一种适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置

1.本发明属于测量材料弹性性质的技术领域，更具体地，涉及一种适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置。


背景技术：

2.固体材料的声学性质（包括声速、弹性模量、泊松比、超声衰减等）不仅是用来表征材料机械性能的重要参数，同时在凝聚态物理中也用来描述物性相变及对应的序参量的对称性。因此，如何精确而高效地测量材料在不同温度、磁场等环境下的声学性质是人们广为关注的技术问题。
3.最传统的测量材料声学性质的实验方法是应力-应变法，即在固体材料某个方向施加一定的应力，测量样品在该应力的作用下产生的对应形变量，由此可以计算得到材料的弹性性质，通过弹性模量及材料的密度可以得到材料的声速，但是，这种方法通常只能在尺寸较大的样品中才能测得比较准确，因此在低温和强磁场下的可行性很低，而且无法获知材料的超声衰减系数。另一种测量材料声学性质的方法是超声共振谱（rus）方法，该技术早期由美国科学家albert migliori等人发明[a. migliori and j. sarrao, resonant ultrasound spectroscopy:application to physics, materials measurements, and nondestructive evalution, wiley,new york, (1997)]，在地质科学和材料物理等领域的研究中有不少应用。该方法的最大优点在于可以通过单次超声波频率扫描，即可获得材料完整的弹性张量，从而得到其全部弹性性质，但是该方法在数据处理方法上比较依赖于拟合，容易带来误差，而且无法直接获得材料的超声衰减信息。
[0004]
因此，如何准确地测量低温、强磁场下材料的全部弹性性质，并直接获得超声衰减信息是亟需解决的问题。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置，可准确地测量低温、脉冲强磁场下材料的全部弹性性质，并可直接获得材料的超声衰减系数。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置，包括超声部件、处理部件、温控部件和磁场部件；
[0007]
超声部件，包括脉冲射频发射件和两超声传感器，两超声传感器对应设置在待测样品一组正对的端面上，所述脉冲射频发射件用于根据处理部件发出的指令发射间隔时间为tc的两段激励射频脉冲信号，其中一超声传感器用于接收该激励射频脉冲信号，向待测样品的一端面发射超声波信号，另一超声传感器用于测量超声回波信号并发送至处理部件；
[0008]
处理部件，用于将各段激励下接收到的超声回波信号序列分解为多个脉冲段，并从中任意选取两个相邻的脉冲段，将其分别插入一长度为tc的空信号，得到两个新的信号
y1和y2；将信号y1和y2进行互相关运算得到新的信号g(t)，在0～2tc时间范围内寻找信号g(t)的最大值所对应的时间τm；将两段激励下计算得到的时间τm与tc作差取绝对值后，得到超声回波中相邻回波的时间间隔，并计算得到待测样品中的横向和纵向超声波的传播速度v
l
和vs；根据v
l
和vs计算得到待测样品的弹性性质，弹性性质包括体弹性模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、声学德拜温度、声学格律乃森系数和声学热导率；同时，还用于对多个脉冲段中相邻两脉冲段进行寻峰操作，找到所有相邻两脉冲段的幅值，并根据各相邻两脉冲段的幅值比值计算得到待测样品的超声衰减系数；
[0009]
温控部件，用于根据测量需求对待测样品进行升温或降温；
[0010]
磁场部件，用于根据测量需求为待测样品提供高至60t的强磁场。
[0011]
本发明提供的适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置，利用互相关原理分析超声回波数据，得到材料中相邻回波的时间间隔，进而通过计算材料中横、纵波的传播速度得到材料的全部弹性性质，在数据处理方法上无需进行拟合，可实现对材料全部弹性性质的准确测量；同时分析超声回波数据，还可得到材料中相邻回波的幅值比值，直接获得材料中的超声衰减系数；另外，本实施例提供的测量装置还设有温控部件和磁场部件，可为样品提供低温和脉冲强磁场的测量环境，实现样品在极端环境下的弹性性质的测量。
[0012]
在其中一个实施例中，所述脉冲射频发射件包括信号发生器和脉冲开关；
[0013]
其中，所述信号发生器用于接收所述处理部件发出的控制指令，产生间隔时间为tc的具有特定频率的两段射频信号；所述脉冲开关用于接收处理部件发出的调制指令，将各射频信号调制成特定频率f和时长的激励射频脉冲信号。
[0014]
在其中一个实施例中，在处理部件中，进行互相关运算为：
[0015]
。
[0016]
在其中一个实施例中，在处理部件中，计算得到待测样品的弹性性质为：
[0017]
体弹性模量：
[0018]
剪切模量：
[0019]
杨氏模量：
[0020]
泊松比：
[0021]
声学德拜温度：
[0022]
声学格律乃森系数：
[0023]
声学热导率：
[0024]
式中，c
11
、c
44
和c
12
表示材料的弹性常数张量，，，；m表示材料的摩尔质量 [kg/mol]；n表示材料分子式中含有的原子数；δ表示材料中每个原子所占的平均体积 [m3]；ρ表示材料的密度 [kg/m3]；t表示温度。
[0025]
本发明提供的适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置，利用互相关原理分析超声回波数据，得到材料中相邻回波的时间间隔，进而通过计算材料中横、纵波的传播速度得到材料的全部弹性性质，在数据处理方法上无需进行拟合，可实现对材料全部弹性性质的准确测量；同时利用互相关原理分析超声回波数据，还可得到材料中相邻回波的强度比值，直接获得材料中的超声衰减系数；另外，本实施例提供的测量装置还设有温控部件和磁场部件，可为样品提供低温和脉冲强磁场的测量环境，实现样品在极端环境下的弹性性质的测量。
[0026]
在其中一个实施例中，所述温控部件包括液氦恒温器、加热丝、温度计和温控仪，所述温控仪分别与处理部件、加热丝、温度计相连，其中，
[0027]
待测样品和两个超声传感器作为一个整体放置在所述液氦恒温器的真空腔内，所述真空腔内的气体根据测量需求导入相应浓度的液氦，实现对待测样品的降温操作；所述处理部件用于根据测量需求通过温控仪控制加热丝对待测样品的加热温度，同时对温度计和加热丝进行pid反馈控制，控制待测样品所在环境的温度。
[0028]
在其中一个实施例中，所述待测样品安装在样品台上，所述样品台采用厚度为0.2mm的黄铜片，所述黄铜片上用线切割锯成多个区域，不同区域之间点连接；且所述黄铜片外还套设有壁厚低于0.2mm的黄铜屏蔽罩，所述屏蔽罩用线切割锯成八等分。
[0029]
在其中一个实施例中，所述超声回波测量装置还包括支撑部件和信号传输部件，所述支撑部件由环氧树脂杆、环氧树脂管和不锈钢管依次衔接而成，所述信号传输部件包括数据采集卡、四通接头、温控接口和两sma接口；
[0030]
其中，所述环氧树脂杆远离环氧树脂管的一端与所述样品台固定相连，所述温度计和加热丝靠近所述样品台设置；所述不锈钢管远离环氧树脂管的一端与所述四通接头的一接头连通；两sma接口对应固定在所述四通接头的另外两接头上，其中一sma接口的输入端与脉冲开关电相连，该sma接口的输出端通过一同轴信号线与样品台上用于发射超声波信号的超声传感器电相连，样品台上用于检测超声回波信号的超声传感器通过另一同轴信号线与另一sma接口的输入端相连，另一sma接口的输出端通过数据采集卡与所述处理部件电相连；所述温控接口固定在所述四通接头的最后一接头上，所述温控接口的输入端分别与加热丝和温度计的引线电相连，所述温控接口的输出端与温控仪电相连。
[0031]
在其中一个实施例中，所述黄铜屏蔽罩的底端设有带有倒角的插拔导引，且所述环氧树脂管上靠近所述四通接头处设有法兰盘。
[0032]
在其中一个实施例中，所述超声传感器采用y-10度切的linbo3压电陶瓷片。
[0033]
在其中一个实施例中，所述磁场部件采用脉冲磁体，所述脉冲磁体与所述处理部件电相连。
附图说明
[0034]
图1是本发明一实施例提供的适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置的结构示意图；
[0035]
图2是本发明提供的处理部件的数据分析流程示意图；
[0036]
图3是本发明一实施例提供的适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置的工作原理示意图；
[0037]
图4是本发明一具体实施例提供的适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置的结构示意图。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039]
为解决传统材料声学性质测量方法无法准确地测量低温、强磁场环境下材料的全部弹性性质及无法直接获得材料超声衰减系数的问题，本发明提供了一种适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置，如图1所示，该超声回波测量装置包括超声部件、处理部件20、温控部件30和磁场部件40。
[0040]
其中，本实施例提供的超声部件包括脉冲射频发射件和两个超声传感器，两个超声传感器对应设置在待测样品一组正对的端面上。其中，脉冲射频发射件用于根据处理部件20发出的指令发射间隔时间为tc的两段激励射频脉冲信号，其中一超声传感器a用于接收该激励射频脉冲信号，向待测样品的一端面发射超声波信号，另一超声传感器b用于测量超声回波信号并发送至处理部件20。
[0041]
具体地，本实施例提供的脉冲射频发射件可采用信号发生器和脉冲开关。其中，信号发生器用于接收处理部件20发出的控制指令，产生间隔时间为tc的具有特定频率的两段射频信号；脉冲开关用于接收处理部件20发出的调制指令，将各射频信号调制成特定频率f和时长的射频脉冲信号。
[0042]
本实施例提供的处理部件20，具体可采用计算机等数据处理设备，用于对超声传感器b发送的超声回波信号进行数据处理，如图2所示，处理步骤为：（1）将各段激励下接收到的超声回波信号序列z(t)分解为多个脉冲段xi(t)，并从中任意选取两个相邻的脉冲段，将其分别插入一长度为tc的空信号，得到两个新的信号y1和y2；（2）将信号y1和y2进行互相关运算得到新的信号g(t)，在0～2tc时间范围内寻找信号g(t)的最大值所对应的时间τm；（3）将两段激励下计算得到的时间τm与tc作差取绝对值后，得到超声回波中相邻回波的时间间隔，即待测样品中横向和纵向超声波（以下简称横波和纵波）的传输时间t
l
和ts，对此计算得到待测样品中横波和纵波的传播速度v
l
和vs；（4）根据v
l
和vs，计算得到待测样品的全部弹性性质，即体弹性模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、声学德拜温度、声学格律乃森系数和声学热导率。
[0043]
具体地，本实施例提供的处理部件20进行数据处理的详细步骤为：
[0044]
步骤1：将每段激励下接收到的超声回波信号序列z(t)均描述为以下形式：
[0045][0046]
式中，x1(t)~xn(t)分别表示回波序列中的n个脉冲段，0《t《tc，tc表示两段激励的间隔时间；t1~tn表示各脉冲段的起始时刻，且t1《t2《
…
《tn，τ为脉冲持续时间。
[0047]
步骤2：任意取出两个相邻的脉冲段（以x1(t)和x2(t)为例），并分别插入到两个长度为tc的空信号中，形成新的信号y1(t)与y2(t)：
[0048][0049][0050]
步骤3：对新信号y1(t)和y2(t)进行互相关运算，得到新的信号g(t)：
[0051][0052]
步骤4：此时g(t)信号长度变为2tc，在此范围内寻找g(t)的最大值对应的t值，记为τm：
[0053][0054]
步骤5：将τm与tc作差，结果取绝对值，即为两个脉冲段x1(t)和x2(t)之间的真实时间差t：
[0055]
t= |τm－tc|
[0056]
需要说明的是，求得的任意两个脉冲段的时间差t即为超声波在待测样品中的传输时间，因激励射频脉冲频率的不同，该时间差t可表示为横波的传输时间，也可表示为纵波的传输时间。
[0057]
步骤6：根据各段激励下分别计算得到的任意两脉冲段的时间差t，可对应计算得到待测样品中横波和纵波的速度。
[0058]
为得到待测样品中横波和纵波两种模式下的速度，则本实施例提供的脉冲射频发射件发射的两段激励射频脉冲信号的频率需根据超声传感器的类型进行相应选择。例如：以y10度切的linbo3为传感器时，则两段激励射频脉冲信号的频率需为18兆和30兆赫兹，当频率需选用18兆赫兹时，则在样品中的超声波为横波，上述计算得到的超声回波中相邻回
波的时间间隔t=ts；当频率需选用30兆赫兹时，则在样品中的超声波为纵波，使得上述计算得到的超声回波中相邻回波的时间间隔t=t
l
。
[0059]
以各向同性的样品材料为例，假定样品的长度为l，则可以计算得到该材料中纵波的速度为：
[0060][0061]
横波的速度为：
[0062][0063]
上述横波和纵波的速度式中含有的因子“2”是因为相邻两次超声回波的时间间隔对应于超声波在样品中的往返传输。
[0064]
步骤7：根据v
l
和vs，可以进一步得到更多的关于材料的弹性性质，比如弹性常数张量c
11
、c
44
和c
12
：
[0065][0066][0067][0068]
在此基础上，可以得到其他弹性性质参数，如：
[0069]
体弹性模量：
[0070]
剪切模量：
[0071]
杨氏模量：
[0072]
泊松比：
[0073]
声学德拜温度：
[0074]
声学格律乃森系数：
[0075]
声学热导率：
[0076]
式中，m表示材料的摩尔质量 [kg/mol]；n表示材料分子式中含有的原子数；δ表示
材料中每个原子所占的平均体积 [m3]；ρ表示材料的密度 [kg/m3]；t表示温度。
[0077]
同时，本发明提供的处理部件20还用于对多个脉冲段中任一相邻两脉冲段进行寻峰操作，找到所有相邻两脉冲段的幅值，并根据该幅值计算得到待测样品的超声衰减系数α。
[0078]
其中，超声衰减系数α为：
[0079]
，i∈[ 1,n]
[0080]
需要说明的是，在分析衰减系数时，需要对回波脉冲序列中的所有相邻脉冲都进行运算，如第1、2脉冲间的衰减系数，第2、3脉冲间的等等，都值得去分析，从而得到更精确的衰减系数时间变化规律和随着反射次数上升的变化。
[0081]
另外，为使本发明提供的超声回波测量装置能测量低温和强磁场环境下的材料的弹性性质，本实施例提供的超声回波测量装置还包括温控部件30和磁场部件40。
[0082]
其中，温控部件30用于根据测量需求对待测样品进行升温或降温；磁场部件，用于根据测量需求为待测样品提供高至60t的强磁场。
[0083]
具体地，如图3所示，本实施例提供的温控部件30可包括降温单元和升温单元，其中，降温单元可采用液氦恒温器，待测样品和两个超声传感器作为一个整体放置在液氦恒温器的真空腔内，真空腔内的气体可根据测量需求导入适量浓度的液氦，可实现对待测样品低至4.2k的降温操作。升温单元可采用加热丝（图3中未示出）、温度计和温控仪，温控仪分别与计算机、加热丝、温度计相连，计算机用于根据测量需求通过温控仪控制加热丝对待测样品的加热温度，同时对温度计和加热丝进行pid反馈控制，从而控制待测样品所在环境的温度大小，实现精确控温。
[0084]
磁场部件40可采用脉冲磁体，可实现不同磁场范围内的超声回波测量。具体地，脉冲磁体与计算机相连，可利用计算机控制脉冲磁体为待测样品提供高至60t的极端强磁场环境。
[0085]
本实施例提供的适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置，利用互相关原理分析超声回波数据，得到材料中相邻回波的时间间隔，进而通过计算材料中横、纵波的传播速度得到材料的全部弹性性质，在数据处理方法上无需进行拟合，可实现对材料全部弹性性质的准确测量；同时分析超声回波数据，还可得到材料中相邻回波的幅值比值，直接获得材料中的超声衰减系数；另外，本实施例提供的测量装置还设有温控部件和磁场部件，可为样品提供低温和脉冲强磁场的测量环境，实现样品在极端环境下的弹性性质的测量。
[0086]
以下结合具体实施例对本发明提供的适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置进行相应说明：
[0087]
本实施例设计的测量装置整体采用一测量杆结构，如图4所示，分为3个部分：ⅰ、ⅱ、ⅲ，整体的测量杆长度由实际的液氦恒温器的规格决定。
[0088]
测量杆的第ⅰ部分，包括脉冲射频发射件、两超声传感器、样品台51和温控部件。其中，脉冲射频发射件采用信号发生器（优选普源dsg821）和脉冲开关（优选mini-circuits zyswa-2-50dr），由计算机发送指令，使信号发生器产生一定频率的射频信号，该射频信号在通过脉冲开关调制之后，得到射频脉冲信号，脉冲开关的电平信号由计算机控制。
[0089]
样品台51采用黄铜片，待测样品安装在样品台51上，考虑到脉冲磁场下金属材质的物体会产生涡流加热效应，因此对黄铜材质的样品台51需进行特殊处理：首先，样品台51处尽可能薄，优选采用车削至0.2mm的厚度；其次，在样品台51上用线切割锯成多个区域，并尽量减少区域之间的连接部位的面积，通过这些处理可以避免形成大量涡旋电流从而降低涡流加热效应。同时在样品台51的两个对角位置设置两个小孔（建议直径1mm），用于将测量杆第ⅱ部分中的同轴信号线从小孔中引至样品台51，并将同轴信号线的屏蔽层与样品台51焊接起来实现接地。为了减少噪音信号，样品台51外围套上黄铜屏蔽罩52（建议壁厚0.2mm以下），也用线切割锯成八等分，以减少涡流加热效应。
[0090]
温控部件主要包括液氦恒温器、温控仪（优选lake shore 335）、温度计（优选lake shore cernox 1050）和加热丝。其中温度计和加热丝安装在测量杆的底部，靠近样品台51，便于精确读取样品的温度。加热丝由一根线径为0.13mm的锰铜漆包线反向密绕而成，电阻约为50欧姆。温度计和加热丝的引线连接到测量杆第ⅲ部分中的温控接口（优选lemo 0b06型插座），并进而连接到温控仪。液氦恒温器为存贮液氦的装置，使用时需将样品杆插入液氦恒温器中使样品浸泡于液氦之中从而达到低温条件。为方便测量杆插入，在黄铜屏蔽罩52的底端安装中带有倒角的插拔导引53（优选环氧树脂材质）。
[0091]
测量杆的第ⅱ部分，包括由支撑部件及设置在支撑部件上的两根同轴信号线，其中，支撑部件由环氧树脂杆61、环氧树脂管62和不锈钢管63依次衔接而成的，环氧树脂杆61远离环氧树脂管62的一端与样品台51固定相连，不锈钢管63远离环氧树脂管62的一端与测量杆第ⅲ部分中四通接头70的一接头连通，且环氧树脂管62上靠近四通接头70处设有法兰盘64（优选kf40），便于实现测量杆与液氦恒温器之间的真空密封。考虑到脉冲磁体的孔径比较小，环氧树脂杆61的直径设置为8mm。为了方便安装两根同轴信号线（优选rf0.81），还可在环氧树脂杆61的侧壁铣数道线槽。
[0092]
两根同轴信号线，其中一根用于将脉冲射频发射件中脉冲开关产生的射频脉冲（即中入射波）经由超声传感器传送至样品，另一根则将样品中出射的超声回波（即反射波）分为两路，一路传送至测量杆第ⅲ部分中的数据采集卡，并通过计算机进行快速采集以及后续数据处理，另一路传送至示波器，便于实时监控测量情况。
[0093]
测量杆第ⅲ部分，包括由四通接头70、温控接口71、两sma接口72、数据采集卡（优选德州仪器ads54j42高速采集卡）和示波器（优选泰克mdo3000）组成的信息传输部件。不锈钢管63远离环氧树脂管62的一端与四通接头70的一接头连通，两sma接口72对应固定在四通接头70的另外两接头上，其中一sma接口的输入端与脉冲开关电相连，该sma接口的输出端通过一同轴信号线与样品台51上用于发射超声波信号的超声传感器a电相连，样品台51上用于检测超声回波信号的超声传感器b通过另一同轴信号线与另一sma接口的输入端相连，另一sma接口的输出端通过数据采集卡与计算机电相连；温控接口固定在四通接头的最后一接头上，温控接口的输入端分别与加热丝和温度计的引线电相连，温控接口的输出端与温控仪电相连。
[0094]
上述具体实施例提供的适用于脉冲强磁场下的超声回波测量装置的使用方法，具体步骤如下：
[0095]
步骤1：待测样品为具有平行端面的长方体，将其固定在样品台51上，在样品的一组正对的端面上各固定一个超声传感器（优选y10度切的linbo3压电陶瓷），并注意使超声
传感器的横向振动方向和待测样品的某个特定晶向平行，以便测量该晶向的声波速度。超声传感器的纵向振动和横向振动的频率可以由厂家处得知。
[0096]
步骤2：将超声传感器的正极分别和两个同轴信号线的芯线相连，将黄铜屏蔽罩52小心地套置在样品台51的外围。
[0097]
步骤3：将测量杆小心地插入液氦恒温器中，使样品所在的位置处于磁体中心位置附近。
[0098]
步骤4：将测量杆顶部的两个sma接口72分别和脉冲开关与数据采集卡相连。
[0099]
步骤5：将温控接口71和温控仪相连。
[0100]
步骤6：在液氦恒温器中导入液氦，并通过温控仪将温度稳定在所需的温度。
[0101]
步骤7：利用脉冲磁体产生所需的脉冲强磁场。
[0102]
步骤8：通过计算机采集超声回波信号，该实验可以在无磁场下测量声速和超声衰减随温度的变化，也可在某一特定的温度下测量声速和超声衰减随磁场的变化。
[0103]
步骤9：可以将超声波的频率分别设置在超声传感器的横波和纵波特征频率，重复步骤8可以分别得到横波和纵波的传播速度。
[0104]
步骤10：将超声传感器安装在样品的不同端面上，重复上述步骤2～9，可以实现材料不同晶向的声速和超声衰减系数。
[0105]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。