纵横波一体化超声波探头、弹性模量及分布的测试系统和测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无损检测类，具体涉及一种纵横波一体化超声波探头、弹性模量 及分布的测试系统和测试方法。
【背景技术】
[0002] 无损检测NDT是现代工业领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手 段。其技术水平能反映该部门、该行业、该地区甚至该国家的工业技术水平。
[0003] 而超声检测技术UT -直都是无损检测研究的热点，国外无损检测的文献资料中， 有关超声检测内容的比例约占45%，超声检测技术也是五大常规无损检测技术中使用得最 多的一种。与其它常规无损检测技术相比，它具有检测对象范围广，检测深度大；缺陷定位 准确，灵敏度高；成本低，使用方便；速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点。因此， UT是国内外应用最广泛、使用频率最高，且发展较快的一种无损检技术，这体现在改进产品 质量、产品设计、加工制造、成品检测以及设备服役的各个阶段和保证机器零件的可靠性和 安全性上。
[0004] 现有技术中，利用超声检测技术进行弹性模量的检测，是分别测试超声波在试样 中的传播时间及试样长度得到纵向或横向传播速度，然后计算求得弹性模量数值。但是上 述方法所用设备复杂且价格昂贵，普遍应用受到限制；并且上述检测方法是单值测量，不能 直接获得整个平面材料的弹性模量分布；同时，现有技术的超声检测技术在进行弹性模量 检测时，不能实现自动化、图像化。
【发明内容】
[0005] [要解决的技术问题]
[0006] 本发明的目的是解决上述现有技术问题，提供一种纵横波一体化超声波探头、弹 性模量及分布的测试系统和测试方法。本发明提出的基于横纵波一体化超声波探头的弹性 模量及分布测试方法，综合超声自动扫查、虚拟仪器技术及超声信号分析与处理、数字成像 等技术快速准确获得非均质各向同异性材料的弹性模量及分布，适用于非均质各向异性平 板类复合材料弹性模量及分布测试。
[0007] [技术方案]
[0008] 为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
[0009] 本发明通过设计横纵波一体化超声波探头，将其搭载于手动C成像扫查器，获得 自由滑移运动XY两轴位置信息反馈，利用成像技术实现弹性模量及分布定量表征。
[0010] -种纵横波一体化超声波探头，它包括底部开口的外壳，外壳内的阻尼块、压电晶 片和斜楔；所述压电晶片分别置于阻尼块底部并放置于斜楔上，所述外壳与阻尼块、斜楔之 间填充吸声材料；所述第一压电晶片放置在斜楔水平面上以使第一压电晶片产生的超声波 纵波垂直于测试件平面，所述第二压电晶片放置在斜楔倾斜面上；所述斜楔倾斜面由上下 两部分材料组成，所述上下两部分材料的接触面与水平面呈一夹角；所述压电晶片分别引 出电缆线，并通过外壳侧面的开口牵出外壳；所述开口用橡胶圈密封。
[0011] 本发明更进一步的技术方案，所述斜楔水平面材料与所述斜楔倾斜面下部分材料 一致。
[0012] 本发明更进一步的技术方案，所述斜楔水平面材料、斜楔倾斜面下部分材料与测 试件材料的声阻抗差为〇~8Pa. s/m，密度差为0~1.0 kg/m2。
[0013] 本发明更进一步的技术方案，所述斜楔的制备材料均为透声材料；所述上下两部 分材料的接触面与水平面的夹角角度根据斜楔倾斜面的倾斜角度和上下部分使用的材料 确定，以使第二压电晶片产生的超声波纵波完全转化为与测试件平面垂直的横波。
[0014] -种弹性模量及分布的测试系统，它包括上述的纵横波一体化超声波探头，还包 括电脑显示终端、数据采集仪、手动C成像扫查器和双向拉线编码器。
[0015] 本发明更进一步的技术方案，所述纵横波一体化超声波探头搭载于手动C成像扫 查器上，并通过纵横波一体化超声波探头上的两条电缆线连接在数据采集仪上；所述双向 拉线编码器安装在所述手动C成像扫查器上，与位移传感器连接，所述位移传感器上的两 条电缆线连接在数据采集仪上；所述数据采集仪连接电脑显示终端并将数据传送电脑显示 终端进行分析。
[0016] 上述弹性模量及分布的测试系统的测试方法，它包括以下步骤：
[0017] 首先，将搭载有纵横波一体化超声波探头和双向拉线编码器的手动C成像扫查器 放置于测试件平面上进行接触式平面扫查；
[0018] 然后，所述纵横波一体化超声波探头选用接触式脉冲回波法进行超声声时的检 测，获得并反馈第一压电晶片入射到测试件工作位置的纵波声速和第二压电晶片入射到测 试件工作位置的横波声速；同时利用所述双向拉线编码器确定X、Y双向位置信息，然后通 过所述位移传感器反馈位置信息到数据采集仪；
[0019] 最后，数据采集仪将纵波声速、横波声速及其相对位置进行分析，基于时差算法计 算出测试件平面内各点的弹性模量值，并传输信息至电脑显示终端，得到弹性模量及其分 布并进行灰度或彩色成像。
[0020] 本发明中，使用的压电晶片是实现声电相互转换的作用；阻尼块用于吸收声能加 大阻尼；所述阻尼块和压电晶片外还设有固定外壳以便于固定内部元件；由于斜楔具有保 护膜的作用，因此本发明不需要再单独安装保护膜。
[0021] 弹性波传播原理，当一束超声波以一定的倾斜角到达两种不同声阻抗介质间的界 面时，会在界面处发生波型的转换。此时，一部分能量在第一种介质中被界面反射，反射角 等于入射角，另一部分能量进入到第二种介质中，形成纵波和横波两种类型的超声波。每种 介质中声波传播的速度由介质本身的某些特性决定，如弹性模量和密度等。
[0022] 横波的产生基于Snell定理，即：
[0023]
[0024] 其中，C为声速，Ll为第一介质的纵波，L2为第二介质的纵波，Sl为横波，α为入 射角，β为折射角。
[0025] 当纵波从波速较慢的有机玻璃传播到波速较快的斜楔时，或者从波速较快的有机 玻璃传播到波速较慢的斜楔复合材料时，大于一个特殊的入射角，使折射纵波消失，而只保 留折射横波，并使得折射横波的传播方向与斜楔的底端垂直，并通过斜楔进入到被测平面 试件内。上述的特殊入射角度就是第一临界角。
[0026] 本发明为保证穿过斜楔横波的大部分能量能够进入被测平面试件内，应使斜楔的 材料性质尽量与被测平面试件材料一致或接近，其主要体现在声阻抗或密度等物理性质接 近的材料。当介质确定时，通过Snell定律可以计算出第一临界角：
[0027]
[0028] 本发明在测试件材料确定的基础上，首先选择斜楔的上下部分材料，然后通过对 上述的接触面与水平面的夹角角度的调整，获得纵波入射角度大于第一临界角度，已使纵 波完全转化为横波，并且横纵波均垂直于测试件平面，而保持自己原有的频率、波长、振动 方向等特性并按照原来的传播方向前进，不发生相互干扰。由于横纵波互不干涉、互不影 响、独立工作，分别起到横纵波共同检测的目的。
[0029] 本发明的弹性模量及分布的测试系统首先是基于时差算法计算弹性模量；然后能 够实现对超声激励接收装置的脉冲收发及数据采集功能控制；最后能够获取双向位置编码 器反馈的信号为形成分布图提供位置。
[0030] 由于液体没有剪切模量，横波无法通过液体传播，所以不能使用水浸式，只能选用 接触式脉冲回波法进行超声声时检测来得到试件的弹性模量。横纵波一体化超声探头搭载 于手动C成像扫查器上，扫查器配套双向拉线编码器可以实现带有位置信息反馈的XY两轴 自由滑移运动。数据采集仪采用带有两编码器接口和双通道超声数据采集接口，同一时间 对两个超声收发模块的数据及XY两轴位置反馈信息进行处理反馈。
[0031] 本发明纵横波一体化探头发射接收的纵波、横波信号并不是同一位置信号，通过 记录保存所有位置的纵波、横波信号并进行位置匹配，可获得每一位置对应的纵波、横波声 速，从而获得每一位置的弹性模量，以灰度或彩色图像定量表征非均质各向异性平板类复 合材料弹性模量及分布。
[0032] [有益效果]
[0033] 本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
[0034] 本发明利用纵横波一体化超声波探头，集合常规纵波直探头和常规横波斜探头为 一体，实现纵波和横波同时检测，保证纵波和横波入射方向均垂直于非均质各向异性平板 类复合材料内。
[0035] 本发明利用弹性模量及分布测试系统，记录保存材料平面