[发明专利]一种弹性常数测量及分布的测试系统及方法

说明书

本申请公开了一种弹性常数测量及分布的测试系统及方法，包括：多自由度工业机器人、机器人控制器、终端计算机、示波器、超声脉冲发射接收器和三模式超声换能器；终端计算机与超声脉冲发射接收器连接；超声脉冲发射接收器与三模式超声换能器连接；三模式超声换能器与测试样品接触；示波器与超声脉冲发射接收器连接；终端计算机与示波器连接；机器人控制器与多自由度工业机器人连接；终端计算机与机器人控制器连接。本发明能够对测试样品任意区域不同方向的弹性常数进行测量及分布状态表征，适用于各向同性或各向异性平板类或复杂曲面类样品不同方向的弹性常数测量及分布状态表征，以及适用于测量样品的动态弹性模量和泊松比。

技术领域

本申请涉及弹性常数超声无损检测技术领域，尤其涉及一种弹性常数测量及分布的测试系统及方法。

背景技术

弹性常数作为表征固体材料弹性形变性质的力学性能指标，准确测量样品的弹性常数，不仅可以对材料的性能进行有效评估，有利于样品的优化设计，而且为零件的安全可靠运行和失效分析提供重要依据。

相关技术中，对于加工材料的力学性能测试大多采用静态拉伸法，即应力应变法。该测试方法具有破坏性，且载荷大小、加速度等都会影响测试结果，由于受弛豫过程等的影响，不能真实的反映材料内部结构的变化，难以测定特殊制备的不规则材料及脆性材料的性能。其他新型检测技术，如纳米压痕技术、数字图像技术。纳米压痕技术是利用纳米压痕仪通过力与压头压入深度的曲线计算材料的弹性常数，而纳米压痕法的测量需在纳米尺度，对制件尺寸要求较高，纳米压痕设备及使用成本较高，测量误差大；数字图像技术是在测试样品表面变形过程中，通过匹配样品变形前后的散斑图像子区来跟踪散斑点的运动，最终测得样品的表面变形信息，从而获得样品的弹性常数，而数字图像技术仪器设备价格昂贵，检测过程耗时较长，对测试环境有较高要求。

为了测试各向异性材料的弹性常数，现有方法是采用超声声速法进行测量，该方法具有适应性广、快速便捷和结果可靠等优势，在材料弹性常数测试中受到广泛关注。但目前现有的超声声速测量测试系统多为单值测量及固定不变厚度的平板类材料测量，不能直接实现整个平面或者复杂曲面类材料的不同方向弹性常数测量及分布的可视化，并且存在信号能量弱、杂波多等问题。为此，本发明提出一种弹性常数测量及分布的测试系统及方法。

发明内容

本申请实施例提供了一种弹性常数测量及分布的测试系统及方法，使得能够对测试样品任意区域不同方向的弹性常数进行测量及分布状态表征，适用于各向同性或各向异性平板类或复杂曲面类样品不同方向的弹性常数测量及分布状态表征，以及适用于测量样品的动态弹性模量和泊松比。

本申请第一方面提供了一种弹性常数测量及分布的测试系统，包括：多自由度工业机器人、机器人控制器、终端计算机、示波器、超声脉冲发射接收器和用于在压电晶片极化后同时或分时产生一个纵波和两个偏振方向相互正交的横波的三模式超声换能器；

所述三模式超声换能器设置在所述多自由度工业机器人上；

所述终端计算机与所述超声脉冲发射接收器连接，用于控制所述超声脉冲发射接收器的响应及参数调节；

所述超声脉冲发射接收器与所述三模式超声换能器连接，用于发射和接收脉冲信号；

所述三模式超声换能器与测试样品接触，用于将所述脉冲信号转为超声信号，并将所述超声信号传递至所述测试样品，再经所述三模式超声换能器进行接收；

所述示波器与所述超声脉冲发射接收器连接，用于数据波形信号的可视化，并将采集的模拟信号转为数字信号后，传输到所述终端计算机进行分析；

所述终端计算机与所述示波器连接，用于导出并处理可视图像中的图像数据，得到所述测试样品的弹性常数及其分布状态；

所述机器人控制器与所述多自由度工业机器人连接，用于所述多自由度工业机器人运动轨迹的导入与控制以及将运动过程中所述三模式超声换能器与所述测试样品接触处三维点坐标信息反馈给所述机器人控制器；