CN104865540A - 金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置，为解决现有技术不能直接有效测试问题，其包括综合测试平台及其附配的磁场发生装置，综合测试平台连配用于采集所述平台中待测金属纤维阻抗的四端磁阻抗测试分析系统和磁场校正与监测系统；磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈和其配连的直流电源；综合测试平台为用于向待测金属纤维施加扭力的无应力扭转平台或用于向金属纤维施加应力和扭力的应力-扭转联合平台；磁场校正与监测系统包括单轴磁力计及其设置在所述扭转平台一侧的探头，且探头轴向平行于亥姆霍兹线圈的轴向，其轴线与所述金属纤维高度平行一致。具有测试平台便于更换，应力及扭转控制精确，不易造成纤维断裂和扭折的优点。

Description

金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置

技术领域

本发明涉及一种应力扭转磁测试装置，特别涉及金属纤维的应力扭转控制下的磁阻抗特性测试装置。

背景技术

通常，微尺度金属纤维的结构特殊，呈长程无序状态，其拥有良好的几何对称性、特殊磁畴结构和物理效应(如巨磁阻抗效应)等特点，尤其是拉应力作用或扭转作用时磁阻抗效应优于薄带和薄膜等类型材料，因此，微尺度金属纤维适合作为微型应力或扭转传感器用新型敏感材料(参见M.-H.Phan，H.-X.Peng.Giant magnetoimpedance materials：Fundamentals and applications.Progress In Materials Science.2008，53(2)：323-420.)。微尺度金属纤维敏感材料在不同拉应力或扭转条件下，其磁阻抗变化显著(参见K.L.Garcma，J.M.Garcma-Beneytez，R.Valenzuela，A.Zhukov，J.Gonzalez，M.Vazquez.Effects of torsion on the magnetoimpedance response of CoFeBSi amorphouswires.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2001，226-230：721-723.和J.M.Blanco，A.Zhukov，J.Gonzalez.Effect of tensile and torsion on GMI in amorphouswire.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1999，196-197：377-379.)。同时，不同的应力或扭转条件均将直接影响磁阻抗信号的输出特性，可针对上述变化选择适当的工作应力或扭转幅度范围，以期满足于高精度的微型应力或扭矩传感器设计需要。

目前，磁阻抗的应力或扭转特性的研究已成为研究热点问题之一，但精确控制金属纤维应力扭转测试装置研制尚不完善，阻碍了微型应力或扭转等相关传感器的研发和应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有测试装置不能直接有效地实现金属纤维应力扭转条件下阻抗测量的问题，提供一种金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置。

为实现上述目的，本发明金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置包括综合测试平台及其附配的磁场发生装置，所述综合测试平台连配用于采集所述平台中待测金属纤维阻抗的四端磁阻抗测试分析系统和磁场校正与监测系统；所述磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈和其配连的直流电源；所述综合测试平台为用于向待测金属纤维施加扭力的无应力扭转平台或用于向金属纤维施加应力和扭力的应力-扭转联合平台；所述四端磁阻抗测试分析系统包括阻抗分析仪；所述磁场校正与监测系统包括单轴磁力计及其设置在所述扭转平台一侧的探头，且探头轴向平行于亥姆霍兹线圈的轴向，其轴线与所述金属纤维高度平行一致。本发明装置具有简单实用，测试平台便于更换，应力及扭转控制精确，不易造成纤维断裂和扭折，能够获得特定应力和扭转条件下金属纤维的磁阻抗变化特性的优点。

作为优化，所述无应力扭转平台是电木板骨架的左右相对两上伸臂分别周向滑配位于同一轴线上的左横丝轴和右横丝轴；穿过所述左上伸臂的所述左横丝轴外端固配旋转螺母、内端固配左铝合金转动体，位于左上伸臂内外侧的内外紧固螺母对所述左横丝轴进行紧固；穿过所述右上伸臂的所述右横丝轴外端固配旋转螺母、内端固配右铝合金转动体，位于右上伸臂内外侧的内外紧固螺母对所述右横丝轴进行紧固；所述左右铝合金转动体的内端面分别通过纤维连接板连接位于所述轴线上的金属纤维；所述左右铝合金转动体的内端上下面都分别配装连接所述阻抗分析仪的接线端子。

作为优化，所述应力-扭转联合平台是电木板骨架有左右相对两上伸臂，穿过所述左上伸臂的所述左横丝轴外端固配旋转螺母、位于左上伸臂内侧的内紧固螺母对所述左横丝轴进行紧固，所述左横丝轴内端固配左铝合金转动体；穿过所述右上伸臂的铝合金导向支撑体的内外端上面和左铝合金转动体内端上下面分别配装连接所述阻抗分析仪的接线端子；所述铝合金导向支撑体外端面下部通过横向轴架配置有定滑轮，所述铝合金导向支撑体中部制有横向通孔，所述横向通孔横向滑配有外端露出所述铝合金导向支撑体内端面的右纤维连接板，所述左铝合金转动体内端面固配左纤维连接板，所述左纤维连接板内端与右纤维连接板内端之间连接有金属纤维，所述右纤维连接板外端连接的牵引线绕过所述定滑轮后再向下吊接砝码；所述金属纤维和定滑轮与右纤维连接板外端之间的牵引线都与所述左横丝轴的轴线在同一条直线上。

作为优化，所述纤维连接板为PCB纤维连接板；所述铝合金转动体为横置圆柱体，所述横置圆柱体的内端上面和下面制有内凹平台，所述接线端子位于内凹平台中部。

作为优化，所述电木板骨架是上下平行的上支撑板和下支撑板两端各制有向上伸出的侧板，所述侧板自所述上支撑板伸出的部分为所述上伸臂。

作为优化，所施加的扭转范围参数为：0-6667 2π rad/m；所述磁力计为磁通门单轴磁力计。

作为优化，所施加的应力范围参数为：0-4200MPa；所述铝合金导向支撑体为横置的正方柱，所述接线柱位于所述横置的正方柱内外端上面中部，左横丝轴内端与所述左铝合金金转动体之间配置有内紧固螺母。

作为优化，金属纤维直径在20μm-120μm范围内；所述综合测试平台为无磁综合测试平台。

作为优化，是通过调节无应力作用扭转平台4来实现特定扭转条件下的测试；随后将磁场发生装置放置垂直于地磁场方向，避免地磁场的干扰，并利用磁场校正与监测系统对其产生的磁场进行调整和校正来达到精确测量目的，同时将磁力计探头沿其轴向固定于无应力作用扭转平台一侧，再调节直流电源获得不同的外磁场值，通过接线端子输出阻抗测试系统的信号，从而获得不同扭转和磁场下磁阻抗输出特性。

作为优化，是通过调节应力-扭转联合平台5来实现特定应力或应力扭转联合条件下的测试，增加砝码重量来改变不同拉应力作用，同时旋转转动螺母实现精确扭转；随后将磁场发生装置放置垂直于地磁场方向，避免外部磁场的干扰，并利用磁场校正与监测系统对其产生的磁场进行调整和校正，同时将磁力计探头沿其轴向固定于应力-扭转联合平台一侧，再调节恒流电源输出不同的外场值，通过接线端子输出阻抗测试系统的信号，从而获得不同应力或应力扭转下磁阻抗输出特性。

即本发明金属纤维的应力-扭转磁阻抗综合测试装置由四端磁阻抗测试分析系统、磁场校正与监测系统、磁场发生装置和综合测试平台等组成；四端磁阻抗测试分析系统包括阻抗分析仪；磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈和直流电源等；磁场矫正与监测系统包括单轴磁力计及其探头。综合测试平台系统包括无应力作用扭转平台和应力-扭转联合平台等。所述应力扭转综合测试平台系统的无应力作用扭转平台由转动螺母、紧固螺母、铝合金转动体、PCB纤维连接板、接线端子、电木板骨架和支撑板等组成；应力扭转综合测试平台系统的应力-扭转联合平台则在上述扭转平台基础上改进，增加应力发生系统，该系统包括铝合金导向支撑体、滑轮装置和铜质砝码等。四端磁阻抗测试分析系统的阻抗分析仪用于采集不同状态下金属纤维的交流阻抗信号；磁场发生装置采用亥姆霍兹线圈实现；磁场校正与监测系统采用单轴磁力计实现，其探头设置在与应力扭转测试平台平行的方向，其高度与金属纤维位置保持一致，且与亥姆霍兹线圈的轴向平行。

本发明中的应力扭转综合测试平台系统(无应力作用扭转平台和应力-扭转联合平台)是实现金属纤维应力-扭转下磁阻抗特性测试的核心部分，采用无磁微型测试平台易于精确控制，提高测试精度。磁通门磁力计组成的磁场校正与监测系统能有效校准外部磁场，并减小地磁场的影响，提高磁阻抗测试精度。

总之，本发明金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置是一种应力和扭矩精确控制下的金属纤维的磁阻抗特性测试装置，是为了解决现有的测试装置操作复杂、不能直接有效地实现金属纤维应力-扭转条件下阻抗精确测量的问题。它包括应力-扭转综合测试平台系统、四端磁阻抗测试系统、磁场发生装置和磁场校正与监测系统等。其中，四端磁阻抗测试系统包括阻抗分析仪；磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈和直流电源等；磁场矫正与监测系统包括单轴磁力计及其探头。应力扭转综合测试平台系统包括无应力作用扭转平台和应力-扭转联合平台等。前者包括转动螺母、紧固螺母、铝合金转动体、PCB纤维连接板、接线端子、电木板骨架和支撑板等，后者则在上述扭转平台基础上改进，增加拉应力发生系统，包括铝合金导向支撑体、滑轮装置和铜质砝码等。本发明装置简单实用，应力及扭转控制精确，两种测试平台便于更换，不易造成纤维突然断裂和扭折。本发明适用于金属纤维在单独施加扭转或拉应力条件，以及应力-扭转联合条件下的磁阻抗变化特性测试，并为其进一步开发微型应力传感器和扭转传感器奠定了技术基础。

本发明装置具有简单实用，应力及扭转控制精确，测试平台易于更换，不易造成纤维断裂和扭折，能够获得特定应力和扭转条件下金属纤维的磁阻抗变化特性的优点。

附图说明

图1为本发明金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置第一种实施方式的无应力作用扭转磁阻抗测试装置的结构示意图；

图2为本发明第二种实施方式的无应力作用扭转平台的结构示意图；

图3为本发明的金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置第四种实施方式的应力-扭转联合磁阻抗测试装置的结构示意图；

图4为本发明第五种实施方式的应力-扭转联合平台的结构示意图；

图5和图6分别为实施例七中金属纤维应力扭转断裂后两侧宏观SEM表面图；

图7为图5中一侧断口的SEM断面图；

图8为图7的脉络状扭转剪切带中心区域的局部放大图；

图9为本发明实施例二的无应力作用扭转的阻抗变化率ΔZ/Z_max随外磁场变化曲线图(频率为10MHz)；

图10为本发明实施例五的拉应力作用的阻抗变化率ΔZ/Z_max随外磁场变化曲线图(频率为10MHz)；

图11为本发明实施例五的应力-扭转联合作用的阻抗变化率ΔZ/Z_max随外磁场变化曲线图(频率为10MHz)。

具体实施方式

实施例一：如图1所示，本发明金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置包括综合测试平台及其附配的磁场发生装置，所述综合测试平台连配用于采集所述平台中待测金属纤维阻抗的四端磁阻抗测试分析系统和磁场校正与监测系统；所述磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈3和其配连的直流电源6；所述综合测试平台为用于向待测金属纤维施加扭力的无应力扭转平台4；所述四端磁阻抗测试分析系统包括阻抗分析仪1；所述磁场校正与监测系统包括磁通门单轴磁力计2及其设置在所述无应力扭转平台4一侧的探头，且探头轴向平行于亥姆霍兹线圈3的轴向，其轴线与所述金属纤维高度平行一致。

即本发明金属纤维的应力-扭转磁阻抗综合测试装置的无应力作用扭转磁阻抗测试装置由四端磁阻抗测试分析系统、磁场校正与监测系统、磁场发生装置和无应力扭转平台组成；四端阻抗测试系统包括HP4192A阻抗分析仪1；磁场校正与监测系统包括单轴磁力计2及其探头；磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈3和直流电源6等；所述无应力作用扭转平台4由由转动螺母、紧固螺母、铝合金转动体、PCB纤维连接板、接线端子、电木板骨架和支撑板等组成。四端阻抗分析仪1用于采集无应力作用扭转平台4中待测金属纤维的阻抗；磁场矫正与监测系统采用磁通门磁力计2实现，其探头设置在无应力作用扭转平台4的一侧，且探头轴向平行于亥姆霍兹线圈3的轴向，其轴线与纤维高度平行一致。

操作过程中，调节无应力作用扭转平台4来实现特定扭转条件下的测试；随后将磁场发生装置放置垂直于地磁场方向，避免地磁场的干扰，并利用磁场校正与监测系统对其产生的磁场进行调整和校正来达到精确测量目的，同时将磁力计2的探头沿其轴向固定于无应力作用扭转平台4一侧，再调节直流电源6获得不同的外磁场值，通过接线端子输出阻抗测试系统的信号，从而获得不同扭转和磁场下磁阻抗输出特性。

本发明与现有扭转测试装置相比简单实用，测试平台便于操作，且扭转控制精确，不易造成纤维断裂和扭折。

实施例二：如图2所示，本实施例是对实施一所述的无应力作用扭转磁阻抗综合测试装置的进一步限定，进一步限定内容为：所述无应力扭转平台4是电木板骨架的左右相对两上伸臂分别周向滑配位于同一轴线上的左横丝轴和右横丝轴；穿过所述左上伸臂的所述左横丝轴外端固配旋转螺母4-1、内端固配左铝合金转动体4-4，位于左上伸臂内外侧的内外紧固螺母4-2对所述左横丝轴进行紧固；穿过所述右上伸臂的所述右横丝轴外端固配旋转螺母4-1、内端固配右铝合金转动体4-8，位于右上伸臂内外侧的内外紧固螺母4-2对所述右横丝轴进行紧固；所述左右铝合金转动体4-4、4-8的内端面分别通过纤维连接板4-6连接位于所述轴线上的金属纤维4-7；所述左右铝合金转动体4-4、4-8的内端上下面都分别配装连接所述阻抗分析仪1的接线端子4-5。

具体是所述纤维连接板4-6为PCB纤维连接板；所述左右铝合金转动体4-4、4-8为横置圆柱体，所述横置圆柱体的内端上面和下面制有内凹平台，所述接线端子4-5位于内凹平台中部。所述电木板骨架是上下平行的上支撑板4-3和下支撑板4-9两端各制有向上伸出的侧板，所述侧板自所述上支撑板4-3伸出的部分为所述上伸臂。所述综合测试平台为无磁综合测试平台。

即无应力作用扭转平台4包括上部结构为转动螺母4-1、外侧紧固螺母4-2、内侧紧固螺母4-2、左右铝合金转动体4-4和4-8、金属纤维4-7、PCB纤维连接板4-6、接线端子4-5等，下部结构为双层电木板骨架的上下支撑板4-3、4-9和其侧板等。本发明中的无应力作用扭转平台4是实现金属纤维4-7扭转条件下磁阻抗特性测试的核心部分，采用无磁微型测试平台易于精确控制，提高扭转和测试精度。磁通门磁力计组成的磁场校正与监测系统能有效减小地磁场的影响，提高磁阻抗测试精度。

实施例三：本实施例是对实施例一所述金属纤维的应力-扭转磁阻抗综合测试装置的进一步限定，所述无应力作用扭转平台所施加的扭转范围参数为：0-6667 2π rad/m。

实施例四：如图3所示，本发明金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置包括综合测试平台及其附配的磁场发生装置，所述综合测试平台连配用于采集所述平台中待测金属纤维阻抗的四端磁阻抗测试分析系统和磁场校正与监测系统；所述磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈3和其配连的直流电源6；所述综合测试平台为用于向金属纤维施加应力和扭力的应力-扭转联合平台5；所述四端磁阻抗测试分析系统包括阻抗分析仪1；所述磁场校正与监测系统包括单轴磁力计2及其设置在所述应力-扭转联合平台5一侧的探头，且探头轴向平行于亥姆霍兹线圈3的轴向，其轴线与所述金属纤维高度平行一致。

即本发明金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置由四端磁阻抗测试分析系统、磁场校正与监测系统、磁场发生装置和综合测试平台组成；四端磁阻抗测试系统包括HP4192A阻抗分析仪1；磁场矫正与监测系统包括单轴磁力计2及其探头；磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈3和直流电源6等；所述综合测试平台是应力-扭转联合平台5，系在实施方式二所述扭转平台基础上改进，增加拉应力发生系统，该系统包括铝合金导向支撑体、滑轮装置和铜质砝码等。组成。四端阻抗分析仪1用于采集应力-扭转联合平台5中待测金属纤维的阻抗；磁场矫正与监测系统采用磁通门磁力计2实现，其探头设置在应力-扭转联合平台5的一侧，且探头轴向平行于亥姆霍兹线圈3的轴向，其轴线与纤维高度平行一致。

操作过程中，调节应力-扭转联合平台5来实现特定应力或应力扭转联合条件下的测试，增加砝码重量来改变不同拉应力作用，同时旋转转动螺母实现精确扭转；随后将磁场发生装置放置垂直于地磁场方向，避免外部磁场的干扰，并利用磁场校正与监测系统对其产生的磁场进行调整和校正，同时将磁力计2的探头沿其轴向固定于应力-扭转联合平台5一侧，再调节恒流电源输出不同的外场值，通过接线端子输出阻抗测试系统的信号，从而获得不同应力或应力扭转下磁阻抗输出特性。

本发明装置与现有应力或扭转测试装置相比简单实用，测试平台便于更换，且应力和扭转控制精确，不易造成纤维断裂和扭折。

实施例五：如图4所示，本实施例是对实施例四所述的应力-扭转联合磁阻抗综合测试装置的进一步限定，进一步限定内容为：所述应力-扭转联合平台5是电木板骨架有左右相对两上伸臂，穿过所述左上伸臂的所述左横丝轴外端固配旋转螺母4-1、位于左上伸臂内侧的内紧固螺母4-2对所述左横丝轴进行紧固，所述左横丝轴内端固配左铝合金转动体4-4；穿过所述右上伸臂的铝合金导向支撑体4-10的内外端上面和左铝合金转动体4-4内端上下面分别配装连接所述阻抗分析仪1的接线端子4-5；所述铝合金导向支撑体4-10外端面下部通过横向轴架配置有定滑轮4-11，所述铝合金导向支撑体4-10中部制有横向通孔，所述横向通孔横向滑配有外端露出所述铝合金导向支撑体4-10内端面的右纤维连接板4-6，所述左铝合金转动体4-4内端面固配左纤维连接板4-6，所述左纤维连接板4-6内端与右纤维连接板4-6内端之间连接有金属纤维4-7，所述右纤维连接板4-6外端连接的牵引线绕过所述定滑轮4-11后再向下吊接砝码4-12；所述金属纤维4-7和定滑轮4-11与右纤维连接板4-6外端之间的牵引线4-13都与所述左横丝轴的轴线在同一条直线上。所述左横丝轴内端与左铝合金转动体之间还配置有另一个内侧紧固螺母4-2。

具体是所述纤维连接板4-6为PCB纤维连接板；所述左铝合金转动体4-4、4-8为横置圆柱体，所述横置圆柱体的内端上面和下面制有内凹平台，所述接线端子4-5位于内凹平台中部。所述电木板骨架是上下平行的上支撑板4-3和下支撑板4-9两端各制有向上伸出的侧板，所述侧板自所述上支撑板4-3伸出的部分为所述上伸臂。所述铝合金导向支撑体4-10为横置的正方柱，所述接线柱4-5位于所述横置的正方柱内外端上面中部。所述综合测试平台为无磁综合测试平台。

即所述应力-扭转联合平台5包括上部结构包括转动螺母4-1、内侧紧固螺母4-2、铝合金转动体4-4和铝合金导向支撑体4-10、金属纤维4-7、PCB纤维连接板4-6、接线端子4-5、定滑轮4-11、牵引线4-13和砝码4-12等，下部结构为双层电木板骨架的上下支撑板4-3、4-9和其侧板等。

本发明中的应力-扭转联合平台5是实现金属纤维4-7应力-扭转条件下磁阻抗特性测试的核心部分，采用无磁微型测试平台易于精确控制，提高应力、扭转和测试精度。磁通门磁力计组成的磁场校正与监测系统能有效减小地磁场的影响，提高磁阻抗测试精度。

实施例六：本实施例是对实施例四所述金属纤维的应力-扭转磁阻抗综合测试装置的进一步限定，所述应力-扭转联合平台所施加的扭转范围参数为：0-6667 2π rad/m和所施加的应力范围参数为：0-4200MPa。

实施例七：本实施例综合上述具体实施方式四至六所述金属纤维的应力-扭转磁阻抗综合测试装置，是利用本发明对金属纤维进行较大拉应力作用下扭转变形处理，并对其断口宏观和微观形貌进行观察。所选取拉应力具体为482.4MPa，扭转范围为：0-200.0 2π rad/m。图5和图6分别为金属纤维断裂后两侧宏观SEM表面图，在纤维侧面图展现出纤维断裂后，主剪切带痕迹沿垂直于拉应力方向清晰可见，部分剪切带则沿扭转变形方向扩展，其断口几乎呈现平齐断口，故断裂方式为典型正断断口特征，断裂角约为90°有别于拉伸应力作用下的最大切应力面45°左右断裂。图7为金属纤维断裂后单侧断口的SEM断面图，展现出明显的冷剪切区、脉络状扭转剪切带花样和韧窝区等混合型断口形貌，且存在明显的扭转剪切变形特征。图8为脉络状扭转剪切带花样(图7)的中心区域的局部放大图，断面中心区域呈现明显的且具有一定深度的“韧窝”状断口花样，同时展现出纤维在应力扭转变形中一定的塑性变形。

实施例八：本实施例综合上述具体实施例一至六所述金属纤维的应力-扭转磁阻抗综合测试装置，结合具体的结果说明本发明的效果。

利用本发明对金属纤维在不同扭转力作用下进行扭转，并对其磁阻抗特性的进行测试，对比扭转幅度(0-200 2π rad/m)对阻抗变化率ΔZ/Z_max的影响。图9为无应力作用扭转的阻抗变化率ΔZ/Z_max随外磁场变化曲线(频率为10MHz)。GMI性能测试表明，无扭转时，[ΔZ/Z_max]_max和ξ_max分别为95.81％和7.39％/Oe；66.67 2π rad/m时两者分别为60.42％、6.45％/Oe；200.0 2π rad/m时两者分别为30.65％、1.49％/Oe，见表1。因此，研究金属纤维的扭转阻抗特性更能满足于扭矩变化时高性能GMI扭转传感器对敏感材料的性能要求。

表1 不同扭转条件下金属纤维GMI特性对比

利用本发明对金属纤维在不同拉应力作用下对其磁阻抗特性的进行测试，对比不同拉应力(0-482.4MPa)对阻抗变化率ΔZ/Z_max的影响。图10为拉应力作用下的阻抗变化率ΔZ/Z_max随外磁场变化曲线(频率为10MHz)。GMI性能测试表明，无应力作用时，[ΔZ/Z_max]_max和ξ_max分别为162.97％和11.74％/Oe；361.8MPa时两者分别为181.14％、21.25％/Oe；482.4MPa时两者分别为199.97％、26.01％/Oe，见表2。因此，研究金属纤维的应力阻抗特性更能满足于应力变化时高性能GMI应力传感器对敏感材料的性能要求。

表2 不同拉应力条件下金属纤维GMI特性对比

利用本发明对金属纤维在拉应力作用下进行扭转处理，随后对其磁阻抗特性的进行测试，对比最大拉应力下(482.4MPa)扭转幅度(0-200 2π rad/m)对阻抗变化率ΔZ/Z_max的影响。图11为应力-扭转联合作用的阻抗变化率ΔZ/Z_max随外磁场变化曲线(频率为10MHz)。GMI性能测试表明，拉应力482.4MPa作用下，66.67 2π rad/m时，[ΔZ/Z_max]_max和ξ_max分别为78.38％和12.95％/Oe；150.0 2π rad/m时两者分别为50.53％、5.69％/Oe，333.4 2πrad/m时两者分别为38.43％、1.43％/Oe，见表3。因此，研究金属纤维的应力扭转联合阻抗特性更能满足于应力扭矩变化时高性能GMI应力扭转联合传感器对敏感材料的性能要求。

表3 拉应力482.4MPa作用下，不同扭转幅度的金属纤维GMI特性对比

本实验所选取测试参数包括频率f为100kHz-12MHz，外磁场范围为-90Oe-90Oe，激励电流幅值为20mA等。同时所选择金属纤维的直径在30μm-35μm范围内，但本发明不局限在此金属纤维直径范围。不同拉应力、扭转或应力-扭转条件下的金属纤维磁阻抗性能特性测试时，对金属纤维端部表面电镀铜处理后连接入PCB连接板，进行磁阻抗特性测试，金属纤维接入长度控制在24mm左右。

金属纤维在拉应力、扭转或应力-扭转联合条件下的磁阻抗性能由下式加以定量衡量：

磁阻抗变化率： $\mathrm{\ΔZ}/Z_{\max }(\%)=\left[\frac{Z\left(H_{\mathrm{ex}}\right)-Z\left(H_{\max }\right)}{Z\left(H_{\max }\right)}\right]\×100\%;$

磁场响应灵敏度： $\mathrm{\ξ}(\%/\mathrm{Oe})=\frac{d[\mathrm{\ΔZ}/Z_{\max }]}{{\mathrm{dH}}_{\mathrm{ex}}};$

其中，Z(H_ex)为外磁场H_ex时对应的阻抗值；Z(H_max)为施加最大外场时对应的阻抗值。

总之，本发明金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置是一种应力和扭矩精确控制下的金属纤维的磁阻抗特性测试装置，是为了解决现有的测试装置操作复杂、不能直接有效地实现金属纤维应力扭转条件下阻抗精确测量的问题。它包括应力扭转综合测试平台系统、四端磁阻抗测试系统、磁场发生装置和磁场校正与监测系统等。其中，四端磁阻抗测试系统包括阻抗分析仪；磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈和直流电源等；磁场矫正与监测系统包括单轴磁力计及其探头。应力扭转综合测试平台系统包括无应力作用扭转平台和应力-扭转联合平台等。前者包括转动螺母、紧固螺母、铝合金转动体、PCB纤维连接板、接线端子、电木板骨架和支撑板等，后者则在上述扭转平台基础上改进，增加拉应力发生系统，包括铝合金导向支撑体、滑轮装置和铜质砝码等。本发明装置简单实用，应力及扭转控制精确，两种测试平台便于更换，不易造成纤维突然断裂和扭折。本发明适用于金属纤维在单独施加扭转或拉应力条件，以及应力-扭转联合条件下的磁阻抗变化特性测试，并为其进一步开发微型应力传感器和扭转传感器奠定了技术基础。

Claims (10)

1.一种金属纤维的应力扭转磁阻抗综合测试装置，其特征在于包括综合测试平台及其附配的磁场发生装置，所述综合测试平台连配用于采集所述平台中待测金属纤维阻抗的四端磁阻抗测试分析系统和磁场校正与监测系统；所述磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈和其配连的直流电源；所述综合测试平台为用于向待测金属纤维施加扭力的无应力扭转平台或用于向金属纤维施加应力和扭力的应力-扭转联合平台；所述四端磁阻抗测试分析系统包括阻抗分析仪；所述磁场校正与监测系统包括单轴磁力计及其设置在所述扭转平台一侧的探头，且探头轴向平行于亥姆霍兹线圈的轴向，其轴线与所述金属纤维高度平行一致。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于所述无应力扭转平台是电木板骨架的左右相对两上伸臂分别周向滑配位于同一轴线上的左横丝轴和右横丝轴；穿过所述左上伸臂的所述左横丝轴外端固配旋转螺母、内端固配左铝合金转动体，位于左上伸臂内外侧的内外紧固螺母对所述左横丝轴进行紧固；穿过所述右上伸臂的所述右横丝轴外端固配旋转螺母、内端固配右铝合金转动体，位于右上伸臂内外侧的内外紧固螺母对所述右横丝轴进行紧固；所述左右铝合金转动体的内端面分别通过纤维连接板连接位于所述轴线上的金属纤维4-7；所述左右铝合金转动体的内端上下面都分别配装连接所述阻抗分析仪的接线端子。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于所述应力-扭转联合平台是电木板骨架有左右相对两上伸臂，穿过所述左上伸臂的所述左横丝轴外端固配旋转螺母、位于左上伸臂内侧的内紧固螺母对所述左横丝轴进行紧固，所述左横丝轴内端固配左铝合金转动体；穿过所述右上伸臂的铝合金导向支撑体的内外端上面和左铝合金转动体内端上下面分别配装连接所述阻抗分析仪的接线端子；所述铝合金导向支撑体外端面下部通过横向轴架配置有定滑轮，所述铝合金导向支撑体中部制有横向通孔，所述横向通孔横向滑配有外端露出所述铝合金导向支撑体内端面的右纤维连接板，所述左铝合金转动体内端面固配左纤维连接板，所述左纤维连接板内端与右纤维连接板内端之间连接有金属纤维，所述右纤维连接板外端连接的牵引线绕过所述定滑轮后再向下吊接砝码；所述金属纤维和定滑轮与右纤维连接板外端之间的牵引线都与所述左横丝轴的轴线在同一条直线上。

4.根据权利要求2-3任一所述装置，其特征在于所述纤维连接板为PCB纤维连接板；所述铝合金转动体为横置圆柱体，所述横置圆柱体的内端上面和下面制有内凹平台，所述接线端子位于内凹平台中部。

5.根据权利要求2-3任一所述装置，其特征在于所述电木板骨架是上下平行的上支撑板和下支撑板两端各制有向上伸出的侧板，所述侧板自所述上支撑板伸出的部分为所述上伸臂。

6.根据权利要求1-3任一所述装置，其特征在于所施加的扭转范围参数为：0-6667 2πrad/m；所述磁力计为磁通门单轴磁力计。

7.根据权利要求3任一所述装置，其特征在于所施加的应力范围参数为：0-4200Mpa；所述铝合金导向支撑体为横置的正方柱，所述接线柱位于所述横置的正方柱内外端上面中部。

8.根据权利要求1-3任一所述装置，其特征在于金属纤维直径在20μm-120μm范围内。

9.根据权利要求1-3任一所述装置，其特征在于是通过调节无应力作用扭转平台来实现特定扭转条件下的测试；随后将磁场发生装置放置垂直于地磁场方向，避免地磁场的干扰，并利用磁场校正与监测系统对其产生的磁场进行调整和校正来达到精确测量目的，同时将磁力计探头沿其轴向固定于无应力作用扭转平台一侧，再调节直流电源获得不同的外磁场值，通过接线端子输出阻抗测试系统的信号，从而获得不同扭转和磁场下磁阻抗输出特性。

10.根据权利要求1或3任一所述装置，其特征在于是通过调节应力-扭转联合平台来实现特定应力或应力扭转联合条件下的测试，增加砝码重量来改变不同拉应力作用，同时旋转转动螺母实现精确扭转；随后将磁场发生装置放置垂直于地磁场方向，避免外部磁场的干扰，并利用磁场校正与监测系统对其产生的磁场进行调整和校正，同时将磁力计探头沿其轴向固定于应力-扭转联合平台一侧，再调节恒流电源输出不同的外场值，通过接线端子输出阻抗测试系统的信号，从而获得不同应力或应力扭转下磁阻抗输出特性。