CN106802399A - 一种磁致伸缩系数的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩系数的测量系统及方法，该测量系统包括电磁铁极头、测量板及弹性体，相对的两个电磁铁极头之间依次贴靠固定被测样品、测量板、弹性体；两个电磁铁极头分别与各自对应的中心磁轭连接，中心磁轭外缠绕有电磁铁线包，两个中心磁轭之间通过外部磁轭连通；电磁铁线包连接励磁电源，被测样品旁固定有激光位移测量装置；该测量方法包括：向被测样品施加磁场，利用激光位移法测量被测样品在磁场作用下的长度变化，通过被测样品的长度变化计算被测样品的磁致伸缩系数。本发明能够实现无接触测量，解决目前磁致伸缩测量仪由人为因素带来的不确定性，大幅提高磁致伸缩材料的测量重复性、准确性。

Description

一种磁致伸缩系数的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及磁致伸缩材料性能测量技术领域，更为具体地，本发明为一种磁致伸缩系数的测量系统及方法。

背景技术

磁致伸缩材料具有较高的磁机耦合特性，能够高效地实现磁能到机械能的转化，具有转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好等优点。磁致伸缩材料在在声学、位移控制、高能微动力装置、力学传感、磁学等领域得到大量的应用。当前以铽镝铁(Tb_xDy_1-xFe₂)为代表的一系列超磁致伸缩材料已经得到商品化，广泛应用于声纳换能器、传感器、机器人等领域。磁致伸缩材料在高科技、前沿科技领域的应用尤为重要。例如磁致伸缩材料应用于海军声纳，可以使海军声纳具有超远距离探测、重量轻的特点，其能量密度、工作距离是传统声纳的几十倍。而且频率极低，装备了基于磁致伸缩材料的海军声纳可以使舰艇反隐形能力大幅提升。世界各主要国家海军都在花大精力研发该技术。磁致伸缩材料在诸如海洋声学断层分析系统、导弹发射控制装置、地球物理勘探、陆地声纳、地下通讯系统等一大批尖端技术领域具有重要的应用价值。

目前，国内磁致伸缩系数的测量仪器的测量方法主要采用应变电阻式、电涡流式、电容式等。其中应变电阻法效果最好，应用最为广泛。应变电阻传感器是成熟的位移传感器，灵敏度高，一旦贴好，重复性极好，且应变电阻传感器本身的测量准确度也可以保证。目前国内磁致伸缩的测量普遍采用电阻应变片法。具体做法就是：人工将应变片粘贴到被测样品表面，该方法要求样品表面平整、尺寸大、粘接均匀。

但是，这些因素无法量化，具有不确定性，导致测量结果差异很大，高达几倍甚至几十倍，不具有可比行。

特别地，在实际应用中，应变电阻传感器均为人工贴于被测材料之上，人为因素如：所贴位置、样品表面光洁度的选择、胶的种类和厚度、粘贴时使用压力的大小影响了测试结果的复现性，目前采用这种方法测量磁致伸缩系数，同一材料在不同实验室，甚至同一材料由不同的测试人员测量，获得的测量结果都可能不同；而且，传统方案均为局部测量，仅仅测量了应变片处的位移变化量，不能反映被测样品的整体性能。因此，现有磁致伸缩系数的测量方法存在着各个实验室和科研工作者在其论文中发表的成果可比性较差的问题，给磁致伸缩材料和应用的科学研究带来了不小的困难。

发明内容

为解决现有的磁致伸缩系数测量方法存在的误差大、复现性差、没有可比性、仅能进行局部测量等问题，本发明基于激光位移法，提出了一种磁致伸缩系数的测量系统及方法，本发明从绝对的、非接触的测量角度出发，提高磁致伸缩系数测量的复现性，并能够对被测样本进行整体的测量。

为实现上述的技术目的，本发明公开了一种磁致伸缩系数的测量系统，该测量系统包括：电磁铁极头、测量板及弹性体，相对的两个电磁铁极头之间依次贴靠固定被测样品、测量板、弹性体；两个电磁铁极头分别与各自对应的中心磁轭连接，中心磁轭外缠绕有电磁铁线包，两个中心磁轭之间通过外部磁轭连通；所述电磁铁线包连接励磁电源，所述被测样品旁固定有激光位移测量装置。

本发明通过励磁机构向被测样品施加磁场，然后再利用激光位移测量装置检测测量板的位移，该位移为被测样品的伸长量。本发明解决了传统胶粘应变电阻传感器方式而带来的复现性差、误差大、没有可比性等问题，另外，本发明可对被测样品进行整体测量。

进一步地，所述激光位移测量装置包括激光器、接收器、激光测量定镜、激光测量动镜，所述激光测量定镜旁还设有干涉仪，所述干涉仪与所述接收器连接；所述激光测量定镜、激光测量动镜、测量板沿被测样品伸缩方向依次设置，激光测量动镜与测量板固定连接；所述激光器正对所述激光测量定镜。

进一步地，所述被测样品旁固定有磁场测量探头，所述磁场测量探头与高斯计连接。

进一步地，所述被测样品表面缠绕有磁感测量线圈，且磁感测量线圈紧贴被测样品表面，所述磁感测量线圈与磁通计连接。

进一步地，所述接收器、励磁电源、高斯计、磁通计均与计算机连接。

进一步地，所述被测样品两端分别贴靠一电磁铁极头和测量板，所述测量板两面分别贴靠被测样品和弹性体，弹性体的两面分别贴靠测量板和另一电磁铁极头。

本发明的另一个发明目的在于提供一种磁致伸缩系数的测量方法，该测量方法包括如下步骤，

步骤1，调节励磁电源，向被测样品施加磁场；

步骤2，利用激光位移法测量被测样品在磁场作用下的长度变化；

步骤3，通过被测样品的长度变化计算被测样品的磁致伸缩系数。

本发明创新提出了通过激光位移法测量被测样品长度变化进而得到磁致伸缩系数的方法，该方法具有复现性好、可比性强、可进行整体测量等优点。

进一步地，步骤2中，测量被测样品长度变化的同时，测量被测样品的磁感应强度和磁场强度。

进一步地，步骤2中，通过测量被测样品一端贴靠的测量板的移动距离而计算出被测样品在磁场作用下的长度变化。

进一步地，步骤1中，利用励磁电源、电磁铁线包、外部磁轭、中心磁轭、电磁铁极头形成的励磁机构产生磁场，励磁电源使电磁铁极头产生一个自零开始至预设磁场强度极值的稳定变化的直流磁场。

本发明的有益效果为：本发明能够实现无接触测量，解决目前磁致伸缩测量仪由人为因素带来的不确定性，大幅提高磁致伸缩材料的测量重复性、准确性，对磁致伸缩系数测量的误差小、重复性强，而且，本发明可对被测样本进行整体测量。

本发明实现了磁致伸缩系数的复现性可达到2％，结果显示本发明的仪器系统误差仅为3ppm，测量纯镍样品饱和磁致伸缩系数的结果与理论值吻合良好。解决了我国目前磁致伸缩材料不能准确测量、计量方法落后的问题，促进我国磁致伸缩材料的科研、应用和产业的发展。

附图说明

图1为磁致伸缩系数的测量系统结构示意图。

图2为直流磁场、常压下铽镝铁样品的磁致伸缩系数与磁场强度的曲线。

图中，

1、电磁铁线包；2、电磁铁极头；3、弹性体；4、测量板；5、激光测量动镜；6、激光测量定镜；7、激光器；8、磁场测量探头；9、磁感测量线圈；10、被测样品；11、外部磁轭；12、中心磁轭；13、计算机；14、接收器；15、励磁电源；16、高斯计；17、磁通计。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明磁致伸缩系数的测量系统及方法进行详细的解释和说明。

本发明利用磁致伸缩材料随着磁场的增大其长度会伸长的特性，提出了采用激光位移法测量磁致伸缩材料磁致伸缩系数的方法，并基于该方法建立了一套磁致伸缩材料测量系统。激光位移法是一种绝对的测量方法，直接测量样品的整体长度变化，测量结果由激光波长决定。该方法可以实现无接触测量，复现性不受测量人员限制。同时，本发明采用电磁铁作为励磁机构，可以提供较高磁场。

如图1、2所示，本发明公开了一种磁致伸缩系数的测量系统，该测量系统包括：图1中设置的电磁铁极头2、测量板4及弹性体3，左、右相对的两个电磁铁极头2之间依次贴靠固定被测样品10、测量板4、弹性体3，“依次贴靠固定”应理解为三个部件依次贴紧且相对位置不变化。具体地，被测样品10两端分别贴靠一电磁铁极头2和测量板4，测量板4两面分别贴靠被测样品10和弹性体3，弹性体3的两面分别贴靠测量板4和另一电磁铁极头2；两个电磁铁极头2分别与各自对应的中心磁轭12连接，中心磁轭12外缠绕有电磁铁线包1，两个中心磁轭12之间通过外部磁轭11连通；电磁铁线包1连接励磁电源15，励磁电源15、外部磁轭11、中心磁轭12、电磁铁线包1共同形成励磁机构，被测样品10旁固定有激光位移测量装置。激光位移测量装置包括激光器7、接收器14、激光测量定镜6、激光测量动镜5，激光测量定镜6旁还设有干涉仪，干涉仪与接收器14连接；激光测量定镜6、激光测量动镜5、测量板4沿被测样品10伸缩方向依次设置，激光测量动镜5与测量板4固定连接；激光器7正对激光测量定镜6。

本发明磁致伸缩系数的测量系统可用于测量磁场强度和磁感应强度，具体实现方式为：被测样品10旁固定有磁场测量探头8，磁场测量探头8与高斯计16连接，用于测量、计算磁场强度。被测样品10表面缠绕有磁感测量线圈9，磁感测量线圈9与磁通计17连接，用于测量磁感应强度。本发明中，接收器14、励磁电源15、高斯计16、磁通计17均与计算机13连接。

如图1、2所示，一种磁致伸缩系数的测量方法，该测量方法包括如下步骤，

步骤1，调节励磁电源15，向被测样品10施加磁场；本实施例中，利用励磁电源15、电磁铁线包1、外部磁轭11、中心磁轭12、电磁铁极头2形成的励磁机构产生磁场，励磁电源15使电磁铁极头2产生一个自零开始至预设磁场强度极值的稳定变化的直流磁场。

步骤2，利用激光位移法测量被测样品10在磁场作用下的长度变化，本发明中，通过测量被测样品10一端贴靠的测量板4的移动距离而计算出被测样品10在磁场作用下的长度变化；测量被测样品10长度变化的同时，测量被测样品10的磁感应强度和磁场强度。激光位移法是一种绝对的测量方法，直接测量样品的整体长度变化，测量结果由激光波长决定，该方法可以实现无接触测量。

测量时，首先将样品放置到电磁铁极头2之间，同时放置好测量板4和弹性体3，样品一端接触极头，样品的另一端紧挨一弹性体3以吸收伸长量，样品与电磁铁极头2和磁轭组成准闭磁路回路。计算机13控制励磁电源15的输出，使电磁铁产生磁场，氦氖激光器7发出双频激光测量样品两端面之间的绝对距离，使用高斯计16测量样品所处的磁场强度，使用磁通计17加探测线圈测量样品的磁感应强度。外接电源使电磁铁产生一个从零开始到设定最大磁场强度稳定变化的直流磁场，同时同步测量样品的伸长量、磁场强度和磁感应强度。磁致伸缩系数即为样品的伸长量与样品本身的长度比值，根据定义还可以推算出磁致伸缩应变率数值。通过上述方法，装置可以测量磁场强度、磁感应强度与磁致伸缩系数、磁致伸缩应变率之间的对应曲线。

步骤3，通过被测样品10的长度变化计算被测样品10的磁致伸缩系数。

本发明的磁致伸缩系数的测量方法可依靠于上述的磁致伸缩系数的测量系统，具体如下。

步骤1，计算机13通过USB接口控制励磁电源15输出。

步骤2，同时采集高斯计16的磁场信号和磁通计17的磁通信号，计算机13内部的数据采集卡记录接收器14的位移信号。当励磁电源15输出信号给电磁铁线包1时，两个电磁铁极头2之间将产生磁场，放置在其中的大磁致伸缩被测样品10的长度将随着磁场的增加而伸长，这个位移的变化量反应到测量板4的移动上，测量板4的移动带动激光测量动镜5移动，从而激光测量动镜5测量位移的变化量，在定镜和干涉仪形成位移信号进入接收器14，再有计算机13采集计算出伸缩量。同时高斯计16和磁通计17同步测量样品磁场强度和磁感应强度。

步骤3，磁致伸缩系数即为样品的伸长量与样品本身的长度比值，根据定义还可以推算出磁致伸缩应变率数值。通过上述方法，装置可以测量磁场强度、磁感应强度与磁致伸缩系数、磁致伸缩应变率之间的对应曲线；本发明可实现磁致伸缩系数的无接触、整体、准确测量，磁致伸缩系数测量的复现性可达到2％。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁致伸缩系数的测量系统，其特征在于，该测量系统包括：电磁铁极头(2)、测量板(4)及弹性体(3)，相对的两个电磁铁极头(2)之间依次贴靠固定被测样品(10)、测量板(4)、弹性体(3)；两个电磁铁极头(2)分别与各自对应的中心磁轭(12)连接，中心磁轭(12)外缠绕有电磁铁线包(1)，两个中心磁轭(12)之间通过外部磁轭(11)连通；所述电磁铁线包(1)连接励磁电源(15)，所述被测样品(10)旁固定有激光位移测量装置。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩系数的测量系统，其特征在于，所述激光位移测量装置包括激光器(7)、接收器(14)、激光测量定镜(6)、激光测量动镜(5)，所述激光测量定镜(6)旁还设有干涉仪，所述干涉仪与所述接收器(14)连接；所述激光测量定镜(6)、激光测量动镜(5)、测量板(4)沿被测样品(10)伸缩方向依次设置，激光测量动镜(5)与测量板(4)固定连接；所述激光器(7)正对所述激光测量定镜(6)。

3.根据权利要求2所述的磁致伸缩系数的测量系统，其特征在于，所述被测样品(10)旁固定有磁场测量探头(8)，所述磁场测量探头(8)与高斯计(16)连接。

4.根据权利要求2或3所述的磁致伸缩系数的测量系统，其特征在于，所述被测样品(10)表面缠绕有磁感测量线圈(9)，所述磁感测量线圈(9)与磁通计(17)连接。

5.根据权利要求4所述的磁致伸缩系数的测量系统，其特征在于，所述接收器(14)、励磁电源(15)、高斯计(16)、磁通计(17)均与计算机(13)连接。

6.根据权利要求1所述的磁致伸缩系数的测量系统，其特征在于，所述被测样品(10)两端分别贴靠一电磁铁极头(2)和测量板(4)，所述测量板(4)两面分别贴靠被测样品(10)和弹性体(3)，所述弹性体(3)的两面分别贴靠测量板(4)和另一电磁铁极头(2)。

7.一种磁致伸缩系数的测量方法，其特征在于，该测量方法包括如下步骤，

步骤1，调节励磁电源，向被测样品施加磁场；

步骤2，利用激光位移法测量被测样品在磁场作用下的长度变化；

步骤3，通过被测样品的长度变化计算被测样品的磁致伸缩系数。

8.根据权利要求7所述的磁致伸缩系数的测量方法，其特征在于，步骤2中，测量被测样品长度变化的同时，测量被测样品的磁感应强度和磁场强度。

9.根据权利要求7或8所述的磁致伸缩系数的测量方法，其特征在于，步骤2中，通过测量被测样品一端贴靠的测量板的移动距离而计算出被测样品在磁场作用下的长度变化。

10.根据权利要求9所述的磁致伸缩系数的测量方法，其特征在于，步骤1中，利用励磁电源、电磁铁线包、外部磁轭、中心磁轭、电磁铁极头形成的励磁机构产生磁场，励磁电源使电磁铁极头产生一个自零开始至预设磁场强度极值的稳定变化的直流磁场。