磁性材料多功能測量儀的研制

楊 斌， 胡瑞雪， 張亞萍， 韓立立

(中國石油大學(華東) 理學院，山東 青島 266580)

0 引 言

目前,一般的儀器只能測量出單一的磁學特性，如果要測量多個量需要用到多個儀器，而且要做大量數(shù)據(jù)處理工作，為實驗增加了成本和許多不便。例如，通常教學所用的TH-MHC磁滯回線測量儀只能測量固定磁性材料磁滯回線，且需要處理上百組數(shù)據(jù)，而且不能直接得到剩磁、矯頑力、磁導率等磁性參數(shù)。另外，磁致伸縮材料在工農(nóng)業(yè)上都有廣泛應(yīng)用，磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)是決定材料用途的重要依據(jù)之一，因此測量磁致伸縮系數(shù)也至關(guān)重要[1]。

實驗儀器智能化、多功能、簡單方便已經(jīng)成為儀器行業(yè)的發(fā)展趨勢，因此各個研究機構(gòu)都在致力于研究既經(jīng)濟，又高效的裝置。本文研究了磁性材料多功能測量儀，該裝置成功把上述磁學特性集合在一個儀器中測量，即可以測量不同形狀、成分結(jié)構(gòu)磁性材料的磁滯回線、剩磁、矯頑力、磁導率以及磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)，通過控制面板上的按鍵實現(xiàn)功能的切換，由液晶屏接顯示圖像以及測量數(shù)據(jù)。從而大大簡化了實驗步驟，節(jié)省了成本和人力。

1 測量原理

1.1 動態(tài)磁滯回線的測量

根據(jù)動態(tài)磁滯回線的測量原理，可以將磁場強度H和磁感應(yīng)強度B的測量轉(zhuǎn)化為電壓的測量。通常情況下，磁滯回線教學儀器的磁性材料樣品都是形狀固定不可更換的，無法滿足測量多種不同形狀、不同成分結(jié)構(gòu)磁性材料的需要。該裝置在測量部分采用雙線圈反向連接作為探測線圈，在其外面套上勵磁線圈，即可避免上述問題，如圖1所示。2個探測線圈分別記為線圈1、線圈2。實驗時只需將待測樣品放入線圈1、2中任意一個即可。假設(shè)將樣品置于線圈2內(nèi)，B磁化為交變磁場在樣品中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度，S1為線圈1的有效面積，S2為線圈2的有效面積，n為線圈1、2的匝數(shù)，則探測線圈產(chǎn)生的總電動勢為[2]

(1)

若兩線圈完全一致，S2=S1，上式可簡化為

(2)

圖1 勵磁線圈與探測線圈示意圖

由式(2)可以看到，取出的原始信號并非需要的B磁化信號。這里采用積分電路，將感應(yīng)信號轉(zhuǎn)化為B磁化，即

該儀器采用的積分電路如圖2所示。圖中:N為勵磁線圈的匝數(shù);L為樣品的平均磁路長度;U1為R1端的電壓；n為探測線圈匝數(shù);R2、C為組成的積分電路電阻和電容;U2為積分電容C兩端的電壓;S為樣品磁路的截面積[3]?？梢缘玫剑?/p>

(3)

(4)

U1分別通過單片機采集，由液晶顯示屏即可得到磁滯回線圖形[4]。根據(jù)單片機采集到的數(shù)據(jù)由式(3)、(4)計算出具體H、B，進而可以得到剩磁、矯頑力等磁性參數(shù)[5]。

圖2 積分電路圖

1.2 磁導率μ的測量

動態(tài)磁滯回線H和B的測量是通過測量如圖2中電壓U1和U2實現(xiàn)的。交流磁導率μ此時是復(fù)數(shù)，

μ1=Bmcosδ/Hm

(5)

μ2=Bmsinδ/Hm

(6)

式中:μ1為磁導率的實部;μ2為磁導率的虛部;Hm和Bm分別為幅值磁場強度和幅值磁感應(yīng)強度;δ為滯后角，也稱損耗角。

通過電壓U1和U2的信息可以得到Bm和Hm，以及兩者的相位差(滯后角)δ。由式(5)、(6)即可求出此時的磁導率[6]，此過程的所有計算都通過編程由單片機來實現(xiàn)[7]。

1.3 磁致伸縮系數(shù)測量

將磁致伸縮形變轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻變化的測量方法，通過非平衡電橋來檢測應(yīng)變片變化大小，從而可以確定磁致伸縮系數(shù)λ[8]。磁致伸縮系數(shù)常用ΔL/L表示,如L為磁致伸縮棒的原長，ΔL為棒長度方向上的伸長量。當樣品的長度發(fā)生變化ΔL時，黏貼在棒上的電阻應(yīng)變片隨之發(fā)生變化,設(shè)為ΔX，電阻應(yīng)變片的阻值變化為[9]

式中,K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，由廠家給出。因此只需測出ΔR/R即可得到磁致伸縮系數(shù)。ΔR/R可以通過非平衡電橋法檢測。將電阻應(yīng)變片接入非平衡電橋的一個橋臂，由非平衡電橋的測量原理可知，在平衡狀態(tài)下，調(diào)節(jié)橋臂阻值相對變化量ΔR/R與檢流計偏轉(zhuǎn)值α為線性關(guān)系。因此只需檢測通過單片機采集橋臂間的電壓差即可計算出磁致伸縮系數(shù)[10-11]。

2 裝置與過程

2.1 裝置及工作方式

測量裝置分為內(nèi)部裝置以及外部裝置,前者主要由磁滯回線測量電路以及磁致伸縮系數(shù)測量電路構(gòu)成;后者主要由測量線圈、電阻應(yīng)變片等組成。測量電路結(jié)合外部測量線圈以及待測材料產(chǎn)生信號，經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)整信號、濾波并使其在液晶屏上良好顯示；A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理分析，在液晶顯示器直接顯示出測量結(jié)果。通過電磁繼電器實現(xiàn)磁滯回線測量電路和磁致伸縮系數(shù)測量電路的切換，以按鍵形式體現(xiàn)。工作流原理如圖3所示。

圖3 儀器內(nèi)部工作原理圖

2.2 測量過程

(1) 動態(tài)磁滯回線及其相關(guān)參數(shù)。接通電源后打開開關(guān)，按下復(fù)位鍵時裝置處于待工作狀態(tài)。按下設(shè)置鍵，選擇磁滯回線測量模式。先將電壓旋鈕的電壓檔調(diào)為0，然后將磁性材料放在任一探測線圈中，再次調(diào)節(jié)電壓旋鈕到適當電壓，按下測量按鈕時，液晶屏上會顯示此電壓下的磁性材料動態(tài)磁滯回線。此時按數(shù)據(jù)鍵會顯示此電壓條件下的剩磁、矯頑力以及此時的磁導率。按下復(fù)位鍵可重復(fù)測量。

(2) 磁致伸縮系數(shù)。首先將探測線圈從勵磁線圈中取出，將電源由交流切換到直流，測量磁致伸縮系數(shù)的外加磁場由勵磁線圈提供。將磁致伸縮材料置于勵磁線圈的磁場中，按下復(fù)位鍵，再按下設(shè)置鍵選擇磁致伸縮模式，使其處于初態(tài)，磁場為零時，得到的是半導體應(yīng)變片的阻值。每改變一次磁場(即改變直流電壓的大小)，按下一次測量鍵，測定儀便記錄一次數(shù)據(jù)，如此重復(fù)。本實驗暫取30次測量，每次磁場變化2 mT之后，半導體應(yīng)變片電阻的改變值為ΔR，按測量鍵便可得到磁致伸縮材料在磁場中的變化曲線。按下數(shù)據(jù)鍵可以得到30次測量點的數(shù)據(jù)。按下復(fù)位鍵可重復(fù)測量。

3 測量結(jié)果

3.1 磁滯回線測量結(jié)果及分析

圖4為勵磁線圈電壓為24 V時，從示波器觀測到的Fe-Ga磁致伸縮材料的磁滯回線圖形。在磁場中改變Fe-Ga磁致伸縮材料磁疇結(jié)構(gòu)，使得更多的磁疇指向易磁化軸方向，形成了更加明顯的易磁化軸，進而各項異性能減小，以致在較小的矯頑力下Fe-Ga磁致伸縮材料就達到飽和磁化?？梢钥闯?，該磁致伸縮材料為典型的軟磁性材料，其內(nèi)部磁疇在勵磁電流下容易生磁、去磁，而且?guī)缀鯖]有剩磁、矯頑力。由于磁滯回線的面積表示磁化1周的磁能損耗，因此，可看出磁能損耗近似為0，可廣泛用于作動器、換能器及傳感器領(lǐng)域[12]。該圖像可以直觀顯示出該材料的剩磁、矯頑力、磁導率等特性，通過單片機的采集數(shù)據(jù)并計算,可以得到精確的結(jié)果，并直接輸出。

圖4 磁滯回線圖形

3.2 磁致伸縮系數(shù)測量結(jié)果及分析

圖5為磁致伸縮系數(shù)隨磁感應(yīng)強度的變化曲線。由圖可見，在磁感應(yīng)強度小于6 mT時，磁致伸縮系數(shù)λ隨磁感應(yīng)強度B增大增幅較慢；當磁感應(yīng)強度大于6 mT時，λ隨著B的增大增幅較快；當B>30 mT時，λ增幅減慢，開始趨于飽和[13]。從晶體學角度看， Fe-Ga合金的磁致伸縮應(yīng)變主要是在磁化過程中非180°疇壁位移或磁矩的轉(zhuǎn)動造成的[7]，磁疇的疇壁位移及磁矩的轉(zhuǎn)動與合金的取向和磁矩有密切關(guān)系，F(xiàn)e-Ga合金的易磁化方向為〈100〉方向，在較低磁場下磁矩難以轉(zhuǎn)動至外磁化方向的軸向[15]，因此材料的磁致伸縮系數(shù)小且增幅緩慢，但當磁場增至一定程度后，磁化能足以克服磁矩偏轉(zhuǎn)的能量勢壘，使得更多的磁矩轉(zhuǎn)動至外磁化方向，因此材料在較強的外磁場下具有比較高的磁致伸縮應(yīng)變[12]。

圖5 磁致伸縮系數(shù)隨磁感應(yīng)強度變化關(guān)系圖

4 結(jié) 論

經(jīng)試驗驗證,該儀器具有如下優(yōu)點：

(1) 多功能智能切換?？梢詼y量磁性材料的磁滯回線，剩磁、矯頑力、磁導率，以及磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)。通過電路設(shè)計，以按鍵方式實現(xiàn)智能切換。

(2) 材料可更換。材料用雙線圈反向連接的方式，可以不同形狀、成分結(jié)構(gòu)的磁性材料，便于對比研究。

(3) 經(jīng)濟、方便。多功能集于一身，省去以往復(fù)雜實驗步驟、節(jié)省實驗成本。

適用范圍：可以在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用來檢測磁性材料的磁學特性，確定該材料的適用范圍；也可在教學、科研中深入研究普通磁性材料及磁致伸縮材料的磁學性能，具有一定的學術(shù)價值。由于該儀器價格便宜、功能多，所以具有較高的經(jīng)濟效益，若投入生產(chǎn)市場競爭力大。

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