一种超声波检测小尺寸薄板样品弹性模量的装置及方法

本发明属于利用超声波测量的，主要涉及一种超声波测量弹性模量的装置与方法。

背景技术：

1、弹性模量是材料的一种最重要、最具特征的力学性质，是物体弹性变形难易程度的表征，是材料科学领域重要的测量指标。从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。凡影响键合强度的因素均能反映在材料的弹性模量上，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织等，因而弹性模量对于评价物质的物理性能具有重要意义。

2、实验室合成的超硬陶瓷材料具有弹性模量大，合成成本高，数量稀少，尺寸微小等特点，致使其弹性范围内的应力-应变数据难以采集，无法用直接法测量。目前主要采用压痕法和超声波测量两种方法：压痕法是一种有损检测方法，会破坏被测样品，并且只能反映样品的局部性质；超声波测量弹性模量是一种无损检测方法，通过测量超声波横波和纵波在被测样品中的波速可以计算出被测样品的弹性模量，可以反映样品块体的整体性质。

3、超声波测量中超声波频率将直接影响测量的精度，频率越高，接收信号的时间分辨率就越高，目前普遍的高频工业超声波探头频率约1mhz~15mhz，探头尺寸较大，并且只能单一地收发纵波或者横波，难以满足测量小尺寸样品弹性模量的需要。

4、另一方面，目前普遍的超声波测量小尺寸样品弹性模量的方案为将样品直接粘接或压接在单个超声波收发装置上，粘接方案每次实验都需要大量时间粘接样品，并且粘接层也会对测量结果产生影响；压接方案需要根据不同样品调整压接背板材质减少透射信号能量，以加强样品第二界面的反射信号。超声波的激励信号周期越多，产生的超声波能量越大，回波信号就更易识别，单个超声波收发装置方案一般以3~5个周期正弦波信号激励超声波，依靠样品第一界面反射信号和样品第二界面反射信号的时间差除以样品厚度的二倍计算波速。由于能量衰减，样品第二界面反射信号的振幅显著小于第一界面反射信号，当样品厚度很小时，样品中的超声波传播时间也将减小，两个界面的反射信号到达时间十分接近，样品第二界面反射信号会被样品第一界面反射信号的拖尾混淆，进而难以观察第二界面反射信号的起始位置，时间差测量的基准难以确定，进而无法精确计算波速。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的不足，提供一种超声波检测小尺寸薄板样品弹性模量的装置及方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种超声波检测小尺寸薄板样品弹性模量的装置，由测量工装1、信号发生器2、第一低通滤波器3、第二低通滤波器4和高速采样示波器5组成；

4、其特征在于，所述测量工装1的结构为：第一高频超声波收发装置11和第二高频超声波收发装置12固定在导轨13上，确保两个高频超声波收发装置是对中的，第一高频超声波收发装置11是固定的，第二高频超声波收发装置12是可以沿导轨13移动的以夹持样品，采用弹性夹持以便可以调整夹持力确保样品表面可靠接触，第一高频超声波收发装置11的信号经分线器分为两条线路，第一条通过同轴电缆连接至信号发生器2，第二条通过同轴电缆经第一低通滤波器3连接至高速采样示波器5的1通道，第二高频超声波收发装置12通过同轴电缆经第二低通滤波器4连接至高速采样示波器5的2通道，所述的第一低通滤波器3和第二低通滤波器4完全相同。

5、进一步，所述第一高频超声波收发装置11由铌酸锂换能器111、碳化钨棒112、钢框架113和带针式弹簧端子114与同轴电缆连接器115的印刷电路板116组成；所述碳化钨棒112的两个端面抛光，铌酸锂换能器111的表面镀金，通过热熔树脂粘接至碳化钨棒112的一端，碳化钨棒112通过钢框架113固定，铌酸锂换能器111的一面与针式弹簧端子114的触点连接，接触可靠，接触面小，避免了换能器背面产生的杂波信号，针式弹簧端子114焊接在印刷电路板116上，与同轴电缆连接器115的正极相连，钢框架113通过碳化钨棒112与铌酸锂换能器111的另一面相连，并与同轴电缆连接器115的负极相连，能够通过所述同轴电缆连接器115施加激励信号或接收信号；所述第二高频超声波收发装置12与第一高频超声波收发装置11的结构完全相同。

6、作为优选，所述铌酸锂换能器111的横波激发频率为30mhz，纵波激发频率为50mhz，可以在20mhz至50mhz的激励信号范围内同时产生纵波和横波。

7、作为优选，所述的第一低通滤波器3和第二低通滤波器4的截止频率为200mhz。

8、作为优选，所述的高速采样示波器5的采样速率为6.25 gs/s。

9、作为优选，碳化钨棒112的长度为18mm

10、一种超声波检测小尺寸薄板样品弹性模量的方法，将信号发生器2的频率调整到铌酸锂换能器111能同时激发纵波和横波的频率，由信号发生器2产生信号并由第一高频超声波收发装置11转换成超声波并发射，第一高频超声波收发装置11接收样品的第一界面的反射信号，第二高频超声波收发装置12接收穿过两个碳化钨棒和一个样品厚度的透射信号，两个高频超声波收发装置将接收到的反射或透射超声波信号经过各自的铌酸锂换能器转换成电信号后分别传送给高速采样示波器5的两个通道，在同一时基下通过比较高速采样示波器5的两个对应波形直接测量出两个信号的时间差，用样品厚度除以时间差计算出波速，由于超声波横波波速显著小于纵波波速，经一定长度的碳化钨棒路径，横波信号在时间上相较纵波信号将显著滞后，两者区分明显，采用一个激发信号频率可以同时进行横波和纵波的测量，用上述方法测得超声波纵波通过被测样品的波速为、超声波横波通过被测样品的横波波速为；

11、则被测样品的弹性模量为：

12、剪切模量为：

13、其中，为被测样品密度。

14、本发明采用铌酸锂换能器粘接碳化钨棒结合针式弹簧触点，组成高频超声波收发装置，避免了换能器背面产生的杂波干扰，碳化钨材料的高强度和高均匀性可以满足测量超硬材料的需求，碳化钨棒路径可以在时间上分离纵波信号和横波信号；两个高频超声波收发装置组成对顶结构，采用高速采样示波器同时采集两个高频超声波收发装置接收的信号，采用样品第一界面反射信号和透射信号计算样品中的超声波传播时间，透射信号将完全不受第一界面反射信号拖尾的影响，时间差测量参照物明确，相较于单反射测量方案，从根本上避免了测量薄厚度样品时的信号混淆问题，即使采用多周期的超声波激励信号，也不会影响信号的识别，进而较准确地测量波速以计算弹性模量。

15、综上，本发明有以下有益效果：

16、1、设计了一种对称高频超声波收发装置对顶结构，同时结合反射信号和透射信号进行超声波波速的测量，规避了信号混淆的问题。

17、2、设计了基于一种能同时激发横波超声波和纵波超声波的铌酸锂换能器和碳化钨材料的高频超声波收发装置，在可靠加载高频信号的同时，减少了杂波。碳化钨棒路径可以在时间上分离纵波信号和横波信号，实现在同一频率同时测量纵波和横波。装置结构强度上也满足了夹持和测量小尺寸硬质材料的需求。

18、3、本发明旨在针对小尺寸薄型样品进行超声波无损弹性模量检测，采用本发明提出的装置和方法，可以测量现有方案难以测量的硬质小尺寸薄型样品，从相关实验细节和测试结果上看，该方法具有测量方便、可靠性高、成功率高、测试重复性好等优点。该方法对于实验室合成的小尺寸薄型硬质样品物理性能快速精确检测具有重要意义。