[发明专利]一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置及方法

摘要

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。

主权项

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；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Stb(t)；(2‑2)从完整回波信号Stb(t)中截取上表面回波信号St(t)；(2‑3)使用上表面回波信号St(t)与完整回波信号Stb(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Ps；(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Pn稳定时，记录待测材料第n次上下表面的完整回波信号Sn(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Sn(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:En=C0(t1(n)-tmax′)2rHf(t2(n)-t1(n),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Emean:Emean=1NΣn=1NEn;]]>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Ps；(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Pk，记录待测材料上下表面的第k次完整回波信号Sk(t)，使用上表面回波信号S″t(t)与完整回波信号Sk(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δk＝C0×(t1(k)‑t2(k))，记录δk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：(4‑5)到达设定时间后，关闭水流冲击开关，继续测量并记录δk值与负载传感器的输出值Pk，直至δk值稳定，即待测材料冲击位置的形变恢复；(4‑6)显示δk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。