CN107131981A - 一种用于研究应力和磁记忆效应关系的装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于无损检测领域，提供一种用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，包括固定台，所述固定台上安装有待测铁磁器件，所述固定台可对所述待测铁磁器件拉伸和压缩，所述装置还包括激光发射器、起偏器、光学聚焦透镜组件、检偏器和光敏元件，所述激光发射器发出激光经过起偏器，变成线偏振激光，所述线偏振激光经过所述光学聚焦透镜组件后，聚焦照射到待测铁磁器件表面，经反射，反射激光通过所述光学聚焦透镜组件聚焦后经过检偏器照射到所述光敏元件上。本发明利用磁光克尔效应的优点，可以用于研究铁磁材料中应力和磁记忆现象的关系，也可以应用于裂纹检测。本发明装置抗干扰强，同时也避免了使用柔性基底和磁性薄膜间接测量造成的系统误差。

Description

一种用于研究应力和磁记忆效应关系的装置

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种用于研究应力和磁记忆效应关系的装置。

背景技术

现有应力无损检测方案较多，根据金属磁记忆(Metal Magnetic Memory,MMM)效应对铁磁器件进行应力无损检测是一种新兴方法。这种磁记忆效应是铁磁金属在地磁场和周期载荷或者应力的共同作用下，产生自发磁化以及自发漏磁场(Self-Magnetic Leakage Field,SMLF)的自然现象。现有的利用磁记忆效应来检测应力的无损检测装置或者仪器，一般利用磁敏元件来读取自发漏磁场。这种方案一定程度上能获取铁磁器件的应力信息，但是实际上，磁敏元件能检测到的是铁磁器件的自发磁化强度M在空气中形成的磁场H。这个磁场H受多个因素影响，比较明显的比如地磁场、环境磁场以及铁磁器件整体本身的磁场等。

磁光克尔效应和磁光法拉第效应作为自然现象被发现和应用已经很久了，最初磁光克尔效应被用于磁光数据存储领域，后来磁光克尔效应被用于薄膜和超薄膜的磁性研究。其基本原理是，利用偏振激光作为探测工具，入射到磁性薄膜的表面。在磁性薄膜的表面，因为薄膜中的磁化强度M和激光发生电磁相互作用，从磁性薄膜的表面反射的激光的偏振面发生了旋转，并且这个偏转面旋转的角度，和磁化强度M相关。在反射光路中，利用一个检偏器，来检测反射光偏振面的偏转角，这样通过偏转角即可得知磁性薄膜中的磁化强度M的信息。因磁光克尔效应非常灵敏，可以探测原子层的超薄膜的磁性。现有技术中，都是利用磁光克尔效应研究薄膜在外加磁场下的反应和性质，而利用磁光克尔效应来研究应力和磁记忆效应的关系，没有相关文献公开。

目前利用磁光克尔效应实现应力检测的技术方案罕见报道，只是存在一种间接测量方案：采用柔性基底并外加磁性镀膜，来模拟待测器件的形变，然后利用磁光克尔效应来检测磁性镀膜的磁性变化，间接地计算柔性基底和其下待测器件的形变以及应力。这种方案的缺点在于：其实际测量的是柔性基底上的磁性薄膜的磁异常，而不是实际的待测器件的磁信号本身；同时它有应变片法同样的局限性，也就是只能测量从检测开始的应力变化，而不能测量检测之前已经积累了的应力；再者，上述的地磁场、环境磁场以及器件本身的磁场等对柔性基底上的磁性薄膜的影响，同样存在。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，旨在解决现有磁敏元件检测方案易受干扰，且测量结果是磁场H而不是磁化强度M的问题，以及现有的磁光克尔效应应力检测方案中的非直接检测的问题。

本发明采用如下技术方案：

所述装置包括采用无磁性金属材料制作的固定台，所述固定台上安装有待测铁磁器件，所述固定台可对所述待测铁磁器件拉伸和压缩，所述装置还包括激光发射器、起偏器、光学聚焦透镜组件、检偏器和光敏元件，所述激光发射器发出激光经过起偏器，变成线偏振激光，所述起偏器偏振角度可调，所述线偏振激光经过所述光学聚焦透镜组件后，聚焦照射到待测铁磁器件表面，经反射，反射激光通过所述光学聚焦透镜组件聚焦后经过检偏器照射到所述光敏元件上，其中所述检偏器的旋转角度可调。

本发明的有益效果是：

相较于现有磁光克尔效应应力检测方案，首先，本发明直接检测铁磁器件中的磁化强度M，避免了柔性基底和磁性薄膜造成的测量系统误差；同时，因为其测量的是铁磁器件中的磁化强度M，所以得出的结果是个绝对值，而不是类似采用应变片所得结果是个相对值。

相较于现有利用磁敏元件磁记忆应力无损检测方案，利用磁光克尔效应的测量所得数据具有局域性(locality)，如果采用磁敏元件的话，不能隔绝地磁场、环境磁场等对磁敏元件的影响；同时因为磁敏元件本身的尺寸，以及提离值等的影响，所测得的磁场，一般是一定表面范围内的自发漏磁场信号，和地磁场、环境信号的综合；因此，这个所得的磁场信号其实也不是单纯的自发漏磁场信号；而利用磁光克尔效应所得的信号，仅仅来源于探测激光光斑所在的磁性薄膜，保证了信号来源的局域性，排除了环境以及邻域信号的影响，十分有利于提高检测分辨率。

另外，本发明还可以应用于裂纹检测，利用磁敏元件来检测微裂纹时，因为提离值和上述的非局域性，以及磁敏元件的检测极限等，过于微小的裂纹难以被检测到；但是本发明采用聚焦激光，探测光斑可以非常微小，达到微米级；由于裂纹处的表面光反射发生剧烈的变化，因此，其反射的光强本身就是个很好的裂纹检测信号，结合裂纹两边的磁化方向翻转，本方案更容易对裂纹进行检测和表征。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的用于研究应力和磁记忆效应关系的装置的结构图；

图2是本发明第二实施例提供的用于研究应力和磁记忆效应关系的装置的结构图；

图3是待测铁磁器件的一种结构图；

图4是固定台的一种结构图。

具体实施方式

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。

本发明实施例利用磁光克尔效应的优点，可以用于研究铁磁材料中应力和磁记忆现象的关系。本装置包括采用固定台，所述固定台上安装有待测铁磁器件，所述固定台可对所述待测铁磁器件拉伸和压缩，用于对所述待测铁磁器件产生应力。本装置还包括激光发射器、起偏器、光学聚焦透镜组件、检偏器和光敏元件。

在发射光路上，所述激光发射器发出激光经过起偏器，变成线偏振激光，所述起偏器偏振角度可调，所述线偏振激光经过所述光学聚焦透镜组件后，聚焦照射到待测铁磁器件表面，所述待测铁磁器件安装固定在一个可以拉伸和压缩待测铁磁器件的固定台上，在待测铁磁器件中产生应力激励，方便研究应力和磁化强度的关系。为避免这个固定台本身磁场对待测铁磁器件影响，所述固定台采用无磁性的金属制作。

在反射光路上，经待测铁磁器件表面反射，反射激光通过所述光学聚焦透镜组件聚焦后经过检偏器照射到所述光敏元件上，其中所述检偏器的旋转角度可调，具体实现时，将所述检偏器安装在步进马达上，由通过控制步进马达旋转，调整检偏器的角度。测量中，在读取光敏元件上的光强的同时，也得出反射光的偏振面旋转角度信息。

本实施例中，所述光学聚焦透镜组件聚焦入射的线偏振激光到待测铁磁器件表面，同时也将经待测铁磁器件表面反射的反射激光聚焦照射到检偏器上。具体实现时，所述光学聚焦透镜组件可采用两片聚焦透镜或者单片聚焦透镜实现，下面列举两个具体实施例以说明。

实施例一：

图1示出了本发明实施例提供的用于研究应力和磁记忆效应关系的装置的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的用于研究应力和磁记忆效应关系的装置包括采用无磁性金属材料制作的固定台1，所述固定台1上安装有待测铁磁器件2，所述固定台可对所述待测铁磁器件2拉伸和压缩，所述装置还包括激光发射器3、起偏器4、第一聚焦透镜51和第二聚焦透镜52、检偏器6和光敏元件7。所述激光发射器3发出激光经过起偏器4，变成线偏振激光，所述起偏器偏振角度可调，所述线偏振激光经过所述第一聚焦透镜51后，聚焦照射到待测铁磁器件2表面，经反射，反射激光通过所述第二聚焦透镜52聚焦后经过检偏器6照射到所述光敏元件7上。

实施例二：

图2示出了本发明实施例提供的用于研究应力和磁记忆效应关系的装置的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的用于研究应力和磁记忆效应关系的装置包括采用无磁性金属材料制作的固定台1，所述固定台1上安装有待测铁磁器件2，所述固定台可对所述待测铁磁器件2拉伸和压缩，所述装置还包括激光发射器3、起偏器4、聚焦透镜53、检偏器6和光敏元件7。所述聚焦透镜53位于所述待测铁磁器件2正上方，所述装置还包括反射镜8，反射镜8设置在检偏器6的光路前方，所述激光发射器3发出激光经过起偏器4，变成线偏振激光，所述起偏器偏振角度可调，线偏振激光经过所述聚焦透镜53聚焦照射到待测铁磁器件2表面，经反射，然后经过所述聚焦透镜53聚焦，反射激光通过所述反射镜8反射，最后经过检偏器照射到所述光敏元件上。

本实施例中，激光发射器采用垂直入射和反射的方式，在待测铁磁器件上方，利用一个聚焦透镜，增大入射光的入射角，以加大反射光的偏转角度。

当然等同的，也可以将所述反射镜8位于所述起偏器4后方。所述线偏振激光经过所述反射镜8反射后照射到所述聚焦透镜53，然后聚焦照射到待测铁磁器件2表面，经反射，反射激光通过所述聚焦透镜53聚焦后经过检偏器6照射到所述光敏元件7上。

根据磁光作用的原理可以得知，入射光的偏转角度大致和磁化强度M的线性相关。极端情况下，利用一个和起偏器垂直的检偏器，可以把这种偏转角度大致线性地转化为光强。实际中，为了避免光强降到零或者负数的问题，也就是偏转方向的区分问题，一般把检偏器角度从垂直位置，稍微降低2度左右，给光敏元件一个偏置光强，即所述起偏器和检偏器方向的夹角为88度。

作为一种具体选材，激光发射器采用体积细小的半导体激光器，其中心波长为650nm，功率2mW，光敏元件采用光电二极管。固定台可以对待测铁磁器件进行拉伸和压缩。在压缩的时候，为了防止待测铁磁器件变形，可以在其上下附加多块玻璃片，减少形变。

所述激光发射器、起偏器、光学聚焦透镜组件、检偏器和光敏元件设置在光路底板上，光路底板作为承载体。当光路底板和固定台相对固定时，若入射光路和反射光路不变，入射光只能照射到待测铁磁器件表面的某一点上，只能检测到此点位置的应力信息。为了能实现待测铁磁器件表面大范围检测，在所述固定台上或者所述光路底板上还安装有X轴Y轴电动微调滑台以及用于记录X轴Y轴移动距离的位移传感器，这样能实现测铁磁器件表面大范围磁化强度M的逐点扫描。另外，作为另一种实现方式，所述光敏元件也可采用CCD、CMOS阵列或者其它光敏阵列，通过调整入射光路中的聚焦透镜，可以调整聚焦点位置，方便一次采集多个点的应力和磁化强度信号，进行待测铁磁器件的应力反应行为的瞬态研究分析。

作为所述待测铁磁器件的一种具体结构，如图3所示，所示待测铁磁器件2为板状，中间缩口，有利于应力集中的研究，且两端设有若干固定孔21。

作为所述固定台的一种具体结构，如图4所示，所述固定台1包括固定框架11，所述固定框架11内设置有导轨12，所述导轨12一端固定有固定块13，所述导轨上还设置有移动块14，所述固定台1还包括穿过所述固定框架的丝杆15，所述丝杆15一端与所述移动块14连接，另一端固定有转动把手16，所述固定块13和移动块14上还设置有若干固定柱17，所述固定柱17数量和大小与待测铁磁器件两端的固定孔一一对应。通过转动所述转动把手16，丝杆15带动所述移动块14在导轨12上移动，这样可以对待测铁磁器件进行拉伸或压缩，以产生应力。

另外进一步作为一种优选结构，所述装置还包括利用软磁金属材料制作而成的屏蔽盒，所述激光发射器、起偏器、光学聚焦透镜组件、检偏器和光敏元件位于所述屏蔽盒内。一方面进行了电磁屏蔽，可以减少和控制外磁场的影响，特别是方便研究地磁场对磁记忆现象的产生的影响。另一方面，减少了激光测量中的环境杂光，提高了检测的信噪比。

通过本装置，还可以在待测铁磁器件上，叠加其它的能量激励，例如力、声、热、电磁、光等，就可以进一步研究待测铁磁器件在外加各种能量激励或者能量激励的组合的情况下的应力-磁化强度M的关系。

此外，激光发射器在发射出的激光前还可以对激光进行调制和监控，同时光敏元件对接收到的反射激光信号进行解调处理，提高系统的信噪比。

本装置还可以应用于裂纹检测，利用磁敏元件来检测微裂纹时，因为提离值和上述的非局域性，以及磁敏元件的检测极限等，过于微小的裂纹难以被检测到；但是本发明采用聚焦激光，探测光斑可以非常微小，达到微米级；由于裂纹处的表面光反射发生剧烈的变化，因此，其反射的光强本身就是个很好的裂纹检测信号，结合裂纹两边的磁化方向翻转，本方案更容易对裂纹进行检测和表征。

综上，现有采用磁敏元件检测应力方法不能隔绝地磁场、环境磁场等对磁敏元件的影响。同时因为磁敏元件本身的尺寸，以及提离值等的影响，所测得的磁场，一般是一定表面范围内的自发漏磁场信号和地磁场、环境信号的综合。因此，这个所得的磁场信号其实也不是单纯的自发漏磁场信号。而本发明利用磁光克尔效应所得的信号，仅仅来源于探测激光光斑所在的铁磁器件，保证了信号来源的局域性，排除了环境以及邻域信号的影响，有利于提高检测分辨率。

另外从检测原理上，因为本发明利用的是一种磁光效应，在检测时，是器件被测量点整体的磁化强度和激光的相互作用，所以所得的信号中，同时包含了法线和切线方向的磁场信息。相比较而言，现有的利用磁敏元件的方法，把待测器件的法线和切线方向的磁场分开测量，但在进行数据分析的时候，又不得不综合考虑。因而本发明的方案从原理上来说，就降低了这个系统误差。

同时因为本发明是利用磁光克尔效应的一种光学方法，探测激光所需要的空间很小，可以进行非接触式的测量，所以整体上，检测装置可以和其它的机械装置集成。采用两个电动微调滑台，形成平面内的扫描，可以对待测铁磁器件的表面进行自动化的逐点扫描，得出清晰的自发漏磁场表面分布图。

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。

Claims (10)

1.一种用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，所述装置包括采用无磁性金属材料制作的固定台，所述固定台上安装有待测铁磁器件，所述固定台可对所述待测铁磁器件拉伸和压缩，所述装置还包括激光发射器、起偏器、光学聚焦透镜组件、检偏器和光敏元件，所述激光发射器发出激光经过起偏器，变成线偏振激光，所述起偏器偏振角度可调，所述线偏振激光经过所述光学聚焦透镜组件后，聚焦照射到待测铁磁器件表面，经反射，反射激光通过所述光学聚焦透镜组件聚焦后经过检偏器照射到所述光敏元件上，其中所述检偏器的旋转角度可调。

2.如权利要求1所述用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，所述光学聚焦透镜组件分为第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所述线偏振激光经过所述第一聚焦透镜后，聚焦照射到待测铁磁器件表面，经反射，反射激光通过所述第二聚焦透镜聚焦后经过检偏器照射到所述光敏元件上。

3.如权利要求2所述用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，所述光学聚焦透镜组件为一块聚焦透镜，且位于所述待测铁磁器件正上方，所述装置还包括反射镜，所述线偏振激光经过所述反射镜反射后照射到所述聚焦透镜，然后聚焦照射到待测铁磁器件表面，经反射，反射激光通过所述聚焦透镜聚焦后经过检偏器照射到所述光敏元件上；或者所述线偏振激光经过所述聚焦透镜聚焦照射到待测铁磁器件表面，经反射，反射激光通过所述反射镜反射，然后经过所述聚焦透镜聚焦，经过检偏器照射到所述光敏元件上。

4.如权利要求1-3任一项所述用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，所述起偏器和检偏器方向的夹角为88°。

5.如权利要求4所述用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，所述待测铁磁器件为板状，中间缩口，且两端设有若干固定孔。

6.如权利要求5所述用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，所述固定台包括固定框架，所述固定框架内设置有导轨，所述导轨一端固定有固定块，所述导轨上还设置有移动块，所述固定台还包括穿过所述固定框架的丝杆，所述丝杆一端与所述移动块连接，另一端固定有转动把手，所述固定块和移动块上还设置有若干固定柱，所述固定柱数量和大小与待测铁磁器件两端的固定孔一一对应。

7.如权利要求6所述用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，所述装置还包括利用软磁金属材料制作而成的屏蔽盒，所述激光发射器、起偏器、光学聚焦透镜组件、检偏器和光敏元件位于所述屏蔽盒内。

8.如权利要求7所述用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，所述待测铁磁器件的上下表面设置有多块玻璃片。

9.如权利要求8所述用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，在所述固定台上或者所述激光发射器、起偏器、光学聚焦透镜组件、检偏器和光敏元件所在的光路底板上还安装有X轴Y轴电动微调滑台以及用于记录X轴Y轴移动距离的位移传感器。

10.如权利要求9所述用于研究应力和磁记忆效应关系的装置，其特征在于，所述激光发射器发射出的激光进行调制和监控，同时光敏元件对接收到的反射激光信号进行解调处理。