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

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,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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

本发明基于以下的测量方法：

本发明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：

$\frac{V-V_0}{V_0}=\mathrm{K\sigma }---\left(1\right)$

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。

本发明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：

$\delta =\frac{V-V_0}{V_0}---\left(2\right)$

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。

本发明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

$V=\frac{d_1-d_0}{t_1-t_0}=\frac{\mathrm{\Delta d}}{\mathrm{\Delta t}}---\left(3\right)$

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。

本发明基于伺服驱动原理，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。

发明内容

本发明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，本发明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，本发明所述的一种聚 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上面显示。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

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、 上位机显示器；31、超声波接受/发射装置；32、电器柜；33、电源 指示灯；34、急停按钮；35、伺服电机启动按钮；36、24V开关电源； 37、伺服控制器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-4所示，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，本发明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(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。

应用上述聚合物薄板内应力测定装置，本发明所述的实施方法， 包括以下测量步骤：

1)在相同工艺条件下，注塑若干聚碳酸酯薄板实验样品，此样 品厚2mm，宽89mm，高100mm。然后取其中三块实验样品放在烘 箱中保温退火2-3个小时。

2)用上述内应力测定装置测量退火后样本的超声波波速V₀。

3)用上述内应力测定装置测量未退火实验样本的超声波波速V。

4)根据公式1求出δ大小，就可以表征被测样品在某一位置处 内应力的大小和表现形式。

实施例

一、用上述聚合物薄板内应力测定装置测量退火后样品的超声波 波速V₀

1)选取退火效果比较好的聚碳酸酯薄板实验样品放在水平支撑 架上，待上位机初始化，调整被测薄板实验样品到合适的测量位置， 然后旋转滑槽螺钉使两探头与样品充分接触直到超声波测量装置上 有很好的采集信号。

2)点击上位机上面的超声波信号采集按钮，超声波测量装置就 采集到初始飞跃时间t₀，为了采样的准确性，连续采样三次，取平均 值，结果如表1所示。测量结果通过USB数据通讯线传送到上位机 中保存。

表1退火后被测样品在初始位置采集到的飞跃时间t0/us

  第一次采样 第二次采样 第三次采样 平均值 t₀/us 19.33030 19.30984 19.35926 19.33312

3)按下电器控制柜上的伺服电机启动按钮，然后再上位机中输 入要测量的距离Δd为2mm，这时上位机通过公式4计算出需要转动 的圈数之后发送指令给伺服控制器，由伺服控制器精确控制伺服电机 实现接受探头的横向移动距离。在伺服电机停止转动后，再次点击上 位机上面的超声波信号采集按钮，超声波测量装置就采集到飞跃时间 t1，连续采样三次，再取平均值，测量结果如表2所示。

表2退火后被测样品在接受探头移动1mm后采集到的飞跃时间 t1/us

  第一次采样 第二次采样 第三次采样 平均值 t₁/us 20.06243 20.10959 20.01705 20.063025

4)通过两次采集到的飞跃时间值作差可得到Δt；

Δt＝t₁-t₀＝20.06302-19.33312＝0.7299μs

5)退火后样品的超声波波速V0＝Δd/Δt＝2740.1013m/s

为了提高测量精度，可以多次移动接受探头的距离，然后再求所 有测量段内的超声波波速的平均值。退火后样品的超声波波速值最后 保存在上位机中。

二、用上述聚合物薄板内应力测定装置测量未退火样品某一位置 处的超声波波速V₁

1)把聚碳酸酯薄板实验样品放在水平支撑架上，待上位机初始 化，调整被测薄板实验样品到合适的测量位置，然后旋转滑槽螺钉使 两探头与样品充分接触直到超声波测量装置上有很好的采集信号。

2)点击上位机上面的超声波信号采集按钮，超声波测量装置就 采集到初始飞跃时间t₀，为了采样的准确性，连续采样三次，取平均 值，结果如表3所示。测量结果通过USB数据通讯线传送到上位机 中保存。

表3被测样品在初始位置采集到的飞跃时间t0/us

  第一次采样 第二次采样 第三次采样 平均值 t₀/us 19.32331 19.31404 19.30512 19.314156

3)按下电器控制柜上的伺服电机启动按钮，然后再上位机中输 入要测量的距离Δd为1mm，这时上位机通过公式3计算出需要转动 的圈数之后发送指令给伺服控制器，由伺服控制器精确控制伺服电机 实现接受探头的横向移动距离。在伺服电机停止转动后，再次点击上 位机上面的超声波信号采集按钮，超声波测量装置就采集到飞跃时间 t1，连续采样三次，再取平均值，测量结果如表4所示。

表4接受探头移动1mm后采集到的飞跃时间t1/us

  第一次采样 第二次采样 第三次采样 平均值 t₁/us 19.64243 19.65959 19.63705 19.650681

4)通过两次采集到的飞跃时间值作差可得到Δt；

Δt＝t₁-t₀＝19.650681-19.314156＝0.3364us

5)被测样品某一测量位置处的超声波波速 V＝Δd/Δt＝2972.651m/s

三、根据聚碳酸薄板制品表面内应力表征公式2可得出：

$\delta =\frac{V-V_0}{V_0}=\frac{2972.651-2940.1013}{2940.1013}=0.011$

由测量结果可知δ>0，所以在薄板测量位置处沿着测量方向的内 应力表现为压应力，并且用δ表征的相对大小为0.011。另外，在横 向和纵向移动被测薄板样品就可以测量不同位置处的δ值，从而就可 以知道整个被测薄板样品的内应力相对大小的分布图和表现形式。

本发明与传统的内应力测试方法具有下列明显的优势：

1)由于在本发明专利中用滚珠丝杆、伺服电机等高精度的驱动 机构以及自动化的测量控制，避免了人为测量带来的误差，测量准确 度更高，并且能对被测样品不同位置处的内应力进行微小距离内的测 量。

2)测量结果能快速在上位机中显示。

3)基于制品表面内应力的复杂性，采用δ表征的方法使测量过 程更加简单、快捷，避免了声弹性系数的复杂计算。