磁致伸縮測量儀

王學鳳，張志杰，孫　昕，王東梅，楊百順，柳　丹

 

 

 

 

 

1.引言

       鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態的改變，其長度和體積都要發生微小的變化，這種現象稱為磁致伸縮，其中長度的變化稱為線磁致伸縮，是焦耳在 １８４２ 年發現的；體積的變化稱為體磁致伸縮．通常研究的磁致伸縮是指線磁致伸縮，其大小用磁致伸縮系數λ來描述，早期的磁致伸縮材料的λ 值只有幾個 ｐｐｍ（１ｐｐｍ＝１０－６），僅相當于熱膨脹系數．直到１９４０ 年，Ｎｉ和Ｃｏ的多晶（Ｎｉ，Ｃｏ－Ｎｉ，Ｎｉ－Ｆｅ，Ｆｅ－Ｃｏ）材料出現后，磁致伸縮材料才得到實用化，其磁致伸縮系數約為４×１０－５，主要應用于超聲波換能器．

      １９５０年，發現了αＦｅ－１３％Ａｌ合金，它的磁致伸縮值達到１×１０－４．２０世紀 ６０ 年代，Ｌｅｇｖｏｌｄ等先后發現稀土元素的磁致伸縮達１０－２量級，從此開始了超磁致伸縮材料的研究．１９７３ 年，Ｄｒ．Ａｒ－ｔｈｕｒ　Ｃｌａｒｋ等成功地發現了Ｔｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅ２［３］，多晶 Ｔｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅ２ 的飽和磁致伸縮系數λｓ＝１× １０－３，單晶磁致伸縮λ１１１＝１．６４×１０－３，λ１００＝１× １０－３．超磁致伸縮材料主要應用于聲學方面、傳感器和電子器件方面、微控制領域及阻尼減震系統．如今，超磁致伸縮材料像稀土磁光材料、稀土永磁材料和稀土高溫超導材料一樣，成為人們廣泛關注的又一新型稀土功能材料．

２　磁致伸縮的測量方法

       磁致伸縮測量的方法主要有應變電阻片法、光杠桿法、干涉法、微位移傳遞法等．各種方法各有優缺點，首先應變電阻片法，測量精度高，方法簡單，但缺點是只能測量片狀樣品，而在實際應用中磁致伸縮器件材料常為棒材，這就限制了此種方法的應用范圍．而光杠桿法、光干涉法以及微位移傳遞法都能測量棒狀樣品的磁致伸縮系數，但是光杠桿法的測量精度不高，光干涉法的測量直觀性不強，而微位移傳遞法可以直觀并且精確地測量出棒狀樣品的磁致伸縮系數．現有的微位移傳感器往往把微小的位移量轉化成電阻的變化，而本文應用的微位移傳感器是差動變壓器式微位移傳感器，將位移量的變化轉化為電壓信號的變化量，然后通過數字電壓表直接讀出信號，讀數快捷準確．

       本文所應用的微位移傳感器是基于電磁感應原理自制而成的，并通過對螺線管產生的磁場進行模擬計算和實際測量，將微位移傳感器安放于相對磁場距離合適的位置，既避免了磁場的影響，同時又起到放大信號的作用．將此差動變壓器式微位移傳感器應用于磁致伸縮系數的測量，研制出了１臺磁致伸縮參數測量儀，此儀器測量出了超磁致伸縮材料 ＴｂＤｙＦｅ的磁致伸縮特征曲線，以及鎳等鐵磁性材料的磁致伸縮特征曲線，與文獻基本一致．

３　磁致伸縮測量儀構造

       磁致伸縮參數測量儀是基于微位移傳遞的原理制作的，它由直流穩壓電源、螺管式電磁鐵、磁致伸縮量測量單元等構成，磁場和磁致伸縮的數值由２塊數字電表輸出，整機具有成套性和可操作性．其主體結構如圖１所示．

３．１　電源部分

       電源部分主要由電磁繼電器、自耦變壓器以及隔離變壓器組成．

１）電磁繼電器．電磁繼電器是根據電流的磁效應設計的．一般用于低壓電路控制高壓電路或是附近電路控制遠程電路．電磁繼電器的基本工作原理為：低壓控制電路由電源、開關、導線連接而成，導線的一部分纏繞在軟鐵芯上，電磁鐵通電時，軟鐵被磁化，吸引其上面的銜鐵，使高壓電路接通，高壓工作電路閉合工作．當需要高壓工作電路斷開時，把低壓電路開關斷開，電磁鐵失去磁性，對銜鐵的吸力消失，銜鐵在彈簧的拉力作用下與電磁鐵分離，從而斷開高壓電路．這里電磁繼電器就是利用低壓電路控制后續高壓電路．當按下開關后，２２０Ｖ交流電使得繼電器吸合，后續電路形成通路．

２）自耦變壓器．自耦變壓器是輸出和輸入共用１組線圈的特殊變壓器．升壓和降壓用不同的抽頭來實現．比共用線圈少的部分抽頭電壓就降低，比共用線圈多的部分抽頭電壓就升高．通過調整自耦調壓器輸出電壓，實現額定電壓范圍內的工作電壓調節．自耦變壓器有２個限位開關，分別是其最小值位和最大值位．通過升壓和降壓按鍵來控制其轉動方向，按動升壓開關，輸出電壓增大，反之按動降壓開關，輸出電壓減小．因此相當于控制著磁場的升高和降低．

３）隔離變壓器．擁有２個或２上以上獨立分開的線圈的變壓器都可以叫隔離變壓器，初級和

次級已經完全隔離，通過磁場來傳遞能量．分開后，操作者不可能再接到 “市電火線”，相對變得安全了，為螺線管產生磁場提供勵磁電流．

３．２　螺管式電磁鐵

       磁場由螺管式電磁鐵提供，超磁致伸縮材料ＴｂＤｙＦｅ的飽和磁場比較大，所以采用多層繞線的螺線管．

       由自耦調壓器控制輸出０～８０Ｖ 的交流電，經過橋式整流和電容的濾波作用后成為穩定的直流，加在螺線管上產生磁場，經過定標后，通過數字電壓表可直接顯示磁場大小．本文設計的磁場可由０增至０．３Ｔ，基本可以滿足磁致伸縮材料對磁場的需求．

       考慮到通較大電流時，螺線管會發熱，導致線圈膨脹，電阻變大，從而電流變小，勢必會造成磁場過小，達不到樣品的飽和場；另外樣品的熱膨脹系數也比較大，若樣品存在熱膨脹，則影響磁致伸縮曲線的測量．為了排除熱膨脹的影響，采用通冷卻水的方式解決這一問題．在線圈與樣品中間留有銅制的夾層，冷卻水從下方通入，從上方流出，這樣可以使冷卻過程更為徹底．使用在磁場中無磁致伸縮，但是熱膨脹系數較大樣品測試，冷卻效果很好．

３．３　微位移傳感器

       微位移傳感器利用差動變壓器原理制成．為了避免傳感器中的鐵芯受到磁場的影響，將其置于磁場外部（經過測量和有限元模擬的方法，將微位移傳感器放置在磁場強度可以近似看作０的位置），通過傳動系統來進行位移傳遞．測量時樣品放在螺線管中間，左端的支架有一固定軸，連接銅棒，通過磁場，最后延伸至位移傳感器一端．傳感器固定于右端的支架上．

       探頭位于銅棒右端正上方．當樣品發生伸縮時，會將銅棒向上頂起，銅棒的右端就會使傳感器的探頭有個大于樣品伸縮量的位移．此傳動裝置既消除了磁場對微位移傳感器的影響，又對磁致伸縮量起到放大的作用．微位移傳感器的工作電壓為直流．交流電源通過變壓器變成 ＡＣ　１５Ｖ．然后經過整流橋整流，再經過抗壓、電容的濾波作用，將交流電變為直流． 經 過 三 端 穩 壓 塊ＬＭ７８０９ＣＴ，得到近似９Ｖ 的直流電壓．其后再連接一大一小２個電容，使濾波效果更佳，最后輸出穩定的直流電壓，為位移傳感器提供可靠的工作電壓．

３．４　測量單元

１）磁場顯示數字表頭．與傳感器的供電電路原理相同，ＡＣ２２０經變壓器后變成 ＡＣ　８Ｖ，經過橋式整流、電容濾波后變成直流，再連接１個三端穩壓塊７８０５，便成直流５Ｖ，為數字表頭提供工作電壓．數字表顯示數值為定標后的磁場值．

２）位移指示數字表頭．選用數字表頭為三位半的數字電壓表，量程為２００ｍＶ，也就是說最大能顯示１９９．９ｍＶ．而實際上樣品的磁致伸縮量大小不一，有可能超過數字表的量程．基于此設置２個顯示擋，根據樣品的伸縮量不同選取適當的量程．對于大磁致伸縮樣品，將傳感器輸出衰減后接入表頭，顯示的為樣品的絕對磁致伸縮量．對于普通磁致伸縮樣品，直接將傳感器輸出接入表頭，顯示的為樣品伸縮量對應的電壓，再通過定標曲線斜率計算得到樣品的磁致伸縮值．這２種情況的轉換通過量程轉換開關控制．

３）電磁繼電器．為了驗證磁致伸縮與磁場方向的關系，應用了電磁繼電器增加了磁場換向的功能．這里的繼電器與前面電源部分用到的繼電器為同一型號，但是所起的作用卻不完全相同．它相當于１個換向開關．控制電磁繼電器的開關閉合后，繼電器吸合，使得磁場的勵磁電流改變方向，從而磁場變為反向．

４　測量結果

４．１　鎳的測試結果

       將 Ｎｉ棒放入螺線管磁場中．從圖５可以得到 Ｎｉ的飽和磁致伸縮值約為３２×１０－６，飽和磁場約為４００Ａ／ｍ．經查閱退火后的 Ｎｉ的飽和磁致伸縮值為３５×１０－６，而且飽和磁場為３００Ａ／ｍ［１］．圖６為 Ｎｉ的磁致伸縮理論值．實驗結果與文獻中給出的 Ｎｉ的飽和磁致伸縮值以及磁致伸縮曲線非常接近．這說明儀器可靠性非常高，而且靈敏度也比較高．

４．２　超磁致伸縮材料ＴｂＤｙＦｅ樣品的測試結果

       對 Ｎｉ樣的測量說明儀器的測量靈敏度較高，可以測量一些磁致伸縮值較小的樣品，在此基礎上又對超磁致伸縮材料 ＴｂＤｙＦｅ樣品進行了測量．此測量為在磁場升高和降低時各測得一組曲線，通過比較發現材料在３　０００Ａ／ｍ 的磁場中基本飽和，而且飽和磁致伸縮系數λＳ＝７５０×１０－６；材料在磁場從０升高至最大后又降至０的過程中，磁致伸縮值先增大后減小，而且在磁場降到０時，磁致伸縮值也能降到０附近，這說明儀器的可重復性和測量精度比較高，受外界的影響較小．（注：此測量曲線和樣品廠家提供的基本一致）圖８為外加磁場正反向升降的過程中ＴｂＤｙ－Ｆｅ樣品的磁致伸縮曲線，通過此圖可以看出在正向和反向加磁場時樣品的磁致伸縮曲線幾乎一致，飽和磁致伸縮系數也相同，這說明磁致伸縮現象和磁場的方向無關．而且在磁場正反向升降的過程中磁致伸縮均出現了曲線不重合的“磁滯”現象．這可能是由于樣品在退磁過程中內部有少量的剩磁，這些剩磁使得樣品內部的有效磁場增加，所以在外加磁場相同的情況下，內部有效場的增加使得樣品在退磁過程中的磁致伸縮值有所增加，從而導致了磁致伸縮曲線不重合．
５　技術指標

       本文研制的磁致伸縮參數測量儀主要技術指標為：位移量程分為５μｍ 和１００μｍ 兩擋，儀器最小位移分辨力可達０．２μｍ；磁場量程為０．４Ｔ，最高分辨率為１ｍＴ．

６　結束語

       隨著鐵磁材料特性研究的不斷發展，磁致伸縮效應在工程技術中的應用也得到發展，所以對磁致伸縮測量方法的研究也就顯得尤為必要了，它不僅能夠促進對材料的研究，也能夠推動磁致伸縮效應在生產生活中的應用．本文基于微位移傳感器法研制的磁致伸縮測量系統工作良好，具有直觀、功耗低、精度高、磁場雙向可控的特點，在測試精度、穩定性、分辨力等方面都達到了預期的目的，用于測量磁致伸縮是完全可行的．

 

 

 

 

 

 

 

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