一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置。本实用新型包括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；本实用新型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。本实用新型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。
【专利说明】一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及超声检测【技术领域】，特别涉及一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前在材料粘弹性定征领域，大部分测量手段都是采用印压、拉伸、应压、扭转等传统力学手段。著名的INSTR0N电子万能材料试验机即是采用印压方法，通过测量载荷与应变的变化关系确定材料的力学特性，但其无法确定材料的应力松弛、滞后等粘弹性特征。在医学领域，使用流变仪可以通过加载动态(正弦)和静态载荷确定组织样本的形变，从而确定剪切模量、滞后等力学特性，但其样本的大小受限。
[0003]在超声材料定征方面，王丛知在专利201210568367.4中提出一种生物组织粘弹性测量方法，通过在组织表面施加驱动激励形成振荡，并在组织内部产生剪切波，通过测量超声回波分析剪切波成分可以得到组织的剪切弹性模量和粘性系数。
[0004]目前，针对人体组织超声定征的研究集中在弹性成像方面，但弹性成像的分析具有一些声速标定的缺陷，绝大多数技术采用的是平均声速，即不同的组织间采用相同的声速，这对于形变的分析是非常不利的。而超声材料定征技术则集中在杨氏模量、剪切模量等静态量的分析与测量。通过一种技术既能解决材料杨氏模量、剪切模量等参数的测定，又能分析其应力松弛、蠕变、滞后等动态特性，对于工程分析、医学诊断都极具价值。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的是提供一种超声水冲印压测量材料粘弹性装置。
[0006]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下:
[0007]—种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，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；
[0008]Z轴运动及控制装置包括运动控制器、光栅尺读数头、Z轴运动平台、光栅尺；Z轴运动平台的不动侧安装有光栅尺，光栅尺读数头安装在平台运动侧，光栅尺读数头的信号线缆连接到运动控制器上；运动控制器通过USB线缆与计算机相连；计算机内安装有数据处理软件，计算机中的数据处理软件通过编程接口获取光栅尺读数头的计数编码；Z轴运动平台负载面安装有转接板，转接板用于安装喷水容器；所述的Z轴运动平台安装在运动平台基座上；
[0009]水流泵送及水压控制装置包括水槽、水泵、比例压力阀、喷水容器、电液比例阀控制器、压力变送器、第一信号调理放大器及便携式数据采集模块；水泵的输入端通过软管与水槽的侧壁开口相连接，水泵的泵出端通过软管连接到比例压力阀的输入端；比例压力阀的输出端通过软管连接到喷水容器的入口，比例压力阀的控制端通过线缆连接到电液比例阀控制器；压力变送器的传感器接口安装在喷水容器上，压力变送器的信号输出端经线缆连接到第一信号调理放大器的输入端，第一信号调理放大器的输出端连接到便携式数据采集模块的一个输入通道，便携式数据采集模块的输出通道通过USB接口与计算机相连，计算机获取喷水容器内的水压值；
[0010]超声发射与接收装置包括点聚焦超声探头和超声发射/接收器；超声信号采集装置包括一个模数转换器；点聚焦超声探头密封安装在喷水容器内，点聚焦超声探头的轴向与喷嘴方向重合；喷水容器通过夹具安装在Z轴运动平台负载面的转接板上，Z轴运动平台上下运动时带动喷嘴容器及点聚焦超声探头同步运动；点聚焦超声探头的接线端与超声发射/接收器相连；经超声发射/接收器调理后的信号输入至模数转换器，模数转换器经PCI总线接入计算机，计算机获取超声回波的数字信号；
[0011]负载测量装置包括待测材料安装平台、基座、负载传感器、第二信号调理放大器；基座安装在水槽的底板上，负载传感器固定在基座的上表面，待测材料安装平台放置在负载传感器的测试面上，待测材料则固定在待测材料安装平台上；负载传感器的接线端经线缆与第二信号调理放大器相连，经第二信号调理放大器调理放大的负载信号进入便携式数据采集模块的另一个输入通道，计算机获取负载数字信号。
[0012]所述的Z轴运动平台采用直线电机运动平台或步进电机加滚珠丝杠运动平台。
[0013]所述的点聚焦超声探头与喷水容器需满足如下要求:
[0014]设点聚焦超声探头的焦距为f，超声波振面开角为α，则f即为点聚焦超声探头的声透镜输出面顶部到焦平面的距离；喷嘴开口位置与点聚焦超声探头的声透镜输出面顶部之间的距离为f/2 ;喷嘴的开口大小w限制为:w > f X tan α ,且w > 2f X sin α。
[0015]所述的运动控制器为单轴控制器，具有AB向编码读取能力，并集成驱动模块；t匕例压力阀的工作压力0.1?1.2MPa ;负载传感器的量程为O?110N，其工作温度为_9°C?60°C，其线性误差在±3%以内；压力变送器的量程为0.1?1.5MPa，输出信号为电流信号4?20mA ;点聚焦超声探头的中心频率为5MHz、1MHz、15MHz或20MHz，焦距大于1mm且小于20mm ;超声发射/接收器的发射脉冲宽度为1ns?20ms可调，接收放大器频带宽度大于200MHz ;模数转换器采集峰-峰值为2V的信号，最高采样频率大于500MHz ;便携式数据采集模块具有两个输入信号通道，信号范围为O?5V ;第一信号调理放大器的信号带宽大于ΙΟΚΗζ，放大倍数为10?2000倍可调；第二信号调理放大器的信号带宽大于5KHz，放大倍数为5?1000倍可调；电液比例阀控制器的输入信号为4?20mA，输出电流为O?2.5A，精度分级大于128。
[0016]本实用新型有益效果如下:
[0017]本实用新型能够测量材料厚度及超声渡越时间，因此能够获得材料中的准确声速，这对于进一步精确测量形变奠定了基础。本方案结构比传统的力学测量手段结构简单，而且本实用新型测量的数据不但能精确测量材料的杨氏模量，还能够分析材料的应力松弛、蠕变、滞后等动态特性。因此，本实用新型具有良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型的装置框架图；
[0019]图2是本实用新型实施例中喷水容器设计尺寸示意图。
【具体实施方式】[0020]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0021]如图1所示，一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，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101 ；
[0022]Z轴运动及控制装置包括运动控制器102、光栅尺读数头103、Z轴运动平台104、光栅尺105 ；
[0023]Z轴运动平台104的不动侧安装有光栅尺105，光栅尺读数头103安装在平台运动侧，光栅尺读数头103的信号线缆连接到运动控制器102上；运动控制器102通过USB线缆与计算机101相连；计算机101内安装有数据处理软件，计算机101中的数据处理软件通过编程接口获取光栅尺读数头103的计数编码，从而确定精确的运动位置；Z轴运动平台104负载面安装有转接板121，转接板121用于安装喷水容器120 ;所述的Z轴运动平台104安装在运动平台基座106上，采用直线电机运动平台或步进电机加滚珠丝杠运动平台；
[0024]所述的数据处理软件包括用户界面、数据采集、控制逻辑、算法实现等部分，计算机软件著作权名称为《扫描超声波显微镜软件V1.0》，著作权编号为2012SR018842;数据处理软件的具体工作过程如下:控制逻辑部分通过编程接口实现与运动控制器102的数据交互，控制Z轴运动平台104精确运动，并获取光栅尺读数头103的计数编码；另外控制逻辑部分通过编程接口与超声发射/接收器122进行通信，从而控制点聚焦超声探头119发射和接收超声回波信号；数据采集部分通过模数转换器123的编程接口采集经超声发射/接收器122调理放大后的超声回波信号，并显示在用户界面上；算法实现部分负责分析由数据采集部分获取到的回波数据，并依照本实施例中的相关数据处理方法和计算公式，计算得到所需测量的参量，并通过用户界面告知用户运算结果。
[0025]水流泵送及水压控制装置包括水槽109、水泵116、比例压力阀115、喷水容器120、电液比例阀控制器127、压力变送器118、第一信号调理放大器124及便携式数据采集模块126 ；
[0026]水泵116的输入端通过软管110与水槽109的侧壁开口相连接，水泵116的泵出端通过软管连接到比例压力阀115的输入端；比例压力阀115的输出端通过软管连接到喷水容器120的入口 117，比例压力阀115的控制端通过线缆连接到电液比例阀控制器127 ；压力变送器118的传感器接口安装在喷水容器上120，压力变送器118的信号输出端经线缆连接到第一信号调理放大器124的输入端，第一信号调理放大器124的输出端连接到便携式数据采集模块126的一个输入通道，便携式数据采集模块126的输出通道通过USB接口与计算机101相连，计算机101获取喷水容器120内的水压值。
[0027]工作时，水槽109内的水经软管110到达水泵116，由水泵116的泵出端输送进入比例压力阀115 ;经比例压力阀115调节，输出水流的水压符合系统要求，然后进入喷水容器120 ;之后水流经喷水容器120的喷嘴113喷射到待测材料112的上表面，最终回到水槽109。
[0028]超声发射与接收装置包括点聚焦超声探头119和超声发射/接收器122 ;超声信号采集装置包括一个模数转换器123，点聚焦超声探头119密封安装在喷水容器内120，点聚焦超声探头119的轴向与喷嘴113方向重合；喷水容器120通过夹具安装在Z轴运动平台104负载面的转接板121上，Z轴运动平台104上下运动时带动喷嘴容器120及点聚焦超声探头119同步运动；点聚焦超声探头119的接线端与超声发射/接收器122相连；经超声发射/接收器122调理后的信号输入至模数转换器123，模数转换器123经PCI总线接入计算机101，计算机101获取超声回波的数字信号。
[0029]负载测量装置包括待测材料安装平台111、基座107、负载传感器108、第二信号调理放大器125 ;基座107安装在水槽109的底板上，负载传感器108固定在基座107的上表面，待测材料安装平台111放置在负载传感器108的测试面上，待测材料112则固定在待测材料安装平台111上；负载传感器108的接线端经线缆与第二信号调理放大器125相连，经第二信号调理放大器125调理放大的负载信号进入便携式数据采集模块126的另一个输入通道，计算机101获取负载数字信号。
[0030]所述的运动控制器102为单轴控制器，具有AB向编码读取能力，并集成驱动模块；比例压力阀115的工作压力0.1?1.2MPa ;负载传感器108的量程为O?110N，其工作温度为-9V?60°C，其线性误差在±3%以内；压力变送器118的量程为0.1?1.5MPa，输出信号为电流信号4?20mA ;点聚焦超声探头119的中心频率为5MHz、1MHz、15MHz、20MHz之一，焦距大于1mm且小于20mm ;超声发射/接收器122的发射脉冲宽度为1ns?20ms可调，接收放大器频带宽度大于200MHz ;模数转换器123可采集峰-峰值为2V的信号，最高采样频率大于500MHz ;便携式数据采集模块126具有两个输入信号通道，信号范围为O?5V ;第一信号调理放大器124的信号带宽大于ΙΟΚΗζ，放大倍数为10?2000倍可调；第二信号调理放大器125的信号带宽大于5KHz，放大倍数为5?1000倍可调；电液比例阀控制器127的输入信号为4?20mA，输出电流为O?2.5A，精度分级大于128。
[0031]如图2所示，点聚焦超声探头119与喷水容器120需满足如下要求:
[0032]设点聚焦超声探头119的焦距为f，超声波振面开角202为α，则f即为点聚焦超声探头119的声透镜输出面顶部到焦平面201的距离。喷嘴113理想开口位置与点聚焦超声探头119的声透镜输出面顶部之间的距离为f/2。喷嘴113的开口大小w限制为:w >fX tan α ,且 w> 2f X sin α。
【权利要求】
1.一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，其特征在于包括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； Z轴运动及控制装置包括运动控制器、光栅尺读数头、Z轴运动平台、光栅尺；z轴运动平台的不动侧安装有光栅尺，光栅尺读数头安装在平台运动侧，光栅尺读数头的信号线缆连接到运动控制器上；运动控制器通过USB线缆与计算机相连；计算机内安装有数据处理软件，计算机中的数据处理软件通过编程接口获取光栅尺读数头的计数编码3轴运动平台负载面安装有转接板，转接板用于安装喷水容器；所述的Z轴运动平台安装在运动平台基座上； 水流泵送及水压控制装置包括水槽、水泵、比例压力阀、喷水容器、电液比例阀控制器、压力变送器、第一信号调理放大器及便携式数据采集模块；水泵的输入端通过软管与水槽的侧壁开口相连接，水泵的泵出端通过软管连接到比例压力阀的输入端；比例压力阀的输出端通过软管连接到喷水容器的入口，比例压力阀的控制端通过线缆连接到电液比例阀控制器；压力变送器的传感器接口安装在喷水容器上，压力变送器的信号输出端经线缆连接到第一信号调理放大器的输入端，第一信号调理放大器的输出端连接到便携式数据采集模块的一个输入通道，便携式数据采集模块的输出通道通过USB接口与计算机相连，计算机获取喷水容器内的水压值； 超声发射与接收装置包括点聚焦超声探头和超声发射/接收器；超声信号采集装置包括一个模数转换器；点聚焦超声探头密封安装在喷水容器内，点聚焦超声探头的轴向与喷嘴方向重合；喷水容器通过夹具安装在Z轴运动平台负载面的转接板上，Z轴运动平台上下运动时带动喷嘴容器及点聚焦超声探头同步运动；点聚焦超声探头的接线端与超声发射/接收器相连；经超声发射/接收器调理后的信号输入至模数转换器，模数转换器经PCI总线接入计算机，计算机获取 超声回波的数字信号； 负载测量装置包括待测材料安装平台、基座、负载传感器、第二信号调理放大器；基座安装在水槽的底板上，负载传感器固定在基座的上表面，待测材料安装平台放置在负载传感器的测试面上，待测材料则固定在待测材料安装平台上；负载传感器的接线端经线缆与第二信号调理放大器相连，经第二信号调理放大器调理放大的负载信号进入便携式数据采集模块的另一个输入通道，计算机获取负载数字信号。
2.如权利要求1所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，其特征在于所述的Z轴运动平台采用直线电机运动平台或步进电机加滚珠丝杠运动平台。
3.如权利要求2所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，其特征在于所述的点聚焦超声探头与喷水容器需满足如下要求: 设点聚焦超声探头的焦距为f，超声波振面开角为α，则f即为点聚焦超声探头的声透镜输出面顶部到焦平面的距离；喷嘴开口位置与点聚焦超声探头的声透镜输出面顶部之间的距离为f/2 ;喷嘴的开口大小w限制为:w > fX tan α ,且w > 2f X sin α。
4.如权利要求3所述的一种超声水冲印压测量材料粘弹性的装置，其特征在于所述的运动控制器为单轴控制器，具有AB向编码读取能力，并集成驱动模块；比例压力阀的工作压力0.1~1.2MPa ;负载传感器的量程为O~110N，其工作温度为_9°C~60°C，其线性误差在±3%以内；压力变送器的量程为0.1~1.5MPa，输出信号为电流信号4~20mA ;点聚焦超声探头的中心频率为5MHz、10MHz、15MHz或20MHz，焦距大于1mm且小于20mm ;超声发射/接收器的发射脉冲宽度为1ns~20ms可调，接收放大器频带宽度大于200MHz ;模数转换器采集峰-峰值为2V的信号，最高采样频率大于500MHz ;便携式数据采集模块具有两个输入信号通道，信号范围为O~5V ;第一信号调理放大器的信号带宽大于ΙΟΚΗζ，放大倍数为10~2000倍可调；第二信号调理放大器的信号带宽大于5KHz，放大倍数为5~1000倍可调；电液比例阀控制器 的输入信号为4~20mA,输出电流为O~2.5A,精度分级大于128。
【文档编号】G01N29/22GK203824962SQ201420086814
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】居冰峰, 孙安玉, 杜慧林, 蒋杭君 申请人:浙江大学