磁致伸縮測(cè)量?jī)x

王學(xué)鳳，張志杰，孫 昕，王東梅，楊百順，柳 丹

（吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 引言

2 磁致伸縮的測(cè)量方法

磁致伸縮測(cè)量的方法主要有應(yīng)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(yōu)缺點(diǎn)，首先應(yīng)變電阻片法，測(cè)量精度高，方法簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是只能測(cè)量片狀樣品，而在實(shí)際應(yīng)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(yīng)用范圍.而光杠桿法、光干涉法以及微位移傳遞法都能測(cè)量棒狀樣品的磁致伸縮系數(shù)，但是光杠桿法的測(cè)量精度不高，光干涉法的測(cè)量直觀性不強(qiáng)，而微位移傳遞法可以直觀并且精確地測(cè)量出棒狀樣品的磁致伸縮系數(shù).現(xiàn)有的微位移傳感器往往把微小的位移量轉(zhuǎn)化成電阻的變化，而本文應(yīng)用的微位移傳感器是差動(dòng)變壓器式微位移傳感器，將位移量的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的變化量，然后通過(guò)數(shù)字電壓表直接讀出信號(hào)，讀數(shù)快捷準(zhǔn)確.

本文所應(yīng)用的微位移傳感器是基于電磁感應(yīng)原理自制而成的，并通過(guò)對(duì)螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，將微位移傳感器安放于相對(duì)磁場(chǎng)距離合適的位置，既避免了磁場(chǎng)的影響，同時(shí)又起到放大信號(hào)的作用.將此差動(dòng)變壓器式微位移傳感器應(yīng)用于磁致伸縮系數(shù)的測(cè)量，研制出了1臺(tái)磁致伸縮參數(shù)測(cè)量?jī)x，此儀器測(cè)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(xiàn)基本一致.

3 磁致伸縮測(cè)量?jī)x構(gòu)造

磁致伸縮參數(shù)測(cè)量?jī)x是基于微位移傳遞的原理制作的，它由直流穩(wěn)壓電源、螺管式電磁鐵、磁致伸縮量測(cè)量單元等構(gòu)成，磁場(chǎng)和磁致伸縮的數(shù)值由2塊數(shù)字電表輸出，整機(jī)具有成套性和可操作性.其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 主體結(jié)構(gòu)

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(jù)電流的磁效應(yīng)設(shè)計(jì)的.一般用于低壓電路控制高壓電路或是附近電路控制遠(yuǎn)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(kāi)關(guān)、導(dǎo)線連接而成，導(dǎo)線的一部分纏繞在軟鐵芯上，電磁鐵通電時(shí)，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(dāng)需要高壓工作電路斷開(kāi)時(shí)，把低壓電路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電磁鐵失去磁性，對(duì)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(kāi)高壓電路.這里電磁繼電器就是利用低壓電路控制后續(xù)高壓電路.當(dāng)按下開(kāi)關(guān)后，220V 交流電使得繼電器吸合，后續(xù)電路形成通路.

2）自耦變壓器.自耦變壓器［4］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(lái)實(shí)現(xiàn).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(guò)調(diào)整自耦調(diào)壓器輸出電壓，實(shí)現(xiàn)額定電壓范圍內(nèi)的工作電壓調(diào)節(jié).自耦變壓器有2 個(gè)限位開(kāi)關(guān)，分別是其最小值位和最大值位.通過(guò)升壓和降壓按鍵來(lái)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)方向，按動(dòng)升壓開(kāi)關(guān)，輸出電壓增大，反之按動(dòng)降壓開(kāi)關(guān)，輸出電壓減小.因此相當(dāng)于控制著磁場(chǎng)的升高和降低.

3）隔離變壓器.擁有2個(gè)或2上以上獨(dú)立分開(kāi)的線圈的變壓器都可以叫隔離變壓器，初級(jí)和次級(jí)已經(jīng)完全隔離，通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)傳遞能量.分開(kāi)后，操作者不可能再接到“市電火線”，相對(duì)變得安全了，為螺線管產(chǎn)生磁場(chǎng)提供勵(lì)磁電流.

3.2 螺管式電磁鐵

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

由自耦調(diào)壓器控制輸出0～80V 的交流電，經(jīng)過(guò)橋式整流和電容的濾波作用后成為穩(wěn)定的直流，加在螺線管上產(chǎn)生磁場(chǎng)，經(jīng)過(guò)定標(biāo)后，通過(guò)數(shù)字電壓表可直接顯示磁場(chǎng)大小.本文設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)可由0增至0.3T，基本可以滿足磁致伸縮材料對(duì)磁場(chǎng)的需求.

考慮到通較大電流時(shí)，螺線管會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致線圈膨脹，電阻變大，從而電流變小，勢(shì)必會(huì)造成磁場(chǎng)過(guò)小，達(dá)不到樣品的飽和場(chǎng)；另外樣品的熱膨脹系數(shù)也比較大，若樣品存在熱膨脹，則影響磁致伸縮曲線的測(cè)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(wèn)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(guò)程更為徹底.使用在磁場(chǎng)中無(wú)磁致伸縮，但是熱膨脹系數(shù)較大樣品測(cè)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(dòng)變壓器原理制成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.為了避免傳感器中的鐵芯受到磁場(chǎng)的影響，將其置于磁場(chǎng)外部（經(jīng)過(guò)測(cè)量和有限元模擬的方法，將微位移傳感器放置在磁場(chǎng)強(qiáng)度可以近似看作0的位置），通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行位移傳遞.測(cè)量時(shí)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(guò)磁場(chǎng)，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(dāng)樣品發(fā)生伸縮時(shí)，會(huì)將銅棒向上頂起，銅棒的右端就會(huì)使傳感器的探頭有個(gè)大于樣品伸縮量的位移.此傳動(dòng)裝置既消除了磁場(chǎng)對(duì)微位移傳感器的影響，又對(duì)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，供電電路見(jiàn)圖3.交流電源通過(guò)變壓器變成AC 15V.然后經(jīng)過(guò)整流橋整流，再經(jīng)過(guò)抗壓、電容的濾波作用，將交流電變?yōu)橹绷?經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓塊LM7809CT，得到近似9V 的直流電壓.其后再連接一大一小2個(gè)電容，使濾波效果更佳，最后輸出穩(wěn)定的直流電壓，為位移傳感器提供可靠的工作電壓.

圖3 傳感器供電電路圖

3.4 測(cè)量單元

1）磁場(chǎng)顯示數(shù)字表頭.與傳感器的供電電路原理相同，AC220經(jīng)變壓器后變成AC 8V，經(jīng)過(guò)橋式整流、電容濾波后變成直流，再連接1個(gè)三端穩(wěn)壓塊7805，便成直流5V，為數(shù)字表頭提供工作電壓.數(shù)字表顯示數(shù)值為定標(biāo)后的磁場(chǎng)值.

2）位移指示數(shù)字表頭.選用數(shù)字表頭為三位半的數(shù)字電壓表，量程為200mV，也就是說(shuō)最大能顯示199.9mV.而實(shí)際上樣品的磁致伸縮量大小不一，有可能超過(guò)數(shù)字表的量程.基于此設(shè)置2個(gè)顯示擋，根據(jù)樣品的伸縮量不同選取適當(dāng)?shù)牧砍?對(duì)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(duì)磁致伸縮量.對(duì)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(duì)應(yīng)的電壓，再通過(guò)定標(biāo)曲線斜率計(jì)算得到樣品的磁致伸縮值.這2種情況的轉(zhuǎn)換通過(guò)量程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制.

3）電磁繼電器.為了驗(yàn)證磁致伸縮與磁場(chǎng)方向的關(guān)系，應(yīng)用了電磁繼電器增加了磁場(chǎng)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(hào)，但是所起的作用卻不完全相同.它相當(dāng)于1個(gè)換向開(kāi)關(guān).控制電磁繼電器的開(kāi)關(guān)閉合后，繼電器吸合，使得磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流改變方向，從而磁場(chǎng)變?yōu)榉聪?如圖4所示.

圖4 磁場(chǎng)換向原理示意圖

4 測(cè)量結(jié)果

4.1 鎳的測(cè)試結(jié)果

將Ni棒放入螺線管磁場(chǎng)中，其測(cè)得曲線如圖5所示.

圖5 Ni的磁致伸縮測(cè)量曲線

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(chǎng)約為400A／m.經(jīng)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(chǎng)為300A／m［1］.圖6為Ni的磁致伸縮理論值.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)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(shuō)明儀器可靠性非常高，而且靈敏度也比較高.

圖6 Ni的磁致伸縮理論值

4.2 超磁致伸縮材料TbDyFe樣品的測(cè)試結(jié)果

對(duì)Ni樣的測(cè)量說(shuō)明儀器的測(cè)量靈敏度較高，可以測(cè)量一些磁致伸縮值較小的樣品，在此基礎(chǔ)上又對(duì)超磁致伸縮材料TbDyFe樣品進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7所示.

圖7 TbDyFe樣品隨磁場(chǎng)升降的磁致伸縮曲線

此測(cè)量為在磁場(chǎng)升高和降低時(shí)各測(cè)得一組曲線，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)材料在3 000A／m 的磁場(chǎng)中基本飽和，而且飽和磁致伸縮系數(shù)λS=750×10-6；材料在磁場(chǎng)從0 升高至最大后又降至0 的過(guò)程中，磁致伸縮值先增大后減小，而且在磁場(chǎng)降到0時(shí)，磁致伸縮值也能降到0附近，這說(shuō)明儀器的可重復(fù)性和測(cè)量精度比較高，受外界的影響較小.（注：此測(cè)量曲線和樣品廠家提供的基本一致）

圖8 磁場(chǎng)升降以及反向時(shí)TbDyFe樣品的磁致伸縮曲線

圖8為外加磁場(chǎng)正反向升降的過(guò)程中TbDy-Fe樣品的磁致伸縮曲線，通過(guò)此圖可以看出在正向和反向加磁場(chǎng)時(shí)樣品的磁致伸縮曲線幾乎一致，飽和磁致伸縮系數(shù)也相同，這說(shuō)明磁致伸縮現(xiàn)象和磁場(chǎng)的方向無(wú)關(guān).而且在磁場(chǎng)正反向升降的過(guò)程中磁致伸縮均出現(xiàn)了曲線不重合的“磁滯”現(xiàn)象.這可能是由于樣品在退磁過(guò)程中內(nèi)部有少量的剩磁，這些剩磁使得樣品內(nèi)部的有效磁場(chǎng)增加，所以在外加磁場(chǎng)相同的情況下，內(nèi)部有效場(chǎng)的增加使得樣品在退磁過(guò)程中的磁致伸縮值有所增加，從而導(dǎo)致了磁致伸縮曲線不重合.

5 技術(shù)指標(biāo)

本文研制的磁致伸縮參數(shù)測(cè)量?jī)x主要技術(shù)指標(biāo)為：位移量程分為5μm 和100μm 兩擋，儀器最小位移分辨力可達(dá)0.2μm；磁場(chǎng)量程為0.4T，最高分辨率為1mT.

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著鐵磁材料特性研究的不斷發(fā)展，磁致伸縮效應(yīng)在工程技術(shù)中的應(yīng)用也得到發(fā)展，所以對(duì)磁致伸縮測(cè)量方法的研究也就顯得尤為必要了，它不僅能夠促進(jìn)對(duì)材料的研究，也能夠推動(dòng)磁致伸縮效應(yīng)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用.本文基于微位移傳感器法研制的磁致伸縮測(cè)量系統(tǒng)工作良好，具有直觀、功耗低、精度高、磁場(chǎng)雙向可控的特點(diǎn)，在測(cè)試精度、穩(wěn)定性、分辨力等方面都達(dá)到了預(yù)期的目的，用于測(cè)量磁致伸縮是完全可行的.

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