【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于利用超聲波測量的，主要涉及一種超聲波測量彈性模量的裝置與方法。
技術介紹
1、彈性模量是材料的一種最重要、最具特征的力學性質，是物體彈性變形難易程度的表征，是材料科學領域重要的測量指標。從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。凡影響鍵合強度的因素均能反映在材料的彈性模量上，如鍵合方式、晶體結構、化學成分、微觀組織等，因而彈性模量對于評價物質的物理性能具有重要意義。
2、實驗室合成的超硬陶瓷材料具有彈性模量大，合成成本高，數量稀少，尺寸微小等特點，致使其彈性范圍內的應力-應變數據難以采集，無法用直接法測量。目前主要采用壓痕法和超聲波測量兩種方法：壓痕法是一種有損檢測方法，會破壞被測樣品，并且只能反映樣品的局部性質；超聲波測量彈性模量是一種無損檢測方法，通過測量超聲波橫波和縱波在被測樣品中的波速可以計算出被測樣品的彈性模量，可以反映樣品塊體的整體性質。
3、超聲波測量中超聲波頻率將直接影響測量的精度，頻率越高，接收信號的時間分辨率就越高，目前普遍的高頻工業超聲波探頭頻率約1mhz~15mhz，探頭尺寸較大，并且只能單一地收發縱波或者橫波，難以滿足測量小尺寸樣品彈性模量的需要。
4、另一方面，目前普遍的超聲波測量小尺寸樣品彈性模量的方案為將樣品直接粘接或壓接在單個超聲波收發裝置上，粘接方案每次實驗都需要大量時間粘接樣品，并且粘接層也會對測量結果產生影響；壓接方案需要根據不同樣品調整壓接背板材質減少透射信號能量
技術實現思路
1、本專利技術要解決的技術問題是，克服現有技術存在的不足，提供一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置及方法。
2、本專利技術的技術方案如下：
3、一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，由測量工裝1、信號發生器2、第一低通濾波器3、第二低通濾波器4和高速采樣示波器5組成；
4、其特征在于，所述測量工裝1的結構為：第一高頻超聲波收發裝置11和第二高頻超聲波收發裝置12固定在導軌13上，確保兩個高頻超聲波收發裝置是對中的，第一高頻超聲波收發裝置11是固定的，第二高頻超聲波收發裝置12是可以沿導軌13移動的以夾持樣品，采用彈性夾持以便可以調整夾持力確保樣品表面可靠接觸，第一高頻超聲波收發裝置11的信號經分線器分為兩條線路，第一條通過同軸電纜連接至信號發生器2，第二條通過同軸電纜經第一低通濾波器3連接至高速采樣示波器5的1通道，第二高頻超聲波收發裝置12通過同軸電纜經第二低通濾波器4連接至高速采樣示波器5的2通道，所述的第一低通濾波器3和第二低通濾波器4完全相同。
5、進一步，所述第一高頻超聲波收發裝置11由鈮酸鋰換能器111、碳化鎢棒112、鋼框架113和帶針式彈簧端子114與同軸電纜連接器115的印刷電路板116組成；所述碳化鎢棒112的兩個端面拋光，鈮酸鋰換能器111的表面鍍金，通過熱熔樹脂粘接至碳化鎢棒112的一端，碳化鎢棒112通過鋼框架113固定，鈮酸鋰換能器111的一面與針式彈簧端子114的觸點連接，接觸可靠，接觸面小，避免了換能器背面產生的雜波信號，針式彈簧端子114焊接在印刷電路板116上，與同軸電纜連接器115的正極相連，鋼框架113通過碳化鎢棒112與鈮酸鋰換能器111的另一面相連，并與同軸電纜連接器115的負極相連，能夠通過所述同軸電纜連接器115施加激勵信號或接收信號；所述第二高頻超聲波收發裝置12與第一高頻超聲波收發裝置11的結構完全相同。
6、作為優選，所述鈮酸鋰換能器111的橫波激發頻率為30mhz，縱波激發頻率為50mhz，可以在20mhz至50mhz的激勵信號范圍內同時產生縱波和橫波。
7、作為優選，所述的第一低通濾波器3和第二低通濾波器4的截止頻率為200mhz。
8、作為優選，所述的高速采樣示波器5的采樣速率為6.25?gs/s。
9、作為優選，碳化鎢棒112的長度為18mm
10、一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的方法，將信號發生器2的頻率調整到鈮酸鋰換能器111能同時激發縱波和橫波的頻率，由信號發生器2產生信號并由第一高頻超聲波收發裝置11轉換成超聲波并發射，第一高頻超聲波收發裝置11接收樣品的第一界面的反射信號，第二高頻超聲波收發裝置12接收穿過兩個碳化鎢棒和一個樣品厚度的透射信號，兩個高頻超聲波收發裝置將接收到的反射或透射超聲波信號經過各自的鈮酸鋰換能器轉換成電信號后分別傳送給高速采樣示波器5的兩個通道，在同一時基下通過比較高速采樣示波器5的兩個對應波形直接測量出兩個信號的時間差，用樣品厚度除以時間差計算出波速，由于超聲波橫波波速顯著小于縱波波速，經一定長度的碳化鎢棒路徑，橫波信號在時間上相較縱波信號將顯著滯后，兩者區分明顯，采用一個激發信號頻率可以同時進行橫波和縱波的測量，用上述方法測得超聲波縱波通過被測樣品的波速為、超聲波橫波通過被測樣品的橫波波速為；
11、則被測樣品的彈性模量為：
12、剪切模量為：
13、其中，為被測樣品密度。
14、本專利技術采用鈮酸鋰換能器粘接碳化鎢棒結合針式彈簧觸點，組成高頻超聲波收發裝置，避免了換能器背面產生的雜波干擾，碳化鎢材料的高強度和高均勻性可以滿足測量超硬材料的需求，碳化鎢棒路徑可以在時間上分離縱波信號和橫波信號；兩個高頻超聲波收發裝置組成對頂結構，采用高速采樣示波器同時采集兩個高頻超聲波收發裝置接收的信號，采用樣品第一界面反射信號和透射信號計算樣品中的超聲波傳播時間，透射信號將完全不受第一界面反射信號拖尾的影響，時間差測量參照物明確，相較于單反射測量方案，從根本上避免了測量薄厚度樣品時的信號混淆問題，即使采用多周期的超聲波激勵信號，也不會影響信號的識別，進而較準確地測量波速以計算彈性模量。
15、綜上，本專利技術有以下有益效果：
16、1、設計了一種對稱高頻超聲波收發裝置對頂結構，同時結合反射信號和透射信號進行超聲波波速的測量，規避了信號混淆的問題。
17、2、設計了基于一種能同時激發橫波超聲波和縱波超聲波的鈮酸鋰換能器和碳化鎢材料的高頻超聲波收發裝置，在可靠加載高頻信號的同時，減少了雜波。碳化鎢棒路徑可以在時間上分離縱波信號和橫波信號，實現在同一頻率同時測量縱波和橫波。裝置結本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，由測量工裝（1）、信號發生器（2）、第一低通濾波器（3）、第二低通濾波器（4）和高速采樣示波器（5）組成；
2.根據權利要求1所述的一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，其特征在于，所述鈮酸鋰換能器（111）的橫波激發頻率為30MHz，縱波激發頻率為50MHz，可以在20MHz至50MHz的激勵信號范圍內同時產生縱波和橫波。
3.根據權利要求1所述的一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，其特征在于，所述的第一低通濾波器（3）和第二低通濾波器（4）的截止頻率為200MHz。
4.根據權利要求1所述的一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，其特征在于，所述的高速采樣示波器（5）的采樣速率為6.25?GS/s。
5.根據權利要求1所述的一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，其特征在于，碳化鎢棒（112）的長度為18mm。
6.一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的方法，其特征在于，使用權利要求1所述的裝置，步驟為：將信號發生器（2）的頻率調整到鈮酸鋰換能器（
...【技術特征摘要】
1.一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，由測量工裝（1）、信號發生器（2）、第一低通濾波器（3）、第二低通濾波器（4）和高速采樣示波器（5）組成；
2.根據權利要求1所述的一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，其特征在于，所述鈮酸鋰換能器（111）的橫波激發頻率為30mhz，縱波激發頻率為50mhz，可以在20mhz至50mhz的激勵信號范圍內同時產生縱波和橫波。
3.根據權利要求1所述的一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，其特征在于，所述的第一低通濾波器（3）和第二低通濾波器（4）的截止頻率為200mhz。
4.根據權利要求1所述的一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，其特征在于，所述的高速采樣示波器（5）的采樣速率為6.25?gs/s。
5.根據權利要求1所述的一種超聲波檢測小尺寸薄板樣品彈性模量的裝置，其特征在于，碳化鎢棒（112）的長度為18mm。
6.一種超聲波...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王星淋，李壯，由存，陶強，朱品文，周強，崔田，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：發明
國別省市：
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