磁致伸缩测量仪

磁致伸缩测量仪

王学凤，张志杰，孙　昕，王东梅，杨百顺，柳　丹

 

 

 

 

 

1.引言

       铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩，其中长度的变化称为线磁致伸缩，是焦耳在 １８４２ 年发现的；体积的变化称为体磁致伸缩．通常研究的磁致伸缩是指线磁致伸缩，其大小用磁致伸缩系数λ来描述，早期的磁致伸缩材料的λ 值只有几个 ｐｐｍ（１ｐｐｍ＝１０－６），仅相当于热膨胀系数．直到１９４０ 年，Ｎｉ和Ｃｏ的多晶（Ｎｉ，Ｃｏ－Ｎｉ，Ｎｉ－Ｆｅ，Ｆｅ－Ｃｏ）材料出现后，磁致伸缩材料才得到实用化，其磁致伸缩系数约为４×１０－５，主要应用于超声波换能器．

      １９５０年，发现了αＦｅ－１３％Ａｌ合金，它的磁致伸缩值达到１×１０－４．２０世纪 ６０ 年代，Ｌｅｇｖｏｌｄ等先后发现稀土元素的磁致伸缩达１０－２量级，从此开始了超磁致伸缩材料的研究．１９７３ 年，Ｄｒ．Ａｒ－ｔｈｕｒ　Ｃｌａｒｋ等成功地发现了Ｔｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅ２［３］，多晶 Ｔｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅ２ 的饱和磁致伸缩系数λｓ＝１× １０－３，单晶磁致伸缩λ１１１＝１．６４×１０－３，λ１００＝１× １０－３．超磁致伸缩材料主要应用于声学方面、传感器和电子器件方面、微控制领域及阻尼减震系统．如今，超磁致伸缩材料像稀土磁光材料、稀土永磁材料和稀土高温超导材料一样，成为人们广泛关注的又一新型稀土功能材料．

２　磁致伸缩的测量方法

       磁致伸缩测量的方法主要有应变电阻片法、光杠杆法、干涉法、微位移传递法等．各种方法各有优缺点，首先应变电阻片法，测量精度高，方法简单，但缺点是只能测量片状样品，而在实际应用中磁致伸缩器件材料常为棒材，这就限制了此种方法的应用范围．而光杠杆法、光干涉法以及微位移传递法都能测量棒状样品的磁致伸缩系数，但是光杠杆法的测量精度不高，光干涉法的测量直观性不强，而微位移传递法可以直观并且精确地测量出棒状样品的磁致伸缩系数．现有的微位移传感器往往把微小的位移量转化成电阻的变化，而本文应用的微位移传感器是差动变压器式微位移传感器，将位移量的变化转化为电压信号的变化量，然后通过数字电压表直接读出信号，读数快捷准确．

       本文所应用的微位移传感器是基于电磁感应原理自制而成的，并通过对螺线管产生的磁场进行模拟计算和实际测量，将微位移传感器安放于相对磁场距离合适的位置，既避免了磁场的影响，同时又起到放大信号的作用．将此差动变压器式微位移传感器应用于磁致伸缩系数的测量，研制出了１台磁致伸缩参数测量仪，此仪器测量出了超磁致伸缩材料 ＴｂＤｙＦｅ的磁致伸缩特征曲线，以及镍等铁磁性材料的磁致伸缩特征曲线，与文献基本一致．

３　磁致伸缩测量仪构造

       磁致伸缩参数测量仪是基于微位移传递的原理制作的，它由直流稳压电源、螺管式电磁铁、磁致伸缩量测量单元等构成，磁场和磁致伸缩的数值由２块数字电表输出，整机具有成套性和可操作性．其主体结构如图１所示．

３．１　电源部分

       电源部分主要由电磁继电器、自耦变压器以及隔离变压器组成．

１）电磁继电器．电磁继电器是根据电流的磁效应设计的．一般用于低压电路控制高压电路或是附近电路控制远程电路．电磁继电器的基本工作原理为：低压控制电路由电源、开关、导线连接而成，导线的一部分缠绕在软铁芯上，电磁铁通电时，软铁被磁化，吸引其上面的衔铁，使高压电路接通，高压工作电路闭合工作．当需要高压工作电路断开时，把低压电路开关断开，电磁铁失去磁性，对衔铁的吸力消失，衔铁在弹簧的拉力作用下与电磁铁分离，从而断开高压电路．这里电磁继电器就是利用低压电路控制后续高压电路．当按下开关后，２２０Ｖ交流电使得继电器吸合，后续电路形成通路．

２）自耦变压器．自耦变压器是输出和输入共用１组线圈的特殊变压器．升压和降压用不同的抽头来实现．比共用线圈少的部分抽头电压就降低，比共用线圈多的部分抽头电压就升高．通过调整自耦调压器输出电压，实现额定电压范围内的工作电压调节．自耦变压器有２个限位开关，分别是其最小值位和最大值位．通过升压和降压按键来控制其转动方向，按动升压开关，输出电压增大，反之按动降压开关，输出电压减小．因此相当于控制着磁场的升高和降低．

３）隔离变压器．拥有２个或２上以上独立分开的线圈的变压器都可以叫隔离变压器，初级和

次级已经完全隔离，通过磁场来传递能量．分开后，操作者不可能再接到 “市电火线”，相对变得安全了，为螺线管产生磁场提供励磁电流．

３．２　螺管式电磁铁

       磁场由螺管式电磁铁提供，超磁致伸缩材料ＴｂＤｙＦｅ的饱和磁场比较大，所以采用多层绕线的螺线管．

       由自耦调压器控制输出０～８０Ｖ 的交流电，经过桥式整流和电容的滤波作用后成为稳定的直流，加在螺线管上产生磁场，经过定标后，通过数字电压表可直接显示磁场大小．本文设计的磁场可由０增至０．３Ｔ，基本可以满足磁致伸缩材料对磁场的需求．

       考虑到通较大电流时，螺线管会发热，导致线圈膨胀，电阻变大，从而电流变小，势必会造成磁场过小，达不到样品的饱和场；另外样品的热膨胀系数也比较大，若样品存在热膨胀，则影响磁致伸缩曲线的测量．为了排除热膨胀的影响，采用通冷却水的方式解决这一问题．在线圈与样品中间留有铜制的夹层，冷却水从下方通入，从上方流出，这样可以使冷却过程更为彻底．使用在磁场中无磁致伸缩，但是热膨胀系数较大样品测试，冷却效果很好．

３．３　微位移传感器

       微位移传感器利用差动变压器原理制成．为了避免传感器中的铁芯受到磁场的影响，将其置于磁场外部（经过测量和有限元模拟的方法，将微位移传感器放置在磁场强度可以近似看作０的位置），通过传动系统来进行位移传递．测量时样品放在螺线管中间，左端的支架有一固定轴，连接铜棒，通过磁场，最后延伸至位移传感器一端．传感器固定于右端的支架上．

       探头位于铜棒右端正上方．当样品发生伸缩时，会将铜棒向上顶起，铜棒的右端就会使传感器的探头有个大于样品伸缩量的位移．此传动装置既消除了磁场对微位移传感器的影响，又对磁致伸缩量起到放大的作用．微位移传感器的工作电压为直流．交流电源通过变压器变成 ＡＣ　１５Ｖ．然后经过整流桥整流，再经过抗压、电容的滤波作用，将交流电变为直流． 经 过 三 端 稳 压 块ＬＭ７８０９ＣＴ，得到近似９Ｖ 的直流电压．其后再连接一大一小２个电容，使滤波效果更佳，最后输出稳定的直流电压，为位移传感器提供可靠的工作电压．

３．４　测量单元

１）磁场显示数字表头．与传感器的供电电路原理相同，ＡＣ２２０经变压器后变成 ＡＣ　８Ｖ，经过桥式整流、电容滤波后变成直流，再连接１个三端稳压块７８０５，便成直流５Ｖ，为数字表头提供工作电压．数字表显示数值为定标后的磁场值．

２）位移指示数字表头．选用数字表头为三位半的数字电压表，量程为２００ｍＶ，也就是说最大能显示１９９．９ｍＶ．而实际上样品的磁致伸缩量大小不一，有可能超过数字表的量程．基于此设置２个显示挡，根据样品的伸缩量不同选取适当的量程．对于大磁致伸缩样品，将传感器输出衰减后接入表头，显示的为样品的绝对磁致伸缩量．对于普通磁致伸缩样品，直接将传感器输出接入表头，显示的为样品伸缩量对应的电压，再通过定标曲线斜率计算得到样品的磁致伸缩值．这２种情况的转换通过量程转换开关控制．

３）电磁继电器．为了验证磁致伸缩与磁场方向的关系，应用了电磁继电器增加了磁场换向的功能．这里的继电器与前面电源部分用到的继电器为同一型号，但是所起的作用却不完全相同．它相当于１个换向开关．控制电磁继电器的开关闭合后，继电器吸合，使得磁场的励磁电流改变方向，从而磁场变为反向．

４　测量结果

４．１　镍的测试结果

       将 Ｎｉ棒放入螺线管磁场中．从图５可以得到 Ｎｉ的饱和磁致伸缩值约为３２×１０－６，饱和磁场约为４００Ａ／ｍ．经查阅退火后的 Ｎｉ的饱和磁致伸缩值为３５×１０－６，而且饱和磁场为３００Ａ／ｍ［１］．图６为 Ｎｉ的磁致伸缩理论值．实验结果与文献中给出的 Ｎｉ的饱和磁致伸缩值以及磁致伸缩曲线非常接近．这说明仪器可靠性非常高，而且灵敏度也比较高．

４．２　超磁致伸缩材料ＴｂＤｙＦｅ样品的测试结果

       对 Ｎｉ样的测量说明仪器的测量灵敏度较高，可以测量一些磁致伸缩值较小的样品，在此基础上又对超磁致伸缩材料 ＴｂＤｙＦｅ样品进行了测量．此测量为在磁场升高和降低时各测得一组曲线，通过比较发现材料在３　０００Ａ／ｍ 的磁场中基本饱和，而且饱和磁致伸缩系数λＳ＝７５０×１０－６；材料在磁场从０升高至最大后又降至０的过程中，磁致伸缩值先增大后减小，而且在磁场降到０时，磁致伸缩值也能降到０附近，这说明仪器的可重复性和测量精度比较高，受外界的影响较小．（注：此测量曲线和样品厂家提供的基本一致）图８为外加磁场正反向升降的过程中ＴｂＤｙ－Ｆｅ样品的磁致伸缩曲线，通过此图可以看出在正向和反向加磁场时样品的磁致伸缩曲线几乎一致，饱和磁致伸缩系数也相同，这说明磁致伸缩现象和磁场的方向无关．而且在磁场正反向升降的过程中磁致伸缩均出现了曲线不重合的“磁滞”现象．这可能是由于样品在退磁过程中内部有少量的剩磁，这些剩磁使得样品内部的有效磁场增加，所以在外加磁场相同的情况下，内部有效场的增加使得样品在退磁过程中的磁致伸缩值有所增加，从而导致了磁致伸缩曲线不重合．
５　技术指标

       本文研制的磁致伸缩参数测量仪主要技术指标为：位移量程分为５μｍ 和１００μｍ 两挡，仪器最小位移分辨力可达０．２μｍ；磁场量程为０．４Ｔ，最高分辨率为１ｍＴ．

６　结束语

       随着铁磁材料特性研究的不断发展，磁致伸缩效应在工程技术中的应用也得到发展，所以对磁致伸缩测量方法的研究也就显得尤为必要了，它不仅能够促进对材料的研究，也能够推动磁致伸缩效应在生产生活中的应用．本文基于微位移传感器法研制的磁致伸缩测量系统工作良好，具有直观、功耗低、精度高、磁场双向可控的特点，在测试精度、稳定性、分辨力等方面都达到了预期的目的，用于测量磁致伸缩是完全可行的．

 

 

 

 

 

 

 

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