本發(fā)明屬于無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于研究應(yīng)力和磁記憶效應(yīng)關(guān)系的裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有應(yīng)力無損檢測(cè)方案較多，根據(jù)金屬磁記憶(metalmagneticmemory,mmm)效應(yīng)對(duì)鐵磁器件進(jìn)行應(yīng)力無損檢測(cè)是一種新興方法。這種磁記憶效應(yīng)是鐵磁金屬在地磁場(chǎng)和周期載荷或者應(yīng)力的共同作用下，產(chǎn)生自發(fā)磁化以及自發(fā)漏磁場(chǎng)(self-magneticleakagefield,smlf)的自然現(xiàn)象?，F(xiàn)有的利用磁記憶效應(yīng)來檢測(cè)應(yīng)力的無損檢測(cè)裝置或者儀器，一般利用磁敏元件來讀取自發(fā)漏磁場(chǎng)。這種方案一定程度上能獲取鐵磁器件的應(yīng)力信息，但是實(shí)際上，磁敏元件能檢測(cè)到的是鐵磁器件的自發(fā)磁化強(qiáng)度m在空氣中形成的磁場(chǎng)h。這個(gè)磁場(chǎng)h受多個(gè)因素影響，比較明顯的比如地磁場(chǎng)、環(huán)境磁場(chǎng)以及鐵磁器件整體本身的磁場(chǎng)等。

磁光克爾效應(yīng)和磁光法拉第效應(yīng)作為自然現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用已經(jīng)很久了，最初磁光克爾效應(yīng)被用于磁光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，后來磁光克爾效應(yīng)被用于薄膜和超薄膜的磁性研究。其基本原理是，利用偏振激光作為探測(cè)工具，入射到磁性薄膜的表面。在磁性薄膜的表面，因?yàn)楸∧ぶ械拇呕瘡?qiáng)度m和激光發(fā)生電磁相互作用，從磁性薄膜的表面反射的激光的偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，并且這個(gè)偏轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)的角度，和磁化強(qiáng)度m相關(guān)。在反射光路中，利用一個(gè)檢偏器，來檢測(cè)反射光偏振面的偏轉(zhuǎn)角，這樣通過偏轉(zhuǎn)角即可得知磁性薄膜中的磁化強(qiáng)度m的信息。因磁光克爾效應(yīng)非常靈敏，可以探測(cè)原子層的超薄膜的磁性?，F(xiàn)有技術(shù)中， 都是利用磁光克爾效應(yīng)研究薄膜在外加磁場(chǎng)下的反應(yīng)和性質(zhì)，而利用磁光克爾效應(yīng)來研究應(yīng)力和磁記憶效應(yīng)的關(guān)系，沒有相關(guān)文獻(xiàn)公開。

目前利用磁光克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力檢測(cè)的技術(shù)方案罕見報(bào)道，只是存在一種間接測(cè)量方案：采用柔性基底并外加磁性鍍膜，來模擬待測(cè)器件的形變，然后利用磁光克爾效應(yīng)來檢測(cè)磁性鍍膜的磁性變化，間接地計(jì)算柔性基底和其下待測(cè)器件的形變以及應(yīng)力。這種方案的缺點(diǎn)在于：其實(shí)際測(cè)量的是柔性基底上的磁性薄膜的磁異常，而不是實(shí)際的待測(cè)器件的磁信號(hào)本身；同時(shí)它有應(yīng)變片法同樣的局限性，也就是只能測(cè)量從檢測(cè)開始的應(yīng)力變化，而不能測(cè)量檢測(cè)之前已經(jīng)積累了的應(yīng)力；再者，上述的地磁場(chǎng)、環(huán)境磁場(chǎng)以及器件本身的磁場(chǎng)等對(duì)柔性基底上的磁性薄膜的影響，同樣存在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于研究應(yīng)力和磁記憶效應(yīng)關(guān)系的裝置，旨在解決現(xiàn)有磁敏元件檢測(cè)方案易受干擾，且測(cè)量結(jié)果是磁場(chǎng)h而不是磁化強(qiáng)度m的問題，以及現(xiàn)有的磁光克爾效應(yīng)應(yīng)力檢測(cè)方案中的非直接檢測(cè)的問題。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

所述裝置包括采用無磁性金屬材料制作的固定臺(tái)，所述固定臺(tái)上安裝有待測(cè)鐵磁器件，所述固定臺(tái)可對(duì)所述待測(cè)鐵磁器件拉伸和壓縮，所述裝置還包括激光發(fā)射器、起偏器、光學(xué)聚焦透鏡組件、檢偏器和光敏元件，所述激光發(fā)射器發(fā)出激光經(jīng)過起偏器，變成線偏振激光，所述起偏器偏振角度可調(diào)，所述線偏振激光經(jīng)過所述光學(xué)聚焦透鏡組件后，聚焦照射到待測(cè)鐵磁器件表面，經(jīng)反射，反射激光通過所述光學(xué)聚焦透鏡組件聚焦后經(jīng)過檢偏器照射到所述光敏元件上，其中所述檢偏器的旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)。

本發(fā)明的有益效果是：

相較于現(xiàn)有磁光克爾效應(yīng)應(yīng)力檢測(cè)方案，首先，本發(fā)明直接檢測(cè)鐵磁器件 中的磁化強(qiáng)度m，避免了柔性基底和磁性薄膜造成的測(cè)量系統(tǒng)誤差；同時(shí)，因?yàn)槠錅y(cè)量的是鐵磁器件中的磁化強(qiáng)度m，所以得出的結(jié)果是個(gè)絕對(duì)值，而不是類似采用應(yīng)變片所得結(jié)果是個(gè)相對(duì)值。

相較于現(xiàn)有利用磁敏元件磁記憶應(yīng)力無損檢測(cè)方案，利用磁光克爾效應(yīng)的測(cè)量所得數(shù)據(jù)具有局域性(locality)，如果采用磁敏元件的話，不能隔絕地磁場(chǎng)、環(huán)境磁場(chǎng)等對(duì)磁敏元件的影響；同時(shí)因?yàn)榇琶粼旧淼某叽?，以及提離值等的影響，所測(cè)得的磁場(chǎng)，一般是一定表面范圍內(nèi)的自發(fā)漏磁場(chǎng)信號(hào)，和地磁場(chǎng)、環(huán)境信號(hào)的綜合；因此，這個(gè)所得的磁場(chǎng)信號(hào)其實(shí)也不是單純的自發(fā)漏磁場(chǎng)信號(hào)；而利用磁光克爾效應(yīng)所得的信號(hào)，僅僅來源于探測(cè)激光光斑所在的磁性薄膜，保證了信號(hào)來源的局域性，排除了環(huán)境以及鄰域信號(hào)的影響，十分有利于提高檢測(cè)分辨率。

另外，本發(fā)明還可以應(yīng)用于裂紋檢測(cè)，利用磁敏元件來檢測(cè)微裂紋時(shí)，因?yàn)樘犭x值和上述的非局域性，以及磁敏元件的檢測(cè)極限等，過于微小的裂紋難以被檢測(cè)到；但是本發(fā)明采用聚焦激光，探測(cè)光斑可以非常微小，達(dá)到微米級(jí)；由于裂紋處的表面光反射發(fā)生劇烈的變化，因此，其反射的光強(qiáng)本身就是個(gè)很好的裂紋檢測(cè)信號(hào)，結(jié)合裂紋兩邊的磁化方向翻轉(zhuǎn)，本方案更容易對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)和表征。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的用于研究應(yīng)力和磁記憶效應(yīng)關(guān)系的裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的用于研究應(yīng)力和磁記憶效應(yīng)關(guān)系的裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是待測(cè)鐵磁器件的一種結(jié)構(gòu)圖；

圖4是固定臺(tái)的一種結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)施例利用磁光克爾效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，可以用于研究鐵磁材料中應(yīng)力和磁記憶現(xiàn)象的關(guān)系。本裝置包括采用固定臺(tái)，所述固定臺(tái)上安裝有待測(cè)鐵磁器件，所述固定臺(tái)可對(duì)所述待測(cè)鐵磁器件拉伸和壓縮，用于對(duì)所述待測(cè)鐵磁器件產(chǎn)生應(yīng)力。本裝置還包括激光發(fā)射器、起偏器、光學(xué)聚焦透鏡組件、檢偏器和光敏元件。

在發(fā)射光路上，所述激光發(fā)射器發(fā)出激光經(jīng)過起偏器，變成線偏振激光，所述起偏器偏振角度可調(diào)，所述線偏振激光經(jīng)過所述光學(xué)聚焦透鏡組件后，聚焦照射到待測(cè)鐵磁器件表面，所述待測(cè)鐵磁器件安裝固定在一個(gè)可以拉伸和壓縮待測(cè)鐵磁器件的固定臺(tái)上，在待測(cè)鐵磁器件中產(chǎn)生應(yīng)力激勵(lì)，方便研究應(yīng)力和磁化強(qiáng)度的關(guān)系。為避免這個(gè)固定臺(tái)本身磁場(chǎng)對(duì)待測(cè)鐵磁器件影響，所述固定臺(tái)采用無磁性的金屬制作。

在反射光路上，經(jīng)待測(cè)鐵磁器件表面反射，反射激光通過所述光學(xué)聚焦透鏡組件聚焦后經(jīng)過檢偏器照射到所述光敏元件上，其中所述檢偏器的旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，將所述檢偏器安裝在步進(jìn)馬達(dá)上，由通過控制步進(jìn)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，調(diào)整檢偏器的角度。測(cè)量中，在讀取光敏元件上的光強(qiáng)的同時(shí)，也得出反射光的偏振面旋轉(zhuǎn)角度信息。

本實(shí)施例中，所述光學(xué)聚焦透鏡組件聚焦入射的線偏振激光到待測(cè)鐵磁器件表面，同時(shí)也將經(jīng)待測(cè)鐵磁器件表面反射的反射激光聚焦照射到檢偏器上。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，所述光學(xué)聚焦透鏡組件可采用兩片聚焦透鏡或者單片聚焦透鏡實(shí)現(xiàn)，下面列舉兩個(gè)具體實(shí)施例以說明。

實(shí)施例一：

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的用于研究應(yīng)力和磁記憶效應(yīng)關(guān)系的裝置的 結(jié)構(gòu)，為了便于說明僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分。

本實(shí)施例提供的用于研究應(yīng)力和磁記憶效應(yīng)關(guān)系的裝置包括采用無磁性金屬材料制作的固定臺(tái)1，所述固定臺(tái)1上安裝有待測(cè)鐵磁器件2，所述固定臺(tái)可對(duì)所述待測(cè)鐵磁器件2拉伸和壓縮，所述裝置還包括激光發(fā)射器3、起偏器4、第一聚焦透鏡51和第二聚焦透鏡52、檢偏器6和光敏元件7。所述激光發(fā)射器3發(fā)出激光經(jīng)過起偏器4，變成線偏振激光，所述起偏器偏振角度可調(diào)，所述線偏振激光經(jīng)過所述第一聚焦透鏡51后，聚焦照射到待測(cè)鐵磁器件2表面，經(jīng)反射，反射激光通過所述第二聚焦透鏡52聚焦后經(jīng)過檢偏器6照射到所述光敏元件7上。

實(shí)施例二：

圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的用于研究應(yīng)力和磁記憶效應(yīng)關(guān)系的裝置的結(jié)構(gòu)，為了便于說明僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分。

本實(shí)施例提供的用于研究應(yīng)力和磁記憶效應(yīng)關(guān)系的裝置包括采用無磁性金屬材料制作的固定臺(tái)1，所述固定臺(tái)1上安裝有待測(cè)鐵磁器件2，所述固定臺(tái)可對(duì)所述待測(cè)鐵磁器件2拉伸和壓縮，所述裝置還包括激光發(fā)射器3、起偏器4、聚焦透鏡53、檢偏器6和光敏元件7。所述聚焦透鏡53位于所述待測(cè)鐵磁器件2正上方，所述裝置還包括反射鏡8，反射鏡8設(shè)置在檢偏器6的光路前方，所述激光發(fā)射器3發(fā)出激光經(jīng)過起偏器4，變成線偏振激光，所述起偏器偏振角度可調(diào)，線偏振激光經(jīng)過所述聚焦透鏡53聚焦照射到待測(cè)鐵磁器件2表面，經(jīng)反射，然后經(jīng)過所述聚焦透鏡53聚焦，反射激光通過所述反射鏡8反射，最后經(jīng)過檢偏器照射到所述光敏元件上。

本實(shí)施例中，激光發(fā)射器采用垂直入射和反射的方式，在待測(cè)鐵磁器件上方，利用一個(gè)聚焦透鏡，增大入射光的入射角，以加大反射光的偏轉(zhuǎn)角度。

當(dāng)然等同的，也可以將所述反射鏡8位于所述起偏器4后方。所述線偏振激光經(jīng)過所述反射鏡8反射后照射到所述聚焦透鏡53，然后聚焦照射到待測(cè)鐵磁器件2表面，經(jīng)反射，反射激光通過所述聚焦透鏡53聚焦后經(jīng)過檢偏器6 照射到所述光敏元件7上。

根據(jù)磁光作用的原理可以得知，入射光的偏轉(zhuǎn)角度大致和磁化強(qiáng)度m的線性相關(guān)。極端情況下，利用一個(gè)和起偏器垂直的檢偏器，可以把這種偏轉(zhuǎn)角度大致線性地轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)。實(shí)際中，為了避免光強(qiáng)降到零或者負(fù)數(shù)的問題，也就是偏轉(zhuǎn)方向的區(qū)分問題，一般把檢偏器角度從垂直位置，稍微降低2度左右，給光敏元件一個(gè)偏置光強(qiáng)，即所述起偏器和檢偏器方向的夾角為88度。

作為一種具體選材，激光發(fā)射器采用體積細(xì)小的半導(dǎo)體激光器，其中心波長為650nm，功率2mw，光敏元件采用光電二極管。固定臺(tái)可以對(duì)待測(cè)鐵磁器件進(jìn)行拉伸和壓縮。在壓縮的時(shí)候，為了防止待測(cè)鐵磁器件變形，可以在其上下附加多塊玻璃片，減少形變。

所述激光發(fā)射器、起偏器、光學(xué)聚焦透鏡組件、檢偏器和光敏元件設(shè)置在光路底板上，光路底板作為承載體。當(dāng)光路底板和固定臺(tái)相對(duì)固定時(shí)，若入射光路和反射光路不變，入射光只能照射到待測(cè)鐵磁器件表面的某一點(diǎn)上，只能檢測(cè)到此點(diǎn)位置的應(yīng)力信息。為了能實(shí)現(xiàn)待測(cè)鐵磁器件表面大范圍檢測(cè)，在所述固定臺(tái)上或者所述光路底板上還安裝有x軸y軸電動(dòng)微調(diào)滑臺(tái)以及用于記錄x軸y軸移動(dòng)距離的位移傳感器，這樣能實(shí)現(xiàn)測(cè)鐵磁器件表面大范圍磁化強(qiáng)度m的逐點(diǎn)掃描。另外，作為另一種實(shí)現(xiàn)方式，所述光敏元件也可采用ccd、cmos陣列或者其它光敏陣列，通過調(diào)整入射光路中的聚焦透鏡，可以調(diào)整聚焦點(diǎn)位置，方便一次采集多個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力和磁化強(qiáng)度信號(hào)，進(jìn)行待測(cè)鐵磁器件的應(yīng)力反應(yīng)行為的瞬態(tài)研究分析。

作為所述待測(cè)鐵磁器件的一種具體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，所示待測(cè)鐵磁器件2為板狀，中間縮口，有利于應(yīng)力集中的研究，且兩端設(shè)有若干固定孔21。

作為所述固定臺(tái)的一種具體結(jié)構(gòu)，如圖4所示，所述固定臺(tái)1包括固定框架11，所述固定框架11內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)軌12，所述導(dǎo)軌12一端固定有固定塊13，所述導(dǎo)軌上還設(shè)置有移動(dòng)塊14，所述固定臺(tái)1還包括穿過所述固定框架的絲桿15，所述絲桿15一端與所述移動(dòng)塊14連接，另一端固定有轉(zhuǎn)動(dòng)把手16，所述 固定塊13和移動(dòng)塊14上還設(shè)置有若干固定柱17，所述固定柱17數(shù)量和大小與待測(cè)鐵磁器件兩端的固定孔一一對(duì)應(yīng)。通過轉(zhuǎn)動(dòng)所述轉(zhuǎn)動(dòng)把手16，絲桿15帶動(dòng)所述移動(dòng)塊14在導(dǎo)軌12上移動(dòng)，這樣可以對(duì)待測(cè)鐵磁器件進(jìn)行拉伸或壓縮，以產(chǎn)生應(yīng)力。

另外進(jìn)一步作為一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，所述裝置還包括利用軟磁金屬材料制作而成的屏蔽盒，所述激光發(fā)射器、起偏器、光學(xué)聚焦透鏡組件、檢偏器和光敏元件位于所述屏蔽盒內(nèi)。一方面進(jìn)行了電磁屏蔽，可以減少和控制外磁場(chǎng)的影響，特別是方便研究地磁場(chǎng)對(duì)磁記憶現(xiàn)象的產(chǎn)生的影響。另一方面，減少了激光測(cè)量中的環(huán)境雜光，提高了檢測(cè)的信噪比。

通過本裝置，還可以在待測(cè)鐵磁器件上，疊加其它的能量激勵(lì)，例如力、聲、熱、電磁、光等，就可以進(jìn)一步研究待測(cè)鐵磁器件在外加各種能量激勵(lì)或者能量激勵(lì)的組合的情況下的應(yīng)力-磁化強(qiáng)度m的關(guān)系。

此外，激光發(fā)射器在發(fā)射出的激光前還可以對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制和監(jiān)控，同時(shí)光敏元件對(duì)接收到的反射激光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，提高系統(tǒng)的信噪比。

本裝置還可以應(yīng)用于裂紋檢測(cè)，利用磁敏元件來檢測(cè)微裂紋時(shí)，因?yàn)樘犭x值和上述的非局域性，以及磁敏元件的檢測(cè)極限等，過于微小的裂紋難以被檢測(cè)到；但是本發(fā)明采用聚焦激光，探測(cè)光斑可以非常微小，達(dá)到微米級(jí)；由于裂紋處的表面光反射發(fā)生劇烈的變化，因此，其反射的光強(qiáng)本身就是個(gè)很好的裂紋檢測(cè)信號(hào)，結(jié)合裂紋兩邊的磁化方向翻轉(zhuǎn)，本方案更容易對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)和表征。

綜上，現(xiàn)有采用磁敏元件檢測(cè)應(yīng)力方法不能隔絕地磁場(chǎng)、環(huán)境磁場(chǎng)等對(duì)磁敏元件的影響。同時(shí)因?yàn)榇琶粼旧淼某叽?，以及提離值等的影響，所測(cè)得的磁場(chǎng)，一般是一定表面范圍內(nèi)的自發(fā)漏磁場(chǎng)信號(hào)和地磁場(chǎng)、環(huán)境信號(hào)的綜合。因此，這個(gè)所得的磁場(chǎng)信號(hào)其實(shí)也不是單純的自發(fā)漏磁場(chǎng)信號(hào)。而本發(fā)明利用磁光克爾效應(yīng)所得的信號(hào)，僅僅來源于探測(cè)激光光斑所在的鐵磁器件，保證了信號(hào)來源的局域性，排除了環(huán)境以及鄰域信號(hào)的影響，有利于提高檢測(cè)分辨率。

另外從檢測(cè)原理上，因?yàn)楸景l(fā)明利用的是一種磁光效應(yīng)，在檢測(cè)時(shí)，是器件被測(cè)量點(diǎn)整體的磁化強(qiáng)度和激光的相互作用，所以所得的信號(hào)中，同時(shí)包含了法線和切線方向的磁場(chǎng)信息。相比較而言，現(xiàn)有的利用磁敏元件的方法，把待測(cè)器件的法線和切線方向的磁場(chǎng)分開測(cè)量，但在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的時(shí)候，又不得不綜合考慮。因而本發(fā)明的方案從原理上來說，就降低了這個(gè)系統(tǒng)誤差。

同時(shí)因?yàn)楸景l(fā)明是利用磁光克爾效應(yīng)的一種光學(xué)方法，探測(cè)激光所需要的空間很小，可以進(jìn)行非接觸式的測(cè)量，所以整體上，檢測(cè)裝置可以和其它的機(jī)械裝置集成。采用兩個(gè)電動(dòng)微調(diào)滑臺(tái)，形成平面內(nèi)的掃描，可以對(duì)待測(cè)鐵磁器件的表面進(jìn)行自動(dòng)化的逐點(diǎn)掃描，得出清晰的自發(fā)漏磁場(chǎng)表面分布圖。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。