基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量装置及方法

本发明涉及无损检测，特别涉及一种基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量装置及方法。

背景技术：

1、剪切模量又称切变模量，是度量材料在弹性限度内受力后形变大小的重要参量，定义为剪应力与剪应变的比值。在工程应用中，剪切模量对受扭构件进行刚度设计起着关键的作用，同时在材料、工业、探矿等科学研究中也有着重要的应用，剪切模量的研究对于与材料学与力学等行业都有着重大的意义。常见的剪切模量测量方法有扭角仪法、电测法、扭摆法、超声脉冲法、二次全息法等，这些测量方法具有一定的局限性，如应用领域受到限制、设备的通用性差等，亟需解决。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量装置，具有结构易于操作与观察，现象稳定且结果较为准确等优点。

2、本发明第一方面实施例提供一种基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量装置，包括：

3、剪切模量测试仪，所述剪切模量测试仪包括材料固定板，待测样品固定在所述材料固定板上，在测量剪切模量时，移动所述待测样品的一端使其拉伸；

4、双通道信号发生器，所述双通道信号发生器的第一发生器通道生成预设频率的连续正弦波信号，将所述连续正弦波信号接入到所述剪切模量测试仪的空气耦合超声换能器发射端，通过所述空气耦合超声换能器发射端将所述连续正弦波信号转换为同频率的超声波信号，并发送至所述剪切模量测试仪的空气耦合超声换能器接收端，通过所述空气耦合超声换能器接收端将超声波信号转换为电信号，所述双通道信号发生器的第二发生器通道生成与第一发生器通道频率相同的连续正弦波信号；

5、数字示波器，所述数字示波器的第一示波器通道与所述空气耦合超声换能器接收端相连，第二示波器通道与所述双通道信号发生器的第二发生器通道相连，用于根据所述空气耦合超声换能器接收端的电信号和所述第二发生器通道的连续正弦波信号垂直合成生成李萨如图像；

6、数字拉力计，所述数字拉力计与所述待测样品移动的一端相连，用于根据李萨如图像的变化特征测量所述待测样品的多个拉力值，并根据所述多个拉力值及当前环境温度计算所述待测样品的剪切模量。

7、在本发明的一个实施例中，所述剪切模量测试仪还包括：左固定夹、材料固定左板、数字拉力计、固定换能器固定架、调节螺母、可移动换能器固定架、拉力传感器、施力螺母、右固定夹、材料固定右板；

8、所述材料固定左板和所述材料固定右板分别设置在所述材料固定板两端，所述材料固定左板上设置有所述左固定夹，所述材料固定右板上设置有所述右固定夹，所述待测样品通过所述左固定夹和所述右固定夹垂直固定于所述材料固定左板与所述材料固定右板之间，且所述待测样品与所述材料固定板水平放置；

9、所述材料固定右板通过所述拉力传感器与所述可移动换能器固定架、所述施力螺母相连，通过旋转所述施力螺母使得所述材料固定右板在拉力作用下向右移动，并带动所述拉力传感器、可移动换能器固定架、所述施力螺母一同向右移动，所述待测样品沿着拉力方向被拉伸；

10、所述空气耦合超声换能器发射端固定在所述固定换能器固定架上，不随所述施力螺母旋转而运动；

11、所述空气耦合超声换能器接收端通过调节螺母固定在所述可移动换能器固定架上，在所述可移动换能器固定架向右移动时一同向右移动。

12、在本发明的一个实施例中，所述装置还包括：

13、温度计，用于测量当前环境的温度。

14、在本发明的一个实施例中，所述双通道信号发生器输出的连续正弦波信号的频率与所述空气耦合超声换能器接收端的最佳工作频率相同。

15、在本发明的一个实施例中，所述材料固定左板和所述材料固定右板长度和宽度相同，材料为金属。

16、在本发明的一个实施例中，根据李萨如图像的变化特征测量所述待测样品的多个拉力值，并根据所述多个拉力值及当前环境温度计算所述待测样品的剪切模量g的计算公式为：

17、

18、其中，δf为李萨如图像由第一状态转到第二状态时的拉力值差值，l为待测样品初始长度，f为超声波波长，f为连续正弦波信号的频率，n为材料固定右板移动半波长的数量，d为待测样品直径，μ为待测样品泊松比，t为当前环境温度。

19、本发明第二方面实施例提供一种基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量方法，利用上述实施例所述的基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量装置，所述方法包括以下步骤包括：

20、将待测样品固定在材料固定板上，利用双通道信号发生器的第一发生器通道生成预设频率的连续正弦波信号，将所述连续正弦波信号接入到空气耦合超声换能器发射端，通过所述空气耦合超声换能器发射端将所述连续正弦波信号转换为同频率的超声波信号，并发送至空气耦合超声换能器接收端，通过所述空气耦合超声换能器接收端将超声波信号转换为电信号；

21、将数字示波器调为x-y模式后，拉伸所述待测样品，所述数字示波器根据所述空气耦合超声换能器接收端的电信号和所述第二发生器通道的连续正弦波信号垂直合成生成李萨如图像，并根据李萨如图像的变化特征测量所述待测样品拉伸过程中的多个拉力值，根据所述多个拉力值及当前环境温度计算所述待测样品的剪切模量。

22、在本发明的一个实施例中，根据李萨如图像的变化特征测量所述待测样品拉伸过程中的多个拉力值包括：

23、分别测量李萨如图像为第一状态和第二状态时的拉力值，李萨如图像由第一状态到第二状态时，材料固定右板移动n个半超声波波长，n为大于等于1的整数。

24、在本发明的一个实施例中，根据李萨如图像的变化特征测量所述待测样品的多个拉力值，并根据所述多个拉力值及当前环境温度计算所述待测样品的剪切模量g的计算公式为：

25、

26、其中，δf为李萨如图像由第一状态转到第二状态时的拉力值差值，l为待测样品初始长度，f为超声波波长，f为连续正弦波信号的频率，n为材料固定右板移动半波长的数量，d为待测样品直径，μ为待测样品泊松比，t为当前环境温度。

27、本发明实施例的基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量装置及方法，对待测样品进行拉伸，并带动空气耦合超声换能器接收端移动，根据空气耦合超声换能器接收端的电信号和连续正弦波信号生成的李萨如图像测量拉伸过程中的多个拉力值，根据多个拉力值及当前环境温度计算待测样品的剪切模量。该测量装置结构简单，易于操作与观察，现象稳定且结果较为准确，应用领域广泛，通用性强。

28、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述剪切模量测试仪还包括：左固定夹、材料固定左板、数字拉力计、固定换能器固定架、调节螺母、可移动换能器固定架、拉力传感器、施力螺母、右固定夹、材料固定右板；

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双通道信号发生器输出的连续正弦波信号的频率与所述空气耦合超声换能器接收端的最佳工作频率相同。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述材料固定左板和所述材料固定右板长度和宽度相同，材料为金属。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，根据李萨如图像的变化特征测量所述待测样品的多个拉力值，并根据所述多个拉力值及当前环境温度计算所述待测样品的剪切模量g的计算公式为：

7.一种基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量方法，利用权利要求1-6任一项所述的基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据李萨如图像的变化特征测量所述待测样品拉伸过程中的多个拉力值包括：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据李萨如图像的变化特征测量所述待测样品的多个拉力值，并根据所述多个拉力值及当前环境温度计算所述待测样品的剪切模量g的计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种基于超声检测技术的高分子材料剪切模量测量装置及方法，属于无损检测领域，通过对待测样品进行拉伸，并带动空气耦合超声换能器接收端移动，根据空气耦合超声换能器接收端的电信号和连续正弦波信号生成的李萨如图像测量拉伸过程中的多个拉力值，根据多个拉力值及当前环境温度计算待测样品的剪切模量。该测量装置结构简单，易于操作与观察，现象稳定且结果较为准确，应用领域广泛，通用性强。

技术研发人员：陈杰,郝思嘉,蔡锦鹏,施佳晨,梅益仙,吴龙龙,张礼,吴弘
受保护的技术使用者：东南大学成贤学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17