單縫衍射法測TbDyFe的磁致伸縮系數(shù)*

張進治 謝 亮 鐵小勻

(北方工業(yè)大學理學院，100144，北京)

超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material，簡稱GMM)是20世紀以來迅速發(fā)展起來的新型功能材料，目前被視為提高國家高科技競爭力的戰(zhàn)略性功能材料. 在軍民兩用高科技領域具有廣闊的應用前景.

鋱鏑鐵(TbDyFe)是一種超磁致伸縮材料，具有磁致伸縮系數(shù)大、能量密度高、響應速度快、磁機械耦合系數(shù)高，適用頻率范圍寬等優(yōu)點.[1]其室溫下的磁致伸縮應變量(磁致伸縮系數(shù))之大是以往任何場致伸縮材料所無法比擬的. 它比傳統(tǒng)的鎳鈷(Ni-Co)等磁致伸縮合金的應變量大幾十倍，是電致伸縮材料的5倍以上.

磁致伸縮系數(shù)β是工程應用中的重要參數(shù)，目前，國內外測量大磁致伸縮系數(shù)的方法有很多，如吳慶春等用劈尖干涉法測量[2]，方運良等用半導體位移傳感器測量[3]，李英明等用激光多普勒準靜態(tài)法測量[4]，白巖等用線性調頻激光外差技術測量磁致伸縮系數(shù)等.[5]在這些方法中，電磁位移傳感器、聲學位移傳感器等，都要受到溫度、磁阻效應、環(huán)境噪聲、粘貼工藝等因素的影響，從而導致測試結果復現(xiàn)性差，準確性不高.

激光檢測技術具有精度高、響應速度快、重復性好、非接觸測量等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代重要的超精密檢測及測量技術. 因此，本文將綠色激光的單縫衍射與機電自動控制結合，把TbDyFe微小的伸長量轉化成單縫衍射圖象的變化，通過單片機計算出TbDyFe的磁致伸縮系數(shù).

1 實驗裝置

1.1 單縫衍射實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.

鋱鏑鐵TbDyFe：長100±1 mm，直徑10 mm(北京鋼鐵研究總院提供材料)見圖2(a)；綠激光：波長532 nm；單縫由2個刀片組成；磁場采用2個螺線管疊加見圖2(b)，具體參數(shù)如表1所示.

表1 螺線管參數(shù)

1.2 測量與控制系統(tǒng)

電控位移平臺主要由步進電機及驅動、控制模塊、液晶顯示模塊、光敏二極管模塊、拉線位移傳感器，串口采集模塊組成，如圖3～4所示. 單縫衍射系統(tǒng)由2個刀片和1片連接銅棒組成，具體如圖5所示，硬件功能框圖如圖6～7所示.

整個系統(tǒng)的供電采用5 V/24 V輸出的開關電源，42步進電機(步距角：1.8°；步距角精度：±5%；軸向間隙：0.08 mmMax；負載：450 g)以及電機驅動模塊構成了基礎的平臺.主控采用了經(jīng)典的89C52，為避免干擾，2塊89C52同時工作，一片專門負責電機的控制及液晶屏12864的顯示，一片負責實時采集和發(fā)送傳感器測得的數(shù)據(jù). 傳感器本文采用了高精度WXY31拉線位移傳感器(精度0.02%；分辨率0.01)和光電二極管模塊，拉線位移傳感器能夠實時輸出穩(wěn)定的位移信號，光電二極管足夠靈敏能夠讀取相對較弱的光信號.

本文開發(fā)的上位機模塊，能夠將位移和光照強度數(shù)據(jù)實時輸出，以圖像的形式展現(xiàn)在電腦上，以數(shù)據(jù)的形式保存在Excel表格中，并能夠把最終的磁致伸縮系數(shù)計算出來.

2 實驗原理

2.1 磁致伸縮原理

有些物質在磁場作用下，其尺寸伸長(或縮短)，去掉外加磁場后又恢復其原來的尺寸，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象. 原子磁矩是材料產(chǎn)生磁致伸縮效應的基礎. 過渡元素和稀土元素存在著未填滿的3d和4f電子層，具有自旋磁矩和原子磁矩，發(fā)現(xiàn)具有磁致伸縮效應. 鐵磁材料在居里溫度以下發(fā)生自發(fā)磁化，形成大量的磁疇. 未加外磁場時，磁疇的磁化方向是隨機取向的，如圖8(H=0)所示，不顯示宏觀效應. 在外磁場作用下，磁疇磁化方向旋轉趨于一致，均沿外磁場方向，如圖8(H≠0)所示，磁疇形變也趨于一致，使磁體尺寸發(fā)生變化，從而產(chǎn)生磁致伸縮效應. 從自由能極小的觀點來看，磁性材料的磁化狀態(tài)發(fā)生變化時，其自身的形狀和體積都要改變，因為只有這樣才能使系統(tǒng)的總能量最小. 鐵磁體的形變隨外加磁場變化而變化. 當磁場比飽和磁化場Hs小時，磁體的形變主要是長度變化，體積幾乎不變，即線磁致伸縮；當磁場大于飽和磁化場Hs時，磁體的形變主要是體積變化，即體磁致伸縮.

2.2 單縫衍射原理

光作為一種電磁波，在遇到障礙物時傳播方向發(fā)生偏轉，繞過障礙物前進，這就是光的衍射現(xiàn)象. 當衍射物是狹縫時，豎直方向上會限制光線的傳播，衍射圖樣就會在豎直方向上鋪展；限制的愈厲害，衍射效應愈明顯. 屏幕上形成的單縫衍射圖樣是：中心一個中央明紋，上下對稱的分布著各級明暗相間的條紋，條紋平行于狹縫.

其明暗條紋滿足的條件為：

(1)

其中θ為衍射角，b為縫寬，λ為激光波長. 根據(jù)單縫衍射原理，第K級暗紋到中央主極大距離為xK，則其縫寬b的大小為：

(2)

當給勵磁線圈通過一確定電流時，第K級暗紋到中央主極大的距離變成x′K，磁致伸縮材料TbDyFe原長為D，則磁致伸縮系數(shù)β為:

(3)

因為ΔD=Δb，所以：

(4)

3 實驗方法與結果

3.1 實驗方法

本文實驗步驟如下：

1)單片機控制42步進電機在0～200 mm(拉線位移傳感器)運動，以定標，步進電機每步距離. 重復3次，取其平均值，把此參數(shù)輸入單片機.

2)給勵磁線圈通過一確定電流I(0.20 A、0.40 A、0.60 A、0.80 A、1.00 A、1.20 A、1.40 A)，用DH4501B磁場實驗儀(杭州大華儀器)測勵磁線圈軸線上的霍爾電壓，由公式(5)得出勵磁線圈軸線上的磁感應強度B,其數(shù)據(jù)如表2所示.

VH=KHISB

(5)

其中VH為霍爾電壓，霍爾系數(shù)KH=178 mV/mA·T，工作電流IS=0.500 mA，B為磁感應強度.

3)使綠色激光對準狹縫，調節(jié)縫寬，使接收屏上出現(xiàn)清晰的衍射圖像；給螺線管通電，直到衍射圖像變化；分別掃描不加電流和加上不同電流時的衍射圖像；由上位機獲得xK和x′K，并帶入公式(4)自動計算出磁致伸縮系數(shù)(實驗溫度為22 ℃).

3.2 實驗結果

實驗測量數(shù)據(jù)如表2所示，不同電流下的衍射曲線如圖10～11所示.

表2 實驗數(shù)據(jù)

由此得出TbDyFe的磁致伸縮特性，見圖12.

由于自制磁場線圈的限制，電流最大為1.4 A，大于1.4 A磁場下的數(shù)據(jù)無法測得. 但由圖12中2條曲線可看出，利用單縫衍射得出的實驗曲線與用中國計量科學研究院JDM- 30A型磁致伸縮參數(shù)測量儀(儀器精度：0.1ppm)測得的曲線吻合度很高.

4 結語

由于磁致伸縮效應引起的材料長度變化極其微小，一般只有10-6～10-3數(shù)量級，因此需要一些精密的測量方法. 從測量結果可以看出，用單縫衍射法測量TbDyFe的磁致伸縮系數(shù)是可行的，此法原理簡單，精度能夠達到實驗要求. 并且，電控位移平臺能自動掃描衍射圖像、自動計算并顯示結果，從而縮短測量時間，能更好更快地研究TbDyFe的磁致伸縮持性. 本微位移測量方法對材料的微位移測量提供一種新的精確測量手段，此裝置也可擴展，稍作改裝可以測量其它的伸縮系數(shù)，如線膨脹系數(shù). 這對物理實驗教學改進有很大的幫助.