[發明專利]鐵磁性材料磁致伸縮曲線的SH0

有效

• 申請號: 201910879152.6
• 申請日: 2019-09-18
• 公開（公告）號: CN110471010B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 吳斌;張曉東;劉秀成;何存富
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N27/82
• 分類號: G01N27/82
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種鐵磁性材料磁致伸縮曲線的SH₀模態超聲導波測量方法，其特征在于，基于磁致伸縮機制的電磁超聲傳感器在鐵磁性薄板中激勵產生SH₀模態超聲導波的換能效率與薄板材料的磁致伸縮系數成正比，不同強度靜態偏置磁場條件下傳感器激勵的SH₀模態超聲導波幅值與磁場強度的關系曲線，間接反映薄板材料的磁致伸縮曲線；利用基于磁致伸縮機制的電磁超聲傳感器換能效率的計算理論，從測得的SH₀模態超聲導波幅值與磁場強度的關系曲線出發，反演出薄板材料的磁致伸縮曲線；

需采用基于磁致伸縮機制的電磁超聲傳感器布置在正方形被測鐵磁性薄板試件上進行SH₀模態超聲導波的激勵與檢測，電磁超聲傳感器采用回折線圈提供動態磁場，靜態偏置磁場由勵磁線圈和磁芯組成的電磁鐵提供，通過改變通入勵磁線圈的直流偏置電壓大小，調節靜態偏置磁場的強度，靜態偏置磁場的強度由置于材料表面的霍爾元件進行測量，具體的磁致伸縮曲線測量步驟如下：

a.構建測量系統

基于磁致伸縮機制的電磁超聲傳感器布置于被測鐵磁性薄板試件中間，將雙通道任意函數發生器的兩個通道分別連接雙極性功率放大器和脈沖激勵/接收裝置，雙極性功率放大器與基于磁致伸縮機制的電磁超聲傳感器的勵磁線圈相連，脈沖激勵/接收裝置的激勵通道與回折線圈相連，脈沖激勵/接收裝置的接收通道、霍爾元件與數據采集系統相連；

b.信號采集

雙通道任意函數發生器輸出至脈沖激勵/接收裝置的信號保持為固定中心頻率的漢寧窗調制的正弦波，雙通道任意函數發生器輸出至雙極性功率放大器的信號為直流偏置電壓信號，回折線圈檢測到的被測薄板試件中的SH₀模態導波信號和霍爾元件測量的靜態磁場強度信號被數據采集系統記錄和存儲；

c.信號參量與特征提取

將霍爾元件采集到的靜態磁場強度信號轉換成靜態磁場強度，并提取回折線圈輸出的SH₀模態超聲導波檢測信號的峰值；

d.磁致伸縮系數計算

將靜態磁場強度和SH₀模態超聲導波檢測信號的峰峰值代入電磁超聲傳感器換能效率的計算公式，即可計算出磁致伸縮系數；

e.改變雙通道任意函數發生器輸出至雙極性功率放大器的直流偏置電壓幅值，重復b～d步驟，得到不同靜態磁場強度條件下的磁致伸縮系數，即薄板材料的磁致伸縮曲線；

f.旋轉基于磁致伸縮機制的電磁超聲傳感器，使得激發的SH₀模態超聲導波傳播方向發生改變，再重復b～e步驟，即可測量薄板材料不同方向的磁致伸縮曲線。

2.根據權利要求1所述的一種鐵磁性材料磁致伸縮曲線的SH₀模態超聲導波測量方法，其特征在于，對于給定結構尺寸參數的電磁超聲傳感器，其推導過程如下：

1)動態磁場計算

根據基于磁致伸縮機制的電磁超聲傳感器的配置情況建立二維簡化模型，并根據麥克斯韋方程和電磁邊界條件可得在試件內產生的動態磁場的表達式為

其中，H_dy(y,z)為動態磁場在y方向上的分量，H_dz(y,z)為動態磁場在z方向上的分量，a為回折線圈導線的寬度，D為回折線圈的周期，h_l為回折線圈的提離距離，μ_r為材料的相對磁導率，μ₀為真空磁導率，I₀為回折線圈的激勵電流，ω為激勵電流的角頻率，t為時間，δ為集膚深度，σ_e為材料的電導率，A_n、k_n和q_n為與傳感器回折線圈尺寸相關的系數，且q_n為正數，n為從0到∞的自然數，j為虛數單位；

由于H_dy(y,z)H_dz(y,z)，回折線圈在鐵磁性材料內產生的動態磁場為y方向的分量，即試件內的動態磁場簡化為：

2)磁致伸縮體力計算

根據鐵磁材料的磁致伸縮本構關系可得，在試件內產生的磁致伸縮體力f^Ms的表達式為：

其中，μ_L為鐵磁材料的拉梅常數，λ_t為材料的磁致伸縮系數，H_s為靜態偏置磁場強度；

3)SH₀超聲導波幅值計算

將磁致伸縮體力轉化為表面力，并根據互易關系可得SH₀超聲導波幅值A_SH0為：

其中，β₀為波數，ρ為材料的密度，在x方向平板表面0階模態質點運動速度幅值，P₀₀為歸一化因子，即在x方向每單位波導寬度上第0階模態沿y方向的時間平均功率流，L為傳感器寬度；

4)磁致伸縮系數計算

根據表達式(4)可得材料的磁致伸縮系數表達式為：

表達式(5)中只有μ_r與靜態磁場強度有關，其它參量都為常數，這些常數可作為一個參量K在實際測量中通過標定求得，則磁致伸縮系數的表達式為：

在不同靜態偏置磁場H_s條件下，利用基于磁致伸縮機制的電磁超聲傳感器測量SH₀模態超聲導波幅值A_SH0，可得到磁致伸縮SH₀模態超聲導波幅值變化曲線，根據材料磁導率μ_r將實驗測得SH₀模態超聲導波幅值變化曲線代入表達式(6)，可計算出材料的磁致伸縮曲線。