CN107102279A - 一种磁应变测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于记忆材料技术领域，具体涉及一种磁应变测量方法。其步骤为：1、将待测NiMnGa薄膜样品固定于夹持器内；2、将夹持器置于磁场和温度场环境中，在未加磁场前，利用强激光脉冲照射NiMnGa薄膜样品，在样品上烧蚀出第一个小孔，通过电磁场对样品施加磁场，磁场强度在0至2特斯拉之间调节，温度场范围为0至100摄氏度；样品伸长后，再用激光束位置不变的强激在样品上烧蚀出第二个小孔；3、测量样品上第一个小孔和第二个小孔之间的距离，其方法为：将样品的两个小孔通过成像镜头成像在线阵CCD芯片像敏元阵列上，通过平行光源垂直照射样品上的两个小孔，通过CCD输出端口的输出电压计算出两个小孔之间的距离△L。

Description

一种磁应变测量方法
技术领域：
本发明属于记忆材料技术领域，具体涉及一种磁应变测量方法。
背景技术：
微型化的微机电系统(MEMS)近年来在IT、国防和生物医学等领域得到迅猛发展和广泛应用，MEMS用微材料的优劣决定了整个系统的智能特性。形状记忆合金薄膜作为一种集感知与驱动为一体的智能材料，因其输出应变大，输出力高，可有效简化MEMS系统的结构，减少装配环节，应用前景广阔。TiNi记忆合金薄膜作为一种常用的MEMS驱动材料已获得了广泛应用，现已成功用于制造微泵、微阀、微手臂和光开关等。已有研究表明，TiNi合金薄膜响应频率比体材料高2个数量级，最大可恢复应变达4％。然而，尽管薄膜的响应频率比体材料有了较大提高，但因受温度场驱动，其响应频率也只能达10Hz左右，仍难以满足微型机电系统日益发展的需求。
以Ni-Mn-Ga为代表的铁磁性形状记忆合金是近二十年来发展起来的一类新型形状记忆材料，它可以在外磁场的作用下发生马氏体孪晶变体再取向或磁场诱发马氏体相变从而产生大的可逆应变，实现了大输出应变量与高响应频率的结合，一直是形状记忆合金领域的研究热点。K. Ullkko等人在Ni-Mn-Ga单晶中获得了6％的磁感生应变，响应速率达到KHz级。但是， Ni-Mn-Ga体材料尚存在脆性大、驱动磁场门槛值高、磁感生应变稳定性和重复性低、均匀性和质量稳定性差等缺点，在很大程度上限制了这种材料的应用。由TiNi基记忆合金薄膜的研究可知，薄膜具有成分均匀性好，晶粒细小等优点，其机械性质优于体材料，而且单位体积输出功大，灵敏度高。因此，Ni-Mn-Ga铁磁性形状记忆合金薄膜的研究引起了MEMS工程应用人员的密切关注，对其相变行为及其机制、微观组织结构及界面结构、应变恢复特性及影响因素等进行了深入的研究，但是以Ni-Mn-Ga为代表的铁磁性记忆合金薄膜的磁驱动应变量(<0.1%)远低于块体材料的磁驱动应变量(10%)，造成薄膜材料的磁驱动应变量不易测量，因此发展和探索新型的微小磁驱动应变量测量方法和手段成为铁磁性形状记忆合金薄膜领域亟待解决的问题。
发明内容：
本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供了一种微小磁驱动应变量的测量方法和手段，测量步骤简单，测量数据准确，为研究和探索铁磁性形状记忆合金薄膜提供了理论依据。
本发明采用的技术方案为：一种磁应变测量方法，该测量方法的步骤为：
步骤一、将待测NiMnGa薄膜样品放入夹持器内，并夹持NiMnGa薄膜样品的左端，其右端不受约束；
步骤二、将夹持有NiMnGa薄膜样品的夹持器置于磁场和温度场环境中，在未加磁场前，利用强激光脉冲照射NiMnGa薄膜样品，在NiMnGa薄膜样品上烧蚀出第一个小孔，通过电磁场对NiMnGa薄膜样品施加磁场，磁场强度在0至2特斯拉之间调节，温度场范围为0至100摄氏度；NiMnGa薄膜样品伸长后，再用激光束位置不变的强激光脉冲照射NiMnGa薄膜样品，在NiMnGa薄膜样品上烧蚀出第二个小孔；
步骤三、测量NiMnGa薄膜样品上第一个小孔和第二个小孔之间的距离，其测量方法为：将NiMnGa薄膜样品的两个小孔通过成像镜头成像在线阵CCD芯片像敏元阵列上，通过平行光源垂直照射NiMnGa薄膜样品上的两个小孔，使得光源垂直通过NiMnGa薄膜样品上的小孔，将成像部分设置在暗室环境中，通过CCD输出端口的输出电压计算出两个小孔之间的距离△L，计算公式为：
(1)
(2)
t1：CCD输出一个周期上升沿到输出图像信号最大峰值时间；
t2：当样品伸长后，CCD输出一个周期上升沿到输出图像信号最大峰值时间；
t3：CCD一个扫描周期的输出时间；
a：CCD一行光敏元的有效像元个数；
b：CCD光敏元中心间距；
β：光学系统放大倍数；
步骤四、得出NiMnGa薄膜样品的应变量，应变量=(△L/L) ×100%，L为未加磁场前NiMnGa薄膜样品左端与第一个小孔之间的间距。
所述的NiMnGa薄膜样品的长度为1厘米至2厘米，其宽度为0.3厘米至1厘米。
所述温度场的调节通过电阻加热和液氮冷却装置对夹持器的温度的调节进行控制。
本发明的有益效果：方法设计合理，测量步骤简单，测量数据准确，提供了一种微小磁驱动应变量的测量方法和手段，为研究和探索铁磁性形状记忆合金薄膜提供了理论依据。
附图说明：
图1是本发明的测量原理示意图。
图2是本发明中NiMnGa薄膜样品伸长后的示意图。
图3是本发明中夹持器的剖视结构示意图。
图4是图3的俯视图。
具体实施方式：一种磁应变测量方法，该测量方法的步骤为：
步骤一、将待测NiMnGa薄膜样品放入夹持器内，夹持器包括铜板1、压板3和紧固螺栓2，压板3为铜材质，铜板1上设有T型凹槽4，T型凹槽4底部设有透光通槽5，T型凹槽4的长度为3厘米，其宽度为1厘米，透光通槽5的宽度不小于0.2厘米，T型凹槽4底面的平行度小于0.5度，铜板1两侧设有螺纹连接块6；NiMnGa薄膜样品放入T型凹槽4左侧，并通过T型凹槽4左端的压板3夹持固定，压板3通过与螺纹连接块6连接的紧固螺栓2连接固定NiMnGa薄膜样品的右端不受约束；所述NiMnGa薄膜样品的长度为1.8厘米，其宽度为0.8厘米；
步骤二、将夹持有NiMnGa薄膜样品的夹持器置于磁场和温度场环境中，在未加磁场前，利用强激光脉冲照射NiMnGa薄膜样品，在NiMnGa薄膜样品上烧蚀出第一个小孔，通过电磁场对NiMnGa薄膜样品施加磁场，磁场强度在0至2特斯拉之间调节，温度场范围为0至100摄氏度；NiMnGa薄膜样品伸长后，再用激光束位置不变的强激光脉冲照射NiMnGa薄膜样品，在NiMnGa薄膜样品上烧蚀出第二个小孔；所述温度场的调节通过电阻加热和液氮冷却装置对夹持器的温度的调节进行控制；
步骤三、测量NiMnGa薄膜样品上第一个小孔和第二个小孔之间的距离，其测量方法为：将NiMnGa薄膜样品的两个小孔通过成像镜头成像在线阵CCD芯片像敏元阵列上，通过平行光源垂直照射NiMnGa薄膜样品上的两个小孔，使得光源垂直通过NiMnGa薄膜样品上的小孔，将成像部分设置在暗室环境中，通过CCD输出端口的输出电压计算出两个小孔之间的距离△L，计算公式为：
(1)
(2)
t1：CCD输出一个周期上升沿到输出图像信号最大峰值时间；
t2：当样品伸长后，CCD输出一个周期上升沿到输出图像信号最大峰值时间；
t3：CCD一个扫描周期的输出时间；
a：CCD一行光敏元的有效像元个数；
b：CCD光敏元中心间距；
β：光学系统放大倍数；
步骤四、得出NiMnGa薄膜样品的应变量，应变量=(△L/L) × 100%，L为未加磁场前NiMnGa薄膜样品左端与第一个小孔之间的间距。

Claims (3)

1.一种磁应变测量方法，其特征在于：该测量方法的步骤为：
步骤一、将待测NiMnGa薄膜样品放入夹持器内，并夹持NiMnGa薄膜样品的左端，其右端不受约束；
步骤二、将夹持有NiMnGa薄膜样品的夹持器置于磁场和温度场环境中，在未加磁场前，利用强激光脉冲照射NiMnGa薄膜样品，在NiMnGa薄膜样品上烧蚀出第一个小孔，通过电磁场对NiMnGa薄膜样品施加磁场，磁场强度在0至2特斯拉之间调节，温度场范围为0至100摄氏度；NiMnGa薄膜样品伸长后，再用激光束位置不变的强激光脉冲照射NiMnGa薄膜样品，在NiMnGa薄膜样品上烧蚀出第二个小孔；
步骤三、测量NiMnGa薄膜样品上第一个小孔和第二个小孔之间的距离，其测量方法为：将NiMnGa薄膜样品的两个小孔通过成像镜头成像在线阵CCD芯片像敏元阵列上，通过平行光源垂直照射NiMnGa薄膜样品上的两个小孔，使得光源垂直通过NiMnGa薄膜样品上的小孔，将成像部分设置在暗室环境中，通过CCD输出端口的输出电压计算出两个小孔之间的距离△L，计算公式为：
(1)
(2)
t1：CCD输出一个周期上升沿到输出图像信号最大峰值时间；
t2：当样品伸长后，CCD输出一个周期上升沿到输出图像信号最大峰值时间；
t3：CCD一个扫描周期的输出时间；
a：CCD一行光敏元的有效像元个数；
b：CCD光敏元中心间距；
β：光学系统放大倍数；
步骤四、得出NiMnGa薄膜样品的应变量，应变量=(△L/L) ×100%，L为未加磁场前NiMnGa薄膜样品左端与第一个小孔之间的间距。
2.根据权利要求1所述的一种磁应变测量方法，其特征在于：所述的NiMnGa薄膜样品的长度为1厘米至2厘米，其宽度为0.3厘米至1厘米。
3.根据权利要求1所述的一种磁应变测量方法，其特征在于：所述温度场的调节通过电阻加热和液氮冷却装置对夹持器的温度的调节进行控制。
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