基于半导体位移传感器的磁致伸缩系数计算机测量

基于半导体位移传感器的磁致伸缩系数计算机测量

方运良，崔 娟，郑源明

 

 

 

 

 

 

 

 

        通常铁磁体材料的磁致伸缩系数的数量级为 10 － 5 ～ 10 － 6 ． 目前，磁致伸缩系数的测量常用方法有 2 种( 光杠杆法、电阻应变片法) ． 光杠杆法常因系统不稳定会引起读数误差，测量精度也不高; 电阻应变片法是把作为桥臂的电阻应变片贴在待测样品上，将样品长度的变化转化为桥臂电阻的变化进行测量，由于粘贴必须严格按照工艺规程操作，还受到温度、磁阻效应等因素的影响． 为了克服上述二种方法的不足，笔者设计了一种新的长度微小增量测量方法，在劲度系数小的弹性梁上粘贴 4 个半导体压敏电阻连接成非平衡电桥，组成新的位移传感器，测量微小伸长量． 该传感器由于输出电量能与计算机直接连接，实现计算机实时测量，过程简单、快捷，样品更换方便，可精确测量铁磁材料的磁致伸缩系数． 磁致伸缩效应用处很多，例如由较大磁致伸缩系数铁磁材料制成的棒置于高频强电流的线圈中，可制成大功率超声波发生器，在工业、医学和国防领域中有重要应用．

1 实验原理

       某些晶体( 特别是铁磁体) 在居里温度以下时，磁性材料中存在着大量的磁畴，在每个磁畴中，原子的磁矩有序排列，引起晶格发生形变． 由于各个磁畴的自发磁化方向不尽相同，因此在没有外加磁场时，自发磁化引起的形变互相抵消，显示不出宏观效应． 外加磁场后，各个磁畴的自发磁化都转向外磁场方向，结果导致磁体体积发生变化，于是产生了宏观磁致伸缩．

2 实验装置简介

2． 1 STM32 微控制系统简介

       本测量系统采用 ARM 公司的 STM32 微控制器，该微控制器集高性能、低功耗、低成本于一体，同时具备卓越的实时响应、逻辑处理功能和优异的控制性能的要求． 通过专为 RS － 232 标准串口设计的电平转换芯片 MAX232 与计算机进行串行通信，并以 C 语言编写了专用的计算机数据采集与控制软件，实现对电磁铁励磁电流大小和方向的控制，以及励磁电流信号和微位移传感器信号的同步采集与显示． 

       电流大小控制: 计算机软件端通过串行接口发送一个数字量给 STM32，经过 D /A( 数 /模) 转换器转变为一个电压值，而后通过功率管与大功率电流源将对应的电压值转变为对应的电流大小，从而实现电磁铁线圈电流大小的控制．

       电流方向控制: 计算机软件可控制 STM32 的I /O 输出端输出高电平或低电平，但 I /O 输出端的功率不足以驱动继电器，因此要进行功率放大后才能通过继电器来切换电流的方向．

       电流信号采集: 为了准确地对电磁铁线圈中电流的大小进行采样，在线圈上串联了一个采样电阻，用于将电流转变为电压量，通过 STM32 本身自带的 12 位 A /D( 模 /数) 转换器转变为数字量后传输给计算机．

       传感器信号采集: 由于不同材料的磁致伸缩量会有数量级上的差距，那么对于不同的样品，压阻式传感器输出电压也会有很大的不同，所以在其输出电压信号经过前置放大后，再进行一级可变倍率的放大，用于适应不同的样品． 由于 STM32 本身自带有 A /D( 模 /数) 转换器，放大后的电压信号可直接输入 STM32，转变为数字量后传输给计算机．

2． 2 实验装置

1)电磁铁及控制电源;

2)样品架及杠杆． 这二部分的作用是: 固定样品，放大磁致伸缩的伸缩量;

3) 位移传感器、微分头( 即测微螺杆，结构与千分尺的测微螺杆相同) 及信号放大器． 这三部分的作用是: 探测杠杆末端 G 位移量，将探测量转换为电量信号经放大器放大后输入电脑记录处理;

4) 计算机及数据处理系统．

2． 3 微位移传感器的设计

       选用劲度系数小、弹性良好的材料作为梁，目的是防止梁的反作用力造成微伸长量放大杠杆的形变而影响微伸长量的测量精确度． 由粘贴在梁上对称位置增量 ΔR 相等的 4 个压敏电阻构成的 4臂受感电桥，可以把压力量转换为电压量。当压力为零时，桥的 4 个臂电阻值相等，此时的初始电阻值均为 R，电桥输出电压为零; 当压力不为零时，4 个桥臂的电阻值发生变化，电桥输出电压与压力成线性关系． 此时，两个敏感电阻增加，增加量为ΔR( p) ; 两个敏感电阻减小，减小量为 － ΔR( p) ． 由于实验时间不会很长，实验室环境相对稳定且通电时间短，可忽略环境温度对电阻值的影响。

3 实验过程与结果分析

3． 1 磁感应强度 B 与励磁电流 I 关系定标

        首先将励磁电流源切换到手动调节电流的工作状态，把特斯拉计的探头置于电磁铁两个磁极的中心位置，手动调节励磁电源，将励磁电流 I 与磁感应强度 B 的关系数据记录表 1 中．

       在磁感应强度还未饱和时，励磁电流 I 与磁感应强度 B 近似为线性关系，即B = kB I ( 4)利用最小二乘法作线性拟合，可得 kB = 29． 4 mT /A，相关系数 r = 0． 9994．

3． 2 利用微分头标定位移传感器电压信号与位移量的关系

        使用了读数精度可达0． 001 mm的高精度微分头，旋转微分头推动平移台，Q 为平移台与微分头的接触点，位移传感器固定在平移台上，接触点 Q 的位移就是位移传感器与杠杆的末端 G( 此时固定不动) 产生的相对位移，利用微分头的读数，即可对位移传感器输出经放大后的电压信号 UE 与微分头读数 S 的关系进行定标。

3． 3 超磁致伸缩材料 TbDyFe 样品的磁致伸缩系数将超磁致伸缩材料 TbDyFe 作为待测样品( 规格: l = 25． 09 mm，d = 10． 00 mm) ，调节平移台使位移传感器电压信号在定标范围内，即可使用计算机软件对数据进行自动采集．

       计算机自动控制励磁电流及采集数据所描绘的曲线，纵轴表示位移传感器的电压信号，横轴表示励磁电流为三角波交流电的方向及大小，图 4( a) 中，曲线左半部分为交流电流负方向，右半部分为交流电流正方向． 观察图 4( a) 可发现磁致伸缩的方向始终为正方向，和励磁电流的方向( 即磁场方向) 无关，与理论分析相一致．

        利用计算机软件中的数据导出功能将自动采集所得的数据导出为． xls 文件后，即可利用先前的定标数据进行处理．只取励磁电流控制过程由零变大至预设值电流变化区间． 这一区间内的数据，以式( 4) 将采集所得的励磁电流 I 的数据换算成磁感应强度 B，以式( 6) 将采集所得的位移传感器的电压信号换算成样品的磁致伸缩系数 λ，得到的曲线如图 4 ( b)所示． 这结果与该样品生产厂家给出的参考值完全一致．

3． 4 结果的误差分析

        笔者又以同样的方法测试了两个长度均为l= 25． 09 mm的铁氧体和中碳钢样品，得出的磁致伸缩系数与磁感应强度。不难发现，铁氧体样品在磁化后长度有所增加，而中碳钢样品在磁化后长度有所减少，可见不同材料磁致伸缩效应的方向与大小皆会有所不同，并且这两种样品的磁致伸缩系数与 TbDyFe 材料相比要小 1 ～ 2 个数量级，这也验证了笔者所设计的实验方法有着相当高的灵敏度．采用半导体压敏电阻位移传感器测量材料磁致伸缩系数的灵敏度比传统的方法高，更换样品方便，且半导体压敏电阻位移传感器远离强磁场区，可以减小磁阻效应对测量结果的影响，与计算机连接实时测量，可大大降低温度变化对半导体压敏电阻阻值的影响． 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

       以半导体压敏电阻位移传感器测量微位移量配合计算机自动采集数据，测量磁致伸缩材料的磁致伸缩系数，测量结果重复性很好． 这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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