具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请提供了一种弹性常数测量及分布的测试系统的一个实施例，具体请参阅图1。

本实施例中的弹性常数测量及分布的测试系统包括：多自由度工业机器人9、机器人控制器10、终端计算机11、示波器12、超声脉冲发射接收器13和用于在压电晶片极化后同时或分时产生一个纵波和两个偏振方向相互正交的横波的三模式超声换能器14；三模式超声换能器14设置在多自由度工业机器人9上；终端计算机11与超声脉冲发射接收器13连接，用于控制超声脉冲发射接收器13的响应及参数调节；超声脉冲发射接收器13与三模式超声换能器14连接，用于发射和接收脉冲信号；三模式超声换能器14与测试样品15接触，用于将脉冲信号转为超声信号，并将超声信号传递至测试样品15，再经三模式超声换能器14进行接收；示波器12与超声脉冲发射接收器13连接，用于将数据波形信号可视化，并将采集的模拟信号转为数字信号后，传输到终端计算机11进行分析；终端计算机11与示波器12连接，用于导出并处理可视图像中的图像数据，得到测试样品15的弹性常数及其分布状态；机器人控制器10与多自由度工业机器人9连接，用于多自由度工业机器人9运动轨迹的导入与控制以及将运动过程中三模式超声换能器14与测试样品15接触处三维点坐标信息反馈给机器人控制器10；终端计算机11与机器人控制器10连接，用于多自由度工业机器人9的运动轨迹规划并传入机器人控制器10以及将反馈在机器人控制器10中的三维点坐标信息传入终端计算机11。

需要说明的是：本弹性常数测量及分布的测试系统包括多自由度工业机器人9、机器人控制器10、终端计算机11、示波器12、超声脉冲发射接收器13和三模式超声换能器14，通过记录反馈的三模式超声换能器14与测试样品15接触处运动轨迹的三维点坐标信息与检测点对应的一个纵波和两个正交横波声速，从而获得检测位置两正交方向的弹性常数，再通过多自由度工业机器人9扫描系统获得测试样品15检测面的弹性常数分布，将灰度阴影或颜色分配给弹性常数值，以灰度或者彩色图像表征各向同性或各向异性平板类或复杂曲面类测试样品15不同方向的弹性常数及分布状态。能够对测试样品15任意区域不同方向的弹性常数进行测量及分布状态表征，适用于各向同性或各向异性平板类或复杂曲面类样品不同方向的弹性常数测量及分布状态表征，以及适用于测量样品的动态弹性模量和泊松比。

以上为本申请实施例提供的一种弹性常数测量及分布的测试系统的实施例一，以下为本申请实施例提供的一种弹性常数测量及分布的测试系统的实施例二，具体请参阅图1至图3。

本实施例中的弹性常数测量及分布的测试系统包括：多自由度工业机器人9、机器人控制器10、终端计算机11、示波器12、超声脉冲发射接收器13和用于在压电晶片极化后同时或分时产生一个纵波和两个偏振方向相互正交的横波的三模式超声换能器14；三模式超声换能器14设置在多自由度工业机器人9上；终端计算机11与超声脉冲发射接收器13连接，用于控制超声脉冲发射接收器13的响应及参数调节；超声脉冲发射接收器13与三模式超声换能器14连接，用于发射和接收脉冲信号；三模式超声换能器14与测试样品15接触，用于将脉冲信号转为超声信号，并将超声信号传递至测试样品15，再经三模式超声换能器14进行接收；示波器12与超声脉冲发射接收器13连接，用于数据波形信号的可视化，并将采集的模拟信号转为数字信号后，传输到终端计算机11进行分析；终端计算机11与示波器12连接，用于导出并处理可视图像中的图像数据，得到测试样品15的弹性常数及其分布状态；机器人控制器10与多自由度工业机器人9连接，用于多自由度工业机器人9运动轨迹的导入与控制以及将运动过程中三模式超声换能器14与测试样品15接触处三维点坐标信息反馈给机器人控制器10；终端计算机11与机器人控制器10连接，用于多自由度工业机器人9的运动轨迹规划并传入机器人控制器10以及将反馈在机器人控制器10中的三维点坐标信息传入终端计算机11。

三模式超声换能器14由纵波直探头和横波直探头组成，使三模式超声换能器14发射的超声可以垂直入射测试样品15表面，减少了波形转换引起的能量弱、杂波多等问题。

具体的，如图2所示，三模式超声换能器14包括底部开口的外壳1、压电晶片、阻尼块5和匹配层8，匹配层8位于外壳1的开口处，压电晶片水平置于阻尼块5和匹配层8之间。其中外壳1用于保护三模式超声换能器14内部元件，将核心部分进行封装；压电晶片用于电声之间的相互转换，压电晶片发射超声波时，在电脉冲激励下压电晶片振动，产生超声波，在接收超声波时，超声波作用于压电晶片，引起压电晶片受迫振动产生形变而转换成相应的电信号；阻尼块5用于吸收压电晶片发射的超声波，以防止杂波过多干扰换能器的信号采集，以及产生阻尼作用，使三模式超声换能器14发射超声波脉冲后尽快停止振动，此外，阻尼块5不传播声波，只起到吸收背向杂散声波的作用，降低噪声，提高探头信噪比；匹配层8用于实现三模式超声换能器14和测试样品15之间的声阻抗匹配，能够将探头辐射的声波能量利用率得到提升，以及对压电晶片进行保护，避免在工作环境中受到污染或者破坏；隔声材料3用于进行振动隔离，减少相互之间的振动串扰，以提高整体信噪比。

压电晶片包括纵波压电晶片2、第一横波压电晶片6和第二横波压电晶片7，第一横波压电晶片6与第二横波压电晶片7极化后产生的横波偏振方向相互正交且传播方向相同。

如图2和图3所示，纵波压电晶片2、第一横波压电晶片6和第二横波压电晶片7的组合形式可以为内嵌包含式，其中，压电晶片的中部为第一横波压电晶片6和第二横波压电晶片7，压电晶片的外环为纵波压电晶片2；纵波压电晶片2与第一横波压电晶片6之间、第一横波压电晶片6与第二横波压电晶片7之间、第二横波压电晶片7与纵波压电晶片2之间均设置有隔声材料3。

纵波压电晶片2、第一横波压电晶片6和第二横波压电晶片7均为发射接收压电晶片，可以直接发射接收超声纵波和横波，三者可以同时收发，也可分时收发，三者可以频率相同，也可不同。

纵波压电晶片2、第一横波压电晶片6和第二横波压电晶片7分别通过电极引线4从外壳1顶部开口引出。

可以理解的是，多自由度工业机器人9须满足在三维空间内可以进行自由运动，如现有的史陶比尔六轴机械手。

如图4所示，本申请还提供了一种基于上述的弹性常数测量及分布的测试系统的测试方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：将测试样品15放置于搭载三模式超声换能器14的多自由度工业机器人9的工作区域中；多自由度工业机器人9进行路径规划，在测试样品15表面按规划的路径进行接触式扫查，并实时反馈三模式超声换能器14运动轨迹的三维点坐标信息。

需要说明的是：多自由度工业机器人9可以将各关节坐标或三维空间直角坐标反馈给机器人控制器10，然后通过终端计算机11从机器人控制器10中读取多自由度工业机器人9末端执行器的三维空间直角坐标，即可获得三模式超声换能器14与测试样品15接触处运动轨迹的三维点坐标信息反馈。

步骤2：三模式超声换能器14通过接触式脉冲回波法进行超声声速的测量，通过测量同时获得纵波压电晶片2入射到测试样品15检测点的纵波声速以及第一横波压电晶片6和第二横波压电晶片7入射到测试样品15检测点的两个正交的偏振横波声速。

需要说明的是：声速可通过超声波传播时间和测试样品15检查点的厚度所求得。具体的，纵横波声速的测量是根据第一次底面反射回波B1与第二次底面反射回波B2波形的对应波峰之间的时间差以及测试样品15的厚度，可以确定三种模式的超声波在测试样品15中传播的速度。

声速：

其中，h为测试样品15检测点的厚度，(t_B2-t_B1)为第二次底面反射回波和第一次底面反射回波的时间差。

步骤3：终端计算机11根据纵波声速、横波声速以及测试样品15的密度计算(其中测试样品15的密度可在扫查检测前测得并直接输入终端计算机11)，获得测试样品15的弹性常数，弹性常数包括泊松比、杨氏模量和剪切模量；将灰度阴影或颜色分配给弹性常数值，并在终端计算机11中利用三维点坐标信息和具有灰度阴影或颜色的弹性常数值进行匹配构建灰度或彩色图像；对测试样品15不同方向的弹性常数进行测量及其分布状态进行表征，对测试样品15的力学性能进行评估。

步骤1中，测试样品15表面为平面或曲面；测试样品15的材质为各向同性材料或各向异性材料。

步骤1中，在测试样品15表面按规划的路径进行接触式扫查前，可对多自由度工业机器人9的工作参数进行调控，工作参数至少包括扫描速度和扫描步进，在按规划路径扫描时保证纵横波波形同时获取并时刻保持垂直于接触表面入射测试样品15。

步骤3中，根据纵波声速、横波声速以及测试样品15的密度计算测试样品15的泊松比、杨氏模量和剪切模量等弹性常数。在各向异性测试样品15中，不同方向声速和弹性常数都各不相同，为考虑各向异性，以V_ij表示声速，其中i为波形传播方向，j为波形振动方向，i、j＝x、y和z。当i＝j时，为纵波；反之，则为横波。计算测试样品15弹性常数，如下所示：

泊松比：

杨氏模量：

剪切模量：

其中：V_ii为纵波声速；V_ij为横波声速；ρ为密度；σ_ij为泊松比；E_ij为杨氏模量；G_ij为剪切模量。

具体实施时，如图1所示，首先，将半圆环测试样品15放置于搭载三模式超声换能器14的多自由度工业机器人9的工作区域中，并将待测试样品15的三维模型导入终端计算机11的机器人路径规划软件中。通过机器人控制器10控制多自由度工业机器人9对测试样品15进行工件坐标系校准，使得机器人路径规划软件中测试样品15的位置坐标与测试样品15实际检测区域的位置坐标相一致，然后在终端计算机11的机器人路径规划软件中对测试样品15需要检测区域进行扫查路径规划，将机器人路径规划软件生成的扫查路径文件导入机器人控制器10中，控制多自由度工业机器人9在测试样品15表面按规划路径进行接触式扫查，终端计算机11通过程序可以从机器人控制器10中读取多自由度工业机器人9末端执行器的三维空间直角坐标，即可获得三模式超声换能器14与测试样品15接触处运动轨迹的三维点坐标信息反馈；

然后，三模式超声换能器14采用接触式脉冲回波法进行超声声速的测量，终端计算机11控制超声脉冲发射接收器13的响应，激励三模式超声换能器14产生超声信号，超声信号传至测试样品15底面被反射，再经三模式超声换能器14接收后传入超声脉冲发射接收器13中，然后信号传入示波器12中，进行数据波形信号的可视化，并将采集的模拟信号转为数字信号传输到终端计算机11中进行分析，获得纵波和两正交横波声速；

最后，通过超声纵波和横波声速的计算，以及测试样品15的质量密度，从而获得测试样品15的泊松比、杨氏模量和剪切模量。将灰度阴影或颜色分配给泊松比、杨氏模量和剪切模量值，以及在终端计算机11中利用反馈的三维点坐标信息和具有灰度阴影或颜色的弹性常数值进行匹配构建灰度或彩色图像，对测试样品15不同方向的弹性常数进行测量及其分布状态进行表征，对测试样品15的力学性能进行评估。

本发明测试各向同性或各向异性平板类或复杂曲面类测试样品15不同方向的弹性常数及分布状态，以及在线监测样品弹性常数的变化，如增材制造过程中样品弹性常数的在线监测。有效解决了目前采用人工对大面积平面或复杂曲面样品进行全方位检测的复杂性、局限性，快速有效的同时获取不同方向的泊松比、杨氏模量和剪切模量等弹性常数及分布，检测效率高，自动化程度高，可视化程度高。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。