[发明专利]铁磁性材料磁致伸缩曲线的SH0

权利要求书

1.一种铁磁性材料磁致伸缩曲线的SH₀模态超声导波测量方法，其特征在于，基于磁致伸缩机制的电磁超声传感器在铁磁性薄板中激励产生SH₀模态超声导波的换能效率与薄板材料的磁致伸缩系数成正比，不同强度静态偏置磁场条件下传感器激励的SH₀模态超声导波幅值与磁场强度的关系曲线，间接反映薄板材料的磁致伸缩曲线；利用基于磁致伸缩机制的电磁超声传感器换能效率的计算理论，从测得的SH₀模态超声导波幅值与磁场强度的关系曲线出发，反演出薄板材料的磁致伸缩曲线；

需采用基于磁致伸缩机制的电磁超声传感器布置在正方形被测铁磁性薄板试件上进行SH₀模态超声导波的激励与检测，电磁超声传感器采用回折线圈提供动态磁场，静态偏置磁场由励磁线圈和磁芯组成的电磁铁提供，通过改变通入励磁线圈的直流偏置电压大小，调节静态偏置磁场的强度，静态偏置磁场的强度由置于材料表面的霍尔元件进行测量，具体的磁致伸缩曲线测量步骤如下：

a.构建测量系统

基于磁致伸缩机制的电磁超声传感器布置于被测铁磁性薄板试件中间，将双通道任意函数发生器的两个通道分别连接双极性功率放大器和脉冲激励/接收装置，双极性功率放大器与基于磁致伸缩机制的电磁超声传感器的励磁线圈相连，脉冲激励/接收装置的激励通道与回折线圈相连，脉冲激励/接收装置的接收通道、霍尔元件与数据采集系统相连；

b.信号采集

双通道任意函数发生器输出至脉冲激励/接收装置的信号保持为固定中心频率的汉宁窗调制的正弦波，双通道任意函数发生器输出至双极性功率放大器的信号为直流偏置电压信号，回折线圈检测到的被测薄板试件中的SH₀模态导波信号和霍尔元件测量的静态磁场强度信号被数据采集系统记录和存储；

c.信号参量与特征提取

将霍尔元件采集到的静态磁场强度信号转换成静态磁场强度，并提取回折线圈输出的SH₀模态超声导波检测信号的峰值；

d.磁致伸缩系数计算

将静态磁场强度和SH₀模态超声导波检测信号的峰峰值代入电磁超声传感器换能效率的计算公式，即可计算出磁致伸缩系数；

e.改变双通道任意函数发生器输出至双极性功率放大器的直流偏置电压幅值，重复b～d步骤，得到不同静态磁场强度条件下的磁致伸缩系数，即薄板材料的磁致伸缩曲线；

f.旋转基于磁致伸缩机制的电磁超声传感器，使得激发的SH₀模态超声导波传播方向发生改变，再重复b～e步骤，即可测量薄板材料不同方向的磁致伸缩曲线。

2.根据权利要求1所述的一种铁磁性材料磁致伸缩曲线的SH₀模态超声导波测量方法，其特征在于，对于给定结构尺寸参数的电磁超声传感器，其推导过程如下：

1)动态磁场计算

根据基于磁致伸缩机制的电磁超声传感器的配置情况建立二维简化模型，并根据麦克斯韦方程和电磁边界条件可得在试件内产生的动态磁场的表达式为

其中，H_dy(y,z)为动态磁场在y方向上的分量，H_dz(y,z)为动态磁场在z方向上的分量，a为回折线圈导线的宽度，D为回折线圈的周期，h_l为回折线圈的提离距离，μ_r为材料的相对磁导率，μ₀为真空磁导率，I₀为回折线圈的激励电流，ω为激励电流的角频率，t为时间，δ为集肤深度，σ_e为材料的电导率，A_n、k_n和q_n为与传感器回折线圈尺寸相关的系数，且q_n为正数，n为从0到∞的自然数，j为虚数单位；

由于H_dy(y,z)H_dz(y,z)，回折线圈在铁磁性材料内产生的动态磁场为y方向的分量，即试件内的动态磁场简化为：

2)磁致伸缩体力计算

根据铁磁材料的磁致伸缩本构关系可得，在试件内产生的磁致伸缩体力f^Ms的表达式为：

其中，μ_L为铁磁材料的拉梅常数，λ_t为材料的磁致伸缩系数，H_s为静态偏置磁场强度；

3)SH₀超声导波幅值计算

将磁致伸缩体力转化为表面力，并根据互易关系可得SH₀超声导波幅值A_SH0为：

其中，β₀为波数，ρ为材料的密度，在x方向平板表面0阶模态质点运动速度幅值，P₀₀为归一化因子，即在x方向每单位波导宽度上第0阶模态沿y方向的时间平均功率流，L为传感器宽度；

4)磁致伸缩系数计算

根据表达式(4)可得材料的磁致伸缩系数表达式为：

表达式(5)中只有μ_r与静态磁场强度有关，其它参量都为常数，这些常数可作为一个参量K在实际测量中通过标定求得，则磁致伸缩系数的表达式为：

在不同静态偏置磁场H_s条件下，利用基于磁致伸缩机制的电磁超声传感器测量SH₀模态超声导波幅值A_SH0，可得到磁致伸缩SH₀模态超声导波幅值变化曲线，根据材料磁导率μ_r将实验测得SH₀模态超声导波幅值变化曲线代入表达式(6)，可计算出材料的磁致伸缩曲线。