基于PXI-4220和LabVIEW的小尺寸樣品磁致伸縮性能測量系統(tǒng)

南 楠，周天宏，陳 杰

（1.湖北汽車工業(yè)學院理學院，湖北 十堰 442002；2.武漢商學院信息工程學院，湖北 武漢 430056）

基于PXI-4220和LabVIEW的小尺寸樣品磁致伸縮性能測量系統(tǒng)

南 楠1，周天宏2，陳 杰1

（1.湖北汽車工業(yè)學院理學院，湖北 十堰 442002；2.武漢商學院信息工程學院，湖北 武漢 430056）

為滿足實驗室條件下對樣品磁致伸縮性能測試的需要，在LabVIEW環(huán)境下，控制NI PXI-4220雙通道數(shù)據(jù)采集卡（搭載于PXI-1042Q機箱中）和由KEPCO BOP 72-6D型程控電源提供電流信號的GMW 5043-76mm型自動電磁鐵，并配合RS Pro 2mm導線接端應(yīng)變片以及自制的樣品載臺，成功開發(fā)適用于小尺寸樣品的磁致伸縮測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用NI PXI-4220內(nèi)置的半橋-I型惠斯登電路采集動態(tài)應(yīng)變信號，并由LabVIEW程序自動進行數(shù)據(jù)處理。以CoFe2O4陶瓷作為試樣置于該系統(tǒng)下測試，所得的磁致伸縮曲線反映出靈敏的應(yīng)變-外場響應(yīng)和明顯的磁滯特點。經(jīng)零點補償換算后，測試樣品的飽和磁致伸縮值為200×10-6~300×10-6，在有效范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)具有搭建快捷方便和功能模塊擴展性強的特點。

磁致伸縮；數(shù)據(jù)采集卡；LabVIEW；惠斯登電路；磁滯

0 引 言

磁致伸縮材料能夠?qū)崿F(xiàn)機械能與電磁能之間的相互轉(zhuǎn)換，工業(yè)上被廣泛用于制作各種換能器、傳感器、微起動機等電子器件，軍事上被用于制作聲吶。應(yīng)用最為廣泛的超磁致伸縮 （giant magnetostriction，GM）材料當屬潛艇聲吶使用的 Terfenol-D合金（Tb0.3Dy0.7Fe2）[1]；但該類材料由于含昂貴的稀土元素，很難被廣泛運用于民用工業(yè)。隨著多鐵性復合納米結(jié)構(gòu)成為研究的熱點[2]，國際上對不含稀土元素的新型磁致伸縮材料的探索也越來越重視，開發(fā)成本低廉的磁致伸縮測量裝置至關(guān)重要。

目前大多數(shù)對磁致伸縮的測量均采用Quantum Design公司生產(chǎn)的綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）和理研電子株式會社研發(fā)的MST-400C磁致伸縮測量裝置。但是，PPMS價格昂貴，MST-400C功能單一且可移植性差?；谏鲜鲈?，本文擬開發(fā)基于LabVIEW的磁致伸縮測量系統(tǒng)，采用技術(shù)成熟的應(yīng)變片電測法配合NI-PXI系列數(shù)據(jù)采集裝置實現(xiàn)對力值信號的快速采集和自動處理[3]。

1 應(yīng)變片電測法結(jié)合PXI-4220模塊測量磁致伸縮原理

1.1 磁致伸縮

磁致伸縮是磁性材料磁彈耦合作用的體現(xiàn)。常規(guī)意義的磁致伸縮簡單定義為在外磁場作用下鐵磁性樣品沿著磁化方向長度發(fā)生變化的現(xiàn)象，常用磁致伸縮系數(shù)λ（相對伸長率）表示為

式中l(wèi)（H）和l（0）分別為外磁場為H和0時樣品的長度。

典型的完整循環(huán)磁致伸縮曲線[4]如圖1所示，其中紅色段為磁場正向掃描部分，藍色段為反向掃描部分。

圖1 完整循環(huán)的磁致伸縮曲線

1.2 PXI-4220測量磁致伸縮原理

將應(yīng)變片緊緊貼附于待測樣品表面，當樣品在外加磁場的的作用下尺寸發(fā)生伸長或縮短時，會引起應(yīng)變片上的應(yīng)變電阻絲的長度發(fā)生變化從而改變其電阻值。將貼于待測樣品的應(yīng)變片通過導線接端配置在惠斯登電橋中作為其中一個臂，就可將應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為電信號并經(jīng)過軟件處理得到需要的磁致伸縮信號波形圖。NI PXI-4220模塊自帶惠斯登電橋且可以進行四分之一橋、半橋、全橋等多種配置方式，面板上的AI/0和AI/1兩個串行口均可以作為物理輸入通道。經(jīng)多次試驗，發(fā)現(xiàn)半橋-I型電路具有更高的輸入輸出靈敏度，因此應(yīng)該采用該種配置方式，如圖2所示[5]。

圖2 NI PXI-4220中的半橋-I型惠斯登電路配置圖

圖中的R4即為測量拉伸應(yīng)變的應(yīng)變片，R3為外接的虛擬負載電阻。將載臺上的R3和R4再通過設(shè)計相應(yīng)的接口連到AI/1上從而接入電橋。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

要測試完整的磁致伸縮曲線，需由GMW 5043-76mm型自動電磁鐵為樣品提供一定頻率的交變磁場。該型電磁鐵的電流輸入由KEPCO BOP 72-6D型程控電源提供，KEPCO BOP 72-6D型程控電源可由LabVIEW程序直接控制，能夠通過編程提供包括方波、鋸齒波、正弦波在內(nèi)的多種大范圍的交變電流信號，因此完全可以滿足樣品測試所需要的磁場條件。通過自行設(shè)計的樣品載臺和外接電路將試樣置于電磁場中并通過RS232接口與PXI-4220的AI/1通道連接。PXI-4220裝載于PXI-1042Q機箱中并通過PXI總線技術(shù)與其相連。NI PXI-4220數(shù)據(jù)采集卡在LabVIEW的控制下通過設(shè)置相應(yīng)的采樣參數(shù)和濾波處理完成對應(yīng)變信號的采集并由程序計算獲得需要的實時磁致伸縮信號波形圖[5-7]。在獲得磁致伸縮信號的同時由LabVIEW同步記錄數(shù)據(jù)信號并傳輸?shù)匠绦蜃孕袆?chuàng)建的文本中（可以是Excel文件或TXT文檔），便于插入專業(yè)的圖表處理軟件進行后續(xù)操作[8]。總體搭建結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

2.2 硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，首先需將樣品固定在載臺上放置于電磁鐵的兩個磁極間，后根據(jù)圖2的結(jié)構(gòu)將樣品通過傳感電路接口（圖2虛線框左邊部分）與數(shù)據(jù)采集卡的面板串口相連，構(gòu)成完整的半橋-I型惠斯登電橋。

2.2.1 樣品載臺設(shè)計及樣品固定

為使樣品不受其他材料產(chǎn)生的感生磁場的影響，固定樣品的載臺需是非磁體，因而采用銅作為樣品載臺原材料較為合適。為獲得盡量大的磁場強度，電磁鐵兩個磁極間的距離需盡量小，樣品臺可以為厚度小且細長的矩形薄板（5cm×2cm）。薄板的末端連接粗細合適長度約為50 cm的銅棒，便于用支架固定，支架距電磁鐵的距離應(yīng)盡量遠。若要探究磁致伸縮性能與樣品-磁場夾角的關(guān)系，還可根據(jù)需要在棒的末端添加角度指示器（如將光學偏振片的角度指示模塊拆下進行加裝）。

將切割好的長方體樣品（10 mm×5 mm）用雙面膠貼于載臺表面，樣品的長邊與矩形載臺的寬邊平行（需提前標記樣品放置區(qū)域）。檢查樣品的穩(wěn)固性，確保鐵磁性樣品不會在強磁場作用下而松動，必要時可在樣品邊緣進行補膠[9]。

圖3 測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理圖

2.2.2 應(yīng)變片貼附及傳感接口電路的設(shè)計

將一片RS Pro 2 mm導線接端應(yīng)變片用496膠水[9]緊密貼附于待測樣品上表面作為主測量單元（R4），并將另一規(guī)格相同的應(yīng)變片平行貼于樣品旁邊的載臺面上作為虛擬負載電阻（R3）。兩個應(yīng)變片的4個導線接端分別標記為A，B和公共端C。在載臺薄板的背面對應(yīng)的設(shè)置A，B，C 3個焊點，將應(yīng)變片的導線接端按編號對應(yīng)地與背面的焊點焊接，通過導線束的其中3根線（標記為A，B，C）將載臺薄板部分連接至一個RS232串口，其中A端短接串口的Pin5和Pin7，C短接Pin1和Pin4，B連Pin2，如圖4所示。

圖4 傳感接口電路連接圖

2.3 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的輸入信號篩選及處理全部由LabVIEW軟件完成，整個系統(tǒng)包括參數(shù)設(shè)定、GM測量、波形圖保存、數(shù)據(jù)輸出及管理5部分。

參數(shù)設(shè)置主要包括樣品編號設(shè)定和屬性描述，電流源控制單元部分的電流掃描頻率、掃描步長和幅值（電流的幅值決定磁場的范圍）設(shè)定，信號采集模塊的激勵電壓、零點補償、采樣點數(shù)、采樣頻率、采樣范圍以及輸入衰減與放大增益設(shè)置，濾波模塊的截止頻率設(shè)置等。

GM測量模塊，LabVIEW需首先控制KEPCO BOP 72-6D電源輸出正負方向等幅的交變電流信號給電磁鐵，在線圈半徑和線圈匝數(shù)一定的情況下，電流的大小與電磁鐵產(chǎn)生的磁場強度呈線性關(guān)系，可以實現(xiàn)飽和磁化強度范圍內(nèi)的全掃描。PXI-4220板卡經(jīng)傳感電路采集到樣品尺寸變化導致的模擬電壓信號，通過AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，然后由程序自動轉(zhuǎn)換成應(yīng)變數(shù)值。對采集到的應(yīng)變信號需要進行濾波，采用Butterworth型濾波器消除外信號的干擾。Butterworth型濾波器在通帶內(nèi)具有較大的平坦度，對通帶內(nèi)的信號取一個均值作為目標測量值，最后動態(tài)描畫實時波形圖。GM測量模塊的程序部分如圖5所示。

波形圖保存模塊對符合要求的曲線圖進行保存，數(shù)據(jù)輸出和管理模塊將自動根據(jù)樣品編號、測試日期及屬性標記創(chuàng)建文件夾并分類存儲測量數(shù)據(jù)文本，便于查找，實現(xiàn)智能化管理。

3 系統(tǒng)測試

樣品載臺通過支架置于電磁鐵磁極間，樣品正對線圈中心，磁場方向與其待測面平行，根據(jù)實際樣品的屬性合理設(shè)置參數(shù)并啟動程序進行測試。以化學共沉淀法制備的片狀CoFe2O4鐵氧體陶瓷為例，其中電流源的電流輸出范圍設(shè)置為-12～12 A（根據(jù)自行測試的CoFe2O4的磁化曲線，其飽和磁化強度所對應(yīng)的電流不超過12A），掃描步長設(shè)置為0.1A。進行一個周期內(nèi)的全掃描后所得的磁致伸縮曲線如圖6所示。從圖中可以看出，經(jīng)一個完整周期的磁化過程，該測量系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)描繪的曲線很好地反映了樣品的磁滯效應(yīng)，磁滯效應(yīng)與樣品的磁化強度和之前的磁化歷史有關(guān)。經(jīng)零點偏置換算后，其飽和磁致伸縮值達到200×10-6~300×10-6，與文獻[10-12]的描述相一致。

圖5 GM測量模塊的程序圖

圖6 CoFe2O4的全掃描磁致伸縮曲線

4 結(jié)束語

本文利用實驗室常見的磁場發(fā)生模塊和自行設(shè)計制作的樣品載臺與接口電路，配合NI PXI-4220數(shù)據(jù)采集卡以及LabVIEW編程開發(fā)了適用于小尺寸樣品的磁致伸縮測量系統(tǒng)。通過對不含稀土元素的鐵氧體磁致伸縮材料CoFe2O4的實際測試并將測量結(jié)果與現(xiàn)有文獻的綜合對比，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有較高的測量精度和敏捷的應(yīng)變傳感響應(yīng)速度，證明其有效性。該系統(tǒng)搭建簡單快捷，可隨時進行功能擴充，為研究更多不含稀土元素的新型鐵磁材料提供了軟硬件基礎(chǔ)。

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（編輯：莫婕）

Magnetostriction measurement system for small-sized sample based on PXI-4220 and LabVIEW

NAN Nan1，ZHOU Tianhong2，CHEN Jie1
（1.School of Science，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China；2.Department of Information Engineering，Wuhan Business University，Wuhan 430056，China）

In order to satisfy the need of measuring magnetostrictive behavior of sample under laboratory condition，a magnetostriction measurement system used for small-sized sample was successfully developed by using LabVIEW based NI PXI-4220 two-channel data acquisition card inserted in PXI-1042Q case，GMW model 5043-76 mm electromagnet powered by KEPCO BOP 72-6D programmable power source，RS Pro-2mm Wire Lead Strain Gauge and self-designed sample holder.This system is configured with built-in Half-Bridge Type I Wheatstone circuit collecting dynamic strain signalbuiltin NIPXI-4220， and the acquired data willbe automatically processed by LabVIEW.The system wasused to testCoFe2O4ceramic，the acquired magnetostriction showed sensitive stain-field response and obvious hysteresis.Saturated magnetostriction of tested sample was within 200×10-6－300×10-6which was considered to be in valid range after performing zero compensation.This system is easy to set up and has strong expansibility.

magnetostriction；data acquisition card；LabVIEW；Wheatstone circuit；hysteresis

A

：1674-5124（2016）12-0087-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.018

2016-04-02；

：2016-05-18

湖北省教育科學十二五規(guī)劃項目（2014B259）

南 楠（1988-），男，湖北十堰市人，助教，碩士，主要從事材料測試與表征技術(shù)的研究開發(fā)。