所述钳口4围成的区域形成工件夹持区，每个所述钳口4内均设置有工件夹持固支点11以便夹持工件时保持点接触；使用时，将固态介质工件6利用悬空夹紧装置2刚性固定，能够在固态介质工件6中得到对超声频振动激励的强烈响应，所述工件夹持固支点11保证了刚性固定过程中以最小的接触面积与固态介质工件6接触，有效减小面接触时超声波振动的投射损失，整体夹持效果使得对振动激励的响应集中在固态介质工件6中，不会因为与之面接触的阻抗相近的材料而造成振动激励的损失，得到的激励响应值与薄板工件焊接时的响应形式也更为接近，使振动激励形成的扰动力更加接近超声辅助焊接技术中工件响应的状况。
所述基座9位于所述工件夹持区下方，所述基座9上设置有升降机构，所述升降机构具体包括水平驱动螺栓5、底部楔形滑块10和上部楔形滑块12，所述基座9对应所述底部楔形滑块10和所述上部楔形滑块12开设有长方体导向槽13，所述长方体导向槽13的前壁对应所述水平驱动螺栓5开设有螺纹通孔，所述水平驱动螺栓5的端部可自转地连接在所述底部楔形滑块10正面，所述底部楔形滑块10与所述长方体导向槽13的底面、侧壁滑动配合，所述上部楔形滑块12与所述长方体导向槽13的背面、侧壁滑动配合，所述底部楔形滑块顶面10和所述上部楔形滑块12底面为相互配合的斜面，所述压电传感器8安装在所述上部楔形滑块12的水平顶面上，这样可保证压电传感器8测量面的水平状态。在其它实施例中，所述升降机构也可以采用剪叉式升降平台等其它形式，不影响发明目的实现。
测量时，将基座9放置在待测量位置正下方，通过旋进水平驱动螺栓5 ，底部楔形滑块10被推动沿长方体导向槽13前进，在斜面的推动作用下，上部楔形滑块12被推动沿长方体导向槽13上升，从而使压电传感器8平稳上升，直到与固态介质工件6之间形成一定压力，将该压力作为预加力，预加力的值没有具体要求，但应当不小于扰动力的极值，这使得所述压电传感器8不但能测出固态介质工件6被测面向下位移的扰动力，测量值表现为预加力加扰动力，同时由于也能够检测到被测面向上位移的扰动力，测量值表现为预加力减扰动力，从而有效克服了扰动力幅值小、方向变化频率高的测量难题，所述压电传感器8的压电效应将小幅值的力信号转变为电信号，由所述电荷放大器放大后传输给所述数据采集器进行处理。
在其它实施例中，为了精确测量某点的扰动力，能够在所述压电传感器8测量面上可拆卸地安装有一尖端朝上的圆锥形测量头。
实施例2
如图1-5所示，一种测量固态介质对超声频振动激励响应的方法，其利用实施例1中的测量固态介质对超声频振动激励响应的装置进行测量，包括以下步骤：
（1）将固体介质工件6置于所述工件夹持区，用四个所述钳口5上的工件夹持固支点11将工件边缘以点固支的方式夹持固定；
（2）移动所述基座8，使所述压电传感器8对准测量点位置，旋进水平驱动螺栓5,驱动所述压电传感器8上升，使所述压电传感器8顶在固体介质工件6下表面，并所述压电传感器8检测到的压力大于要测的扰动力极值，将该压力值作为预加力值；
（3）用超声频激振头7接触固体介质工件6上表面的设定激振位置，利用所述压电传感器8实时采集压电信号；
（4）将响应形式由压电信号转变为压力波，压力利用公式F=Q/d11计算，其中F为所述压电传感器测量表面受到的力，Q为所述压电传感器受压产生的电荷，d11为所述压电传感器的压电模数；对压力波剔除掉所述预加力值，得到被测点处受到超声频振动激励的响应压力波；
（5）重复步骤（2）-（4），测量不同位置的响应压力波，得到固态介质工件对于振动激励的响应形式。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种测量固态介质对超声频振动激励响应的装置，其特征在于：包括工作台、设置在所述工作台上的悬空夹紧装置、活动放置在所述工作台上的基座和压电传感器；所述悬空夹紧装置包括若干钳口，若干所述钳口围成的区域形成工件夹持区，每个所述钳口内均设置有工件夹持固支点以便夹持工件时保持点接触；所述基座位于所述工件夹持区下方，所述基座上设置有升降机构，所述压电传感器由所述升降机构带动升降。
2.根据权利要求1所述的测量固态介质对超声频振动激励响应的装置，其特征在于：它还包括电荷放大器和数据采集器，所述压电传感器的信号输出端连接所述电荷放大器，所述电荷放大器将压电信号放大后传输给所述数据采集器。
3.根据权利要求2所述的测量固态介质对超声频振动激励响应的装置，其特征在于：所述升降机构包括水平驱动螺栓、底部楔形滑块和上部楔形滑块，所述基座对应所述底部楔形滑块和所述上部楔形滑块开设有长方体导向槽，所述长方体导向槽的前壁对应所述水平驱动螺栓开设有螺纹通孔，所述水平驱动螺栓的端部可自转地连接在所述底部楔形滑块正面，所述底部楔形滑块与所述长方体导向槽的底面、侧壁滑动配合，所述上部楔形滑块与所述长方体导向槽的背面、侧壁滑动配合，所述底部楔形滑块顶面和所述上部楔形滑块底面为相互配合的斜面，所述压电传感器安装在所述上部楔形滑块的水平顶面上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的测量固态介质对超声频振动激励响应的装置，其特征在于：所述钳口共设置有四个，四个所述钳口分布在一矩形的四角。
5.根据权利要求4所述的测量固态介质对超声频振动激励响应的装置，其特征在于：所述压电传感器测量面上可拆卸地安装有一尖端朝上的圆锥形测量头。
6.一种测量固态介质对超声频振动激励响应的方法，其利用权利要求1-5任一项所述的测量固态介质对超声频振动激励响应的装置进行测量，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将固体介质工件置于所述工件夹持区，用若干所述钳口上的工件夹持固支点将工件边缘以点固支的方式夹持固定；
（2）移动所述基座，使所述压电传感器对准测量点位置，利用所述升降机构驱动所述压电传感器上升，使所述压电传感器顶在固体介质工件下表面，并所述压电传感器检测到的压力大于要测的扰动力极值，该压力值作为预加力值；
（3）用超声频激振头接触固体介质工件上表面的设定激振位置，利用所述压电传感器实时采集压电信号；
（4）将响应形式由压电信号转变为压力波，对压力波剔除掉所述预加力值，得到被测点处受到超声频振动激励的响应压力波；
（5）重复步骤（2）-（4），测量不同位置的响应压力波，得到固态介质工件对于振动激励的响应形式。
7.根据权利要求6所述的测量固态介质对超声频振动激励响应的方法，其特征在于：步骤（4）中，压力利用公式F=Q/d11计算，其中F为所述压电传感器测量表面受到的力，Q为所述压电传感器受压产生的电荷，d11为所述压电传感器的压电模数。
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