CN104035058B - 磁致伸缩材料参数特性测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩材料参数特性的测试装置及其方法。它涉及一种预压应力、负载力加载有效分离的测试装置。本发明解决了现有的磁致伸缩材料及其器件动态负载特性的测试难、结构复杂、体积较大的问题。通过盖板和盖板螺母定位的调整，实现待测磁致伸缩材料上预压应力和负载力的分离，且预压应力和负载应力分别可通过第一调整螺母和第二调整螺母来调节，本装置可用于方便测量预压载荷和负载应力作用下磁致伸缩材料的参数特性。本发明装置组装部件少，能够有效的控制组装及工艺配合所带来的间隙误差，测试精度高，适用于高精度的磁致伸缩材料及其驱动器件综合性能的测试。

Description

磁致伸缩材料参数特性测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种磁致伸缩材料参数特性的测试装置及其方法，具体涉及一种不同磁场和应力载荷作用下的磁致伸缩材料磁参数、机械参量、负载力特性的测试装置。

背景技术

磁致伸缩材料是20世纪70年代发展起来的一种新型功能材料，磁致伸缩材料作为一种能量转换的媒介，能够有效的实现电能－机械能和电能－声能之间的转换，而且材料本身具有非常优越的磁致伸缩特性，比如材料的磁致伸缩系数大(1500-2000ppm)、输出应力大、响应速度快、机械转换效率高，为材料在微驱动、减振、传感器、阀门、声纳等领域的应用提供了保障。目前，磁致伸缩材料及其相关器件应用的研究已经成为国内外研究的热点，而且磁致伸缩材料已经被视为21世纪的重要战略功能材料，有在军、民两用高技术领域具有广阔的应用前景。

随着磁致伸缩材料在航天、航空领域的拓展，材料机理及其应用过程中的关键参数特性的测试已经备受关注，为了研究及探索材料在高新技术领域的应用，材料综合特性的测试将是其应用的关键，所以，不同载荷下磁致伸缩材料的参数特性、输出特性的测试不仅是材料性能评价的关键，更是材料应用过程中分析设计的核心。

目前磁致伸缩材料测试的装置还是比较简单，而且只能对材料的部分参数进行测量，且并没有相关装置能够准确的测量材料输出力以及负载力特性。材料输出应变量一般采用表贴应变片来进行测量，易受温度、磁场等因素的影响，带来较大的测试误差，本装置中采用外置激光测位移来测量材料的因变量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种磁致伸缩材料参数特性的测试装置及其方法。

磁致伸缩材料参数特性测试装置包括框架、底座、外壳、第一线圈、第二线圈、第三线圈、线圈骨架、温度传感器、检测线圈、霍尔传感器、第一夹紧铜套、第二夹紧铜套、下堵头、待测磁致伸缩材料、顶杆、上端盖、第一碟簧、第二碟簧、第一压力传感器、第二压力传感器、第一调整螺母、第二调整螺母、盖板、盖板螺母、螺杆；底座上表面中心设矩形凹槽，矩形凹槽上设有框架通过螺钉固定，框架下端设有下堵头，框架上端设有第二调整螺母，顶杆穿过第二调整螺母、第二碟簧、第二压力传感器、盖板螺母、盖板、第一调整螺母、第一碟簧、第一压力传感器、固定在框架内，第一调整螺母固定在上端盖上，上端盖固定在外壳上，外壳内从里到外顺次设有待测磁致伸缩材料、线圈骨架、第一线圈、第二线圈、第三线圈，第一线圈、第二线圈、第三线圈分别绕制在线圈骨架的中、上、下区域，待测磁致伸缩材料上下端分别设有第二夹紧铜套、第一夹紧铜套，待测磁致伸缩材料表面设有霍尔传感器、检测线圈，线圈骨架内置有温度传感器，盖板与底座、外壳通过四根螺杆固定连接。

所述线圈骨架的材质为PEEK，第一铜套和第二铜套的材质为铜块。

所述顶杆、第一调整螺母、上端盖、外壳、底座、下堵头和框架的材质均采用10号钢。

所述顶杆与第一调整螺母、盖板和第二调整螺母均为间隙配合，顶杆与盖板接触区域采用阶梯式结构，顶杆与盖板螺母之间采用螺纹配合。

所述顶杆与盖板螺母之间的螺纹螺距配合为1mm，第一调整螺母与上端板和第二调整螺母与框架之间的螺纹螺距配合为2mm。

磁致伸缩材料参数特性测试方法的步骤如下：

1)调节盖板的高度，使盖板正好置于顶杆阶梯式过渡区域的截面上，通过调整贯穿底座、外壳、盖板的四根螺杆上的螺母位置，使盖板下表面与顶杆阶梯式截面间分离，完成盖板的高度定位；

2)向下旋转盖板螺母，使盖板螺母的下表面与盖板上表面接触，完成盖板螺母的定位；

3)旋转第一调整螺母以挤压第一碟簧，完成待测磁致伸缩材料上预压应力的施加；旋转第二调整螺母以挤压第二碟簧，完成待测磁致伸缩材料上负载应力的施加；盖板和盖板螺母定位的实现，使得待测磁致伸缩材料上的预压应力和负载应力相分离，其中预压应力加载在待测磁致伸缩材料上，而负载应力加载在盖板螺母上；

4)第一线圈、第二线圈、第三线圈施加励磁电流时，在待测磁致伸缩材料上产生均匀磁场，使磁致伸缩材料产生轴向伸长，推动顶杆和盖板螺母向上运动，此时负载力作用到磁致伸缩材料上，完成负载应力的加载；整个过程采用外置激光测位仪测量磁致伸缩材料的应变量，采用第一压力传感器、第二压力传感器测量磁致伸缩材料的输出力特性，采用检测线圈和霍尔元件测量磁致伸缩材料的磁特性，得到不同载荷作用下磁致伸缩材料的动态输出特性及负载特性；

5)向上旋转第二调整螺母，以挤压第一碟簧，增大加载在待测磁致伸缩材料上负载力，完成负载力加载过程中磁致伸缩材料参数特性试验，得到动态负载力加载过程中的磁致伸缩材料参数特性。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1）本发明将预压力与负载力有效的分开，旋转第一调整螺母21可以调节加载在磁致伸缩材料14上的预压应力，旋转第二调整螺母22可以调节磁致伸缩材料14工作时所需推动的负载力，通过盖板23和盖板螺母24有效的将两部分应力的调节分开，能够测量不同载荷预压力、磁场、温度输入下磁致伸缩材料的动态负载力。

2）本发明结构简单，组装部件少，能够有效的控制组装及工艺配合所带来的间隙误差，提高了测试的精度；本发明利用多组绕组励磁来提供磁场，有效的改善了磁致伸缩材料轴向磁场的均匀性；在应力测试方面采用了两个压力传感器19和20分别测量磁致伸缩材料的预压应力和负载力，同时可检测磁场作用下动态输出力；通过检测线圈9和霍尔传感器10有效测量磁致伸缩材料的动态磁参数，能够有效的监控动态过程中磁致伸缩材料磁场、磁密、应力以及应变量等参量的变化。

3）本发明适用于高精度的磁致伸缩材料及其致动器件综合性能的测量，装置可实现预压应力和负载力、磁场/应力/温度加载的分离。

附图说明

图1是磁致伸缩材料参数特性的测试装置结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明装置的三维总装图。

具体实施方式

如图1所示，磁致伸缩材料参数特性测试装置包括框架1、底座2、外壳3、第一线圈4、第二线圈5、第三线圈6、线圈骨架7、温度传感器8、检测线圈9、霍尔传感器10、第一夹紧铜套11、第二夹紧铜套12、下堵头13、待测磁致伸缩材料14、顶杆15、上端盖16、第一碟簧17、第二碟簧18、第一压力传感器19、第二压力传感器20、第一调整螺母21、第二调整螺母22、盖板23、盖板螺母24、螺杆25；底座2上表面中心设矩形凹槽，矩形凹槽上设有框架1通过螺钉固定，框架1下端设有下堵头13，框架1上端设有第二调整螺母22，顶杆15穿过第二调整螺母22、第二碟簧18、第二压力传感器20、盖板螺母24、盖板23、第一调整螺母21、第一碟簧17、第一压力传感器19、固定在框架1内，第一调整螺母21固定在上端盖16上，上端盖16固定在外壳3上，外壳3内从里到外顺次设有待测磁致伸缩材料14、线圈骨架7、第一线圈4、第二线圈5、第三线圈6，第一线圈4、第二线圈5、第三线圈6分别绕制在线圈骨架7的中、上、下区域，待测磁致伸缩材料14上下端分别设有第二夹紧铜套12、第一夹紧铜套11，待测磁致伸缩材料14表面设有霍尔传感器10、检测线圈9，线圈骨架7内置有温度传感器8，盖板23与底座2、外壳3通过四根螺杆25固定连接。

所述线圈骨架7的材质为PEEK，第一铜套11和第二铜套12的材质为铜块。

所述顶杆15、第一调整螺母21、上端盖16、外壳3、底座2、下堵头13和框架1的材质均采用10号钢。

所述顶杆15与第一调整螺母21、盖板23和第二调整螺母均为间隙配合，顶杆15与盖板23接触区域采用阶梯式结构，顶杆15与盖板螺母24之间采用螺纹配合。

所述顶杆15与盖板螺母之间的螺纹螺距配合为1mm，第一调整螺母21与上端板和第二调整螺母22与框架之间的螺纹螺距配合为2mm。

磁致伸缩材料参数特性测试方法的步骤如下：

1)调节盖板23的高度，使盖板23正好置于顶杆15阶梯式过渡区域的截面上，通过调整贯穿底座2、外壳3、盖板23的四根螺杆上的螺母位置，使盖板23下表面与顶杆15阶梯式截面间分离，完成盖板23的高度定位；

2)向下旋转盖板螺母24，使盖板螺母24的下表面与盖板23上表面接触，完成盖板螺母24的定位；

3)旋转第一调整螺母21以挤压第一碟簧17，完成待测磁致伸缩材料14上预压应力的施加；旋转第二调整螺母22以挤压第二碟簧18，完成待测磁致伸缩材料14上负载应力的施加；盖板23和盖板螺母24定位的实现，使得待测磁致伸缩材料14上的预压应力和负载应力相分离，其中预压应力加载在待测磁致伸缩材料14上，而负载应力加载在盖板螺母24上；

4)第一线圈4、第二线圈5、第三线圈6施加励磁电流时，在待测磁致伸缩材料14上产生均匀磁场，使磁致伸缩材料产生轴向伸长，推动顶杆15和盖板螺母24向上运动，此时负载力作用到磁致伸缩材料14上，完成负载应力的加载；整个过程采用外置激光测位仪测量磁致伸缩材料14的应变量，采用第一压力传感器19、第二压力传感器20测量磁致伸缩材料14的输出力特性，采用检测线圈9和霍尔元件测量磁致伸缩材料14的磁特性，得到不同载荷作用下磁致伸缩材料14的动态输出特性及负载特性；

5)向上旋转第二调整螺母22，以挤压第一碟簧17，增大加载在待测磁致伸缩材料14上负载力，完成负载力加载过程中磁致伸缩材料参数特性试验，得到动态负载力加载过程中的磁致伸缩材料参数特性。

Claims (6)

1.一种磁致伸缩材料参数特性测试装置，其特征在于包括框架（1）、底座（2）、外壳（3）、第一线圈（4）、第二线圈（5）、第三线圈（6）、线圈骨架（7）、温度传感器（8）、检测线圈（9）、霍尔传感器（10）、第一夹紧铜套（11）、第二夹紧铜套（12）、下堵头（13）、待测磁致伸缩材料（14）、顶杆（15）、上端盖（16）、第一碟簧（17）、第二碟簧（18）、第一压力传感器（19）、第二压力传感器（20）、第一调整螺母（21）、第二调整螺母（22）、盖板（23）、盖板螺母（24）、螺杆（25）；底座（2）上表面中心设矩形凹槽，矩形凹槽上设有框架（1）通过螺钉固定，框架（1）下端设有下堵头（13），框架（1）上端设有第二调整螺母（22），顶杆（15）穿过第二调整螺母（22）、第二碟簧（18）、第二压力传感器（20）、盖板螺母（24）、盖板（23）、第一调整螺母（21）、第一碟簧（17）、第一压力传感器（19）固定在框架（1）内，第一调整螺母（21）固定在上端盖（16）上，上端盖（16）固定在外壳（3）上，外壳（3）内从里到外顺次设有待测磁致伸缩材料（14）、线圈骨架（7）、第一线圈（4）、第二线圈（5）、第三线圈（6），第一线圈（4）、第二线圈（5）、第三线圈（6）分别绕制在线圈骨架（7）的中、上、下区域，待测磁致伸缩材料（14）上下端分别设有第二夹紧铜套（12）、第一夹紧铜套（11），待测磁致伸缩材料（14）表面设有霍尔传感器（10）、检测线圈（9），线圈骨架（7）内置有温度传感器（8），盖板（23）与底座（2）、外壳（3）通过四根螺杆（25）固定连接。

2.根据权利要求1所述一种磁致伸缩材料参数特性测试装置，其特征在于：所述线圈骨架（7）的材质为PEEK，第一铜套（11）和第二铜套（12）的材质为铜块。

3.根据权利要求1所述一种磁致伸缩材料参数特性测试装置，其特征在于：顶杆（15）、第一调整螺母（21）、上端盖（16）、外壳（3）、底座（2）、下堵头（13）和框架（1）的材质均采用10号钢。

4.根据权利要求1所述一种磁致伸缩材料参数特性测试装置，其特征在于：所述顶杆（15）与第一调整螺母（21）、盖板（23）和第二调整螺母均为间隙配合，顶杆（15）与盖板（23）接触区域采用阶梯式结构，顶杆（15）与盖板螺母（24）之间采用螺纹配合。

5.根据权利要求1所述一种磁致伸缩材料参数特性测试装置，其特征在于：所述顶杆（15）与盖板螺母之间的螺纹螺距配合为1mm，第一调整螺母（21）与上端板和第二调整螺母（22）与框架之间的螺纹螺距配合为2mm。

6.一种使用如权利要求1所述装置的磁致伸缩材料参数特性测试方法，其特征在于它的步骤如下：

1)调节盖板（23）的高度，使盖板（23）正好置于顶杆（15）阶梯式过渡区域的截面上，通过调整贯穿底座（2）、外壳（3）、盖板（23）的四根螺杆上的螺母位置，使盖板（23）下表面与顶杆（15）阶梯式截面间分离，完成盖板（23）的高度定位；

2)向下旋转盖板螺母（24），使盖板螺母（24）的下表面与盖板（23）上表面接触，完成盖板螺母（24）的定位；

3)旋转第一调整螺母（21）以挤压第一碟簧（17），完成待测磁致伸缩材料（14）上预压应力的施加；旋转第二调整螺母（22）以挤压第二碟簧（18），完成待测磁致伸缩材料（14）上负载应力的施加；盖板（23）和盖板螺母（24）定位的实现，使得待测磁致伸缩材料（14）上的预压应力和负载应力相分离，其中预压应力加载在待测磁致伸缩材料（14）上，而负载应力加载在盖板螺母（24）上；

4)第一线圈（4）、第二线圈（5）、第三线圈（6）施加励磁电流时，在待测磁致伸缩材料（14）上产生均匀磁场，使磁致伸缩材料产生轴向伸长，推动顶杆（15）和盖板螺母（24）向上运动，此时负载力作用到磁致伸缩材料（14）上，完成负载应力的加载；整个过程采用外置激光测位仪测量磁致伸缩材料（14）的应变量，采用第一压力传感器（19）、第二压力传感器（20）测量磁致伸缩材料（14）的输出力特性，采用检测线圈（9）和霍尔元件测量磁致伸缩材料（14）的磁特性，得到不同载荷作用下磁致伸缩材料（14）的动态输出特性及负载特性；

5)向上旋转第二调整螺母（22），以挤压第一碟簧（17），增大加载在待测磁致伸缩材料（14）上负载力，完成负载力加载过程中磁致伸缩材料参数特性试验，得到动态负载力加载过程中的磁致伸缩材料参数特性。