一种聚合物平面薄板制品表面内应力的测定装置及其实施方法,属于材料性能检测领域。本实验装置包括机械装置、伺服驱动装置、超声波发射/接收测量装置三部分；机械部分包括：水平底座、工字型支撑架、矩形支撑架、后支撑板、静滑槽机构、动滑槽机构和滚珠丝杆滑槽机构；伺服驱动装置由伺服电机和电控部分组成，电控部分就通过伺服控制器来精确控制电机的转动；超声波发射/接收测量装置就是激励压电陶瓷产生超声波信号，并把采集到的数据传输给上位机处理。本发明专利技术集成化程度高、操作简单，可以实现聚合物薄板表面内应力快速、准确测量。
【技术实现步骤摘要】
一种聚合物平面薄板制品表面内应力的测定装置及其实施方法
本专利技术涉及一种基于瑞利波传播原理测量聚合物制品表面内应力的装置和实施方法，属于材料性能检测领域。
技术介绍
聚合物薄板制品特别是复合工程聚合物薄板制品(厚度1～3mm)被广泛地应用于航空航天领域和其他高科技领域，但在其挤出或注射加工成型过程中，熔体在模腔内由于冷却不均匀、流动的不均匀、或是熔体本身塑化不均匀等综合因素的影响，导致最终成型制品表面产生内应力，这种表面内应力的存在，会使制品产生翘曲、变形甚至会在制品表面产生细微裂纹，最终影响聚合物薄板制品的光学性能和使用寿命。现有的聚合物材料性能测量装置无法实现对聚合物薄板制品表面内应力分布的定性定量测量。本专利技术基于以下的测量方法：本专利技术基于超声波在均匀固体介质中传播时的声弹性理论为理论基础，采用瑞利波(表面波)以透射的模式，将两个斜探头安装在聚合物薄板制品的任意位置，当聚合物薄板制品表面局部区域存在内应力时，该区域内的体积弹性模量及密度值将会发生变化，当表面波通过该区域时其传播速度也将随之发生变化，其理论公式如下：其中V-穿透聚合物薄板制品的超声波实测的波速，m.s-1；V0-聚合物薄板制品无内应力状态时超声波的波速，m.s-1(为已知确定值)；σ-介质内应力，MPa；K-声弹性系数，m2.N-1；该系数是和材料密度和弹性模量等密切相关的一个参数，对于高分子聚合物来说，无法通过现有的实验手段和相关理论测量或计算出某种聚合物材料的声弹性系数。本专利技术基于声弹性理论得到介质内应力与透射过的超声波速度存在一致性并通过实验得到验证。通过比较超声波速度V和V0，可以有效地避开难以测量的声弹性系数K，实现聚合物薄板制品内应力分布的定性测量。其理论公式如下：其中δ-超声波声速系数；V0-聚合物薄板制品没有应力时的超声波声速；V-超声波通过聚合物薄板制品任意位置的声速；当聚合物薄板制品局部存在拉应力作用时，根据声弹性理论超声波通过该区域时的传播速度减小，此时V<V0，δ<0；；当聚合物薄板制品局部存在压应力作用时，根据声弹性理论超声波通过该区域时的传播速度增大，此时V>V0，δ>0；当聚合物薄板制品局部没有应力存在时，此时V＝V0，δ＝0。σ随|δ|的增大而增大。由此避开了难以测量的声弹性系数，可以快速定性测量出聚合物薄板整个区域的表面内应力分布。本专利技术基于同向差分测量原理(如图1所示)实现超声波速度的精确测量。基于透射模式的超声波声速的测量，是由测量发射探头与接收探头之间的飞跃时间和两者之间的距离实现的。其计算公式如下其中d0-发射探头和接受探头的初始安装距离，m；t0-初始安装位置时的超声波测量的飞跃时间，s；d1-保持发射探头的位置不变，移动接受探头后的距离，m；t1-距离为d1时的超声波飞跃时间，s；Δd-接受探头移动的距离，m；Δt-Δd距离的超声波透射的飞跃时间，s。本专利技术基于伺服驱动原理，精确计算出接受探头的移动距离Δd，其计算公式如下Δd＝n·s(4)其中n-伺服电机转动的圈数，r；s-丝杆的导程，mm/r。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种聚合物平面薄板制品表面内应力的测定装置和实施方法，其针对现有聚合物薄板表面内应力测量装置无法实现无损快速定量测量，该测定方法依据超声波在介质中传播的声弹性理论和同向差分测量原理，通过丝杠伺服驱动机构，实现聚合物薄板制品表面内应力分布的精确测定。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为一种聚合物平面薄板制品表面内应力的测定装置及实施方法，其中，本专利技术所述的一种聚合物平面薄板制品表面内应力的测定装置包括机械装置、伺服驱动装置、超声波发射/接收测量装置。具体而言，机械装置包括水平底座、工字型支撑架、矩形支撑架、后支撑板、静滑槽机构、动滑槽机构和滚珠丝杆滑槽机构；工字型支撑架通过M8的连接螺栓固定在底座上，静滑槽机构通过四个M4的连接螺栓和工字型支撑架连接；静滑槽机构包括底板、两个滑槽边、滑块和滑槽导向螺钉；在静滑槽机构中，通过旋转滑槽导向螺钉控制滑块的移动，两个滑槽边和底板是由四个M4的连接螺栓连接在一起，滑块通过预紧螺栓与矩形探头夹块连接，探头夹块的末端夹持有超声波接受探头，通过控制预紧螺栓就可以实现超声波探头的夹紧。矩形支撑架通过四个M8的连接螺栓固定在底座上，矩形支撑架通过四个M4的连接螺栓与滚珠丝杆滑槽机构连接；滚珠丝杆滑槽机构包括底板、两个滑槽边、连接滑块和滚珠丝杆；两个滑槽边和底板是由四个M4的连接螺栓连接在一起，连接滑块嵌在两个滑槽边和底板组成的滑槽内，滚珠丝杆通过底板上的螺纹孔和连接滑块连接，旋转滚珠丝杆可带动连接滑块横向移动，连接滑块通过一个M4连接螺栓和动滑槽机构连接。动滑槽机构包括底板、两个滑槽边、滑块和滑槽导向螺钉，滑块通过探头夹块夹持有超声波发射探头，通过旋转滚珠丝杆就可以带动超声波接受探头横向移动。后支撑板通过两个M8螺钉固定在底板上，后支撑板两边分别标有刻度线。后支撑板嵌入在水平支撑架内、用紧定螺钉可以将水平支撑架固定后支撑板上的任一位置，水平支撑架上标有刻度线，待测薄板样品置于水平支撑架上。伺服驱动装置由伺服电机和电控部分组成，电控部分包括电器柜、伺服控制器、24V开关电源、电源指示灯、急停按钮、伺服电机启动按钮，伺服控制器通过A/D通讯电缆、D/A通讯电缆与上位机实现信息的互换，上位机安装有可以与伺服控制器通信控制的A/D采集卡和控制输入的D/A转换卡。超声波发射/接收测量装置通过超声波发射探头传输电缆和超声波接受探头传输电缆分别和超声波发射探头和接受探头连接，采集到的数据通过USB数据通讯线传送给上位机进行处理计算，上位机对采集信号的处理是通过Qtcreator编程软件实现的，把上述测量方法通过Qtcreator编程建模，其计算结果就可在上位机显示器上面显示。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果。该测定装置可以测量出超声波探头移动的精确位移、超声波精确声速、超声波声系数；可以测量任意位置的聚合物薄板制品的表面内应力分布。附图说明图1为差分法测量原理示意图。图2.1为聚合物平面薄板表面内应力测量装置主视图。图2.2为聚合物平面薄板表面内应力测量装置俯视图。图3为聚合物平面薄板表面内应力测量装置控制原理图。图4为控制过程流程图。图中：1、超声波发射探头；2、超声波发射探头传输电缆；3、超声波接受探头；4、超声波接受探头传输电缆；5、滚珠丝杆；6、伺服电机；7、被测薄板样品；8、M8连接螺栓；9、矩形支撑架；10、滑槽边；11、M4连接螺栓；12、预紧螺栓；13、后支撑板；14、探头夹块；15、滑槽螺钉；16、滑槽底板；17、固定螺钉；18、水平支撑架；19、连接滑块；20、工字型支撑架；21、底座；22、滑块；23、M8螺钉；24、A/D通讯电缆；25、D/A通讯电缆；26、D/A卡；27、A/D卡；28、上位机主机；29、USB数据通讯线；30本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚合物平面薄板制品表面内应力的测定装置包括机械装置、伺服驱动装置、超声波发射/接收测量装置；具体而言，机械装置包括水平底座(21)、工字型支撑架(20)、矩形支撑架(9)、后支撑板(13)、静滑槽机构、动滑槽机构和滚珠丝杆滑槽机构；工字型支撑架(20)通过M8的连接螺栓(8)固定在底座(21)上，静滑槽机构通过四个M4的连接螺栓(11)和工字型支撑架连接；静滑槽机构包括底板(16)、两个滑槽边(10)、滑块(22)和滑槽导向螺钉(15)；在静滑槽机构中，通过旋转滑槽导向螺钉(15)控制滑块(22)的移动，两个滑槽边(10)和底板(16)是由四个M4的连接螺栓连接在一起，滑块(22)通过预紧螺栓(12)与矩形探头夹块(14)连接，探头夹块(14)的末端夹持有超声波接受探头(3)，通过控制预紧螺栓(12)就可以实现超声波探头的夹紧；矩形支撑架(9)通过四个M8的连接螺栓(8)固定在底座(21)上，矩形支撑架(9)通过四个M4的连接螺栓(11)与滚珠丝杆滑槽机构连接；滚珠丝杆滑槽机构包括底板(16)、两个滑槽边(10)、连接滑块(19)和滚珠丝杆(5)；两个滑槽边(10)和底板(16)是由四个M4的连接螺栓(11)连接在一起，连接滑块(22)嵌在两个滑槽边(10)和底板(16)组成的滑槽内，滚珠丝杆(5)通过底板(16)上的螺纹孔和连接滑块(22)连接，旋转滚珠丝杆(5)可带动连接滑块(19)横向移动，连接滑块(19)通过一个M4连接螺栓(11)和动滑槽机构连接；动滑槽机构包括底板(16)、两个滑槽边(10)、滑块(22)和滑槽导向螺钉(15)，滑块(22)通过探头夹块(14)夹持有超声波发射探头(1)，通过旋转滚珠丝杆(5)就可以带动超声波接受探头(3)横向移动；后支撑板(13)通过两个M8螺钉(23)固定在底板(21)上，后支撑板(13)两边分别标有刻度线；后支撑板(13)嵌入在水平支撑架(18)内、用紧定螺钉(17)可以将水平支撑架(18)固定后支撑板(13)上的任一位置，水平支撑架(18)上标有刻度线，待测薄板样品(7)置于水平支撑架(18)上；伺服驱动装置由伺服电机(6)和电控部分组成，电控部分包括电器柜(32)、伺服控制器(37)、24V开关电源(36)、电源指示灯(33)、急停按钮(34)、伺服电机启动按钮(35)，伺服控制器通过A/D通讯电缆(24)、D/A通讯电缆(25)与上位机(28)实现信息的互换，上位机(28)安装有可以与伺服控制器(37)通信控制的A/D采集卡(27)和控制输入的D/A转换卡(26)，具体控制流程如图4所示；超声波发射/接收测量装置通过超声波发射探头传输电缆(2)和超声波接受探头传输电缆(4)分别和超声波发射探头(1)和接受探头(3)连接，采集到的数据通过USB数据通讯线(29)传送给上位机(28)进行处理计算，上位机对采集信号的处理是通过Qt creator编程软件实现的，把上述测量方法通过Qt creator编程建模，其计算结果就可在上位机显示器(30)上面显示。...
【技术特征摘要】
1.一种聚合物平面薄板制品表面内应力的测定装置，其特征在于：该装置包括机械装置、伺服驱动装置、超声波发射/接收测量装置；具体而言，机械装置包括底座(21)、工字型支撑架(20)、矩形支撑架(9)、后支撑板(13)、静滑槽机构、动滑槽机构和滚珠丝杆滑槽机构；工字型支撑架(20)通过M8的连接螺栓(8)固定在底座(21)上，静滑槽机构通过四个M4的连接螺栓(11)和工字型支撑架连接；静滑槽机构包括底板(16)、两个滑槽边(10)、滑块(22)和滑槽导向螺钉(15)；在静滑槽机构中，通过旋转滑槽导向螺钉(15)控制滑块(22)的移动，两个滑槽边(10)和底板(16)是由四个M4的连接螺栓连接在一起，滑块(22)通过预紧螺栓(12)与矩形探头夹块(14)连接，探头夹块(14)的末端夹持有超声波接受探头(3)，通过控制预紧螺栓(12)就能够实现超声波探头的夹紧；矩形支撑架(9)通过四个M8的连接螺栓(8)固定在底座(21)上，矩形支撑架(9)通过四个M4的连接螺栓(11)与滚珠丝杆滑槽机构连接；滚珠丝杆滑槽机构包括底板(16)、两个滑槽边(10)、连接滑块(19)和滚珠丝杆(5)；两个滑槽边(10)和底板(16)是由四个M4的连接螺栓(11)连接在一起，连接滑块(22)嵌在两个滑槽边(10)和底板(16)组成的滑槽内，滚珠丝杆(5)通过底板(16)上的螺纹孔和连接滑块(22)连接，旋转滚珠丝杆(5)能带动连接滑块(19)横向移动，连接滑块(19)通过一个M4连接螺栓(11)和动滑槽机构连接；动滑槽机构包括底板(16)、两个滑槽边(10)、滑块(22)和滑槽导向螺钉(15)，滑块(22)通过探头夹块(14)夹持有超声波发射探头(1)，通过旋转滚珠丝杆(5)就能够带动超声波接受探头(3)横向移动；后支撑板(13)通过两个M8螺...
【专利技术属性】
技术研发人员：许红，吴大鸣，唐胜德，刘颖，张亚军，郑秀婷，庄俭，赵中里，张岩，黄尧，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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