稀土超磁致伸縮棒材特性測(cè)試平臺(tái) 優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)研究

杜杲嫻 楊 鑫 韋艷飛 寧 倩 羅 安

（國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)） 長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

稀土超磁致伸縮材料自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，以其伸縮系數(shù)大、機(jī)電耦合系數(shù)高、能量密度高、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)良特性[1-3]在航天航空、國(guó)防軍工、機(jī)械電子、水聲通信等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外在稀土超磁致伸縮材料特征參數(shù)與性能測(cè)試方面方法不盡相同，且國(guó)內(nèi)正處于對(duì)磁特性測(cè)試儀器的自主研究和設(shè)計(jì)階段[5]。以往研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力對(duì)稀土超磁致伸縮棒材性能存在較大影響[6-8]，這是由于外界應(yīng)力引起棒材磁疇狀態(tài)發(fā)生變化[9]，從而對(duì)棒材的磁致伸縮系數(shù)、楊氏模量、磁導(dǎo)率等性能產(chǎn)生影響，預(yù)應(yīng)力也是磁致伸縮換能器的重要初始偏置條件之一，但國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)[7,10-12]中設(shè)計(jì)制造的平臺(tái)均未考慮測(cè)試過(guò)程中由于棒材伸長(zhǎng)導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力大范圍變化，且鋱鏑鐵（TbDyFe）合金稀土超磁致伸縮材料與傳統(tǒng)磁致伸縮材料相比，其應(yīng)變是Ni的40～50倍，是Fe-Ga系材料的5倍左右，因此其預(yù)應(yīng)力變化更明顯，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)大偏差[13-14]。

綜上，本文設(shè)計(jì)搭建了一套稀土超磁致伸縮棒材特性測(cè)試平臺(tái)，平臺(tái)包括驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)量裝置、信號(hào)采集模塊及保壓裝置四部分，可對(duì)棒材進(jìn)行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)性能及參數(shù)測(cè)試，可在不同的驅(qū)動(dòng)條件和負(fù)荷條件下對(duì)棒材的磁致伸縮性能、B-H曲線、楊氏模量等進(jìn)行測(cè)試。

本文對(duì)平臺(tái)進(jìn)行以下優(yōu)化：重點(diǎn)對(duì)平臺(tái)保壓裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化與改進(jìn)，采用銅塊和碟簧復(fù)合組合的方式置于極頭與液壓機(jī)壓頭中部，達(dá)到良好的保壓緩沖效果；對(duì)B-H曲線測(cè)試裝置及方法進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)發(fā)一套Labview信號(hào)采集與處理程序，搭配數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)現(xiàn)B-H曲線的自動(dòng)繪制，代替磁通計(jì)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電壓的采集和處理以得到磁感應(yīng)強(qiáng)度，其響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)采集處理更為自動(dòng)化。

1 平臺(tái)搭建與優(yōu)化

稀土超磁致伸縮棒材特性測(cè)試平臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)試裝置、信號(hào)采集模塊以及保壓裝置四部分組成，其測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。

圖1 稀土超磁致伸縮棒材特性測(cè)試平臺(tái) Fig.1 Test platform of rare-earth gaint magnetostrictive rod characteristics

1.1 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊包括程控直流電源和雙勵(lì)磁繞組，通過(guò)編程以實(shí)現(xiàn)電源直流0～20A的自動(dòng)化輸出，電流通過(guò)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)試棒材磁致伸縮性能和磁導(dǎo)率時(shí)，隨著電流的增大，棒材內(nèi)磁場(chǎng)先迅速增大，再緩慢增大，最后逐漸趨向于飽和，電流-磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系如圖2所示。因此驅(qū)動(dòng)電流輸出步長(zhǎng)也應(yīng)逐漸增大，這樣可更好地采集有效磁 場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)，準(zhǔn)確測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度和其他變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)縮短大電流輸出時(shí)間，減少線圈發(fā)熱。

圖2 電流-磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系 Fig.2 Current-magnetic field strength

1.2 測(cè)試裝置

測(cè)試裝置包括環(huán)形硅鋼磁軛、上下極頭、液壓油壓機(jī)、壓力傳感器及稀土超磁致伸縮棒材。測(cè)試裝置與驅(qū)動(dòng)模塊組成平臺(tái)核心部分——預(yù)應(yīng)力可調(diào)節(jié)的雙勵(lì)磁繞組換能器，實(shí)現(xiàn)電?磁?機(jī)能量轉(zhuǎn)換和參數(shù)測(cè)量。環(huán)形磁軛由0.6mm硅鋼片疊成，磁場(chǎng)通過(guò)磁軛由兩個(gè)勵(lì)磁線圈匯集到中間的稀土超磁致伸縮棒材內(nèi)，可增大棒材內(nèi)的磁場(chǎng)[15-16]，測(cè)試平臺(tái)磁力線分布如圖3所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)磁力線分布 Fig.3 Magnetic field line of test platform

上、下極頭采用磁導(dǎo)率高且剛度大的電工純鐵，極頭為圓柱形并開(kāi)槽，槽的直徑稍大于棒材，槽深2mm，以固定棒材。

測(cè)試對(duì)象采用未切割的稀土超磁致伸縮棒材，由于本文測(cè)試均為靜態(tài)性能測(cè)試，棒材無(wú)需考慮渦流的影響，且未切割棒材可保證其力學(xué)性能的均勻一致，同時(shí)在棒材頂部和底部包裹一層特氟龍膠帶[17]，以實(shí)現(xiàn)隔振，保護(hù)邊緣，防止棒材損壞的效果。

液壓油壓機(jī)通過(guò)壓頭向棒材施壓，壓力傳感器置于壓頭和上極頭間，可準(zhǔn)確顯示棒材所受壓力。上述結(jié)構(gòu)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是可一定程度上加強(qiáng)棒材內(nèi)的磁場(chǎng)；二是便于磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試。

對(duì)比傳統(tǒng)線圈包裹棒材的換能器測(cè)試平臺(tái)形式[18-19]，由于其結(jié)構(gòu)存在限制，霍爾探頭無(wú)法放置，棒材內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度都是利用一般形式的安培環(huán)路定律簡(jiǎn)化公式計(jì)算，即

式中，H為棒材內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度；N為線圈匝數(shù)；I為線圈內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流；r為線圈半徑；l為線圈長(zhǎng)度。此方法未考慮損耗、漏磁及磁路等因素，與實(shí)際情況存在較大誤差。本文設(shè)計(jì)平臺(tái)的棒材周圍為開(kāi)放空間，利于放置霍爾探頭，可實(shí)時(shí)測(cè)試棒材表面的磁場(chǎng) 強(qiáng)度。

1.3 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊包括高斯計(jì)、橫向霍爾探頭、探頭支架、感應(yīng)線圈、數(shù)據(jù)采集卡、電阻應(yīng)變儀和上位機(jī)。模塊可實(shí)時(shí)采集棒材內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、棒材應(yīng)變?chǔ)撕皖A(yù)應(yīng)力σ，后期對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得棒材同一位置處λ-H、B-H及-σλ曲線，進(jìn)而可分析棒材磁致伸縮性能、恒定應(yīng)力下的 磁導(dǎo)率及恒定磁場(chǎng)下的楊氏模量，參數(shù)定義為

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；constant為常數(shù)。

1.3.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量

利用橫向霍爾探頭測(cè)試棒材表面切線方向空氣域磁場(chǎng)強(qiáng)度[7,11]，設(shè)置其采樣頻率為2kHz，可實(shí)時(shí)反映棒材內(nèi)磁場(chǎng)情況，理論推導(dǎo)如下：棒材與空氣分界面應(yīng)用安培環(huán)路定律如圖4所示，在稀土超磁致伸縮棒材與空氣的媒質(zhì)分界面上，圍繞一點(diǎn)P取一矩形回路，矩形回路高為1lΔ，并取寬度2 0lΔ→，根據(jù)安培環(huán)路定律，在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任一閉合路徑的線積分等于穿過(guò)該回路所包圍面積的自由電流（不包括磁化電流）的代數(shù)和[20]，即

圖4 棒材與空氣分界面應(yīng)用安培環(huán)路定律 Fig.4 Application of ampere circuital theorem to the interface between the rod and air

棒材表面不存在自由電流，又因棒材內(nèi)磁場(chǎng)沿軸向分布，則

式中，H1t為棒材內(nèi)磁場(chǎng)；H2t為貼近棒材表面空氣域磁場(chǎng)，兩者近似相等，為使測(cè)試結(jié)果更精確，霍爾探頭探針體積要盡可能小，同時(shí)要貼緊棒材。

1.3.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量

法拉第電磁感應(yīng)定律指出：閉合回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε與穿過(guò)磁回路的磁通隨時(shí)間的變化率dφm/dt成正比，數(shù)學(xué)形式為

因此，在橫截面積為S的圓柱形稀土超磁致伸縮棒材表面緊密纏繞N匝感應(yīng)線圈，棒材上電阻應(yīng)變片和感應(yīng)線圈如圖5所示。當(dāng)棒材內(nèi)磁場(chǎng)產(chǎn)生變化時(shí)，線圈兩個(gè)出線端感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，設(shè)置其采樣頻率為2kHz，在Labview中進(jìn)行濾波和數(shù)學(xué)積分操作，可反推出棒材內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度[3,7,15,21]大小為

圖5 棒材上電阻應(yīng)變片和感應(yīng)線圈 Fig.5 Strain gauge and induction coil

1.3.3 應(yīng)變的測(cè)量

利用電阻應(yīng)變儀測(cè)量棒材應(yīng)變，電阻應(yīng)變片緊密貼合在棒材表面如圖5所示。應(yīng)變片隨棒材一同伸縮，其電阻發(fā)生變化，通過(guò)應(yīng)變儀半橋一對(duì)一補(bǔ)償電路，反映為應(yīng)變量大小，設(shè)置其采樣頻率為32kHz，數(shù)值可在上位機(jī)軟件讀取。應(yīng)變片貼合時(shí)嚴(yán)格遵循使用規(guī)范以保證應(yīng)變測(cè)試的準(zhǔn)確性，貼合前應(yīng)將棒材表面打磨光滑并用酒精擦拭干凈以保證牢固。

實(shí)驗(yàn)前應(yīng)在棒材測(cè)試位置處正反貼兩片應(yīng)變片，并進(jìn)行快速驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在一定預(yù)應(yīng)力下，對(duì)棒材外加驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，若兩片應(yīng)變片應(yīng)變數(shù)值誤差在10%內(nèi)，則證明棒材均勻受力，未出現(xiàn)彎曲情況，實(shí)驗(yàn)可正常進(jìn)行[7,15,22]。

1.3.4 應(yīng)力的測(cè)量

采用1 000kg量程壓力傳感器測(cè)試棒材所受應(yīng)力大小，壓力傳感器置于極頭與銅塊之間，通過(guò)數(shù)字顯示屏顯示應(yīng)力數(shù)值。

1.4 保壓裝置

本文重點(diǎn)對(duì)平臺(tái)的保壓裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，預(yù)應(yīng)力對(duì)稀土超磁致伸縮棒材性能具有較大影響，以往文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的鐵磁材料測(cè)試平臺(tái)中，大都未考慮和解決測(cè)試過(guò)程中由于材料伸長(zhǎng)導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力變化，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，直接通過(guò)液壓油壓機(jī)對(duì)測(cè)試裝置施加壓力時(shí)，由于測(cè)試過(guò)程中棒材處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力不會(huì)保持在預(yù)定值，而是隨著棒材的伸長(zhǎng)逐漸增大[23]。

以往有文獻(xiàn)在稀土超磁致伸縮棒材兩端墊薄橡膠片[24]以實(shí)現(xiàn)隔振隔聲，或墊銅片[7]以減小棒材端面所受預(yù)應(yīng)力的不均勻性，防止棒材邊緣損壞，有一定緩沖效果，但均效果不佳。本文采用在液壓油壓機(jī)壓頭和測(cè)試裝置極頭中間增加黃銅塊和不同組合方式碟簧的方法，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力寬范圍的緩沖和保持效果。

碟簧形狀為圓錐碟狀，與傳統(tǒng)彈簧不同，其負(fù)荷大，行程短，壓縮行程最佳使用范圍在其最大壓縮行程的10%～75%之間。本文平臺(tái)測(cè)試對(duì)象稀土超磁致伸縮棒材尺寸為φ20mm×50mm，要求預(yù)應(yīng)力施加范圍為0～25MPa，則通過(guò)計(jì)算，棒材所受壓力的范圍為0～7 854N，測(cè)試裝置對(duì)碟簧變形量無(wú)要求，選取C系列碟簧參數(shù)見(jiàn)表1[25]。

表1 碟簧參數(shù) Tab.1 Parameters of disc spring

選取16片此規(guī)格碟簧，在0～25MPa預(yù)應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，力的變化范圍大，由于單個(gè)碟簧載荷量存在限制，因此采用兩種不同的碟簧組合方式來(lái)對(duì)應(yīng)不同的負(fù)荷：

（1）在預(yù)應(yīng)力小于15MPa時(shí)，采用對(duì)合組合碟簧方式，即疊合碟簧中單個(gè)碟簧片數(shù)n=1，對(duì)合碟簧中碟簧片數(shù)i=16。

（2）當(dāng)預(yù)應(yīng)力在15～25MPa范圍時(shí)，采用復(fù)合組合碟簧，即疊合與對(duì)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，疊合碟簧中單個(gè)碟簧片數(shù)n=2，對(duì)合碟簧中疊合碟簧組數(shù)i=8。

對(duì)于單片碟簧，其位移f與載荷P關(guān)系為

式中，直徑比C=D/d=2；彈性模量E=206 000N/mm2；泊松比μ=0.3；厚度t=1.8mm；最大變形量h0= 2.35mm；K4=1。

不計(jì)摩擦力，復(fù)合組合碟簧總位移負(fù)荷關(guān)系為

式中，Ps為碟簧總負(fù)荷；fs為碟簧總位移。因此，單個(gè)、對(duì)合組合與復(fù)合組合C系列碟簧位移載荷關(guān)系如圖6a所示，碟簧組合實(shí)物如圖6b所示。

圖6 碟簧載荷-位移關(guān)系和碟簧組合實(shí)物 Fig.6 Displacement-load relationship of disc spring and physical drawing of disc spring combination

棒材的伸長(zhǎng)量在測(cè)試過(guò)程中最大0.05mm左右，由圖6a和計(jì)算可以得到：

（1）預(yù)應(yīng)力小于15MPa時(shí)采用的對(duì)合組合碟簧，最大載荷量與單個(gè)碟簧相同，棒材伸長(zhǎng)變形時(shí)，負(fù)荷變化量是單個(gè)碟簧的1/16。

（2）預(yù)應(yīng)力在15～25MPa范圍時(shí)采用的復(fù)合組合碟簧，最大載荷量是單個(gè)碟簧的2倍，棒材伸長(zhǎng)變形時(shí)，負(fù)荷變化量是單個(gè)碟簧的1/4。

綜上，使用碟簧可實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的緩沖和保持，在測(cè)試范圍內(nèi)有效地減小預(yù)應(yīng)力的變化，保持測(cè)試過(guò)程中預(yù)應(yīng)力恒定，使測(cè)試結(jié)果更為準(zhǔn)確。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)保壓裝置及測(cè)試平臺(tái)的有效性，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 預(yù)應(yīng)力變化對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在三種方式下：方式1為無(wú)保壓裝置；方式2為棒材兩端墊銅片保壓；方式3為本文保壓裝置。利用程控直流電源對(duì)雙勵(lì)磁繞組施加0～20A驅(qū)動(dòng)直流電流，利用壓力傳感器分別測(cè)試10MPa、15MPa、20MPa及25MPa預(yù)應(yīng)力下，稀土超磁致伸縮棒材伸長(zhǎng)導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力變化情況，不同保壓方式下預(yù)應(yīng)力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化如圖7所示。

圖7 不同保壓方式下預(yù)應(yīng)力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化 Fig.7 Changes of prestress on magnetic field strength under different pressure retaining modes

可以看出，在三種不同方式下，預(yù)應(yīng)力變化情況不同。方式2棒材兩端墊銅片進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于銅片不導(dǎo)磁，相當(dāng)于磁路中存在一個(gè)較大的空隙，因此同樣驅(qū)動(dòng)電流下，棒材內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于其他保壓方式明顯降低，影響磁路中磁場(chǎng)分布，同時(shí)保壓效果不佳，故方式2不可取。因此重點(diǎn)對(duì)比方式1、方式3預(yù)應(yīng)力變化情況，采用預(yù)應(yīng)力變化率為

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較，具體數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 預(yù)應(yīng)力變化率 Fig.8 Rate of prestress change

結(jié)果表明，測(cè)試稀土超磁致伸縮棒材磁致伸縮性能時(shí)，由于其在外加磁場(chǎng)下伸長(zhǎng)，因此實(shí)驗(yàn)開(kāi)始設(shè)定好的預(yù)應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生變化。如圖7、圖8所示，驅(qū)動(dòng)電流0～20A時(shí)：

（1）方式1：無(wú)緩沖裝置下測(cè)試，預(yù)應(yīng)力不能維持一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)，應(yīng)力變化明顯，在10MPa下測(cè)試預(yù)應(yīng)力變化率高達(dá)10.625%，會(huì)導(dǎo)致磁致伸縮性能等一系列測(cè)試出現(xiàn)偏差。

（2）方式3：本文提出的保壓裝置下，由圖7可明顯看出，預(yù)應(yīng)力維持效果好，曲線平緩，變化不明顯，在驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)200kA/m、預(yù)應(yīng)力25MPa以內(nèi)，預(yù)應(yīng)力變化率最高不超過(guò)1.134%。

綜上可得，相比無(wú)緩沖裝置，本文保壓裝置使得測(cè)試過(guò)程中預(yù)應(yīng)力變化率由10.625%降低至1.134%以下，預(yù)應(yīng)力保持良好狀況，保證了在預(yù)應(yīng)力前提條件基本不變下，使得測(cè)試過(guò)程及結(jié)果更為嚴(yán)謹(jǐn)有效。

2.2 磁致伸縮應(yīng)變對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前，利用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)棒材施加一定的預(yù)應(yīng)力，線圈通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，在不同保壓方式下，利用電阻應(yīng)變儀測(cè)試棒材的磁致伸縮性能進(jìn)行對(duì)比，不同保壓方式下GMM棒的磁致伸縮性能如圖9所示?？梢钥闯觯煌悍绞较麓胖律炜s棒材應(yīng)變存在差異。這是由于在測(cè)試過(guò)程中，棒材伸長(zhǎng)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生較大變化，而不同保壓方式的預(yù)應(yīng)力保持效果也不同，因此應(yīng)變測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)明顯不同。

預(yù)應(yīng)力在20MPa以下時(shí)，在低磁場(chǎng)強(qiáng)度下，方 式1、方式3下測(cè)試的磁致伸縮性能差異小，磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，由于不同方式應(yīng)力差別逐漸增大，應(yīng)變開(kāi)始出現(xiàn)較大差異；預(yù)應(yīng)力20MPa以上時(shí)，不同保壓方式下，棒材整個(gè)伸長(zhǎng)過(guò)程中應(yīng)變存在較大差異，方式1無(wú)保壓裝置相比方式3本文設(shè)置的保壓裝置，低磁場(chǎng)強(qiáng)度下應(yīng)變更小，高磁場(chǎng)強(qiáng)度下應(yīng)變更大。

圖9 不同保壓方式下GMM棒的磁致伸縮性能 Fig.9 Magnetostriction of GMM rod under different pressure retaining modes

綜上可得，優(yōu)化后的測(cè)試平臺(tái)在不同預(yù)應(yīng)力條件下對(duì)磁致伸縮應(yīng)變測(cè)試更加精確，這對(duì)于磁致伸縮換能器設(shè)計(jì)中初始偏置條件的選擇，即預(yù)應(yīng)力和偏置磁場(chǎng)的確定具有指導(dǎo)意義。

2.3 B-H曲線測(cè)試結(jié)果

棒材下半部分表面緊密纏繞50匝感應(yīng)線圈，測(cè)試時(shí)采集線圈兩端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由電磁感應(yīng)定律得到棒材內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于本文平臺(tái)中棒材內(nèi)部磁場(chǎng)分布上下對(duì)稱，因此測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，利用兩個(gè)霍爾探頭貼近棒材上半部分，測(cè)試棒材1/6、1/3兩個(gè)位置，取平均值可反映整根棒材內(nèi)平均磁場(chǎng)強(qiáng)度。使用數(shù)據(jù)采集卡采集B、H數(shù)據(jù)至上位機(jī)，對(duì)H進(jìn)行處理取其平均值，在無(wú)預(yù)應(yīng)力條件下，利用開(kāi)發(fā)的Labview程序?qū)崟r(shí)繪制出B-H曲線。平臺(tái)施加頻率為5Hz、1～2A的驅(qū)動(dòng)電流，測(cè)試棒材準(zhǔn)靜態(tài)磁滯回線。通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果進(jìn)而分析計(jì)算出棒材的相對(duì)磁導(dǎo)率等。

磁化曲線及相對(duì)磁導(dǎo)率曲線如圖10所示，隨著棒材外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，棒材的磁導(dǎo)率呈先增大后減小，最后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。平臺(tái)測(cè)試得棒材準(zhǔn)靜態(tài)磁滯回線、B-H回線（頻率5Hz、驅(qū)動(dòng)電流1～2A）如圖11所示，可進(jìn)一步分析棒材的磁學(xué)性能，如磁滯損耗等[21,26-27]。

圖10 磁化曲線及相對(duì)磁導(dǎo)率曲線 Fig.10 Magnetization curves and Relative permeability

圖11 B-H回線（頻率5Hz、驅(qū)動(dòng)電流1～2A） Fig.11 Hysteresis loop (frequency 5Hz, drive current 1～2A)

綜上，利用平臺(tái)測(cè)試得到棒材磁導(dǎo)率、磁滯回線等，可為磁致伸縮換能器有限元仿真設(shè)計(jì)提供實(shí)際準(zhǔn)確的材料參數(shù)，使得仿真結(jié)果更具參考價(jià)值和實(shí)際意義。

2.4 楊氏模量測(cè)試結(jié)果

根據(jù)楊氏模量的定義，在不同偏置磁場(chǎng)下（0kA/m、40kA/m、80kA/m），通過(guò)平臺(tái)對(duì)棒材施加壓力，利用壓力傳感器測(cè)試壓力大小，利用電阻應(yīng)變儀測(cè)試棒材應(yīng)變，利用霍爾探頭測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度，記錄數(shù)據(jù)并得到-σλ曲線，對(duì)曲線進(jìn)行擬合，如圖12所示。 對(duì)-σλ曲線進(jìn)行微分可得棒材在恒定磁場(chǎng)下隨預(yù)應(yīng) 力變化的楊氏模量，楊氏模量曲線如圖13所示。

圖12 應(yīng)力-應(yīng)變曲線（0、40kA/m、80kA/m） Fig.12 -σλ curves (0、40kA/m、80kA/m)

圖13 楊氏模量曲線 Fig.13 Young's modulus curves

由于效應(yīng)，測(cè)試過(guò)程中棒材的磁化強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生變化。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用霍爾探頭實(shí)時(shí)測(cè)量棒材表面磁場(chǎng)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度在加壓過(guò)程中變化大小在1kA/m左右，因此忽略磁場(chǎng)變化的影響[28]。

由上述結(jié)果可以得到，隨著棒材所受壓力的增大，棒材恒定磁場(chǎng)下的楊氏模量呈先減小后緩慢增 大的趨勢(shì)；隨著偏置磁場(chǎng)的增大，棒材-σ曲線 整體向右移動(dòng)。此外，實(shí)際的楊氏模量等力學(xué)參數(shù) 是認(rèn)識(shí)棒材力學(xué)性能的基礎(chǔ)，同時(shí)其為磁致伸縮換能器的有限元仿真、換能器阻抗建模提供支撐，能更好地進(jìn)行換能器的設(shè)計(jì)理解。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)搭建了一套稀土超磁致伸縮棒材特性測(cè)試平臺(tái)，平臺(tái)包括驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)試裝置、信號(hào)采集模塊以及保壓裝置四部分，可對(duì)稀土超磁致伸縮棒材的磁致伸縮性能、B-H曲線、楊氏模量等重要性能和參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

考慮到測(cè)試過(guò)程中磁致伸縮棒材伸長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力發(fā)生變化，本文重點(diǎn)對(duì)稀土超磁致伸縮棒材的保壓裝置進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)預(yù)應(yīng)力的范圍大小，利用黃銅塊、兩種不同組合方式的碟簧構(gòu)成的可調(diào)節(jié)機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)預(yù)應(yīng)力寬范圍的緩沖和保持效果。本文設(shè)置兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證保壓裝置的有效性。最后，根據(jù)參數(shù)定義，利用本文平臺(tái)對(duì)不同條件下棒材的λ-H、B-H和σ-λ曲線進(jìn)行測(cè)試，分析了棒材的磁致伸縮性能，得到了棒材的磁導(dǎo)率、磁滯回線和楊氏模量等參數(shù)。結(jié)論如下：

1）利用本文設(shè)置的碟簧保壓裝置，預(yù)應(yīng)力變化率由10.625%降至1.134%以下，保壓效果顯著，利用平臺(tái)測(cè)試的棒材參數(shù)結(jié)果更為精確。

2）隨著棒材外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，棒材的磁導(dǎo)率呈先增大后減小，最后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。

3）隨著棒材所受壓力的增大，恒定磁場(chǎng)下棒材的楊氏模量呈先減小后增大的趨勢(shì)。

以上實(shí)驗(yàn)和理論均證明了本平臺(tái)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化為超磁致伸縮棒材參數(shù)的提取提供了一種更為可靠的測(cè)定方法。同時(shí)，本文工作及方法為磁致伸縮材料的理解使用、磁致伸縮換能器的有限元仿真設(shè)計(jì)及換能器阻抗特性建模等工作提供了實(shí)際參數(shù)支撐。