专利名称：一种超声测量磁致伸缩材料弹性模量的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于材料性能检测技术领域，涉及一种测量磁致伸缩材料弹性模量的装置，特别是利用超声测量磁致伸缩材料室温到高温下的弹性模量。
背景技术：
众所周知，一般的纯金属或无相变的合金，随着温度的升高，体积膨胀，弹性模量降低。但磁致伸缩材料，由于磁致伸缩效应，弹性模量会出现反常温度特性。因此，磁致伸缩材料可应用为恒弹性合金、低膨胀合金等精密合金，所以，精确测量磁致伸缩材料在不同温度下的弹性模量对于该材料作为精密合金的应用是非常重要的。 测量材料弹性模量的方法主要有三类一类是静态测量法，即应力应变法。该方法的测量精度低，其载荷大小、加速度等都会影响测试结果，由于受弛豫过程等的影响，不能真实地反映材料内部结构的变化，也不能测量材料在不同温度下的弹性模量，对脆性材料无法进行测量。一类是动态测量法，它是在试件承受交变应力产生很小应变的条件下，利用试样的固有频率与几何尺寸、密度、弹性模量之间的对应关系间接测量弹性模量。根据振动激励方式不同，动态测量法又可分为共振法和振动法，该类方法测量速度快，测量精度高。但是，由于需要通过振动激励装置产生试件的振动，再利用加速度传感器获得振动信号，然后经过信号调理器、信号采集系统，最终由计算机对信号进行分析处理，从而获得试件的固有频率。因而专业测量系统往往存在装置复杂、价格昂贵、携带不便及调试维护困难等缺点。国内目前生产的共振法测量弹性模量的设备存在共振频率寻找困难、对操作人员主观判断依赖程度高、测量精度低等缺点，高温下的弹性模量更是难以测量。而国外的动态法测量弹性模量设备，虽然可以测得高温下的弹性模量，但是价格昂贵。因此目前该种测量测量方法在国内还不能很好地满足弹性模量测量需求。另一类是超声脉冲回波法。通过换能元件、耦合杆一体式的磁致伸缩超声传感器激发的纵波或扭转波脉冲经耦合界面在试样中传播，测量由同一传感器接收的试样前后端面的反射脉冲之间的时间间隔和试样长度，计算得到声速，进而得到被测材料的弹性模量。该种方法由于声导杆和待测试样之间存在一个耦合界面，导致该种测量弹性模量方法存在较大的声时误差。超声法测量弹性模量，就是根据弹性波在固体中的传播理论，不同模式的声波在固体中的传播速度与材料的相应弹性模量和密度相关。通过测量纵波在固体中的传播速度就可根据公式计算得到杨氏模量，通过测量扭转波在固体中的传播速度就可根据公式计算得到剪切模量。由马大猷、沈豪所著的《声学手册》可知，在梁、棒中的纵波速度为五/P，扭转波
速度为^/G7p (圆梁)。E为杨氏模量(N/m2)，P为材料密度(kg/m3)，G为切变弹性模量(N/m2) o[0010]磁致伸 缩材料，由于其独特的磁致伸缩效应，可以根据其自身在变化磁场下的外形变化，产生不同振动类型的超声波，从而根据其传播该超声波的速度，得到相应的弹性模量。 超声法测量磁致伸缩材料弹性模量，利用了磁致伸缩材料本身具有的在磁场下会发生磁致伸缩的独特性能，设备成本低，精确度高，加热管的加入还使设备可以测量高温下的弹性模量。通过脉冲计数测量两个波之间的时间间隔，大大提高了测量精确度。
发明内容本实用新型提供了一种超声测量磁致伸缩材料弹性模量的装置，解决磁致伸缩材料高温弹性模量测量难，测量成本高的问题。本实用新型的技术方案是一种超声测量磁致伸缩材料弹性模量的装置，该装置包括第一串联线圈、第二串联线圈、检测线圈、空心管、控制台、检测单片机、待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器、串联线圈直流电流信号发生器、串联线圈脉冲驱动器、信号拾取器、放大器电源、通讯接口和主控单片机；其中，所述第一串联线圈、第二串联线圈和检测线圈依次缠绕在所述加热管空心管的外壁上，所述第一串联线圈的与第二串联线圈串联，通过所述控制台与所述串联线圈直流电流信号发生器和串联线圈脉冲驱动器并联，所述串联线圈直流电流信号发生器和串联线圈脉冲驱动器与所述采集单片机连接；所述检测线圈通过控制台与信号拾取器连接，所述信号拾取器通过放大器与采集单片机连接，待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器与采集单片机连接，所述采集单片机通过通讯接口与主控单片机连接。进一步，该装置所述加热部分包括加热管、保温隔热装置、电加热装置、温控仪表、石英砂和温度传感器；所述加热管设置在所述第一串联线圈的与第二串联线圈之间的所述空心管外侧，所述保温隔热装置将所述加热管与所述第一串联线圈的与第二串联线圈罩住，所述加热管、隔热装置与所述空心管之间的空隙填充所述石英砂，所述加热管通过所述控制与所述电加热装置连接；所述温度传感器置于所述空心管内，所述温度传感器与所述电加热装置和所述温控仪表连接，所述温控仪表(10)通过所述通讯接口与所述主控单片机连接。上述超声测量磁致伸缩材料弹性模量的装置测量弹性模量的方法，具体包括以下步骤步骤I :将被测试试样穿过空心管固定，两端与待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器(连接；步骤2 :采集单片机通过串联线圈脉冲驱动器给第一串联线圈与第二串联线圈加载一个瞬间的电流脉冲，此时所述空心管内的所述测试试样会发生一个瞬间的轴向伸缩，产生两个纵波，这两个纵波沿所述测试试样传播到检测线圈，检测线圈感应到两个感应电动势发出电信号，信号拾取器采集两个电信号发送给放大器，放大器将信号放大后发送给采集单片机，所述采集单片机接收到信号后通过通讯接口发送给主控单片机，所述主控单片机计算得到两个信号峰之间的时间间隔，根据纵波在圆截面杆中的传播速度公式
-Je / p就可得到该试样的杨氏模量;[0020]采集单片机通过串联线圈直流电流信号发生器给所述第一串联的线圈的与第二串联线圈加载一个恒定的直流电流，此时所述空心管内沿所述测试试样轴向形成一个恒定的轴向场；所述采集单片机通过待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器给所述测试试样加载一个电流脉冲，就 会产生一个沿所述测试试样以光速传播的环形场，当该环形场遇到所述第一串联线圈的与第二串联线圈中心形成的轴向场时，由于威德曼效应，所述空心管内的所述测试试样发生瞬间的扭转变形，形成两个扭转波，沿所述测试试样传播到检测线圈，由于逆磁致伸缩效应，所述检测线圈感应到两个感应电动势，检测到两个信号峰，信号拾取器采集两个电信号发送给所述放大器，所述放大器将信号放大后发送给所述采集单片机，采集单片机接收到信号后通过所述通讯接口发送给所述主控单片机，所述主控单片机计算得到两个信号峰之间的时间间隔，即扭转波在所述第一串联线圈与第二串联线圈之间的所述测试试样上传播的时间，再根据第一串联线圈与第二串联线圈之间的距离，计算得到扭转波
在所述被测试试样内的传播速度，根据扭转波在圆截面杆中的传播速度就得到所
述被测试试样的剪切模量。该装置测量不同温度的弹性模量的方法具体包括以下步骤步骤I :将被测试试样穿过空心管固定，两端与待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器(16)连接；步骤2 :温控仪表控制电加热装置启动，所述电加热装置通过控制台控制加热管加热，所述加热管加热石英砂使所述空心管均匀受热，温度采集传感器采集所述空心管的温度并通过发送给所述主控单片机；所述主控单片机根据采集温度发送指令给采集单片机，采集单片机通过串联线圈脉冲驱动器给第一串联线圈与第二串联线圈加载一个瞬间的电流脉冲，此时所述空心管内的所述测试试样会发生一个瞬间的轴向伸缩，产生两个纵波，这两个纵波沿所述测试试样传播到检测线圈，检测线圈感应到两个感应电动势发出电信号，信号拾取器采集到检测线圈两个电信号发送给放大器，放大器将信号放大后发送给采集单片机，所述采集单片机接收到信号后通过通讯接口发送给主控单片机，所述主控单片
机计算得到两个信号峰之间的时间间隔，根据纵波在圆截面杆中的传播速度公式^/五//7
就得到不同温度下的该试样的杨氏模量；采集单片机通过串联线圈直流电流信号发生器给所述第一串联线圈与第二串联线圈加载一个恒定的直流电流，此时所述空心管内沿所述测试试样轴向形成一个恒定的轴向场；所述采集单片机通过待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器给所述测试试样加载一个电流脉冲，就会产生一个沿所述测试试样以光速传播的环形场，当该环形场遇到所述第一串联线圈与第二串联线圈中心形成的轴向场时，由于威德曼效应，所述空心管内的所述测试试样发生瞬间的扭转变形，形成两个扭转波，沿所述测试试样传播到检测线圈，由于逆磁致伸缩效应，所述检测线圈感应到两个感应电动势，检测到两个信号峰，信号拾取器采集两个电信号发送给所述放大器，所述放大器将信号放大后发送给所述采集单片机，采集单片机接收到信号后通过所述通讯接口发送给所述主控单片机，所述主控单片机计算得到两个信号峰之间的时间间隔，即扭转波在所述第一串联线圈与第二串联线圈之间的所述测试试样上传播的时间，再根据第一串联线圈与第二串联线圈之间的距离，计算得到扭转波在所述
被测试试样内的传播速度，根据扭转波在圆截面杆中的传播速度/ p就得到所述被测试试样不同温度的剪切模量。本实用新型的有意效果是由于采用上述技术方案，由于其独特的磁致伸缩效应，可以根据其在变化磁场下的外形变化，产生不同振动类型的超声波，从而根据其传播该超声波的速度，得到其弹性模量。磁致伸缩材料，由于其磁致伸缩效应，弹性模量会出现反常温度特性。因此，磁致伸缩材料广泛应用在恒弹性合金、低膨胀合金等精密合金领域，所以，精确测量磁致伸缩材料在不同温度下的弹性模量对于该材料作为精密合金的应用是非常重要的。本实用新型超声测量磁致伸缩材料弹性模量设备成本低，精确度高，并可测量高温下磁致伸缩材料的弹性模量
图I为本实用新型超声测量磁致伸缩材料弹性模量装置结构图。图2为本实用新型超声测量磁致伸缩材料弹性模量加热保温管横截面示意图。图中I-第一串联线圈、2-第二串联线圈，3-加热管，4-保温隔热装置，5-检测线圈，6-空心管，7-待测磁致伸缩材料，8-控制台，9-电加热装置、10-温控仪表11-石英砂，12-通讯接口、13-温度传感器，14-主控单片机，15-采集单片机，16-待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器，17-串联线圈直流电流信号发生器，18-串联线圈脉冲驱动器，19-信号拾取器,20-放大器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的阐明。如图1-2所示，本实用新型一种超声测量磁致伸缩材料弹性模量的装置，该装置包括第一串联线圈I、第二串联线圈2、加热管3、保温隔热装置4、检测线圈5、空心管6、待测磁致伸缩材料7、控制台8、电加热装置9、温控仪表10、石英砂11、通讯接口 12、温度传感器13、主控单片机14、采集单片机15、待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器16、串联线圈直流电流信号发生器17、串联线圈脉冲驱动器18、信号拾取19器和放大器20其中，第一串联线圈I、第二串联线圈2和检测线圈5依次缠绕在空心管6的上，第一串联线圈I与所述第二串联线圈2串联，通过控制台与串联线圈直流电流信号发生器17和串联线圈脉冲驱动器18并联，串联线圈直流电流信号发生器17和串联线圈脉冲驱动器18与采集单片机18连接；检测线圈5通过控制台8与信号拾取器19连接，信号拾取器19通过放大器20与采集单片机15连接，待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器16与采集单片机15连接，采集单片机15通过所述通讯接口 12与所述主控单片机14连接，加热管3设置在第一串联线圈I与第二串联线圈2之间的空心管6外侧，保温隔热装置4将加热管6与第一串联线圈I的与第二串联线圈2罩住，加热管3、保温隔热装置4与空心管6之间的空隙填充石英砂11，加热管3通过控制台8与电加热装置9连接；温度传感器13置于空心管6内，温度传感器13与电加热装置9和温控仪表10连接，温控仪表10通过通讯接口 12与主控单片机14连接。实施例I 测量室温下的弹性模量。[0035]参见图I所示，一种超声测量磁致伸缩材料弹性模量设备，由电流信号发生部分、加热控制部分、速度采集部分、数据处理显示部分组成。待测磁致伸缩材料选择FeNi合金丝，横截面直径为0. 5mm,成分为Fe为50 55wt%, Ni 为 45 50wt%步骤I :将该FeNi合金丝穿过空心管6固定，两端与待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器16 ；步骤2 :串联线圈脉冲驱动器18给第一串联线圈I的与第二串联线圈2加载一个瞬间的电流脉冲，此时空心管6内的FeNi合金丝7会发生一个瞬间的轴向伸缩，产生两个纵波，这两个纵波沿其FeNi合金丝7传播到检测线圈5，检测线圈5感应到两个感应电动势发出电信号，信号拾取器19采集两个电信号发送给放大器20，放大器20将信号放大后发送给采集单片机15，采集单片机15接收到信号后通过通讯接口 12发送给主控单片机，主控单片机计算得到两个信号峰之间的时间间隔，根据纵波在圆截面杆中的传播速度公式
/ p就可得到该试样的杨氏模量;串联线圈直流电流信号发生器23给第一串联线圈I
与第二串联线圈2加载一个恒定的直流电流，此时第空心管6内沿FeNi合金丝7轴向形成一个恒定的轴向场；待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器22再给该FeNi合金丝7加载一个电流脉冲，就会产生一个沿该FeNi合金丝7以光速传播的环形场，当该环形场遇到第一串联线圈I的与第二串联线圈2中心形成的轴向场时，由于威德曼效应，空心管6内的FeNi合金丝7发生瞬间的扭转变形，形成两个扭转波，沿该FeNi合金丝7传播到检测线圈5，由于逆磁致伸缩效应，检测线圈5感应到两个感应电动势，检测到两个信号峰，信号拾取器19采集两个电信号发送给放大器20，放大器20将信号放大后发送给采集单片机15，采集单片机15接收到信号后通过通讯接口 12发送给主控单片机，主控单片机计算得到两个信号峰之间的时间间隔，即扭转波在第一串联线圈I与第二串联线圈2之间的该FeNi合金丝7上传播的时间，再根据第一串联线圈I与第二串联线圈2之间的距离，计算得到扭转波在该
FeNi合金丝7内的传播速度，根据扭转波在圆截面杆中的传播速度/ p就得到该FeNi
合金丝7的剪切模量；实施例2测量不同温度下的杨氏模量。参见图I所示，一种超声测量磁致伸缩材料弹性模量设备，由电流信号发生部分、加热控制部分、速度采集部分、数据处理显示部分组成。待测磁致伸缩材料选择FeNi合金丝，横截面直径为0. 5mm,成分为Fe为50 55wt%, Ni 为 45 50wt%。将该FeNi合金丝穿过空心管6，安装固定好。给第一串联线圈I和第二串联线圈2加载一个脉冲电流，此时第一串联线圈I和第二串联线圈2内的FeNi合金丝7会发生一个瞬间的轴向伸缩，产生两个纵波，这两个纵波沿FeNi合金丝7传播到检测线圈5，由于逆磁致伸缩效应，检测线圈5感应到两个感应电动势，检测到两个信号的峰，处理得到两个信号峰之间的时间间隔，就是纵波在第一串联线圈I和第二串联线圈2之间的FeNi合金丝7上传播的传播时间，再根据第一串联线圈I和第二串联线圈2之间的间距，就得到纵波在该FeNi合金丝7内的传播速度，[0045]温控仪表10控制电加热装置9，加热管3通过控制台8与电加热装置14连接，电加热装置10和用于采集空心管6内温度的温度传感器13分别与连接加热管加热石英砂11使空心管6均匀受热，每升高10°C数据采集处理部分记录一次此时的温度、波速和时间。就
可得到不 同温度下纵波在该FeNi合金丝7内的传播速度，根据▽五/ p就可得到不同温度
下该FeNi合金丝7的杨氏模量。给第一串联线圈I和第二串联线圈2加载一个恒定的直流电流，此时两个线圈第一串联线圈I和第二串联线圈2内沿FeNi合金丝7轴向分别形成一个恒定的轴向场，采集单片机15通过待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器16给该FeNi合金丝7加载一个电流脉冲，产生一个沿该FeNi合金丝7以光速传播的环形场，当该环形场遇到第一串联线圈I和第二串联线圈2中心形成的轴向场时，由于威德曼效应，第一串联线圈I和第二串联线圈2内的FeNi合金丝7发生瞬间的扭转变形，形成两个扭转波，沿该FeNi合金丝7传播到检测线圈5，由于逆磁致伸缩效应，检测线圈5感应到两个感应电动势信号，检测到两个信号峰，处理得到两个信号峰之间的时间间隔，就是该扭转波在第一串联线圈I和第二串联线圈2之间的该FeNi合金丝7上传播的时间，再根据第一串联线圈I和第二串联线圈2之间的距离，计算得到扭转波在该FeNi合金丝7内的传播速度。给加热管加热，每升高10°C数据采集处理部分记录一次此时的温度、波速和时间。就可得到不同温度下扭转波在该FeNi合金丝7内的传播速度，根据"G / p就可得到不同温度下的剪切模量。尽管参照本实用新型的上述示例性实施例对本实用新型的具体实施方式
进行了详细的描述，但是应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性的劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种超声测量磁致伸缩材料弹性模量的装置，其特征在于，该装置包括第一串联线圈(I)、第二串联线圈(2)、检测线圈(5)、空心管(6)、控制台(8)、采集单片机(15)、待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器(16)、串联线圈直流电流信号发生器(17)、串联线圈脉冲驱动器(18)、信号拾取器(19)、放大器(20)、通讯接口(12)和主控单片机(14) 其中，所述第一串联线圈(I)、第二串联线圈(2)和检测线圈(5)依次缠绕在所述空心管(6)的外壁上，所述第一串联线圈(I)与所述第二串联线圈(2)串联，通过所述控制台(8)与所述串联线圈直流电流信号发生器(17)和串联线圈脉冲驱动器(18)并联，所述串联线圈直流电流信号发生器(17)和串联线圈脉冲驱动器(18)与所述采集单片机(15)连接；所述检测线圈(5 )通过所述控制台(8 )与信号拾取器(19 )连接，所述信号拾取器(19 )通过放大器(20)与采集单片机(15)连接，所述待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器(16)与采集单片机(15)连接，所述采集单片机(15)通过所述通讯接口(12)与所述主控单片机(14)连接。
2.根据权利要求I所述的超声测量磁致伸缩材料弹性模量的装置，其特征在于，该装置还包括加热部分，所述加热部分包括加热管(3)、保温隔热装置(4)、电加热装置(9)、温控仪表(10)、石英砂(11)和温度传感器(13);所述加热管(3)设置在所述第一串联线圈(I)的与第二串联线圈(2)之间的所述空心管(6)外侧，所述保温隔热装置(4)将所述加热管(3)与所述第一串联线圈(I)的与第二串联线圈(2)罩住，所述加热管(3)、隔热装置(4)与所述空心管(6)之间的空隙填充所述石英砂(11)，所述加热管(3)通过所述控制台(8)与所述电加热装置(9)连接；所述温度传感器(13)置于所述空心管(6)内，所述温度传感器(13)与所述电加热装置(9)和所述温控仪表(10)连接，所述温控仪表(10)通过所述通讯接口(12)与所述主控单片机(14)连接。
专利摘要本实用新型一种超声测量磁致伸缩材料弹性模量的装置，该装置包括第一串联线圈、第二串联线圈、检测线圈、空心管、控制台、检测单片机、待测磁致伸缩材料加载脉冲驱动器、串联线圈直流电流信号发生器、串联线圈脉冲驱动器、信号拾取器、放大器电源、通讯接口和主控单片机。该方法根据磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，在变化磁场下的外形变化，产生不同振动类型的超声波，从而根据其传播该超声波的速度，得到其弹性模量，而精确测量磁致伸缩材料在不同温度下的弹性模量对于该材料作为精密合金的应用是非常重要的。本实用新型超声测量磁致伸缩材料弹性模量设备成本低，精确度高，并可测量高温下磁致伸缩材料的弹性模量。
文档编号G01N29/07GK202362277SQ20112049078
公开日2012年8月1日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者包小倩, 李明明, 李纪恒, 牟星, 高学绪 申请人:北京科技大学