高灵敏度位移传感器测量超磁致伸缩系数

高灵敏度位移传感器测量超磁致伸缩系数.
作者：王宏德；高峰




       磁致伸缩现象在工业中有很多应用，特别是近年来以稀有元素与铁合金组成的超磁致伸缩材 料（GMM）在工业、电子机械及军事科学领域中有着极其广泛的用途。磁致伸缩系数的测量常用电阻应变片方法，这种方法的缺点是粘应变片费时又麻烦，样品更换不方便；也有用光杠杆法和迈克尔孙干涉仪测量磁致伸缩系数，但装置体积较大，且不能直接得到电量，因而不能与计算机连接。为此，笔者设计了应用高灵敏度桥式磁致伸缩位移传感器测量磁致伸缩量。对位移传感器用千分螺杆进行测量前定标，位移传感器感应片与千分螺杆之间，可以通过连接杆直接接触，也可以通过8:1的铝制杠杆接触（杠杆起位移放大作用），用新的位移传感器测量磁致伸缩位移量，实验效果很好，位移传感器测量分辨率优于0.1μｍ，测量结果与公认值基本一致。该实验方法的优点是测量精度高，样品更换方便，输信号为电量，便于实现计算机在线监测。

1　实验原理

1.1　磁致伸缩系数和超磁致伸缩材料

       某些晶体（特别是铁磁体）在磁场作用下，沿外磁场方向的长度发生微小变化的现象称为磁致伸缩现象。以2种稀土元素铽（Tb）、镝（Dy）和铁（Fe）合金制成的棒状体的线磁致伸缩系数λ 达到（1500-2000） ×10-6，它比通常采用的磁致伸缩的金属、合金和铁氧体材料的λ 大1-2个数量级，具有超大磁致伸缩效应，因此称TbDyFe为稀土超磁致伸缩材料。

1.2　磁致伸缩量的测量

       将样品AC置于磁场之中。当磁场增大时，样品伸长推动杆OB，将位移传感器放置在B点测量该点的移动距离。OA 和OB 的长度可以用游标卡尺测量，根据OA 与OB 的比值及B 点移动的距离，可以求出A点的移动距离，即被测样品在外加磁场增加下的伸长量。由于样品的伸长量非常小，常用的一些长度测量工具无法准确测量其变化量，但是选择OA 与OB 之间恰当的比例，通过高灵敏度位移传感器测量B点的移动距离，可以间接计算出样品随磁场变化的伸长量。

1.3　梁式弹性元件的位移传感器

       位移传感器的功能在于把机械位移量转换成电信号，并由计算机对信号进行实时采集、自动控制测量和计算。应变式位移传感器是把被测位移量变成弹性元件的应变。与测力传感器不同的是，由于位移传感器弹性元件的刚度比测力传感器弹性元件的刚度要小得多，所以避免了当弹性元件变形时对被测构件形成反力而影响被测构件的位移输出。

       在测量磁致伸缩的实验中使用的是梁式硅压阻元件位移传感器，该传感器产生弹力小于0.1Ｎ，对测量磁致伸缩系数的影响很小，可以保证数据的准确性。将硅压敏电阻连接成电桥形式，其中R1 和R3 粘贴在横梁的左侧，R2 和R4 粘贴在横梁的右侧。测量时，当横梁发生位移时，贴于横梁两侧的硅压敏电阻发生形变。增加杠杆后，位移传感器测量位移的灵敏度将得到提高。通过调节直流电源电压的差值可以微调测量时的灵敏度.

2　实验仪器

       该测量装置的功能和特点是使用无磁性杠杆机构将磁致伸缩的微小量进行放大，再利用高灵敏度位移传感器将杠杆末端的位移量转变为电压信号进行多级放大，并通过计算机同时采集放大后的电压信号与磁场强度信号，描绘出电压与磁场强度关系曲线。并利用精度为1μm 的微分头（准确度0.04MM）对杠杆末端的位移量与相应电压值的关系进行定标，再测算出杠杆机械放大的倍数，即可得到不同磁场强度下材料磁致伸缩的长度。

3　实验数据和结果

       超磁致伸缩 材料TbDyFe样品直径d＝10.00mm，长度1-25.09mm。实验数据位移传感器信号UE 与磁场强度信号UB 的关系，将计算机采集到的电信号根据事先用微分头及特斯拉计的定标结果转换为相应的被测物理量，得到的样品的λ－B 关系曲线。采用硅压阻位移传感器测量材料磁致伸缩系数的灵敏度比迈克尔孙干涉仪法、光杠杆法、桥式电阻应变片法高，且更换样品方便，可以与计算机连接。但硅压阻位移传感器缺点是硅压敏电阻阻值会受温度变化的影响，因而温度变化对传感器灵敏度有影响。所以本测量装置采用微分头当场定标后立即做测量，定标和测量基本上为同一温度，这样可以保证测量结果准确性。

4、结束语

       采用硅压阻位移传感器测量超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数，测量的结果与厂家给出的数据完全一致，测量结果重复性很好，并且便于利用计算机在线监测。这种新测量方法，可用于科研单位和企业，进行材料磁致伸缩特性的研究，也可用作高校近代物理实验和设计性研究性实验。






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