超薄聚乙烯試樣聲性能的測試方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及聚乙烯試樣聲性能的測試，旨在提供超薄聚乙烯試樣聲性能的測試方法及其裝置。該基于液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置包括超聲檢測儀、測試容器、夾持裝置和聚焦探頭；該測超薄聚乙烯試樣聲性能的測試方法包括步驟：制備出待測的超薄聚乙烯試樣；將超薄聚乙烯試樣浸沒于耦合液體之中，進(jìn)行耦合液體調(diào)配，直至超聲檢測儀不再接收到回波信號；計算得到耦合液體的聲速和聲阻抗；耦合液體的聲阻抗即為超薄聚乙烯試樣的聲阻抗，并計算得到超薄聚乙烯試樣的聲速。本發(fā)明不需要考慮超聲波與試樣接觸的界面耦合問題，可以適用于超薄且表面不規(guī)則試樣的聲阻抗測量，且測試結(jié)果精度高。
【專利說明】超薄聚乙烯試樣聲性能的測試方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于聚乙烯試樣聲性能的測試，特別涉及超薄聚乙烯試樣聲性能的測試方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]聲速、聲阻抗是材料的重要聲性能參數(shù)。聲速、聲阻抗不僅能直觀反映材料彈性模量的大小，而且與材料結(jié)構(gòu)特征、損傷老化等性質(zhì)具有特定的聯(lián)系。近年來，聚乙烯管道被大量應(yīng)用于燃?xì)廨斔?、引用水輸送等重要的民生領(lǐng)域，甚至逐步至核電站等關(guān)鍵能源領(lǐng)域，因此對聚乙烯制品進(jìn)行超聲檢測與安全評定技術(shù)越來越受到重視。在聚乙烯制品的超聲檢測過程中，材料聲速與聲阻抗的測量精度直接關(guān)系到檢測結(jié)果的成像質(zhì)量以及缺陷的檢出率、定量定位精度等。如果無法準(zhǔn)確獲得材料聲性能參數(shù)，將無法進(jìn)一步開展無損檢測以及安全評定的相關(guān)工作。
[0003]然而，聚乙烯的牌號眾多，不同廠家生產(chǎn)的同樣牌號的聚乙烯其合成工藝也略有不同，導(dǎo)致同樣牌號的聚乙烯其密度、模量等參數(shù)也存在較大的差異。此外，由于聚乙烯熱膨脹系數(shù)較大，在經(jīng)歷注塑或擠出成型的加工過程后，往往存在同一結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域密度不均勻等特點。要測量不同區(qū)域聚乙烯的局部聲學(xué)性能，需要制備聚乙烯的超薄試樣進(jìn)行聲速與聲阻抗測試。只要測試樣品的厚度足夠薄，就可以認(rèn)為材料在厚度范圍內(nèi)是均一穩(wěn)定的，包括密度、聲速的物性參數(shù)均保持不變。
[0004]傳統(tǒng)的聲速測量方法有超聲波共振法和脈沖回波法。超聲波共振法利用共振原理，當(dāng)被測試樣的厚度為超聲波在該介質(zhì)中半波長的整數(shù)倍時，入射波和反射波在試塊內(nèi)形成駐波，產(chǎn)生共振。但在實際測量中，需要通過不斷采用改變測試頻率來尋找共振點，要準(zhǔn)確試驗出共振頻率比較困難，因此測試精度較低。脈沖回波法是將超聲波垂直入射到已知厚度的試樣中，根據(jù)超聲波脈沖回波的傳播時間來計算聲速。雖然試樣厚度可以精確測量，但試樣薄、聲程短，加之超聲波換能器的延遲，以及時間軸上超聲脈沖讀取精度的影響，其測量精度不高。
[0005]此外，通常待測的超薄聚乙烯試樣往往形狀不規(guī)則，即使可以通過機加工制成薄板試樣，但也難以做到試樣表面光潔且厚度均勻。這樣的試樣直接進(jìn)行聲性能測試不僅需考慮聲耦合等問題，而且難以計量超聲波是從試樣的哪位位置穿透試樣的，除非整個試樣厚度均勻，否則也難以準(zhǔn)確測得材料的聲速。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供基于液浸聚焦超聲脈沖反射的超薄聚乙烯聲性能測試方法及其裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是:
[0007]提供基于液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置，用于測量待測試樣的聲阻抗，所述基于液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置包括超聲檢測儀、測試容器、夾持裝置和聚焦探頭；所述超聲檢測儀設(shè)置在測試容器外部，測試容器為頂端開口的裝置，測試容器的一側(cè)設(shè)有一個通孔，聚焦探頭嵌入在通孔中，聚焦探頭能接收到超聲檢測儀信號后，發(fā)出聚焦聲束，然后等待接收回波信號，并將回波信號傳回超聲檢測儀；夾持裝置安裝在測試裝置上，用于將待測試樣固定在測試裝置內(nèi)，且能使待測試樣處于聚焦探頭的焦點位置，并與聚焦探頭聚焦后的聲束方向垂直。
[0008]作為進(jìn)一步的改進(jìn)，所述測試容器中裝填有耦合液體，用于將聚焦探頭處于測試容器內(nèi)部的部分、通過夾持裝置固定的待測試樣都浸沒在耦合液體中；所述耦合液體是由水玻璃和水混合配制而成的液體，且耦合液體的聲阻抗與待測試樣的聲阻抗相同。
[0009]提供利用所述的基于裝置液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置測超薄聚乙烯試樣聲性能的測試方法，包括以下步驟:
[0010]步驟A:制備出待測的超薄聚乙烯試樣，通過固體密度計精確測得超薄聚乙烯試樣的密度，所述超薄聚乙烯試樣是指厚度在0.05~0.1mm之間的聚乙烯片；
[0011]步驟B:將超薄聚乙烯試樣用夾持裝置固定，浸沒于耦合液體之中，打開超聲檢測儀發(fā)出控制信號使聚焦探頭向超薄聚乙烯試樣發(fā)出聚焦聲速，并等待接收回波，查看超聲檢測儀是否接收到回波信號，若超聲檢測儀接收到回波信號，則向耦合液體中加水，再查看超聲檢測儀接收的回波信號:若回波信號變?nèi)?，則繼續(xù)添加水，直至超聲檢測儀不再接收到回波信號；若回波信號變強，則向耦合液體中添加水玻璃，直至超聲檢測儀不再接收到回波信號;
[0012]步驟C:取出超薄聚乙烯試樣，替換為等厚度且聲阻抗與超薄聚乙烯試樣不同的金屬薄片(大多數(shù)金屬材料聲阻抗與聚乙烯都明顯不同，如銅、鐵、鋁等)，利用超聲檢測儀測量聲束在耦合液體中傳播至金屬薄片并反射回聚焦探頭所需的傳播時間，測得聚焦探頭與金屬薄片之間距離為s/2，利用公式:u=s/t，計算得到耦合液體聲速；取耦合液體通過液體密度計測得耦合液體的密度，利用公式:z=ρ Xu，計算得到耦合液體的聲阻抗；
[0013]其中，u是耦合液體的聲速，s是聚焦探頭與金屬薄片之間距離的2倍，t是聲束在耦合液體中傳播至金屬薄片并反射回聚焦探頭所需的傳播時間，P是耦合液體的密度，z是耦合液體的聲阻抗；
[0014]步驟D:步驟C中得到的耦合液體的聲阻抗，即為超薄聚乙烯試樣的聲阻抗，利用公式：c=z1/ρ1，計算得到超薄聚乙烯試樣的聲速；
[0015]其中，c是超薄聚乙烯試樣的聲速，Zl是超薄聚乙烯試樣的聲阻抗，P !是超薄聚乙烯試樣的密度。
[0016]作為進(jìn)一步的改進(jìn)，測試過程中，將環(huán)境溫度與測試容器內(nèi)耦合液體的溫度都控制在19~21°C之間。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1、由于試樣浸沒在耦合液體之中，因此不需要考慮超聲波與試樣接觸的界面耦合問題；
[0019]2、通過液浸聚焦超聲脈沖反射技術(shù)測量聲回波，對試樣的幾何尺寸、表面平整度等加工要求很低，因此可以適用于超薄且表面不規(guī)則試樣的聲阻抗測量；
[0020]3、聚乙烯的聲阻抗正好介于水玻璃和水之間，通過調(diào)節(jié)溶液配比，可以高精度地微調(diào)耦合液體的聲阻抗，因此測試結(jié)果精度高?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的基于液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置示意圖。
[0022]圖中的附圖標(biāo)記為:1超聲檢測儀；2測試容器；3夾持裝置；4聚焦探頭；5耦合液體；6待測試樣。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0024]圖1中的基于液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置包括超聲檢測儀1、測試容器、夾持裝置3和聚焦探頭4，用于測量待測試樣6的聲阻抗。所述超聲檢測儀I設(shè)置在測試容器外部，測試容器為頂端開口的裝置，測試容器的一側(cè)設(shè)有一個通孔，聚焦探頭4嵌入在通孔中，聚焦探頭4能接收到超聲檢測儀I信號后，發(fā)出聚焦聲束，然后等待接收回波信號，并將回波信號傳回超聲檢測儀I ;夾持裝置3安裝在測試裝置上，用于將待測試樣6固定在測試裝置內(nèi)，且能使待測試樣6處于聚焦探頭4的焦點位置，并與聚焦探頭4聚焦后的聲束方向垂直。
[0025]測試容器中裝填有耦合液體5，用于將聚焦探頭4處于測試容器內(nèi)部的部分、通過夾持裝置3固定的待測試樣6都浸沒在耦合液體5中。由于沒有一種單一液體的聲阻抗與聚乙烯材料相匹配，因此應(yīng)采 用組合液來配制這種特殊耦合液體5。所述耦合液體5是由水玻璃和水混合配制而成的液體，且耦合液體5的聲阻抗與待測試樣6相同。典型的PE80聚乙烯材料聲阻抗大約為2.15X106kg/m2.s，與含33%左右水玻璃的水溶液的聲阻抗十分接近，因此，耦合液體5可以采用一定比例的水玻璃與水進(jìn)行調(diào)配。
[0026]對于二元理想組合液有:
【權(quán)利要求】
1.基于液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置，用于測量待測試樣的聲阻抗，其特征在于，所述基于液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置包括超聲檢測儀、測試容器、夾持裝置和聚焦探頭；所述超聲檢測儀設(shè)置在測試容器外部，測試容器為頂端開口的裝置，測試容器的一側(cè)設(shè)有一個通孔，聚焦探頭嵌入在通孔中，聚焦探頭能接收到超聲檢測儀信號后，發(fā)出聚焦聲束，然后等待接收回波信號，并將回波信號傳回超聲檢測儀；夾持裝置安裝在測試裝置上，用于將待測試樣固定在測試裝置內(nèi)，且能使待測試樣處于聚焦探頭的焦點位置，并與聚焦探頭聚焦后的聲束方向垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于裝置液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置，其特征在于，所述測試容器中裝填有耦合液體，用于將聚焦探頭處于測試容器內(nèi)部的部分、通過夾持裝置固定的待測試樣都浸沒在耦合液體中；所述耦合液體是由水玻璃和水混合配制而成的液體，且率禹合液體的聲阻抗與待測試樣的聲阻抗相同。
3.利用權(quán)利要求1所述的基于裝置液浸聚焦技術(shù)的脈沖反射裝置測超薄聚乙烯試樣聲性能的測試方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟A:制備出待測的超薄聚乙烯試樣，通過固體密度計精確測得超薄聚乙烯試樣的密度，所述超薄聚乙烯試樣是指厚度在0.05~0.1mm之間的聚乙烯片；步驟B:將超薄聚乙烯試樣用夾持裝置固定，浸沒于耦合液體之中，打開超聲檢測儀發(fā)出控制信號使聚焦探頭向超薄聚乙烯試樣發(fā)出聚焦聲速，并等待接收回波，查看超聲檢測儀是否接收到回波信號，若超聲檢測儀接收到回波信號，則向耦合液體中加水，再查看超聲檢測儀接收的回波信號:若回波信號變?nèi)?，則繼續(xù)添加水，直至超聲檢測儀不再接收到回波信號；若回波信號變強，則向耦合液體中添加水玻璃，直至超聲檢測儀不再接收到回波信號;步驟C:取出超薄聚乙烯試樣，替換為等厚度且聲阻抗與超薄聚乙烯試樣不同的金屬薄片(大多數(shù)金屬材料聲`阻抗與聚乙烯都明顯不同，如銅、鐵、鋁等)，利用超聲檢測儀測量聲束在耦合液體中傳播至金屬薄片并反射回聚焦探頭所需的傳播時間，測得聚焦探頭與金屬薄片之間距離為s/2，利用公式:u=s/t，計算得到耦合液體聲速；取耦合液體通過液體密度計測得耦合液體的密度，利用公式:z=P Xu，計算得到耦合液體的聲阻抗；其中，u是耦合液體的聲速，s是聚焦探頭與金屬薄片之間距離的2倍，t是聲束在耦合液體中傳播至金屬薄片并反射回聚焦探頭所需的傳播時間，P是耦合液體的密度，z是耦合液體的聲阻抗；步驟D:步驟C中得到的耦合液體的聲阻抗，即為超薄聚乙烯試樣的聲阻抗，利用公式:C=Zi/ P i，計算得到超薄聚乙烯試樣的聲速；其中，c是超薄聚乙烯試樣的聲速，Zl是超薄聚乙烯試樣的聲阻抗，P !是超薄聚乙烯試樣的密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超薄聚乙烯試樣聲性能的測試方法，其特征在于，測試過程中，將環(huán)境溫度與測試容器內(nèi)耦合液體的溫度都控制在19~21°C之間。
【文檔編號】G01N29/07GK103698402SQ201310659002
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】施建峰, 徐平, 郭偉燦, 鄭津洋 申請人:浙江大學(xué)