用于教學(xué)的超聲波綜合測量裝置的制作方法

本發(fā)明屬于實驗教學(xué)儀器領(lǐng)域，特別是涉及一種用于教學(xué)的超聲波測量裝置。

背景技術(shù)：

隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，超聲波以其高精度、無損、非接觸等優(yōu)點廣泛地應(yīng)用于機械制造、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、石油化工、交通生物科學(xué)等領(lǐng)域，發(fā)揮著不可取代的獨特作用。例如,在超聲處理方面，利用超聲波的機械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進行超聲焊接、鉆孔、粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學(xué)反應(yīng)和進行生物學(xué)研究等。在超聲檢測方面,利用超聲波檢驗固體材料內(nèi)部的缺陷、材料尺寸測量、物理參數(shù)測量等。鑒于超聲波的廣泛應(yīng)用,超聲波相關(guān)知識的普及就十分必要。由于超聲波的聲場形成過程、介質(zhì)中的傳播規(guī)律及超聲波探測的工作原理比較抽象，采用直觀的實驗教學(xué)方式更有利于學(xué)生觀察、理解超聲波的產(chǎn)生、傳播規(guī)律及超聲探測原理，因此開發(fā)研制用于教學(xué)的超聲波探測裝置意義重大。

目前，國內(nèi)物理實驗中有關(guān)超聲波的實驗內(nèi)容單一，其中原因之一是缺乏性能良好的超聲波實驗教學(xué)儀器，基本上都是超聲速測量儀，教學(xué)目標(biāo)和效果一般；特別是關(guān)于超聲波的各種性能測量的儀器通常是分散的，無法同時進行多項超聲波測試實驗；另外，這種應(yīng)用到物理教學(xué)上的教學(xué)實驗儀器，一般精度較高，價格昂貴，維護需要投入大量的人力物力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種用于教學(xué)的超聲波綜合測量裝置，其基于分光計的的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用原理，通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)改進，并與教學(xué)實驗匹配結(jié)合，可以具有多項超聲波測試實驗的一體化功能，而且其結(jié)構(gòu)簡單，精度高。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供一種用于教學(xué)的超聲波綜合測量裝置，其特征在于，包括：

置于支撐面上的底座，該底座上設(shè)置有超聲波發(fā)射裝置，用于產(chǎn)生并發(fā)射超聲波；

設(shè)置在底座上的軸，其與支撐面垂直；

轉(zhuǎn)臂，其一端套接在所述軸上并可相對轉(zhuǎn)動，另一端作為自由端與導(dǎo)軌端部連接，用于帶動導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，該導(dǎo)軌上設(shè)置有超聲波接收裝置；

刻度盤，其中心開孔并套裝在所述軸上，并可相對所述軸轉(zhuǎn)動；

游標(biāo)盤，其中心開孔并套裝在所述軸上，并可相對所述軸轉(zhuǎn)動以及相對刻度盤轉(zhuǎn)動；以及

載物臺，其套裝在所述軸的上端，用于承載測量樣品，其可相對該軸轉(zhuǎn)動并同時可相對游標(biāo)盤轉(zhuǎn)動。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述導(dǎo)軌包括第一導(dǎo)軌和第二導(dǎo)軌，其中所述第一導(dǎo)軌的一端與轉(zhuǎn)臂的自由端連接，該第一導(dǎo)軌上套設(shè)有可相對其滑動的第一導(dǎo)軌滑塊，所述第二導(dǎo)軌通過該第一導(dǎo)軌滑塊垂直設(shè)置在該第一導(dǎo)軌上，所述超聲波接收裝置安裝在該第二導(dǎo)軌上。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述第二導(dǎo)軌上設(shè)置有第二導(dǎo)軌滑塊，其可相對于所述第二導(dǎo)軌滑動，所述超聲波接收裝置設(shè)置在該第二導(dǎo)軌滑塊上。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述刻度盤位于轉(zhuǎn)臂之上，其在所述軸上相對底座的高度高于轉(zhuǎn)臂，該刻度盤與轉(zhuǎn)臂可相對轉(zhuǎn)動，該刻度盤一端設(shè)置有刻度盤鎖緊螺釘，其可在刻度盤轉(zhuǎn)動到位后鎖緊其與軸的相對轉(zhuǎn)動。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述游標(biāo)盤位于刻度盤之上，其在所述軸上相對底座的高度高于刻度盤，所述游標(biāo)盤與轉(zhuǎn)臂可相對轉(zhuǎn)動，且所述軸上套接有鎖緊套，該鎖緊套與游標(biāo)盤組成轉(zhuǎn)動副，該鎖緊套一端設(shè)置刻度盤鎖緊螺釘，其可在游標(biāo)盤轉(zhuǎn)動到位后鎖緊其與軸的相對轉(zhuǎn)動。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述載物臺下端設(shè)置載物臺鎖緊螺釘，用于在載物臺相對軸轉(zhuǎn)動到位后鎖緊其相對轉(zhuǎn)動，該載物臺上設(shè)置有調(diào)平螺釘，用于載物臺的調(diào)平。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述載物臺中心的沉頭孔內(nèi)設(shè)置有水平泡，用于條件載物臺的水平，該水平泡下端穿過載物臺沉頭孔并與載物臺形成轉(zhuǎn)動副。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述轉(zhuǎn)軸的自由端下部與第一萬向輪連接，第一萬向輪設(shè)置在轉(zhuǎn)臂與支撐面之間，用于在轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動時支撐并隨動，所述轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動可帶動第一導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，所述第一導(dǎo)軌另一端設(shè)置有支撐該端的第二萬向輪。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述底座上設(shè)置有超聲波發(fā)射裝置固定桿，其與軸3平行間隔布置，超聲波發(fā)射裝置通過該超聲波發(fā)射裝置固定桿安裝。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述轉(zhuǎn)臂與軸套接的端部內(nèi)側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)臂鎖緊軟銅片，所述刻度盤與軸套接的中心孔內(nèi)側(cè)設(shè)置刻度盤鎖緊軟銅片，所述游標(biāo)盤與軸套接的中心孔內(nèi)壁設(shè)置游標(biāo)盤鎖緊軟銅片，所述載物臺與軸套接的孔內(nèi)壁設(shè)置載物臺鎖緊軟銅片。

本發(fā)明還公開了上述用于教學(xué)的超聲波綜合測量裝置在進行超聲波波長的測量、超聲波傳播速度的測量、超聲波反射系數(shù)和規(guī)律的試驗、同介質(zhì)中超聲波的折射率測量、超聲波三棱鏡頂角測量、超聲波單縫衍射觀測、超聲波雙縫干涉觀測、或模擬X射線衍射儀測量晶體模型的布拉格衍射中的應(yīng)用。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的超聲波綜合測量裝置通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)改進，超聲波接收端不僅可以前后移動，還可以左右轉(zhuǎn)動及上下移動，以此可以實現(xiàn)三維測量，除超聲速的測量之外還可以測量超聲波的其他物理特性，如干涉、衍射、折射以及布拉格衍射等；

(2)本發(fā)明的超聲波綜合測量裝置，其中游標(biāo)盤與刻度盤相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，其分度值會更小，測量精度會更高，在達到裝配精度的情況下測量角度的精度會有所提高；

(3)本發(fā)明的超聲波綜合測量裝置，其中底座、軸、載物臺以及超聲波發(fā)生裝置與接收裝置的匹配設(shè)計，可以與物理教學(xué)實驗內(nèi)容匹配結(jié)合，可以具有多項超聲波測試實驗的一體化功能，而且其結(jié)構(gòu)簡單，精度高。

附圖說明

圖1為按照本發(fā)明實施例所構(gòu)建的超聲波綜合測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的超聲波綜合測量裝置測量部分的局部放大圖；

圖3為圖1的超聲波綜合測量裝置的局部剖視圖；

圖4為圖1的超聲波綜合測量裝置的超聲波發(fā)射端的局部放大圖；

圖5為圖1的超聲波綜合測量裝置的超聲波接收端局部放大圖；

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-底座，2-調(diào)平螺釘，3-軸，4-轉(zhuǎn)臂，5-第一萬向輪，6-第一導(dǎo)軌，7-第二萬向輪，8-第二導(dǎo)軌，9-超聲波接收裝置，10-刻度盤，11-載物臺，12-水平泡，13-游標(biāo)盤，14-鎖緊套，15-超聲波發(fā)射裝置，16-超聲波發(fā)射裝置固定桿，17-轉(zhuǎn)臂鎖緊螺釘，18-超聲波壓電換能器俯仰角調(diào)節(jié)螺釘，19-載物臺鎖緊螺釘，20-游標(biāo)盤鎖緊螺釘，21-刻度盤鎖緊螺釘，22-卡緊片，23-刻度盤鎖緊軟銅片，24-轉(zhuǎn)臂鎖緊軟銅片，25-推力圓柱滾子軸承，26-游標(biāo)盤鎖緊軟銅片，27-載物臺鎖緊軟銅片，28-游標(biāo)，29-超聲波發(fā)射裝置固定桿固定螺栓，30-凹槽，31-緊固片，32-超聲波發(fā)射裝置調(diào)節(jié)螺釘,33-第二滑塊鎖緊螺釘，34-第二導(dǎo)軌緊固螺釘，35-第一滑塊鎖緊螺釘，36-第二導(dǎo)軌槽口，37-第一導(dǎo)軌緊固螺釘，38-第二導(dǎo)軌滑塊，39-第一導(dǎo)軌滑塊。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明一個實施例所構(gòu)建的超聲波綜合測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的一種超聲波綜合測量裝置，用于物理教學(xué)中，其包括底座1，軸3，轉(zhuǎn)臂4，刻度盤10，游標(biāo)盤13，其中，軸3垂直設(shè)置在底座1上，通過該底座1支撐。轉(zhuǎn)臂4優(yōu)選呈桿狀，其一端套接在軸3上，可相對軸3轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臂4另一端為自由端，其與第一導(dǎo)軌6端部連接，轉(zhuǎn)臂4的自由端下部與第一萬向輪5連接，第一萬向輪5設(shè)置在轉(zhuǎn)臂4與支撐面之間，用于在轉(zhuǎn)臂4轉(zhuǎn)動時支撐并隨動。轉(zhuǎn)臂4的轉(zhuǎn)動可帶動第一導(dǎo)軌6轉(zhuǎn)動，第一導(dǎo)軌6另一端也設(shè)置有萬向輪，即第二萬向輪7。

如圖5所示，第二導(dǎo)軌8的一端通過滑塊設(shè)置在第一導(dǎo)軌6上，且第二導(dǎo)軌8相對第一導(dǎo)軌6垂直設(shè)置，該第二導(dǎo)軌可在第一導(dǎo)軌6上相對滑動。超聲波接收裝置9通過滑塊設(shè)置在第二導(dǎo)軌8上，并可在第二導(dǎo)軌8上相對滑動。

如圖5所示，第二導(dǎo)軌8上設(shè)置有第二導(dǎo)軌滑塊38，超聲波接收裝置9通過第二導(dǎo)軌滑塊38設(shè)置在第二導(dǎo)軌8上，且第二導(dǎo)軌滑塊38上設(shè)置有第二滑塊鎖緊螺釘33，用于在第二導(dǎo)軌滑塊38在第二導(dǎo)軌8上滑動到位后通過該第二滑塊鎖緊螺釘33鎖緊固定。

第二導(dǎo)軌8通過第一導(dǎo)軌滑塊39與第一導(dǎo)軌6連接，該第二導(dǎo)軌8通過第一導(dǎo)軌滑塊39與第一導(dǎo)軌6垂直安裝，且通過該第一導(dǎo)軌滑塊39實現(xiàn)在第一導(dǎo)軌6上的滑動。第一導(dǎo)軌滑塊39上設(shè)置有第二導(dǎo)軌緊固螺釘34，其用于在第二導(dǎo)軌8與第一導(dǎo)軌滑塊39固定，第一導(dǎo)軌滑塊39上還設(shè)置有第一滑塊鎖緊螺釘35，其用于在第一導(dǎo)軌滑塊39滑動到位后鎖緊第一導(dǎo)軌滑塊39與第一導(dǎo)軌6之間的相對滑動。

第一導(dǎo)軌6的端部通過第一導(dǎo)軌緊固螺釘37與轉(zhuǎn)臂4的一端螺紋配合，轉(zhuǎn)臂4的上端設(shè)置第二導(dǎo)軌槽口36。

如圖1所示，底座1上還設(shè)置有超聲波發(fā)射裝置固定桿16，其優(yōu)選垂直于底座1，通過該底座1支撐，優(yōu)選該超聲波發(fā)射裝置固定桿16與軸3平行間隔布置。超聲波發(fā)射裝置固定桿16上安裝有超聲波發(fā)射裝置15，用于產(chǎn)生并發(fā)射超聲波。

如圖2所示，轉(zhuǎn)臂4套裝在軸3上的一端設(shè)置有一轉(zhuǎn)臂鎖緊螺釘17，在轉(zhuǎn)臂4轉(zhuǎn)動到位后可通過其鎖緊轉(zhuǎn)臂4與軸3之間的相對轉(zhuǎn)動。

刻度盤10的中心開孔，并套在該軸3上，可相對軸3轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，刻度盤10位于轉(zhuǎn)臂4之上，即相對底座1，刻度盤10的高度高于轉(zhuǎn)臂4。刻度盤10與轉(zhuǎn)臂4可相對轉(zhuǎn)動。如圖2，優(yōu)選地，刻度盤10一端設(shè)置刻度盤鎖緊螺釘21，其可在刻度盤10轉(zhuǎn)動到位后鎖緊其與軸3的相對轉(zhuǎn)動?？潭缺P10可以是半圓形，也可以是圓形的，也可以是其他角度的弧形。

游標(biāo)盤13的中心開孔，并套在該軸3上，可相對軸3轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，游標(biāo)盤13位于刻度盤10之上，即相對底座1，游標(biāo)盤13的高度高于刻度盤10。游標(biāo)盤13與轉(zhuǎn)臂4可相對轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，軸3上套接有鎖緊套14，該鎖緊套14與游標(biāo)盤13組成轉(zhuǎn)動副，鎖緊套14一端設(shè)置刻度盤鎖緊螺釘20，其可在游標(biāo)盤13轉(zhuǎn)動到位后鎖緊其與軸3的相對轉(zhuǎn)動。游標(biāo)盤13可以是半圓形，也可以是圓形的，，也可以是其他角度的弧形。

載物臺11設(shè)置在軸3相對底座端的另一端，如圖1所示為軸3的頂部。載物臺11可相對軸3轉(zhuǎn)動，載物臺11下端設(shè)置載物臺鎖緊螺釘19，用于在載物臺11相對軸3轉(zhuǎn)動到位后鎖緊其相對轉(zhuǎn)動。載物臺11上設(shè)置有調(diào)平螺釘2，用于載物臺11的調(diào)平。

如圖3所示，轉(zhuǎn)臂4與軸3套接的一端的內(nèi)側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)臂鎖緊軟銅片24，刻度盤10一端內(nèi)側(cè)設(shè)置刻度盤鎖緊軟銅片23，游標(biāo)盤一端內(nèi)側(cè)設(shè)置游標(biāo)盤鎖緊軟銅片26，載物臺11的下端設(shè)置載物臺鎖緊軟銅片27。載物臺11沉頭孔處設(shè)置水平泡12，例如長度為30mm，其用于水平調(diào)節(jié)。水平泡12下端穿過載物臺11沉頭孔處，與載物臺形成轉(zhuǎn)動副。

軸3為階梯軸，具有至少兩個軸肩，其中位于下部的第一軸肩下端與螺母螺紋配合，位于上部的第二軸肩卡在底座1的下端的內(nèi)孔上，軸3的頂端設(shè)置一卡緊片22，底座1上端內(nèi)孔設(shè)置一推力圓柱滾子軸承25，軸3的第二軸肩壓在推力圓柱滾子軸承25上，游標(biāo)28設(shè)置在游標(biāo)盤弧線中部。

如圖4所示，超聲波發(fā)射裝置固定桿16的下端設(shè)置一超聲波發(fā)射裝置固定桿固定螺栓29，超聲波發(fā)射裝置固定桿的上端設(shè)置有深度例如50mm的方形凹槽30，凹槽30與緊固片31配合，可使超聲波發(fā)射裝置15上下移動，超聲波發(fā)射裝置15兩端設(shè)置有兩個超聲波發(fā)射裝置調(diào)節(jié)螺釘32。

本發(fā)明的測量裝置包括超聲波發(fā)射系統(tǒng)，超聲波分光度計，超聲波接收系統(tǒng)，超聲波綜合測量裝置，超聲介質(zhì)和超聲波元件盒，以完成包括例如超聲波波長的測量、超聲波的傳播速度的測量、超聲波的反射系數(shù)和規(guī)律的研究、不同介質(zhì)中超聲波的折射率測量、超聲波三棱鏡頂角測量、超聲波單縫衍射觀測、超聲波雙縫干涉觀測、模擬X射線衍射儀測量簡單晶體模型的布拉格衍射等試驗和測量。

本發(fā)明的綜合測量裝置，發(fā)射端固定在底座1的支撐腳上，接收端固定在轉(zhuǎn)臂4一側(cè)上，可以左右轉(zhuǎn)動。游標(biāo)盤13與刻度盤10優(yōu)選可以分別都是圓、半圓、也可以是其他角度的弧形。游標(biāo)盤13可以是單游標(biāo)，也可以是通過直徑中心相隔180°對稱的雙游標(biāo)游標(biāo)。游標(biāo)盤13上的刻度優(yōu)選分成30小格，在達到裝配精度的情況下測量角度的精度會有所提高。

本發(fā)明綜合測量裝置的超聲波接收端不僅可以前后移動，還可以左右轉(zhuǎn)動及上下移動，以此可以實現(xiàn)三維測量，因此，可以進行超聲速的測量之外還可以測量超聲波的其他物理特性，如干涉、衍射、折射以及布拉格衍射等。

具體地，在一個具體實施例中，該裝置在進行三維測量裝置時，其接收端固定于第二導(dǎo)軌8上，而該第二導(dǎo)軌8則與第一導(dǎo)軌6配合，該第二導(dǎo)軌8一面刻有刻度，量程優(yōu)選為150mm，分度值優(yōu)選為1mm，類似于游標(biāo)卡尺的主尺，另外，第二導(dǎo)軌滑塊38上有刻度線(測量精度優(yōu)選為0.02mm)，只是沒有卡住被測物體的測量爪，讀數(shù)方法跟游標(biāo)卡尺的一樣。移動第二導(dǎo)軌滑塊到所需要的位置，擰緊緊固螺釘固定滑塊，通過讀數(shù)便可知道接收端在該方向上的位移量，進而測得實驗數(shù)據(jù)。優(yōu)選量程為300mm的第一導(dǎo)軌通過第一導(dǎo)軌滑塊與第二導(dǎo)軌8配合，第一導(dǎo)軌滑塊39滑塊同樣有刻度線，相當(dāng)于一游標(biāo)。此導(dǎo)軌固定于轉(zhuǎn)臂上，當(dāng)將轉(zhuǎn)臂與發(fā)射端軸線平行時，配合第二導(dǎo)軌的滑塊的移動方向?qū)⑵叫杏诔暡òl(fā)射端軸線，此導(dǎo)軌滑塊的配合是為了測量超聲波接收端前后移動的位移距離，前后移動到合適的距離并用緊固螺釘緊固即可讀出讀數(shù)，此方向可以進行超聲速的測量。為了防止第一導(dǎo)軌在實驗過程中發(fā)生彎曲變形，還在前端和末端加一支撐萬向輪，支撐萬向輪的高度恰好使第一導(dǎo)軌平行于水平面(減少實驗誤差)。

在進行超聲波接收端不需要前后移動是可以將第一導(dǎo)軌6取下，而將第二導(dǎo)軌8直接固定在轉(zhuǎn)臂4上的第二導(dǎo)軌槽口36上，這樣可以減小進行實驗的占地面積，同時可以因力臂過長而影響測量精度。

發(fā)射端是固定在底座支撐腳上的，但是在實驗過程中為了能找到發(fā)射端最佳的位置，該裝置將超聲波壓電換能器通過緊固套固定在發(fā)射支架上。載物臺11上有一沉頭孔，沉頭孔里放置有水平泡，檢測載物臺是否水平，而調(diào)節(jié)載物臺水平則通過載物臺下端的三根調(diào)節(jié)螺釘來實現(xiàn)。

每當(dāng)實驗開始之前都需要將超聲波發(fā)射端與接收端軸線重合，以此可以減小實驗誤差。在目測兩端是平行的情況下稍微轉(zhuǎn)動接收端，此過程中通過觀察示波器的波形尋找峰值，出現(xiàn)峰值的時候便說明了是兩端平行的，在進行干涉、衍射、折射的實驗時也是通過觀察示波器尋找波峰波谷的位置而測得實驗數(shù)據(jù)的。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。