超薄聚乙烯试样声性能的测试方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及聚乙烯试样声性能的测试，旨在提供超薄聚乙烯试样声性能的测试方法及其装置。该基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置包括超声检测仪、测试容器、夹持装置和聚焦探头；该测超薄聚乙烯试样声性能的测试方法包括步骤：制备出待测的超薄聚乙烯试样；将超薄聚乙烯试样浸没于耦合液体之中，进行耦合液体调配，直至超声检测仪不再接收到回波信号；计算得到耦合液体的声速和声阻抗；耦合液体的声阻抗即为超薄聚乙烯试样的声阻抗，并计算得到超薄聚乙烯试样的声速。本发明不需要考虑超声波与试样接触的界面耦合问题，可以适用于超薄且表面不规则试样的声阻抗测量，且测试结果精度高。
【专利说明】超薄聚乙烯试样声性能的测试方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明是关于聚乙烯试样声性能的测试，特别涉及超薄聚乙烯试样声性能的测试方法及其装置。
【背景技术】
[0002]声速、声阻抗是材料的重要声性能参数。声速、声阻抗不仅能直观反映材料弹性模量的大小，而且与材料结构特征、损伤老化等性质具有特定的联系。近年来，聚乙烯管道被大量应用于燃气输送、引用水输送等重要的民生领域，甚至逐步至核电站等关键能源领域，因此对聚乙烯制品进行超声检测与安全评定技术越来越受到重视。在聚乙烯制品的超声检测过程中，材料声速与声阻抗的测量精度直接关系到检测结果的成像质量以及缺陷的检出率、定量定位精度等。如果无法准确获得材料声性能参数，将无法进一步开展无损检测以及安全评定的相关工作。
[0003]然而，聚乙烯的牌号众多，不同厂家生产的同样牌号的聚乙烯其合成工艺也略有不同，导致同样牌号的聚乙烯其密度、模量等参数也存在较大的差异。此外，由于聚乙烯热膨胀系数较大，在经历注塑或挤出成型的加工过程后，往往存在同一结构的不同区域密度不均匀等特点。要测量不同区域聚乙烯的局部声学性能，需要制备聚乙烯的超薄试样进行声速与声阻抗测试。只要测试样品的厚度足够薄，就可以认为材料在厚度范围内是均一稳定的，包括密度、声速的物性参数均保持不变。
[0004]传统的声速测量方法有超声波共振法和脉冲回波法。超声波共振法利用共振原理，当被测试样的厚度为超声波在该介质中半波长的整数倍时，入射波和反射波在试块内形成驻波，产生共振。但在实际测量中，需要通过不断采用改变测试频率来寻找共振点，要准确试验出共振频率比较困难，因此测试精度较低。脉冲回波法是将超声波垂直入射到已知厚度的试样中，根据超声波脉冲回波的传播时间来计算声速。虽然试样厚度可以精确测量，但试样薄、声程短，加之超声波换能器的延迟，以及时间轴上超声脉冲读取精度的影响，其测量精度不高。
[0005]此外，通常待测的超薄聚乙烯试样往往形状不规则，即使可以通过机加工制成薄板试样，但也难以做到试样表面光洁且厚度均匀。这样的试样直接进行声性能测试不仅需考虑声耦合等问题，而且难以计量超声波是从试样的哪位位置穿透试样的，除非整个试样厚度均匀，否则也难以准确测得材料的声速。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供基于液浸聚焦超声脉冲反射的超薄聚乙烯声性能测试方法及其装置。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是:
[0007]提供基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置，用于测量待测试样的声阻抗，所述基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置包括超声检测仪、测试容器、夹持装置和聚焦探头；所述超声检测仪设置在测试容器外部，测试容器为顶端开口的装置，测试容器的一侧设有一个通孔，聚焦探头嵌入在通孔中，聚焦探头能接收到超声检测仪信号后，发出聚焦声束，然后等待接收回波信号，并将回波信号传回超声检测仪；夹持装置安装在测试装置上，用于将待测试样固定在测试装置内，且能使待测试样处于聚焦探头的焦点位置，并与聚焦探头聚焦后的声束方向垂直。
[0008]作为进一步的改进，所述测试容器中装填有耦合液体，用于将聚焦探头处于测试容器内部的部分、通过夹持装置固定的待测试样都浸没在耦合液体中；所述耦合液体是由水玻璃和水混合配制而成的液体，且耦合液体的声阻抗与待测试样的声阻抗相同。
[0009]提供利用所述的基于装置液浸聚焦技术的脉冲反射装置测超薄聚乙烯试样声性能的测试方法，包括以下步骤:
[0010]步骤A:制备出待测的超薄聚乙烯试样，通过固体密度计精确测得超薄聚乙烯试样的密度，所述超薄聚乙烯试样是指厚度在0.05~0.1mm之间的聚乙烯片；
[0011]步骤B:将超薄聚乙烯试样用夹持装置固定，浸没于耦合液体之中，打开超声检测仪发出控制信号使聚焦探头向超薄聚乙烯试样发出聚焦声速，并等待接收回波，查看超声检测仪是否接收到回波信号，若超声检测仪接收到回波信号，则向耦合液体中加水，再查看超声检测仪接收的回波信号:若回波信号变弱，则继续添加水，直至超声检测仪不再接收到回波信号；若回波信号变强，则向耦合液体中添加水玻璃，直至超声检测仪不再接收到回波信号;
[0012]步骤C:取出超薄聚乙烯试样，替换为等厚度且声阻抗与超薄聚乙烯试样不同的金属薄片(大多数金属材料声阻抗与聚乙烯都明显不同，如铜、铁、铝等)，利用超声检测仪测量声束在耦合液体中传播至金属薄片并反射回聚焦探头所需的传播时间，测得聚焦探头与金属薄片之间距离为s/2，利用公式:u=s/t，计算得到耦合液体声速；取耦合液体通过液体密度计测得耦合液体的密度，利用公式:z=ρ Xu，计算得到耦合液体的声阻抗；
[0013]其中，u是耦合液体的声速，s是聚焦探头与金属薄片之间距离的2倍，t是声束在耦合液体中传播至金属薄片并反射回聚焦探头所需的传播时间，P是耦合液体的密度，z是耦合液体的声阻抗；
[0014]步骤D:步骤C中得到的耦合液体的声阻抗，即为超薄聚乙烯试样的声阻抗，利用公式：c=z1/ρ1，计算得到超薄聚乙烯试样的声速；
[0015]其中，c是超薄聚乙烯试样的声速，Zl是超薄聚乙烯试样的声阻抗，P !是超薄聚乙烯试样的密度。
[0016]作为进一步的改进，测试过程中，将环境温度与测试容器内耦合液体的温度都控制在19~21°C之间。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0018]1、由于试样浸没在耦合液体之中，因此不需要考虑超声波与试样接触的界面耦合问题；
[0019]2、通过液浸聚焦超声脉冲反射技术测量声回波，对试样的几何尺寸、表面平整度等加工要求很低，因此可以适用于超薄且表面不规则试样的声阻抗测量；
[0020]3、聚乙烯的声阻抗正好介于水玻璃和水之间，通过调节溶液配比，可以高精度地微调耦合液体的声阻抗，因此测试结果精度高。【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置示意图。
[0022]图中的附图标记为:1超声检测仪；2测试容器；3夹持装置；4聚焦探头；5耦合液体；6待测试样。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0024]图1中的基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置包括超声检测仪1、测试容器、夹持装置3和聚焦探头4，用于测量待测试样6的声阻抗。所述超声检测仪I设置在测试容器外部，测试容器为顶端开口的装置，测试容器的一侧设有一个通孔，聚焦探头4嵌入在通孔中，聚焦探头4能接收到超声检测仪I信号后，发出聚焦声束，然后等待接收回波信号，并将回波信号传回超声检测仪I ;夹持装置3安装在测试装置上，用于将待测试样6固定在测试装置内，且能使待测试样6处于聚焦探头4的焦点位置，并与聚焦探头4聚焦后的声束方向垂直。
[0025]测试容器中装填有耦合液体5，用于将聚焦探头4处于测试容器内部的部分、通过夹持装置3固定的待测试样6都浸没在耦合液体5中。由于没有一种单一液体的声阻抗与聚乙烯材料相匹配，因此应采 用组合液来配制这种特殊耦合液体5。所述耦合液体5是由水玻璃和水混合配制而成的液体，且耦合液体5的声阻抗与待测试样6相同。典型的PE80聚乙烯材料声阻抗大约为2.15X106kg/m2.s，与含33%左右水玻璃的水溶液的声阻抗十分接近，因此，耦合液体5可以采用一定比例的水玻璃与水进行调配。
[0026]对于二元理想组合液有:
【权利要求】
1.基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置，用于测量待测试样的声阻抗，其特征在于，所述基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置包括超声检测仪、测试容器、夹持装置和聚焦探头；所述超声检测仪设置在测试容器外部，测试容器为顶端开口的装置，测试容器的一侧设有一个通孔，聚焦探头嵌入在通孔中，聚焦探头能接收到超声检测仪信号后，发出聚焦声束，然后等待接收回波信号，并将回波信号传回超声检测仪；夹持装置安装在测试装置上，用于将待测试样固定在测试装置内，且能使待测试样处于聚焦探头的焦点位置，并与聚焦探头聚焦后的声束方向垂直。
2.根据权利要求1所述的基于装置液浸聚焦技术的脉冲反射装置，其特征在于，所述测试容器中装填有耦合液体，用于将聚焦探头处于测试容器内部的部分、通过夹持装置固定的待测试样都浸没在耦合液体中；所述耦合液体是由水玻璃和水混合配制而成的液体，且率禹合液体的声阻抗与待测试样的声阻抗相同。
3.利用权利要求1所述的基于装置液浸聚焦技术的脉冲反射装置测超薄聚乙烯试样声性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤A:制备出待测的超薄聚乙烯试样，通过固体密度计精确测得超薄聚乙烯试样的密度，所述超薄聚乙烯试样是指厚度在0.05~0.1mm之间的聚乙烯片；步骤B:将超薄聚乙烯试样用夹持装置固定，浸没于耦合液体之中，打开超声检测仪发出控制信号使聚焦探头向超薄聚乙烯试样发出聚焦声速，并等待接收回波，查看超声检测仪是否接收到回波信号，若超声检测仪接收到回波信号，则向耦合液体中加水，再查看超声检测仪接收的回波信号:若回波信号变弱，则继续添加水，直至超声检测仪不再接收到回波信号；若回波信号变强，则向耦合液体中添加水玻璃，直至超声检测仪不再接收到回波信号;步骤C:取出超薄聚乙烯试样，替换为等厚度且声阻抗与超薄聚乙烯试样不同的金属薄片(大多数金属材料声`阻抗与聚乙烯都明显不同，如铜、铁、铝等)，利用超声检测仪测量声束在耦合液体中传播至金属薄片并反射回聚焦探头所需的传播时间，测得聚焦探头与金属薄片之间距离为s/2，利用公式:u=s/t，计算得到耦合液体声速；取耦合液体通过液体密度计测得耦合液体的密度，利用公式:z=P Xu，计算得到耦合液体的声阻抗；其中，u是耦合液体的声速，s是聚焦探头与金属薄片之间距离的2倍，t是声束在耦合液体中传播至金属薄片并反射回聚焦探头所需的传播时间，P是耦合液体的密度，z是耦合液体的声阻抗；步骤D:步骤C中得到的耦合液体的声阻抗，即为超薄聚乙烯试样的声阻抗，利用公式:C=Zi/ P i，计算得到超薄聚乙烯试样的声速；其中，c是超薄聚乙烯试样的声速，Zl是超薄聚乙烯试样的声阻抗，P !是超薄聚乙烯试样的密度。
4.根据权利要求3所述的超薄聚乙烯试样声性能的测试方法，其特征在于，测试过程中，将环境温度与测试容器内耦合液体的温度都控制在19~21°C之间。
【文档编号】G01N29/07GK103698402SQ201310659002
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】施建峰, 徐平, 郭伟灿, 郑津洋 申请人:浙江大学