[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

权利要求书

1.一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S_tb(t)；

(2-2)从完整回波信号S_tb(t)中截取上表面回波信号S_t(t)；

(2-3)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；

(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P_s；

(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P_n稳定时，记录待测材料第n次上下表面的完整回波信号S_n(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S_n(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:

$E_n=\frac{C_0\left(t_1\right(n)-t_{max}^{\′})}{2rH}f\left(t_2\right(n)-t_1(n),H)$

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E_mean:

$E_{mean}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{E}_n;$

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P_s；

(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P_k，记录待测材料上下表面的第k次完整回波信号S_k(t)，使用上表面回波信号S″_t(t)与完整回波信号S_k(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δ_k＝C₀×(t₁(k)-t₂(k))，记录δ_k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δ_k值与负载传感器的输出值P_k，直至δ_k值稳定，即待测材料冲击位置的形变恢复；

(4-6)显示δ_k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。

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方法，其特征在于所述的步骤5和步骤6分别如下：

针对步骤5具体实现如下：

(5-1)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S″′_t(t)，并记录负载传感器的初始输出值P_s；

(5-2)使用上表面回波S″′_t(t)与回波信号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；

(5-3)在计算机中设定预期固定负载值P_d，设定数字PID控制参数，设定形变测量时间间隔Δt，完成电液比例阀控制器的初始设置，开启水流冲击开关；

(5-4)每隔Δt，测量并记录待测材料冲击位置的第m次形变值δ_m，记录负载传感器的第m次输出值P_m，并将P_m代入数字PID反馈控制环；

(5-5)到达设定时间T后，关闭水流冲击开关，继续测量并记录δ_m值与负载传感器的输出值P_m，直至δ_m值稳定，即待测材料冲击位置的形变恢复；

(5-6)显示δ_m值与时间t的变化曲线，形变-时间测量结果与待测材料的蠕变曲线相关；

针对步骤6具体实现如下：

(6-1)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从中截取上表面回波并记录负载传感器的输出值P_s；

(6-2)使用上表面回波与回波信号进行相关性运算，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

(6-3)在计算机中使用数据处理软件设定数字PID控制参数，设定形变测量时间间隔Δt，设定水压正弦变化的周期T_p及预期负载峰值T_p大于16Δt，完成电液比例阀控制器的初始设置，开启水流冲击开关；

(6-4)每隔Δt，设定期望值测量并记录待测材料冲击位置的形变δ_i值，记录负载传感器的输出值P_i，并将P_i代入数字PID反馈控制环；所述的i为整数，取值范围如下：

(6-5)到达设定时间后，关闭水流冲击开关，停止测量记录δ_i值与负载传感器的输出值P_i；

(6-6)显示δ_i值与时间t的变化曲线，显示P_i值与时间t的变化曲线。