CN102707248B - 一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置及其方法，该装置包括样品位置及探头位置调整机构（1），位于样品位置及探头位置调整机构（1）两端的外加磁场（18），以及具有第一电气箱通道（11）和第二电气箱通道（12）的位移数据处理系统（2）。本发明根据平行板电容原理，在外加磁场下，通过测量两组样品（14）所形成的可动的样品电极与探头电极（8-1，8-2）所形成的固定电极之间的电容变化，间接测量样品的伸长或缩短量，完成磁致伸缩测量并通过双通道显示。本发明的双通道电容法测量磁致伸缩的装置及其方法具有结构设计简单，测量精度高，可靠性强的优点。

Description

一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置及其方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置及其方法，适用于测量样品的磁致伸缩，尤其适用于横截面积较小的棒状样品的磁致伸缩。

背景技术

在外磁场的作用下，铁磁材料的尺度会发生变化，这种现象称为磁致伸缩现象。磁致伸缩材料是重要的能量与信息转换功能材料，磁致伸缩系数无疑是最关键的一个磁学参数，由于磁致伸缩系数的量级较小，在10^-3-10^-7范围，因此实现准确测量是一个技术难题。

根据现有的技术条件，磁致伸缩系数的测量方法有小角转动法，应变电阻法，光学法，隧道探头法和电容法。小角转动法适用于测量带状或丝状材料的磁致伸缩系数，其原理是在不同张力的作用下通过调节直流偏场的大小以使偏转角保持恒定，因此可调节的因素比较多，张力大小，直流偏场以及偏转角都会影响最终的测量结果，但目前带状或丝状材料的磁致伸缩系数测量仍以小角转动法为主。应变电阻法适用于测量薄膜材料或不规则小样品的磁致伸缩系数，其原理是把作为桥臂的电阻应变片贴在待测样品上，将样品长度的变化转化为电阻的变化进行测量．由于测量过程中样品温度、磁电阻效应等因素的影响，电路中会出现较严重的漂移现象，导致测量难以准确进行，但应变电阻法测量环节中样品制备较为简单，不需要特殊的设计结构，因此应用较为普遍。光学法也适用于测量块体样品的磁致伸缩系数，通过激光器光路检测样品自由端长度的变化量，测量精度高，但激光设备较昂贵，制造成本高。隧道探头法是最新发展的一种磁致伸缩测量方法，用于测量丝状样品的磁致伸缩系数。电容法是根据平行板电容的原理，在外加磁场下，通过测量被测样品与传感器极板之间的电容变化，平板电容器的电容与两极板的间距成反比关系，间接测量样品的伸长或缩短量。

其中，电容法比小角转动法和应变电阻法具有更高的测量精度，原理简单。万红等（万红，邱佚，谢海涛，斯永敏，扬德明，《电容位移法精确测量磁性薄膜的磁致伸缩系数》，功能材料，2002，vol.33，第262-264页）利用该原理测量了薄膜样品的磁致伸缩系数，但没有直接测量到薄膜样品的弯曲变形和外加磁场的关系，而是在两者之间通过电容位移测量仪间接找对应关系，这无疑就增加了测量不确定性。B.Kundys等（B.Kundys,Yu.Bukhantsev,and S.Vasiliev et al.，Threeterminal capacitance technique for magnetostriction and thermal expansionmeasurements,Review of Scientific Instruments，2004，vol.75，2192-2196.）利用电容法测量样品的磁致伸缩系数，被测样品一端固定，一端通过杠杆与可移动电极相连，与固定电极形成一组电容，为单通道测量方法。因为磁致伸缩系数的数量级很小，在10^-3-10^-7范围，因此固定样品或与杠杆连接环节带来的机械误差会对测量结果造成影响。以上这些因素对测量样品的磁致伸缩特性带来了不利影响，影响了测量的准确性。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置，其结构设计简单，灵敏度高，精度稳定性好，成本低，可实现不接触式测量样品磁致伸缩系数。

本发明的另一个目的是提供一种使用上述装置测量磁致伸缩的方法。

本发明的理论依据是平行板电容的电容与极板间距离的关系满足：

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}\·S}{d}+C_0$

其中ε为介质介电常数，S为极板面积，d为极板间距离，C₀为偏离电容。根据公式，电容和极板间距离成反比。

本发明的工作原理是：采用合适的样品，样品两端平行的端面各与一个电极形成一组平行板电容，从而共形成两组平行板电容器，构成双通道测量，减少了样品一端固定环节，避免了固定环节带来的机械误差对测量结果造成的影响，样品在不同磁场作用下产生磁致伸缩后，样品伸长或缩短，两组电容同时增加或减小，两个极板之间的电压幅值与距离成正比，电压信号经过系列处理后建立与距离的联系，将双通道数据相加直接读取样品伸缩量，实现了样品的磁致伸缩测量。

根据上述发明原理，为实现发明目的，本发明提供了如下技术方案：

一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置，用于测量两端平面互相平行的样品14，其中，该装置包括：

样品位置及探头位置调整机构1，位于底座15上，包括：样品支架3，用于固定一个上述样品14，样品14两端有两个可调节的传感器6-1，6-2，传感器6-1，6-2前端有第一探头电极8-1和第二探头电极8-2，探头电极8-1，8-2与样品14的同轴布置，样品14的两端平面分别与探头电极8-1，8-2构成空气介质电容；

位移数据处理系统2，包括分别通过电缆与两个放大器10的一端连接的第一电气箱通道11和第二电气箱通道12，并且两个放大器10的另一端分别通过传感器电缆9与两个传感器6-1，6-2连接；

位于样品位置及探头位置调整机构1两端的外加磁场18；

样品14及传感器外壳通过导线13接地。

所述样品14为棒状样品。

所述样品支架3为半圆形凹槽，通过限位弹簧片4将样品14固定在样品支架上。

所述样品14两端面通过导电胶分别粘接铜片用于样品电极。

所述两个传感器6-1，6-2通过开口槽7固定。

所述探头电极8-1，8-2通过紧固件19分别固定在传感器6-1，6-2的前端。

所述两传感器6-1，6-2的外侧有调节螺纹杆17的螺纹支架16，通过调节螺纹杆17分别调节两传感器6-1，6-2的横向位置。

所述装置还包括磁场测量装置。

该方法包括如下步骤：

①样品准备：固定样品并制备样品电极；

②设备校准：调整探头电极8-1，8-2位置，形成的固定电极与样品电极之间的初始距离，同时设置测量通道读数在设备量程之内；

③测量：在外加磁场18的作用下，测量样品两端与探头电极分别形成的两组电容器的电容变化；得到的数据通过位移数据处理系统2处理后，在第一电气箱通道11和第二电气箱通道12所对应的读数之和即为样品14的磁致伸缩量。

在所述样品准备步骤，样品14的两端面通过导电胶粘结铜片5，并将样品14放置于样品支架3上，通过限位弹簧片4，形成可动的样品电极。

在所述设备校准步骤为：测量前通过螺纹杆17调节螺纹支架16的位置，从而调节传感器6-1，6-2的横向位置，设置探头电极8-1，8-2所形成的固定电极与样品电极之间的初始距离，同时设置第一电气箱通道11和第二电气箱通道12所对应读数在其量程之内。

所述初始距离为60-61μm。

第一电气箱通道11和第二电气箱通道12的量程分别为0-1000nm。

所述样品14的端面直径或线性尺寸为2-20mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的双通道电容法测量磁致伸缩的装置具有结构设计简单，灵敏度高，精度稳定性好，低成本，不接触式的优点；

2、采用本发明的装置的测量方法，减少了单通道测量方法中支架的机械误差，直接采集变化量；

3、电容法原理测量磁致伸缩避免了温度，磁电阻效应和外应力等外来因素的影响。

附图说明

图1为本发明的双通道电容法测量磁致伸缩的装置的结构示意图；

图2为样品位置及探头位置调整机构图；

图3为Fe₆₅Co₃₅样品在外加磁场作用下的磁致伸缩变化关系图，其中横坐标H为外加磁场18的磁场强度，纵坐标λ为第一电气箱通道所显示的位移。

附图标记

1    样品位置及探头位置调整机构

2    位移数据处理系统    3    样品支架

4    限位弹簧片        5    铜片

6-1  第一传感器        6-2  第二传感器

7    开口槽            8-1  第一探头电极

8-2  第二探头电极      9    传感器电缆

10   放大器            11   第一电气箱通道

12   第二电气箱通道    13   导线

14   样品              15   底座

16   螺纹支架          17   螺纹杆

18   外加磁场          19   紧固件

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本发明的实施方式。

如图1所示的一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置，包括样品位置及探头位置调整机构1、位移数据处理系统2以及外加磁场18。

其中，样品位置及探头位置调整机构1，位于底座15上，包括：样品支架3，用于固定一个上述样品14，样品14两端有两个可调节的传感器6-1，6-2，传感器6-1，6-2前端有第一探头电极8-1和第二探头电极8-2，探头电极8-1，8-2与样品14的同轴布置，样品14的两端平面分别与探头电极8-1，8-2构成空气介质电容。

位移数据处理系统2，包括分别通过电缆与两个放大器10的一端连接的第一电气箱通道11和第二电气箱通道12，并且两个放大器10的另一端分别通过传感器电缆9与两个传感器6-1，6-2连接。

位于样品位置及探头位置调整机构1两端的外加磁场18。优选地，双通道电容法测量磁致伸缩的装置还可以包括磁场测量装置，用于测量外加磁场18的磁场强度。

优选地，样品14为棒状样品，最好是横截面积较小的棒状样品。

优选地，样品支架3为半圆形凹槽，通过限位弹簧片4将样品14固定在样品支架上。

优选地，样品14及传感器外壳通过导线13接地。

优选地，样品14两端面通过导电胶分别粘接铜片用于样品电极。

优选地，两个传感器6-1，6-2通过开口槽7固定。

优选地，探头电极8-1，8-2通过紧固件19分别固定在传感器6-1，6-2的前端。

优选地，两传感器6-1，6-2的外侧有调节螺纹杆17的螺纹支架16，通过调节螺纹杆17分别调节两传感器6-1，6-2的横向位置。

其中，样品14可以是圆柱状、立方体等，且具有一定的横截面积。

根据本发明所提出的双通道电容法测量磁致伸缩装置，本实施例测量了Fe₆₅Co₃₅棒状非晶态合金在外加磁场作用下的磁致伸缩变化量。

本实施例所用的样品为Φ2×20mm的圆柱形样品，样品两端面平行，并采用导电银胶粘结Φ10×2mm的铜片5。

如图1、2所示，样品14放置于样品架3上，通过限位弹簧片4固定，形成可动的样品电极。探头电极8-1，8-2位于传感器6-1，6-2前端，通过紧固件19固定，为固定的电极。且传感器6-1，6-2及样品14相连并通过导线13接地。

两个固定电极与样品电极之间的距离分别对应第一电气箱通道11和第二电气箱通道12的读数。测量前，通过螺纹杆17调节螺纹支架16的位置，螺纹支架16从传感器6-1，6-2的两端向内横向移动，与传感器6-1，6-2接触，从而推动传感器6-1，6-2向内侧横向移动，以调节位于传感器6-1，6-2前端的固定电极与样品电极之间的初始间距。在本实施例中，初始间距为60μm时，第一电气箱通道11和第二电气箱通道12对应读数为0，初始间距为61μm时，第一电气箱通道11和第二电气箱通道12对应读数为1000nm。通过螺旋杆17调节两个固定电极与样品电极之间的初始距离，使第一电气箱通道11和第二电气箱通道12对应读数在0-1000nm之间。调节完毕后，调节螺旋杆17，使螺旋支架16向外侧移动，不与传感器6-1，6-2接触。

开始测试，在外加磁场18的作用下，样品长度发生变化，导致样品电极及固定电极之间的电容变化，反映在第一电气箱通道11和第二电气箱通道12对应读数的变化。两个极板之间的电压幅值与距离成正比，电压信号经过检测电路放大，整形之后，再通过比例放大后进行定标，建立与距离的联系，以数值形式显示位移的变化，将双通道数据相加直接读取样品伸缩量，最终实现了样品的磁致伸缩测量。

由图3可以看出，由Fe₆₅Co₃₅棒状非晶态合金所制成的样品在外加磁场18作用下，产生了明显的磁致伸缩现象，样品原长20.9mm，磁致饱和后变形量为570nm，因此最后得饱和磁致伸缩为27。实验数据的稳定性很好。

Claims (14)

1.一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置，用于测量两端平面互相平行的样品(14)，其特征在于：该装置包括：

样品位置及探头位置调整机构(1)，位于底座(15)上，包括：样品支架(3)，用于固定一个上述样品(14)，样品(14)两端有两个可调节的传感器(6-1，6-2)，传感器(6-1，6-2)前端有第一探头电极(8-1)和第二探头电极(8-2)，探头电极(8-1，8-2)与样品(14)同轴布置，样品(14)的两端平面分别与探头电极(8-1，8-2)构成空气介质电容；

位移数据处理系统(2)，包括分别通过电缆与两个放大器(10)的一端连接的第一电气箱通道(11)和第二电气箱通道(12)，并且两个放大器(10)的另一端分别通过传感器电缆(9)与两个传感器(6-1，6-2)连接；

位于样品位置及探头位置调整机构(1)两端的外加磁场(18)；

样品(14)及传感器外壳通过导线(13)接地。

2.如权利要求1所述的双通道电容法测量磁致伸缩的装置，其特征在于：所述样品(14)为棒状样品。

3.如权利要求1所述的双通道电容法测量磁致伸缩的装置，其特征在于：所述样品支架(3)为半圆形凹槽，通过限位弹簧片(4)将样品(14)固定在样品支架上。

4.如权利要求1所述的双通道电容法测量磁致伸缩的装置，其特征在于：所述样品(14)两端面通过导电胶分别粘接铜片用于样品电极。

5.如权利要求1所述的双通道电容法测量磁致伸缩的装置，其特征在于：所述两个传感器(6-1，6-2)通过开口槽(7)固定。

6.如权利要求1所述的双通道电容法测量磁致伸缩的装置，其特征在于：所述探头电极(8-1，8-2)通过紧固件(19)分别固定在传感器(6-1，6-2)的前端。

7.如权利要求1所述的双通道电容法测量磁致伸缩的装置，其特征在于：两个传感器(6-1，6-2)的外侧有调节螺纹杆(17)的螺纹支架(16)，通过调节螺纹杆(17)分别调节两个传感器(6-1，6-2)的横向位置。

8.如权利要求1所述的双通道电容法测量磁致伸缩的装置，其特征在于：所述装置还包括磁场测量装置。

9.一种采用权利要求1所述装置测量磁致伸缩的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

①样品准备：固定样品并制备样品电极；

②装置校准：调整探头电极(8-1，8-2)位置，形成的固定电极与样品电极之间的初始距离，同时设置测量通道读数在装置量程之内；

③测量：在外加磁场(18)的作用下，测量样品两端与探头电极分别形成的两组电容器的电容变化；得到的数据通过位移数据处理系统(2)处理后，在第一电气箱通道(11)和第二电气箱通道(12)所对应的读数之和即为样品(14)的磁致伸缩量。

10.如权利要求9所述的测量磁致伸缩的方法，其特征在于：在所述样品准备步骤，样品(14)的两端面通过导电胶粘结铜片(5)，并将样品(14)放置于样品支架(3)上，通过限位弹簧片(4)，形成可动的样品电极。

11.如权利要求9所述的测量磁致伸缩的方法，其特征在于：所述装置校准步骤为：测量前通过螺纹杆(17)调节螺纹支架(16)的位置，从而调节传感器(6-1，6-2)的横向位置，设置探头电极(8-1，8-2)所形成的固定电极与样品电极之间的初始距离，同时设置第一电气箱通道(11)和第二电气箱通道(12)所对应读数在其量程之内。

12.如权利要求9所述的测量磁致伸缩的方法，其特征在于：所述初始距离为60-61μm。

13.如权利要求9或11所述的测量磁致伸缩的方法，其特征在于：第一电气箱通道(11)和第二电气箱通道(12)的量程分别为0-1000nm。

14.如权利要求9所述的测量磁致伸缩的方法，其特征在于：所述样品(14)的端面直径或线性尺寸为2-20mm。