超高频疲劳试验系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种超高频疲劳试验系统。该系统包括超声发生器、超声波换能器、变幅杆和应力加载装置。超声发生器连接于所述超声波换能器，产生激励信号。超声波换能器是双激励换能器且连接所述变幅杆，转变所述激励信号为声能信号。变幅杆放大声能信号。应力加载装置与所述变幅杆正对。由于本实用新型的超声波换能器是双激励换能器，这样，其工作频率55KHz高于一般超声频率，满足超声手术刀的超高频疲劳试验外，还可推广至航空、航天等超高周次的疲劳试验。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于疲劳检测与试验领域，特别涉及一种频率>20KHz的，可用于微创 超声手术刀进行疲劳检测的超声疲劳试验系统。 超高频疲劳试验系统
【背景技术】
[0002] 微创是现代科技发展和外科创新相结合而形成的一种新的医学理念，其目的是以 最小的侵袭或损伤达到最佳的外科治疗效果。具有伤口小，出血少，恢复快，疤痕小等优点 的单孔微创手术的迅速发展和推广应用，不仅为超声手术刀的发展开拓了广阔空间，同时 也对超声手术刀提出了新的挑战，即：如何提高超声手术刀的抗疲劳特性，提升手术的安全 性，延长手术刀的使用寿命。
[0003] 目前，临床上常用的超声手术刀的工作频率约为55kHz，即处于每秒钟约5. 5 _ 104 次的商频振动的工作状态，其振幅约为50 μ m、循环周次商但历时短，易广生疲劳，造成手术 刀刀头断裂。如何对检测超声手术的疲劳强度是解决其安全性的关键。疲劳检测领域，传统 的伺服液压实验机频率在lO-lOOHz，但材料的高疲劳循环周次介于10 5-107之间，超高周次 更是超过1〇8次，疲劳检测的时间成本和经济成本直接限制了其应用。而现有的超声疲劳试 验机20KHz左右，由于超声手术刀的自身尺寸及超高周次疲劳损伤特点，也不能很好适用。
【发明内容】
[0004] 本实用新型解决的问题是现有疲劳试验系统的工作频率低而无法进行超高频次 疲劳试验的问题。
[0005] 为解决上述问题，本实用新型提供一种超1?频疲劳试验系统，该系统包括超声发 生器、超声波换能器、变幅杆和应力加载装置，其中，所述超声发生器连接于所述超声波换 能器，产生激励信号；所述超声波换能器是双激励换能器且连接所述变幅杆，转变所述激励 信号为声能信号；所述变幅杆放大声能信号；所述应力加载装置与所述变幅杆正对。
[0006] 在进一步方案中，所述系统还包括激光测振仪和计算机控制系统，其中，激光测振 仪测量连接于应力加载装置和变幅杆的被测试样的振动位移，所述计算机控制系统对该振 动位移进行PID计算而获得控制信号，所述超声发生器根据该控制信号产生激励信号。
[0007] 在进一步方案中，所述变幅杆是由长度均为半波长的一级变幅杆和二级变幅杆构 成二级位移放大结构。
[0008] 在进一步方案中，所述系统还包括冷却系统，该冷却系统包括温度检测装置、处理 器和喷雾装置，其中，所述温度检测装置检测被测试样的温度而获得实际温度；所述处理器 比较实际温度和设定温度而获得流量控制信号和流量时间信号；所述喷雾装置根据流量控 制信号控制阀门的开启大小，根据流量时间信号控制阀门的开启时间而向所述被测试样喷 射冷却气体。
[0009] 在进一步方案中，所述应力加载装置包括应力块，该应力块封闭在冷却系统中，长 度为半波长。
[0010] 在进一步方案中，所述变幅杆是由长度均为半波长的一级变幅杆和二级变幅杆构 成二级位移放大结构，所述二级变幅杆封闭于所述冷却系统内且与所述应力块之间的距离 为一个波长。
[0011] 与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
[0012] 1、由于本实用新型的超声波换能器是双激励换能器，这样，其工作频率>20KHz，比 如可以是55KHz，高于一般超声频率，满足超声手术刀的超高频疲劳试验外，还可推广至航 空、航天等超1?周次的疲劳试验。
[0013] 2、由于所述试验系统包括激光测振仪和计算机控制系统，这样，可以实时调节超 声发生器的激励系统的输出，使试验系统处于最优的工作状态，而且，实现"恒定"振幅输出 激励系统的闭环控制，使振幅"恒定"度优于幅值10%。
[0014] 3、由于所述试验系统包括温度检测装置、处理器和喷雾装置，所述处理器比较实 际温度和设定温度而获得流量控制信号和流量时间信号，所述喷雾装置根据流量控制信号 控制阀门的开启大小，根据流量时间信号控制阀门的开启时间而向所述被测试样喷射冷却 气体，这样，可以使得被测试样周围温度始终在设定温度，防止了其材料疲劳试验中的温度 因素的影响而确保试验的精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本实用新型超高频疲劳试验系统的原理框图。
【具体实施方式】
[0016] 为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实 施例并配合附图予以详细说明。
[0017] 请参阅图1，本实用新型超高频疲劳试验系统包括超声发生器1、超声波换能器2、 变幅杆3、应力加载装置4、激光测振仪5、计算机控制系统6和冷却系统7。所述超声发生 器1连接于所述超声波换能器2,产生激励信号。所述超声波换能器2是双激励换能器且连 接所述变幅杆3,转变所述激励信号为声能信号而使得所述变幅杆3振动，比如，该双激励 换能器可以采用具有二组驱动压电陶瓷片的换能器，采用双激励换能器可以使得工作频带 更宽、输出振幅大，性能相对于普通换能器有很大提升，满足超高频疲劳试验的需求。所述 变幅杆3放大声能信号，在本实施方式中，所述变幅杆是由一级变幅杆31和二级变幅杆32 构成的二级位移放大结构，每一级变幅杆的长度为半波长。一级变幅杆连接于所述超声波 换能器2。二级变幅杆32连接于被测试样8的一端。所述应力加载装置4与所述变幅杆3 正对，连接于被测试样8的另一端，这样，应力加载装置4、变幅杆3和被测试样8构成谐振 系统。应力加载装置4具有应力块，该应力块的长度为半波长，在上述变幅杆采用二级位移 放大结构时，该应力块与二级变幅杆32之间的距离为一个波长。
[0018] 请继续参阅图1，所述激光测振仪5测量连接于应力加载装置4和变幅杆3的被测 试样8的振动位移，所述计算机控制系统6对该振动位移进行PID计算而获得控制信号，所 述超声发生器根据该控制信号产生激励信号。将计算机控制系统6和激光测振仪5接入测 试系统而构成闭环系统，这样，可以实时调节超声发生器的激励系统的输出，使试验系统处 于最优的工作状态，实现"恒定"振幅输出激励系统的闭环控制，使振幅"恒定"度优于幅值 10%。
[0019] 请继续参阅图1，所述冷却系统包括温度检测装置、处理器和喷雾装置，其中，所述 温度检测装置检测被测试样的温度而获得实际温度；所述处理器比较实际温度和设定温度 而获得流量控制信号和流量时间信号；所述喷雾装置根据流量控制信号控制阀门的开启大 小，根据流量时间信号控制阀门的开启时间而向所述被测试样喷射冷却气体。采用冷却系 统防止了其材料疲劳试验中的温度因素的影响，确保试验的精度；另外，通过气体冷却的方 式防止了被测试样8被腐蚀，也进一步确保试验的精度。当具有该冷却系统时，所述二级变 幅杆封闭于该冷却系统内，所述应力加载装置4的应力块封闭于该冷却系统内。
[0020] 请继续参阅图1，本实用新型超高频疲劳试验系统的工作过程如下：
[0021] 超声发生器1产生激励信号。超声波换能器2将该激励信号转换为声能信号。变 幅杆3在该声能信号控制下振动，该振动而使得被测试样8振动，应力加载装置4可测出被 测试样8的应变特性，直至被测试样断裂。当然，在该过程中，如果被测试样8的温度升高， 贝1J，通过所述冷却系统降低温度。在试验过程中，通过所述计算机控制系统6调整超声发生 器1的输出而使得系统工作在最优的工作状态。
【权利要求】
1. 超高频疲劳试验系统，其特征是：该系统包括超声发生器、超声波换能器、变幅杆和 应力加载装置，其中，所述超声发生器连接于所述超声波换能器，产生激励信号；所述超声 波换能器是双激励换能器且连接所述变幅杆，转变所述激励信号为声能信号；所述变幅杆 放大声能信号；所述应力加载装置与所述变幅杆正对。
2. 如权利要求1所述超高频疲劳试验系统，其特征是：所述系统还包括激光测振仪和 计算机控制系统，其中，激光测振仪测量连接于应力加载装置和变幅杆的被测试样的振动 位移，所述计算机控制系统对该振动位移进行PID计算而获得控制信号，所述超声发生器 根据该控制信号产生激励信号。
3. 如权利要求2所述超高频疲劳试验系统，其特征是：所述变幅杆是由长度均为半波 长的一级变幅杆和二级变幅杆构成二级位移放大结构。
4. 如权利要求1或2所述超高频疲劳试验系统，其特征是：所述系统还包括冷却系统， 该冷却系统包括温度检测装置、处理器和喷雾装置，其中，所述温度检测装置检测被测试样 的温度而获得实际温度；所述处理器比较实际温度和设定温度而获得流量控制信号和流量 时间信号；所述喷雾装置根据流量控制信号控制阀门的开启大小，根据流量时间信号控制 阀门的开启时间而向所述被测试样喷射冷却气体。
5. 如权利要求4所述超高频疲劳试验系统，其特征是：所述应力加载装置包括应力块， 该应力块封闭在冷却系统中，长度为半波长。
6. 如权利要求5所述超高频疲劳试验系统，其特征是：所述变幅杆是由长度均为半波 长的一级变幅杆和二级变幅杆构成二级位移放大结构，所述二级变幅杆封闭于所述冷却系 统内且与所述应力块之间的距离为一个波长。
【文档编号】G01N29/04GK203849207SQ201420100673
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】周红生, 王彤宇, 王欢, 许小芳, 杨红穗 申请人:中国科学院声学研究所东海研究站, 长春理工大学