CN101118277B - 磁致伸缩材料动态参数测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够测量磁致伸缩材料动态参数的测试系统，包括有交流阻抗分析仪、直流稳压电源、氮气源、线圈组件、压力组件以及基座；交流阻抗分析仪用于提供被测试样在不同偏置磁场和不同压力条件下的交流阻抗与频率参数；交流阻抗分析仪与220V、50Hz电源连接；直流稳压电源输出功率为0～30V、3A，用于使A线圈在加载所需电流时产生偏置磁场；氮气源用于提供被测试样所需压力。本发明测试系统通过测量试样在不同偏置磁场和不同压力条件下的交流阻抗与频率的参数，获得共振频率f_r和反共振频率f_a，然后采用“共振/反共振法”获得动态机电耦合系数K₃₃、以及在特定频率下的声速V和弹性模量E。

Description

磁致伸缩材料动态参数测试系统

技术领域

本发明涉及一种能够测量磁致伸缩材料动态参数的测试系统。

背景技术

铁磁体在磁场的作用下会发生形状或者尺寸的变化，这一现象被称为磁致伸缩，磁致伸缩材料是一种新型功能材料，能快速实现磁(电)能——机械(声)能之间的能量转换。现在主要有两大类的磁致伸缩材料，组份为Tb-Dy-Fe的稀土巨磁致伸缩材料，组份为Fe-Ga的铁基磁致伸缩材料。

磁致伸缩材料的动态机电耦合系数(K₃₃)反映磁致伸缩材料在工作时的能量转换效率情况，表征巨磁致伸缩材料或器件把电磁能转换成机械贮存能的效率的量度。

现有测量磁致伸缩材料的动态机电耦合系数(K₃₃)方法有三参数法和相图法，但这两种方法的测试过程复杂，对仪器的要求非常高，制约了对磁致伸缩材料性能的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够测量磁致伸缩材料动态参数的测试系统，该测试系统通过测量试样在不同偏置磁场和不同压力条件下的交流阻抗与频率的关系曲线，获得共振频率f_r和反共振频率f_a，然后采用共振/反共振法获得动态机电耦合系数K₃₃、以及在特定频率下的声速V和弹性模量E。

本发明是一种能够测量磁致伸缩材料动态参数的测试系统，包括有交流阻抗分析仪、直流稳压电源、氮气源、线圈组件、压力组件、以及基座；交流阻抗分析仪用于提供被测试样在不同偏置磁场和不同压力条件下的交流阻抗与频率参数；交流阻抗分析仪与220V、50Hz电源连接。直流稳压电源输出为0～30V、3A，用于提供A线圈所需加载的电流；氮气源用于提供被测试样所需压力。

所述基座的左安装臂上螺纹连接有左顶杆，左顶杆的一端套有A垫片，右安装臂上螺纹连接有右顶杆，右顶杆的一端套有B垫片，凸台上方平行放置有压力组件、线圈组件；A垫片与B垫片为结构相同的橡胶垫片。

所述压力组件由压力包、压力外壳组成；压力包内部设有一空腔，空腔用于充入氮气；设在压力包左端部的接口与外部设备氮气源的气源输出口连接，用于在打开氮气源向压力包充入氮气时，通过氮气源上的压力表读取压力参数；压力外壳的中心设有通孔，通孔用于放置压力包。

所述线圈组件由A线圈、A骨架、B线圈、B骨架组成；A线圈缠绕在A骨架上，且A线圈的两端与直流稳压电源连接；B线圈缠绕在B骨架上，且B线圈的两端与交流阻抗分析仪连接；B骨架套装在试样上，B线圈与B骨架套装在A骨架的通孔内。

本发明磁致伸缩材料动态参数测试系统的优点在于：(1)通过简单压力组件的结构设计提供压力为0～50MPa(压力包)，可控能力增强，且制作成本低廉；(2)A线圈301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(0～1000Oe)增加或删减铜线的匝数；(3)B线圈302采用不同匝数绕制可以测量磁致伸缩性能强弱不同的试样4；(4)采用A垫片112与压力包201、B垫片122与试样4的配合设计，在施加压力的同时防止了试样4与基座1的共振，保持试样4的独立振动；(5)交流阻抗分析仪12和B线圈302配合设计可很简单直观的测量出试样4在施加交流信号后，信号的频率值与试样交流阻抗值的动态对应关系。

附图说明

图1是本发明磁致伸缩材料动态参数测试系统在测试时的装配图。

图2是压力组件、线圈组件的爆炸示图。

图中：          1.基座       101.左安装臂    102.右安装臂  103.凸台

2.压力组件      201.压力包   202.压力外壳    203.通孔      204.接口

205.左端部      206.右端面   111.左顶杆      112.A垫片     121.右顶杆

122.B垫片       3.线圈组件   301.A线圈       302.B线圈     303.通孔

304.B骨架       305.A骨架    4.试样          11.氮气源

12.交流阻抗分析仪        13.直流稳压电源

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。

本发明是一种能够测量磁致伸缩材料动态参数的测试系统，包括有交流阻抗分析仪12、直流稳压电源13、氮气源11、线圈组件3、压力组件2、以及基座1；交流阻抗分析仪12(采用的是英国输力强公司生产的1290+1296交流阻抗分析仪)用于提供被测试样4在不同偏置磁场和不同压力条件下的交流阻抗与频率参数；交流阻抗分析仪12与220V、50Hz电源连接。直流稳压电源13输出为0～30V、3A，用于提供A线圈301所需加载的电流；氮气源11用于提供被测试样4所需压力。

在本发明中，基座1的左安装臂101上螺纹连接有左顶杆111，左顶杆111的一端套有A垫片112，右安装臂102上螺纹连接有右顶杆121，右顶杆121的一端套有B垫片122，凸台103上方平行放置有压力组件2、线圈组件3。A垫片112与B垫片122结构相同，采用橡胶材质，通过在左顶杆111、右顶杆121的端部贴上橡胶薄片，以免在测试时引起试样4与基座1的共振，影响测量精度。

在本发明中，压力组件2由压力包201、压力外壳202组成；压力包201内部设有一空腔(即中空结构)，空腔用于充入氮气；设在压力包201左端部205的接口204与外部设备氮气源11的气源输出口连接，用于在打开氮气源11向压力包201充入氮气时，通过氮气源11上的压力表读取压力参数0～50MPa；压力外壳202的中心设有通孔203，通孔203用于放置压力包201。

在本发明中，线圈组件3由A线圈301、A骨架305、B线圈302、B骨架304组成；A线圈301缠绕在A骨架305上，且A线圈301的两端与直流稳压电源13连接；B线圈302缠绕在B骨架304上，且B线圈302的两端与交流阻抗分析仪12连接；B骨架304套装在试样4上，B线圈302与B骨架304套装在A骨架305的通孔303内。A线圈301在加载直流稳压电源13时用于产生偏置磁场0～1000Oe，A线圈301采用直径为0.5～1.5mm的漆包铜线绕制1000～2500匝而成，偏置磁场的强弱可通过改变A线圈301中的直流电流大小(直流稳压电源13提供，在本发明中直流稳压电源13输出为0～30V，3A可调)来调节。B线圈302采用直径为0.2～0.8mm的漆包铜线绕制100～500匝而成，如果试样4的磁致伸缩信号微弱，可采用多匝绕制的方法，加大交流阻抗分析仪12的采集信号的强度。

在本发明中，试样4轴向的预压应力由压力包201提供，氮气源11(氮气罐)通过压力包201对试样4施加压力，通过调整氮气罐上的压力表读数，可以改变加到试样4上的压力大小，之所以用压力包201加压力也是为了在提供压力的同时防止试样4与基座1共振，保持试样4的独立振动。

本发明磁致伸缩材料动态参数测试系统在进行测量时，测试的具体方法是：

第一步：将试样4、线圈组件3放入测试装备中，将B线圈302(即B线圈302的两头铜线)与交流阻抗分析仪12连接，直流稳压电源13与A线圈301(即A线圈301的两头铜线)连接；

第二步：调节直流稳压电源13输出电压(0～30V)使A线圈301产生不同的偏置磁场；调节氮气源11向压力包201施加的压力(从氮气源11上的压力表中读取)，然后用交流阻抗分析仪12测试试样4的交流阻抗，并记录下交流阻抗与频率的相关参数；

第三步：通过第二步记录的交流阻抗与频率相关参数，提取交流阻抗最大值时对应的频率为试样4的共振频率f_r，交流阻抗最小值时对应的频率为试样4的反共振频率f_a；然后，根据“共振/反共振法”计算出动态机电耦合系数K₃₃，以及根据共振频率f_r获得试样4在偏置磁场中的声速V和弹性模量E；

第四步：根据计算出的结果，可以得到被测试样4的磁致伸缩材料在不同工作条件下(不同磁场、不同压力)动态机电耦合系数K₃₃、声速V和弹性模量E的变化规律。

在本发明中，动态机电耦合系数K₃₃满足f_r表示共振频率，f_a表示反共振频率，π取3.14。

在本发明中，共振频率f_r与声速V的关系满足V＝2Lf_r，f_r表示共振频率，L表示试样的长度，单位mm。

在本发明中，共振频率f_r与弹性模量E的关系满足E＝4ρ(Lf_r)²，f_r表示共振频率，ρ表示试样4的材料密度，L表示试样的长度，单位mm。

实施例1：测量Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.95的动态机电耦合系数K₃₃

第一步：先将Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.95被测试样φ7×50mm套装在B骨架304的通孔中，然后将套装有试样的B线圈302套装在A骨架305的通孔303中；被测试样的一端与压力包201的右端面206，压力包201的左端部205通过A垫片112由左顶杆111顶紧，被测试样的另一端通过B垫片122由右顶杆121顶紧，并保持左顶杆111、压力包201、被测试样、右顶杆121同轴；

A线圈301采用直径为0.8mm的漆包铜线绕制1000匝而成，B线圈302采用直径为0.8mm的漆包铜线绕制100匝而成；

第二步：通过调节直流稳压电源13输出电压15V，加载在A线圈301上时产生的磁场强度E＝480Oe；

调节氮气源11向压力包201施加的10MPa压力P(从氮气源11上的压力表中读取)；

交流阻抗分析仪12与220V、50Hz电源连接，当B线圈302加载有频率变化的交流信号时，B线圈302拾取被测试样的交流阻抗值Ω，并通过交流阻抗分析仪12显示和记录；此时被测试样的交流阻抗最大值Ω_Max为202Ω，对应的频率为23.5KHz(即共振频率f_r)；交流阻抗最小值Ω_Min为167Ω，对应的频率为27.1KHz(即反共振频率f_a)；

第三步：根据“共振/反共振法”计算出动态机电耦合系数K₃₃为0.55，即 $K_{33}^2={\mathrm{\π}}^2/8(1-f_r^2/f_a^2)={3.14}^2/8(1-{23.5}^2/{27.1}^2)=0.55.$

在共振频率f_r为23.5KHz条件下声速V＝2Lf_r＝2350m/s。

在共振频率f_r为23.5KHz条件下弹性模量E＝4ρ(Lf_r)²＝4×8.9×10³×(0.05×23.5×10³)²＝49.15GPa。

Claims (2)

1.一种磁致伸缩材料动态参数测试系统，包括有交流阻抗分析仪(12)、直流稳压电源(13)、氮气源(11)，其特征在于：还包括有线圈组件(3)、压力组件(2)以及基座(1)；

所述基座(1)的左安装臂(101)上螺纹连接有左顶杆(111)，左顶杆(111)的一端套有A垫片(112)，右安装臂(102)上螺纹连接有右顶杆(121)，右顶杆(121)的一端套有B垫片(122)，凸台(103)上方平行放置有压力组件(2)、线圈组件(3)；A垫片(112)与B垫片(122)为结构相同的橡胶垫片；

所述压力组件(2)由压力包(201)、压力外壳(202)组成；压力包(201)内部设有一空腔，空腔用于充入氮气；设在压力包(201)左端部(205)的接口(204)与外部设备氮气源(11)的气源输出口连接，用于在打开氮气源(11)向压力包(201)充入氮气时，通过氮气源(11)上的压力表读取压力参数；压力外壳(202)的中心设有通孔(203)，通孔(203)用于放置压力包(201)；

所述线圈组件(3)由A线圈(301)、A骨架(305)、B线圈(302)、B骨架(304)组成；A线圈(301)缠绕在A骨架(305)上，且A线圈(301)的两端与直流稳压电源(13)连接；B线圈(302)缠绕在B骨架(304)上，且B线圈(302)的两端与交流阻抗分析仪(12)连接；B骨架(304)套装在试样(4)上，B线圈(302)与B骨架(304)套装在A骨架(305)的通孔(303)内；所述的A线圈(301)采用直径为0.5～1.5mm的漆包铜线绕制1000～2500匝而成；所述的B线圈(302)采用直径为0.2～0.8mm的漆包铜线绕制100～500匝而成；

直流稳压电源(13)输出功率为0～30V、3A，用于使A线圈(301)在加载所需电流时产生偏置磁场。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料动态参数测试系统，其特征在于：能够在偏置磁场0～1000Oe和压力0～50MPa条件下测得被测试样(4)的共振频率f_r、反共振频率f_a、动态机电耦合系数K₃₃、声速V和弹性模量E。

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