CN101109790A - 磁致伸缩性能测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩性能测量装置，包括有温度控制组件、直流稳压电源、电阻应变仪、压力组件、氮气源、磁场组件、基座；温度控制组件包括有数字式温度计、陶瓷加热管；温度计的测温端与被测试样接触；陶瓷加热管与220V，50Hz电源连接；本发明的测量装置实现了在不同磁场强度(0～4000Oe)、不同温度环境(77～450K)、不同压力(0～20MPa)条件下对宽温域巨磁致伸缩材料的磁致伸缩性能进行测量，实现了一台仪器的多参数测量。

Description

磁致伸缩性能测量装置
技术领域
本发明涉及一种磁致伸缩性能测量装置，更特别地说，是指一种适用于宽温域巨磁致伸缩材料在温度77～450K范围内、不同压应力下的磁致伸缩性能进行测量的装置。
背景技术
铁磁性材料在磁场中磁化时，其形状和尺寸会发生变化，这一现象被称为磁致伸缩。巨磁致伸缩材料磁致伸缩系数(应变)可以达到1500～2000ppm，其磁致伸缩应变比Ni基材料大50倍，比压电陶瓷大5～25倍，因此称为巨磁致伸缩材料。随空天、海洋及低温技术的发展，宽温域巨磁致伸缩材料受到广泛重视，为了使磁致伸缩材料在不同温度环境中保持巨磁致伸缩性能，在采用该磁致伸缩材料制造器件时需要对磁致伸缩材料的伸缩特性进行测量。因此，在不同温度、压应力及磁场下对磁致伸缩材料磁致伸缩特性的测量显得更为重要。
目前用于测量磁致伸缩应变主要通过应变片采取形变法进行测量，被测试样形状基本采取柱状。电阻应变法是一种将磁致伸缩引起的相对形变，通过应变片转化为电阻变化的方法，即通过测量电阻的变化，间接计算出磁致伸缩材料的磁致伸缩性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁致伸缩性能测量装置，该测量装置包括有温度控制组件、直流稳压电源、电阻应变仪、压力组件、氮气源、磁场组件、基座；温度控制组件包括有数字式温度计、陶瓷加热管；温度计的测温端与被测试样接触；陶瓷加热管与220V，50Hz电源连接；温度控制组件用于根据不同的测试温度环境要求分别采用不同附件装置配合使用；本发明的测量装置实现了在不同磁场强度、不同温度环境、以及不同压力条件下对宽温域巨磁致伸缩材料的磁致伸缩性能进行测量，实现了一台仪器的多参数测量。
本发明磁致伸缩性能测量装置的优点在于：(A)通过同轴磁场组件提供大小连续变化的磁场强度0～4000 Oe；(B)通过温度控制组件提供不同的测试温度环境，扩大了本发明测量装置的使用范围；(C)通过简单压力组件的结构设计提供压力(压力包)，可控能力增强，且制作成本低廉；(D)A励磁线圈211和B励磁线圈212为本发明人在一骨架上缠绕铜线制得，可以根据在加载电流时产生的磁场强弱增加或删减铜线的匝数；(E)本发明测量装置可同时对被测试样在不同磁场强度(0～4000 Oe)、不同温度环境(77～450K)、不同压力(0～20MPa)条件下对宽温域巨磁致伸缩材料的磁致伸缩性能进行测量，实现了一台仪器的多参数测量。
附图说明
图1是本发明磁致伸缩性能测量装置的外部结构图。
图2是磁场组件的装配图。
图3是基座与两个磁芯的装配图。
图4是压力组件的爆炸示图。
图中：      1.基座        101.A安装臂     102.B安装臂    103.B安装面104.A安装面     105.凹槽       2.磁场组件     201.A磁芯      202.B磁芯203.A磁杆段     204.B磁杆段    205.A螺纹段    206.B螺纹段    207.A转盘208.B转盘       211.A励磁线圈  212.B励磁线圈  3.压力组件     301.压力包302.压力外壳    303.通孔       304.接口       305.左端部     306.右端面4.托盘          5.氮气源
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种磁致伸缩性能测量装置，包括有温度控制组件、直流稳压电源、电阻应变仪(江苏联能电子技术有限公司，YE2533静态电阻应变仪)、压力组件3、氮气源5、磁场组件2、基座1；温度控制组件包括有数字式温度计(台湾衡欣科技股份有限公司，AZ8852双组温度表)、陶瓷加热管(深圳市帕克科技开发有限公司，pk-008内孔式陶瓷加热管，内径φ7.5×20mm)；温度计的测温端与被测试样接触；陶瓷加热管与220V，50Hz电源连接；温度控制组件用于根据不同的温度要求分别采用不同附件装置(干冰、液氮等)，可以采用干冰包埋被测试样提供第一温度环境195～273K，也可以采用液氮罐向被测试样吹气方式提供第二温度环境77～195K，也可以不对被测试样进行加热或冷却处理进行磁致伸缩性能测量的第三温度环境273～298K(一般指室温环境下进行的磁致伸缩性能测量)，也可以采用陶瓷加热管向被测试样加热方式提供第四温度环境298～450K，在本发明中，所采用的附件装置放置在托盘4上；直流稳压电源的输出为0～30V，3A，用于提供磁场组件2的A励磁线圈211、B励磁线圈212所需加载电流。电阻应变仪输入范围0～±19999με，分辩率1με。数字式温度计的测量范围为-200～1370℃。陶瓷加热管的使用最高温度为350℃。
在本发明中，参见图1、图3所示，基座1的A安装臂101上螺纹连接有A磁芯201的A螺纹段205，基座1的B安装臂102上螺纹连接有B磁芯202的B螺纹段206，基座1的中心位置开有用于活动安装托盘4的凹槽105，凹槽105与A安装臂101之间是用于安装A励磁线圈211的A安装面104，凹槽105与B安装臂102之间是用于安装B励磁线圈212的B安装面103。
在本发明中，参见图1、图2、图3所示，磁场组件2由A励磁线圈211、B励磁线圈212、A磁芯201、B磁芯202、霍尔传感器(用于测量A励磁线圈211、B励磁线圈212在加载直流电源时的磁场大小)组成；A磁芯201的A磁杆段203套装在A励磁线圈211的中心通孔内；B磁芯202的B磁杆段204套装在B励磁线圈212的中心通孔内；A励磁线圈211与B励磁线圈212结构相同，A磁芯201与B磁芯202结构相同；A励磁线圈211与B励磁线圈212由在骨架上缠绕直径为0.8mm的漆包铜线1000～5000匝绕制而成，磁场的强弱可通过改变A励磁线圈211中的直流电流大小(直流稳压电源提供，在本发明中直流稳压电源输出为30V，3A可调)来调节；A磁芯201为一体加工成型件，A磁芯201上顺次设有A磁杆段203、A螺纹段205、A转盘207，A螺纹段205用于将A磁芯201安装在基座1的A安装臂101的螺纹孔内，通过转动A转盘207使A磁芯201上的A螺纹段205与A安装臂101的螺纹孔相配合实现A磁芯201转动，同时也使A磁杆段203的端面顶紧压力包301的左端部305。B磁芯202为一体加工成型件，B磁芯202上顺次设有B磁杆段204、B螺纹段206、B转盘208，B螺纹段206用于将B磁芯202安装在基座1的B安装臂102的螺纹孔内，通过转动B转盘208使B磁芯202上的B螺纹段206与B安装臂102的螺纹孔相配合实现B磁芯202转动，同时也使B磁杆段204的端面顶紧被测试样。
在本发明中，参见图1、图4所示，压力组件3由压力包301、压力外壳302组成；压力包301内部设有一空腔(中空结构)，空腔用于充入氮气；设在压力包301左端部305的接口304与外部设备氮气源5的气源输出口连接，用于在打开氮气源5向压力包301充入氮气时，通过氮气源5上的压力表读取压力参数；压力外壳302的中心设有通孔303，通孔303用于放置压力包301。
本发明磁致伸缩性能测量装置在进行测量时，测量的具体步骤是：
第一步：将被测试样(采用宽温域巨磁致伸缩材料加工成棒材)放置在托盘4中，被测试样的一端与压力包301的左端部305接触，另一端与A磁芯201的A磁杆段203的端部接触；电阻应变仪的应变片贴在被测试样上；
第二步：通过调节直流稳压电源5输出的电压改变A励磁线圈211、B励磁线圈212产生的磁场强度，并记录下磁场强度E，单位Oe；调节氮气源5向压力包301施加的压力(从氮气源11上的压力表中读取)，并记录下压力P，单位MPa；
第三步：根据被测试样制件的工作环境(是指采用宽温域巨磁致伸缩材料加工成的器件使用中的工作温度环境)，选取被测试样测试温度环境(即第一温度环境、第二温度环境、第三温度环境、第四温度环境)选择不同的附件装置提供测试温度(由数字式温度计采集)，并记录下测试温度T，单位K；
第四步：根据磁场强度E、压力P、测试温度T条件下，由电阻应变仪采集得到被测试样的磁致伸缩系数λ。
实施例1：被测试样在第一温度环境下的磁致伸缩性能测量
第一步：将Tb0.4Dy0.6(Fe0.9Co0.1)2被测试样φ7×25mm放置在托盘4中，被测试样的一端与压力包301的左端部305接触，另一端与A磁芯201的A磁杆段203的端部接触；电阻应变仪的应变片贴在被测试样上；通过调节A转盘207、B转盘208使被测试样托起，并保持与A磁芯201、B磁芯202同轴；然后用干冰将被测试样包埋进行降温，数字式温度计测得T＝253K，即第一温度环境；
第二步：通过调节直流稳压电源5输出的电压14V，3A，用霍尔传感器测得磁场组件2的磁场强度E＝1050 Oe，磁场强度E是由A励磁线圈211、B励磁线圈212在加载有电流时产生的；调节氮气源5向压力包301施加的10MPa压力P(从氮气源11上的压力表中读取)；
第三步：根据磁场强度E＝1050 Oe、压力P＝10MPa、测试温度T＝253K条件下，由电阻应变仪采集得到被测试样的磁致伸缩系数λ＝1200ppm。
根据上述测得的相关参数可以将Tb0.4Dy0.6(Fe0.8Co0.2)2运用到航空液压系统中。
实施例2：被测试样在第二温度环境下的磁致伸缩性能测量
第一步：将Tb0.35Dy0.65(Fe0.8Co0.2)2被测试样φ7×25mm放置在托盘4中，被测试样的一端与压力包301的左端部305接触，另一端与A磁芯201的A磁杆段203的端部接触；电阻应变仪的应变片贴在被测试样上；通过调节A转盘207、B转盘208使被测试样托起，并保持与A磁芯201、B磁芯202同轴；然后用液氮向被测试样吹气方式进行降温度，数字式温度计测得测试温度T＝183K，即第二温度环境；
第二步：通过调节直流稳压电源5输出的电压12V，3A，用霍尔传感器测得磁场组件2的磁场强度E＝900 Oe，磁场强度E是由A励磁线圈211、B励磁线圈212在加载有电流时产生的；调节氮气源5向压力包301施加的15MPa压力P(从氮气源11上的压力表中读取)；
第三步：根据磁场强度E＝900 Oe、压力P＝15MPa、测试温度T＝183K条件下，由电阻应变仪采集得到被测试样的磁致伸缩系数λ＝1000ppm。
根据上述测得的相关参数可以将Tb0.35Dy0.65(Fe0.8Co0.2)2运用到太空通讯系统。
实施例3：被测试样在第四温度环境下的磁致伸缩性能测量
第一步：将Tb0.3Dy0.7(Fe0.8Mn0.2)2被测试样φ7×25mm放置在托盘4中，被测试样的一端与压力包301的左端部305接触，另一端与A磁芯201的A磁杆段203的端部接触；电阻应变仪的应变片贴在被测试样上；通过调节A转盘207、B转盘208使被测试样托起，并保持与A磁芯201、B磁芯202同轴；然后用陶瓷加热管对被测试样进行加热，用数字式温度计测得测试温度T＝398K，即第四温度环境；
第二步：通过调节直流稳压电源5输出的电压16V，3A，用霍尔传感器测得磁场组件2的磁场强度E＝1200 Oe，磁场强度E是由A励磁线圈211、B励磁线圈212在加载有电流时产生的；调节氮气源5向压力包301施加的10MPa压力P(从氮气源11上的压力表中读取)；
第三步：根据磁场强度E＝1200 Oe、压力P＝10MPa、测试温度T＝398K条件下，由电阻应变仪采集得到被测试样的磁致伸缩系数λ＝1100ppm。
根据上述测得的相关参数可以将Tb0.3Dy0.7(Fe0.8Mn0.2)2运用到飞机智能结构中。
实施例4：被测试样在第三温度环境下的磁致伸缩性能测量
第一步：将Tb0.3Dy0.7Fe2被测试样φ7×25mm放置在托盘4中，被测试样的一端与压力包301的左端部305接触，另一端与A磁芯201的A磁杆段203的端部接触；电阻应变仪的应变片贴在被测试样上；通过调节A转盘207、B转盘208使被测试样托起，并保持与A磁芯201、B磁芯202同轴；数字式温度计测得测试温度T＝295K，即第三温度环境；
第二步：通过调节直流稳压电源5输出的电压30V，3A，用霍尔传感器测得磁场组件2的磁场强度E＝2250 Oe，磁场强度E是由A励磁线圈211、B励磁线圈212在加载有电流时产生的；调节氮气源5向压力包301施加的10MPa压力P(从氮气源11上的压力表中读取)；
第三步：根据磁场强度E＝2250 Oe、压力P＝10MPa、测试温度T＝295K条件下，由电阻应变仪采集得到被测试样的磁致伸缩系数λ＝1800ppm。
根据上述测得的相关参数可以将Tb0.3Dy0.7Fe2运用到声纳系统中。

Claims (6)

1.一种磁致伸缩性能测量装置，包括有温度控制组件、直流稳压电源、电阻应变仪、氮气源(5)；其特征在于：还包括有压力组件(3)、磁场组件(2)、基座(1)；
所述基座(1)的A安装臂(101)上螺纹连接有A磁芯(201)的A螺纹段(205)，基座(1)的B安装臂(102)上螺纹连接有B磁芯(202)的B螺纹段(206)，基座(1)的中心位置开有用于活动安装托盘(4)的凹槽(105)，凹槽(105)与A安装臂(101)之间是用于安装A励磁线圈(211)的A安装面(104)，凹槽(105)与B安装臂(102)之间是用于安装B励磁线圈(212)的B安装面(103)；
所述磁场组件(2)由A励磁线圈(211)、B励磁线圈(212)、A磁芯(201)、B磁芯(202)、霍尔传感器组成；A磁芯(201)的A磁杆段(203)套装在A励磁线圈(211)的中心通孔内；B磁芯(202)的B磁杆段(204)套装在B励磁线圈(212)的中心通孔内；A励磁线圈(211)与B励磁线圈(212)结构相同，A磁芯(201)与B磁芯(202)结构相同；A励磁线圈(211)与B励磁线圈(212)是由在骨架上缠绕直径为0.8mm的漆包铜线1000～5000匝绕制而成；A磁芯(201)为一体加工成型件，A磁芯(201)上顺次设有A磁杆段(203)、A螺纹段(205)、A转盘(207)；B磁芯(202)为一体加工成型件，B磁芯(202)上顺次设有B磁杆段(204)、B螺纹段(206)、B转盘(208)；
所述压力组件(3)由压力包(301)、压力外壳(302)组成；压力包(301)内部设有一空腔，空腔用于充入氮气；设在压力包(301)左端部(305)的接口(304)与外部设备氮气源(5)的气源输出口连接，压力外壳(302)的中心设有通孔(303)，通孔(303)用于放置压力包(301)；
所述温度控制组件，由数字式温度计、陶瓷加热管、附件装置组成，附件装置有干冰或者液氮；温度计的测温端与被测试样接触，陶瓷加热管与220V，50Hz电源连接；
所述直流稳压电源输出为0～30V，3A，用于提供磁场组件(2)的A励磁线圈(211)、B励磁线圈(212)所需加载电流。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩性能测量装置，其特征在于：温度控制组件用于提供不同的测试温度环境，(A)采用干冰包埋被测试样提供第一温度环境195～273K；(B)采用液氮罐向被测试样吹气方式提供第二温度环境77～195K；(C)第三温度环境273～298K；(D)采用陶瓷加热管向被测试样加热方式提供第四温度环境298～450K。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩性能测量装置，其特征在于：电阻应变仪输入范围0～±19999με，分辩率1με。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩性能测量装置，其特征在于：数字式温度计的测量范围为-200～1370℃。
5.根据权利要求1所述的磁致伸缩性能测量装置，其特征在于：陶瓷加热管的使用最高温度为350℃。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩性能测量装置，其特征在于：能够实现0～4000Oe磁场强度、77～450K温度环境、0～20MPa压力条件下对宽温域巨磁致伸缩材料的磁致伸缩性能进行测量，实现了一台仪器的多参数测量。
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