CN103558569B

CN103558569B - 一种磁致伸缩材料磁特性测试仪

Info

Publication number: CN103558569B
Application number: CN201310530487.XA
Authority: CN
Inventors: 翁玲; 罗柠; 孙英; 黄文美; 王博文
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103558569A

Abstract

本发明的一种磁致伸缩材料磁特性测试仪，该测试仪包括主测量部件、标准力传感器、应力施加装置、永磁体；其中，所述的主测量部件由上、下两个回路模块、上、下两个极头、左右两个激励线圈和一根待测的磁致伸缩材料组成；主测量部件的总体结构呈左右对称。本发明通过主测量部件和应力施加装置的应用，设计一种即能进行正磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应特性测试，又能进行动态激励条件下的磁特性测试，结构简单，灵敏度高的磁致伸缩材料磁特性测试仪。

Description

一种磁致伸缩材料磁特性测试仪

技术领域

本发明属于磁致伸缩材料磁特性测试领域，特别涉及一种以铁基磁致伸缩材料为主要对象的磁特性测试仪器。

背景技术

磁致伸缩材料是一种新型的功能材料。该材料在磁场和应力的作用下会发生长度和磁感应强度（或者磁化强度）的变化，可广泛应用在致动器、传感器、精密测量与控制、能量转换等领域。磁致伸缩材料主要有磁致伸缩和逆磁致伸缩两种效应。磁致伸缩效应指材料在磁场作用下发生磁致伸缩和磁化强度的变化，逆磁致伸缩效应指材料在应力作用下发生磁致伸缩和磁化强度的变化。磁致伸缩材料的应用大都基于这两种效应展开，因此，测量磁致伸缩材料的磁致伸缩特性是目前磁致伸缩材料与器件领域研究的热门。

常见的磁致伸缩材料有Terfenol-D、Fe-Ga合金（Galfenol）等。稀土磁致伸缩材料Terfenol-D在室温下磁场为80kA/m时，饱和磁致伸缩可达1200×10^-6～2000×10^-6，即Terfenol-D的饱和磁场约为80kA/m。2001年由A.E.Clark等人发现的Fe-Ga合金在磁场为10kA/m时饱和磁致伸缩约为250×10^-6，其饱和磁场相对较低。Fe-Ga合金等低饱和磁场的材料磁特性测试方法与Terfenol-D的磁特性测试方法类似。河北工业大学与中国科学院物理研究所共同研制的多参数磁测量系统能够完成对材料静态磁致伸缩、应变系数、增量磁导率、频率阻抗特性的测量。但是对于诸如Fe-Ga、Fe-Ni、Fe-Co等具有低饱和磁场的材料，压力变化时逆磁致伸缩效应和动态激励条件下的磁特性测试，多参数磁测量系统则无法实现测量。因此对于具有低饱和磁场的磁致伸缩材料，目前尚无能够完成其逆磁致伸缩效应和动态激励条件下的磁特性测试仪的报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有低饱和磁场的磁致伸缩材料磁特性测试仪的不足，通过粘有应变片的磁致伸缩材料、主测量部件和应力施加装置的应用，设计一种即能进行正磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应特性测试，又能进行动态激励条件下的磁特性测试，结构简单，灵敏度高的磁致伸缩材料磁特性测试仪。

本发明采用的技术方案是：

一种磁致伸缩材料磁特性测试仪，该测试仪包括主测量部件、标准力传感器、应力施加装置、永磁体；

其中，应力施加装置由顶盖、油缸、油池底座和手轮组成；油池底座的形状呈“]”结构，其中下端比上端长；油池底座的下端上面固定着油缸，油缸上面固定着顶盖；手轮通过螺纹穿过油池底座的上端，与永磁体紧密相连；

永磁体、主测量部件、标准力传感器同轴置于应力施加装置的中间；其中，应力施加装置的顶盖上放置标准力传感器，标准力传感器上放置主测量部件，主测量部件上放置永磁体，转动手轮使永磁体、主测量部件、标准力传感器紧密同轴连接；

所述的主测量部件由上、下两个回路模块、上、下两个极头、左右两个激励线圈和一根待测的磁致伸缩材料组成；主测量部件的总体结构呈左右对称；下回路模块呈“”结构，上回路模块呈“”型结构，下回路模块和上回路模块的大小相同，方向相反，形成一个“口”型结构，二者的水平板中间各有一个孔洞，位置对应；“口”型结构的两个竖边的前侧和后侧，各有一条长度大于竖边的铝板，螺栓穿过铝板上下端的通孔，将铝板两两固定，铝板将“口”型结构夹紧，使下回路模块和上回路模块成为一体；“口”型结构的两侧的竖边和铝板各套有1个线圈，2个线圈并联；下极头穿过下回路模块水平板中间的孔洞，上极头穿过上回路模块水平板中间的孔洞，上极头和下极头将中间的磁致伸缩材料夹紧同轴固定；上极头与永磁体相连，下极头与标准力传感器相连。

所述的主测量部件中上回路模块和下回路模块采用40片硅钢片，每片厚度为0.5mm；上回路模块和下回路模块的水平板中间各有一个直径为15mm的孔洞。

所述的永磁体为牌号是N35的钕铁硼永磁，直径为20mm，高度为4mm，能产生2.1kA/m的偏置磁场。

所述的应力施加装置具体为粉末油压压片机。

本发明的显著特点是能够进行低饱和磁场的磁致伸缩材料正磁致伸缩效应、逆磁致伸缩效应、动态特性测量。主测量部件的上极头和下极头长度不同，直径相同，该结构使得待测的磁致伸缩材料中磁场强度均匀，棒表面和棒中的磁场强度近似相等。主测量部件的左右两个线圈并联连接，能通过的最大电流为5A，适合给低饱和磁场的磁致伸缩材料施加磁场。给左右两个线圈通电流产生磁场，利用粘贴在磁致伸缩材料上的应变片可以测量磁致伸缩，利用磁致伸缩材料上绕的感应线圈可以测量与磁感应强度相关的电压，从而进行磁致伸缩材料正磁致伸缩效应的测量。利用应力施加装置给磁致伸缩材料施加应力，利用磁致伸缩材料上绕的感应线圈可以测量与磁感应强度相关的电压，从而可以进行磁致伸缩材料逆磁致伸缩效应的测量。给线圈通交流电流，利用永磁体产生偏置磁场，磁致伸缩材料在交变磁场作用下产生交变应变，利用粘贴在磁致伸缩材料上的应变片可以测量应变，从而可以进行磁致伸缩材料动态特性的测试。

本发明的有益效果具体体现为：

1.本发明中线圈能流过的最大电流为5A，能产生最大39kA/m的磁场，对于具有低饱和磁场的磁致伸缩材料，如Fe-Ga合金、Fe-Ni合金、Fe-Co合金等的磁特性测试具有相当的通用性。

2.本发明利用应力施加装置可以给被测磁致伸缩材料施加应力，利用主测量部件里的线圈给被测材料提供偏置磁场，从而可以进行逆磁致伸缩效应的测试，解决了常规磁特性测试装置无法测量材料逆效应特性测试的问题。

3.本发明利用永磁体施加偏置磁场，给线圈通交变电流，能产生交变磁场，利用粘贴在材料上的应变片测量动态应变，可以进行磁致伸缩材料动态特性的测量。交变电流的频率可以达到1000Hz。本发明将磁致伸缩效应、逆磁致伸缩效应、动态特性的测试集中在一个测试仪上进行，操作简单，实用性强。

附图说明

图1为磁致伸缩材料磁特性测试仪示意图。其中，1-下回路模块，2-线圈，3-上回路模块，4-上极头，5-磁致伸缩棒，6-螺栓，7-铝板，8-下极头，9-标准力传感器，10-顶盖，11-油缸，12-油池底座，13-手轮，14-永磁体。

图2为磁特性测试仪主测量部件三视图。其中图2(x)为主测量部件主视图，图2(y)为主测量部件左视图，图2(z)为主测量部件俯视图。

图3为Fe-Ga合金棒材正磁致伸缩效应测试结果。横坐标H-磁场强度，单位kA/m。纵坐标λ-材料在磁场和预应力作用下的磁致伸缩，无量纲。曲线a-预应力为0MPa时磁场与磁致伸缩的实验结果，曲线b-预应力为21MPa时磁场与磁致伸缩的实验结果，曲线c-预应力为42MPa时磁场与磁致伸缩的实验结果。

图4为Fe-Ga棒材逆磁致伸缩效应测试结果。横坐标σ-压力，单位MPa。纵坐标B-磁感应强度，单位为特斯拉T。曲线d-偏置磁场为2.4kA/m时应力与磁感应强度的实验结果，曲线e-偏置磁场为5.6kA/m时应力与磁感应强度的实验结果，曲线f-偏置磁场为15.2kA/m时应力与磁感应强度的实验结果。

图5为Fe-Ga棒材动态特性测试结果。横坐标H-磁场强度，单位kA/m。纵坐标λ-棒材在交变磁场作用下的磁致伸缩，无量纲。曲线g-交变磁场频率为1Hz时磁场与磁致伸缩的实验结果，曲线h-交变磁场频率为100Hz时磁场与磁致伸缩的实验结果，曲线i-交变磁场频率为500Hz时磁场与磁致伸缩的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，但它们不是对本发明作任何限制。

磁致伸缩材料磁特性测试仪如图1所示，测试仪由主测量部件、标准力传感器9、应力施加装置、永磁体14组成。

应力施加装置由顶盖10，油缸11，油池底座12，手轮13组成；油池底座12的形状呈“]”结构，其中下端比上端长；油池底座12的下端上面固定着油缸11，油缸11上面固定着顶盖10；手轮13通过螺纹穿过油池底座12的上端，与永磁体14紧密相连；

永磁体14、主测量部件、标准力传感器9同轴置于应力施加装置的中间；其中，应力施加装置的顶盖10上放置标准力传感器9，力传感器9上放置主测量部件，主测量部件上放置永磁体14，转动手轮13使永磁体14、主测量部件、标准力传感器9紧密同轴连接。

测试仪中的主测量部件如图2所示。主测量部件由上下两个回路模块、上下两个极头、左右两个激励线圈和一根待测的磁致伸缩材料组成。主测量部件的总体结构呈左右对称。下回路模块1呈“”结构，上回路模块3呈“”型结构，下回路模块1和上回路模块3的大小相同，方向相反，形成一个“口”型结构，二者的水平板中间各有一个孔洞，位置对应；“口”型结构的两个竖边的前侧和后侧，各有一条长度大于竖边的铝板7，螺栓穿过铝板7上下端的通孔，将铝板7两两固定，4条铝板7将“口”型结构夹紧，使下回路模块1和上回路模块3成为一体；“口”型结构的两侧的竖边和铝板7各套有1个线圈2，2个线圈2并联；下极头8穿过下回路模块1水平板中间的孔洞，上极头4穿过上回路模块3水平板中间的孔洞，上极头4和下极头8将中间的磁致伸缩材料5夹紧同轴固定；上极头4与永磁体14相连，下极头8与标准力传感器9相连。

所述的主测量部件中上回路模块3和下回路模块1采用40片硅钢片，每片厚度为0.5mm。上回路模块3和下回路模块1的水平板中间各有一个直径为15mm的孔洞。

所述的上极头4和下极头8为45号钢，两个极头直径相同，长度不同。

所述的应力施加装置可以采用包含顶盖，油缸，油池底座和手轮的粉末油压压片机来实现。

所述的线圈2为匝数1045匝，直径0.9mm的漆包线。

所述的螺栓为直径为6mm的标准螺栓。

所述的永磁体14为牌号是N35的钕铁硼永磁，直径为20mm，高度为4mm，能产生2.1kA/m的偏置磁场。

所述的磁致伸缩材料5上粘有应变片，所述的应变片为电阻式应变片。磁致伸缩材料5外绕有40匝感应线圈。

所述的测试仪可以测量的磁致伸缩材料长度范围为4-40mm，可以为直径小于14mm的圆柱形棒材，也可以是其他形状，长度范围为4-40mm的材料。

实施例1磁致伸缩材料正磁致伸缩效应测量：本实施例中被测量的低饱和磁场的磁致伸缩材料采用Fe-Ga合金棒材，该材料直径10mm，长度40mm，Fe-Ga合金成份为多晶Fe83Ga17。应力施加装置选用769YP-24B粉末油压压片机，其最大输出力可达2400N。标准力传感器9选用JLBU-5T型标准力传感器。图1为测试仪示意图。

实验平台的安装过程如下：按照图2所示的方法预先安装测试仪的主测量部件。取出测试仪示意图1中的永磁体14。将标准力传感器9放置于顶盖10上，把主测量部件放置在力传感器9上，转动手轮13使手轮、主测量部件、力传感器同轴固定。通过应力施加装置施加所需的预压力。将线圈2两端接至DF1731SL10A直流稳压电源，应变片两端接到SDY2103型动态应变仪上，将感应线圈的两端接到HT701数字磁通计上。将霍尔元件A1321LUA垂直置于磁致伸缩棒的表面。

实验过程及结果：在室温环境下，接通DF1731SL10A直流稳压电源、霍尔元件A1321LUA电源、SDY2103型动态应变仪电源、HT701数字磁通计电源、力传感器JLBU-5T传感器电源。逐渐增大直流稳压电源的输出电流至最大值然后逐渐减小至0，改变电流方向重复操作一次。在一定的预应力下，被测量的Fe-Ga合金棒材在磁场的作用下产生磁致伸缩的变化，利用应变片检测出伸缩的变化，即可得到磁场与磁致伸缩的关系如图3所示。表明，随着预应力的增加，Fe-Ga合金由磁场产生的磁致伸缩增加。当预应力为0时，饱和磁致伸缩为250×10^-6（曲线a所示）；当预应力增加至21MPa时，饱和磁致伸缩为270×10^-6（曲线b所示）；当预应力增加至42MPa时，饱和磁致伸缩为290×10^-6（曲线c所示）；饱和磁致伸缩对应的磁场随着预应力的增加而增加。图3的实验结果与磁致伸缩材料正磁致伸缩效应的报道结果趋势相同。

实施例2磁致伸缩材料逆磁致伸缩效应测量：本实施例中被测量的低饱和磁场的磁致伸缩材料采用Fe-Ga合金棒材，该材料直径10mm，长度40mm，Fe-Ga合金成份为多晶Fe₈₃Ga₁₇。选用769YP-24B粉末油压压片机，其最大输出力可达2400N。选用JLBU-5T型标准力传感器。图1为测试仪示意图。

实验平台的安装过程同实施例1。

实验过程及结果：在室温环境下，接通DF1731SL10A直流稳压电源、霍尔元件A1321LUA电源、SDY2103型动态应变仪电源、HT701数字磁通计电源、力传感器JLBU-5T传感器电源。给装置中的线圈2施加直流电流产生需要的偏置磁场。通过应力施加装置逐渐增大压片机输出压力至设定值然后逐渐减小至0。在一定的偏置磁场下，被测量的Fe-Ga合金棒材在偏置磁场和变化缓慢的应力作用下产生磁感应强度的变化，利用磁通计检测出磁通的变化，然后计算出磁感应强度的变化，即可得到一定偏置磁场下应力与磁感应强度的关系如图4所示。表明，随着偏置磁场的增加，同一应力对应的磁感应强度增加。图4的实验结果与磁致伸缩材料逆磁致伸缩效应的报道结果趋势相同。

实施例3磁致伸缩材料动态特性测量：本实施例中被测量的低饱和磁场的磁致伸缩材料采用Fe-Ga合金棒材，该材料直径10mm，长度40mm，Fe-Ga合金成份为多晶Fe₈₃Ga₁₇。选用769YP-24B粉末油压压片机，其最大输出力可达2400N。选用JLBU-5T型标准力传感器。图1为测试仪示意图。

实验平台的安装过程：将标准力传感器9放置于压片机顶盖10上，把主测量部件放置在力传感器9上，把永磁体14放置在手轮13和主测量部件的上极头4之间，转动手轮13使手轮、永磁体、主测量部件、力传感器同轴固定。永磁体用于产生动态测试所需要的偏置磁场，所采用的永磁体为钕铁硼永磁，直径为20mm，高度为4mm，能产生2.1kA/m的偏置磁场。将装置的线圈2与航天科技集团第702所7101型功率放大器的输出相连，功率放大器与TFG2006型DDS函数信号发生器相连。将应变片的两端接到SDY2103型动态应变仪上，将感应线圈的两端接到HT701数字磁通计上。将霍尔元件A1321LUA垂直置于磁致伸缩棒的表面。

实验过程及结果：接通信号发生器和功率放大器电源、霍尔元件A1321LUA电源、SDY2103型动态应变仪电源、HT701数字磁通计电源、JLBU-5T传感器电源。按照需要设定线圈中电流的幅值和频率。实验结果如图5所示。图中施加的交变磁场幅值为1.1kA/m。结果表明，随着交变磁场频率的增加，磁场与磁致伸缩之间的滞后环面积变大，表明滞后增加。图5的实验结果与磁致伸缩材料动态特性的报道结果趋势相同。

本发明所述的磁致伸缩材料磁特性测试仪能够进行具有低饱和磁场的磁致伸缩材料的正效应、逆效应、动态特性测试，具有结构简单，灵敏度高，测量准确等特点，有重要的实际应用价值。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种磁致伸缩材料磁特性测试仪，其特征为该测试仪包括主测量部件、标准力传感器、应力施加装置和永磁体；

所述的主测量部件由上、下两个回路模块、上、下两个极头、左右两个激励线圈和一根待测的磁致伸缩材料组成；主测量部件的总体结构呈左右对称；下回路模块呈结构，上回路模块呈型结构，下回路模块和上回路模块的大小相同，方向相反，形成一个“口”型结构，二者的水平板中间各有一个孔洞，位置对应；“口”型结构的两个竖边的前侧和后侧，各有一条长度大于竖边的铝板，螺栓穿过铝板上下端的通孔，将铝板两两固定，铝板将“口”型结构夹紧，使下回路模块和上回路模块成为一体；“口”型结构的两侧的竖边和铝板各套有1个线圈，2个线圈并联；下极头穿过下回路模块水平板中间的孔洞，上极头穿过上回路模块水平板中间的孔洞，上极头和下极头将中间的磁致伸缩材料夹紧同轴固定；上极头与永磁体相连，下极头与标准力传感器相连。

2.如权利要求1所述的磁致伸缩材料磁特性测试仪，其特征为所述的主测量部件中上回路模块和下回路模块采用40片硅钢片，每片厚度为0.5mm；上回路模块和下回路模块的水平板中间各有一个直径为15mm的孔洞。

3.如权利要求1所述的磁致伸缩材料磁特性测试仪，其特征为所述的永磁体为牌号是N35的钕铁硼永磁，直径为20mm，高度为4mm。

4.如权利要求1所述的磁致伸缩材料磁特性测试仪，其特征为所述的应力施加装置具体为粉末油压压片机。