超高頻疲勞試驗系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種超高頻疲勞試驗系統。該系統包括超聲發生器、超聲波換能器、變幅桿和應力加載裝置。超聲發生器連接于所述超聲波換能器，產生激勵信號。超聲波換能器是雙激勵換能器且連接所述變幅桿，轉變所述激勵信號為聲能信號。變幅桿放大聲能信號。應力加載裝置與所述變幅桿正對。由于本實用新型的超聲波換能器是雙激勵換能器，這樣，其工作頻率55KHz高于一般超聲頻率，滿足超聲手術刀的超高頻疲勞試驗外，還可推廣至航空、航天等超高周次的疲勞試驗。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于疲勞檢測與試驗領域，特別涉及一種頻率>20KHz的，可用于微創 超聲手術刀進行疲勞檢測的超聲疲勞試驗系統。 超高頻疲勞試驗系統
【背景技術】
[0002] 微創是現代科技發展和外科創新相結合而形成的一種新的醫學理念，其目的是以 最小的侵襲或損傷達到最佳的外科治療效果。具有傷口小，出血少，恢復快，疤痕小等優點 的單孔微創手術的迅速發展和推廣應用，不僅為超聲手術刀的發展開拓了廣闊空間，同時 也對超聲手術刀提出了新的挑戰，即：如何提高超聲手術刀的抗疲勞特性，提升手術的安全 性，延長手術刀的使用壽命。
[0003] 目前，臨床上常用的超聲手術刀的工作頻率約為55kHz，即處于每秒鐘約5. 5 _ 104 次的商頻振動的工作狀態，其振幅約為50 μ m、循環周次商但歷時短，易廣生疲勞，造成手術 刀刀頭斷裂。如何對檢測超聲手術的疲勞強度是解決其安全性的關鍵。疲勞檢測領域，傳統 的伺服液壓實驗機頻率在lO-lOOHz，但材料的高疲勞循環周次介于10 5-107之間，超高周次 更是超過1〇8次，疲勞檢測的時間成本和經濟成本直接限制了其應用。而現有的超聲疲勞試 驗機20KHz左右，由于超聲手術刀的自身尺寸及超高周次疲勞損傷特點，也不能很好適用。
【發明內容】
[0004] 本實用新型解決的問題是現有疲勞試驗系統的工作頻率低而無法進行超高頻次 疲勞試驗的問題。
[0005] 為解決上述問題，本實用新型提供一種超1?頻疲勞試驗系統，該系統包括超聲發 生器、超聲波換能器、變幅桿和應力加載裝置，其中，所述超聲發生器連接于所述超聲波換 能器，產生激勵信號；所述超聲波換能器是雙激勵換能器且連接所述變幅桿，轉變所述激勵 信號為聲能信號；所述變幅桿放大聲能信號；所述應力加載裝置與所述變幅桿正對。
[0006] 在進一步方案中，所述系統還包括激光測振儀和計算機控制系統，其中，激光測振 儀測量連接于應力加載裝置和變幅桿的被測試樣的振動位移，所述計算機控制系統對該振 動位移進行PID計算而獲得控制信號，所述超聲發生器根據該控制信號產生激勵信號。
[0007] 在進一步方案中，所述變幅桿是由長度均為半波長的一級變幅桿和二級變幅桿構 成二級位移放大結構。
[0008] 在進一步方案中，所述系統還包括冷卻系統，該冷卻系統包括溫度檢測裝置、處理 器和噴霧裝置，其中，所述溫度檢測裝置檢測被測試樣的溫度而獲得實際溫度；所述處理器 比較實際溫度和設定溫度而獲得流量控制信號和流量時間信號；所述噴霧裝置根據流量控 制信號控制閥門的開啟大小，根據流量時間信號控制閥門的開啟時間而向所述被測試樣噴 射冷卻氣體。
[0009] 在進一步方案中，所述應力加載裝置包括應力塊，該應力塊封閉在冷卻系統中，長 度為半波長。
[0010] 在進一步方案中，所述變幅桿是由長度均為半波長的一級變幅桿和二級變幅桿構 成二級位移放大結構，所述二級變幅桿封閉于所述冷卻系統內且與所述應力塊之間的距離 為一個波長。
[0011] 與現有技術相比，本實用新型具有以下優點：
[0012] 1、由于本實用新型的超聲波換能器是雙激勵換能器，這樣，其工作頻率>20KHz，比 如可以是55KHz，高于一般超聲頻率，滿足超聲手術刀的超高頻疲勞試驗外，還可推廣至航 空、航天等超1?周次的疲勞試驗。
[0013] 2、由于所述試驗系統包括激光測振儀和計算機控制系統，這樣，可以實時調節超 聲發生器的激勵系統的輸出，使試驗系統處于最優的工作狀態，而且，實現"恒定"振幅輸出 激勵系統的閉環控制，使振幅"恒定"度優于幅值10%。
[0014] 3、由于所述試驗系統包括溫度檢測裝置、處理器和噴霧裝置，所述處理器比較實 際溫度和設定溫度而獲得流量控制信號和流量時間信號，所述噴霧裝置根據流量控制信號 控制閥門的開啟大小，根據流量時間信號控制閥門的開啟時間而向所述被測試樣噴射冷卻 氣體，這樣，可以使得被測試樣周圍溫度始終在設定溫度，防止了其材料疲勞試驗中的溫度 因素的影響而確保試驗的精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1是本實用新型超高頻疲勞試驗系統的原理框圖。
【具體實施方式】
[0016] 為詳細說明本實用新型的技術內容、構造特征、所達成目的及功效，下面將結合實 施例并配合附圖予以詳細說明。
[0017] 請參閱圖1，本實用新型超高頻疲勞試驗系統包括超聲發生器1、超聲波換能器2、 變幅桿3、應力加載裝置4、激光測振儀5、計算機控制系統6和冷卻系統7。所述超聲發生 器1連接于所述超聲波換能器2,產生激勵信號。所述超聲波換能器2是雙激勵換能器且連 接所述變幅桿3,轉變所述激勵信號為聲能信號而使得所述變幅桿3振動，比如，該雙激勵 換能器可以采用具有二組驅動壓電陶瓷片的換能器，采用雙激勵換能器可以使得工作頻帶 更寬、輸出振幅大，性能相對于普通換能器有很大提升，滿足超高頻疲勞試驗的需求。所述 變幅桿3放大聲能信號，在本實施方式中，所述變幅桿是由一級變幅桿31和二級變幅桿32 構成的二級位移放大結構，每一級變幅桿的長度為半波長。一級變幅桿連接于所述超聲波 換能器2。二級變幅桿32連接于被測試樣8的一端。所述應力加載裝置4與所述變幅桿3 正對，連接于被測試樣8的另一端，這樣，應力加載裝置4、變幅桿3和被測試樣8構成諧振 系統。應力加載裝置4具有應力塊，該應力塊的長度為半波長，在上述變幅桿采用二級位移 放大結構時，該應力塊與二級變幅桿32之間的距離為一個波長。
[0018] 請繼續參閱圖1，所述激光測振儀5測量連接于應力加載裝置4和變幅桿3的被測 試樣8的振動位移，所述計算機控制系統6對該振動位移進行PID計算而獲得控制信號，所 述超聲發生器根據該控制信號產生激勵信號。將計算機控制系統6和激光測振儀5接入測 試系統而構成閉環系統，這樣，可以實時調節超聲發生器的激勵系統的輸出，使試驗系統處 于最優的工作狀態，實現"恒定"振幅輸出激勵系統的閉環控制，使振幅"恒定"度優于幅值 10%。
[0019] 請繼續參閱圖1，所述冷卻系統包括溫度檢測裝置、處理器和噴霧裝置，其中，所述 溫度檢測裝置檢測被測試樣的溫度而獲得實際溫度；所述處理器比較實際溫度和設定溫度 而獲得流量控制信號和流量時間信號；所述噴霧裝置根據流量控制信號控制閥門的開啟大 小，根據流量時間信號控制閥門的開啟時間而向所述被測試樣噴射冷卻氣體。采用冷卻系 統防止了其材料疲勞試驗中的溫度因素的影響，確保試驗的精度；另外，通過氣體冷卻的方 式防止了被測試樣8被腐蝕，也進一步確保試驗的精度。當具有該冷卻系統時，所述二級變 幅桿封閉于該冷卻系統內，所述應力加載裝置4的應力塊封閉于該冷卻系統內。
[0020] 請繼續參閱圖1，本實用新型超高頻疲勞試驗系統的工作過程如下：
[0021] 超聲發生器1產生激勵信號。超聲波換能器2將該激勵信號轉換為聲能信號。變 幅桿3在該聲能信號控制下振動，該振動而使得被測試樣8振動，應力加載裝置4可測出被 測試樣8的應變特性，直至被測試樣斷裂。當然，在該過程中，如果被測試樣8的溫度升高， 貝1J，通過所述冷卻系統降低溫度。在試驗過程中，通過所述計算機控制系統6調整超聲發生 器1的輸出而使得系統工作在最優的工作狀態。
【權利要求】
1. 超高頻疲勞試驗系統，其特征是：該系統包括超聲發生器、超聲波換能器、變幅桿和 應力加載裝置，其中，所述超聲發生器連接于所述超聲波換能器，產生激勵信號；所述超聲 波換能器是雙激勵換能器且連接所述變幅桿，轉變所述激勵信號為聲能信號；所述變幅桿 放大聲能信號；所述應力加載裝置與所述變幅桿正對。
2. 如權利要求1所述超高頻疲勞試驗系統，其特征是：所述系統還包括激光測振儀和 計算機控制系統，其中，激光測振儀測量連接于應力加載裝置和變幅桿的被測試樣的振動 位移，所述計算機控制系統對該振動位移進行PID計算而獲得控制信號，所述超聲發生器 根據該控制信號產生激勵信號。
3. 如權利要求2所述超高頻疲勞試驗系統，其特征是：所述變幅桿是由長度均為半波 長的一級變幅桿和二級變幅桿構成二級位移放大結構。
4. 如權利要求1或2所述超高頻疲勞試驗系統，其特征是：所述系統還包括冷卻系統， 該冷卻系統包括溫度檢測裝置、處理器和噴霧裝置，其中，所述溫度檢測裝置檢測被測試樣 的溫度而獲得實際溫度；所述處理器比較實際溫度和設定溫度而獲得流量控制信號和流量 時間信號；所述噴霧裝置根據流量控制信號控制閥門的開啟大小，根據流量時間信號控制 閥門的開啟時間而向所述被測試樣噴射冷卻氣體。
5. 如權利要求4所述超高頻疲勞試驗系統，其特征是：所述應力加載裝置包括應力塊， 該應力塊封閉在冷卻系統中，長度為半波長。
6. 如權利要求5所述超高頻疲勞試驗系統，其特征是：所述變幅桿是由長度均為半波 長的一級變幅桿和二級變幅桿構成二級位移放大結構，所述二級變幅桿封閉于所述冷卻系 統內且與所述應力塊之間的距離為一個波長。
【文檔編號】G01N29/04GK203849207SQ201420100673
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年3月6日 優先權日:2014年3月6日
【發明者】周紅生, 王彤宇, 王歡, 許小芳, 楊紅穗 申請人:中國科學院聲學研究所東海研究站, 長春理工大學