CN108845278B - 一种大磁致伸缩材料的测量装置和方法 - Google Patents

一种大磁致伸缩材料的测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种大磁致伸缩材料的测量装置和方法,其中,测量装置包括磁轭、上极柱、下极柱、上极头、下极头、第一压力杆和第二压力杆;上极柱和下极柱设置在磁轭内部相对的两侧;上极头与下极头设置在上极柱和下极柱相对的两个面上;第一压力杆和第二压力杆平行设置,且第一压力杆和第二压力杆的一端通过连接杆连接,另一端依次穿过磁轭和上极柱;连接杆与气缸连接,第一压力杆和第二压力杆在气缸的带动下进行上下运动。上述技术方案具有复现性,能够满足测量过程中应力的要求,同时也不影响磁场均匀性,实现不同应力下的测量。

Description

一种大磁致伸缩材料的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及磁性材料测量领域,尤其涉及一种大磁致伸缩材料的测量装置和方法。
背景技术
大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。大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(TbxDy1-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。
大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。
大磁致伸缩材料沿磁场方向的长度会随便磁场的增大而伸长,随着磁场的减小,其长度会减小,当磁场为0时,其长度会恢复到初始的大小。
按照国标“G/T 19396-2003特镝铁大磁致伸缩材料”中对特镝铁材料性能的规定,需要测量不同应力下的性能。其实,在实际使用过程中,大磁致伸缩材料也大多工作在有应力的情况下,比如在海军声纳设备上的使用。因此,不同应力下的磁致伸缩系数测量就显得非常重要。
目前,测量大磁致伸缩系数的测量方法普遍采用电阻应变片法,其所使用的应变电阻传感器均为人工贴于被测材料之上,但是人为因素具有不确定性,比如:所贴位置、样品表面光洁度的选择、胶的种类和厚度、粘贴时使用应力的大小都会影响测试结果的复现性,所以不同的测量设备之间没有可比性。
在国标G/T 19396-2003中,对大磁致伸缩材料的测量方法作出了规定,推荐采用电阻应变片法进行测量。如图1所示,是国标推荐的测量方法对应的测量装置。电阻应变片贴在了被测样品表面,只能测量样品的被贴的那部分的局部性能。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种能够满足测量过程中应力的要求,同时也不影响磁场均匀性的大磁致伸缩材料的测量装置和方法。
(二)技术方案
为解决上述问题,本发明的第一方面提供了一种大磁致伸缩材料的测量装置,包括磁轭、上极柱、下极柱、上极头、下极头、第一压力杆和第二压力杆;所述上极柱和所述下极柱设置在所述磁轭内部相对的两侧;所述上极头与所述下极头设置在所述上极柱和所述下极柱相对的两个面上;所述第一压力杆和所述第二压力杆平行设置,且所述第一压力杆和所述第二压力杆的一端通过连接杆连接,另一端依次穿过所述磁轭和所述上极柱;所述连接杆与气缸连接,所述第一压力杆和所述第二压力杆在所述气缸的带动下进行上下运动。
进一步,所述第一压力杆包括:第一上压力杆和第一下压力杆;所述第二压力杆包括:第二上压力杆和第二下压力杆;所述第一上压力杆和所述第二上压力杆的一端分别沿周向向外延伸形成第一止挡部和第二止挡部;所述连接杆上设置有第三通孔A和第三通孔B,所述第三通孔A的孔径小于所述第一止挡部的最大长度,所述第三通孔B的孔径小于所述第二止挡部的最大长度;所述第一上压力杆和所述第二上压力杆的另一端分别穿过所述连接杆的两端并在所述止挡部位置处与所述连接杆卡接。
进一步,所述气缸的活塞端连接至所述连接杆的中心位置处。
进一步,还包括压力块,用于放置在被测样品上方,且分别与所述第一压力杆和所述第二压力杆的另一端抵接。
进一步,所述压力块上还设置有第一凹槽和第二凹槽;所述第一凹槽与所述第一压力杆对应设置;所述第二凹槽与所述第二压力杆对应设置;所述第一凹槽和所述第二凹槽内部分别嵌设有钢珠,所述第一压力杆和所述第二压力杆的另一端分别与所述钢珠抵接。
进一步,所述上极柱通过螺杆固定在所述磁轭上。
进一步,还包括:压力控制单元,连接至所述气缸,用于控制所述气缸加压或减压,从而带动所述第一压力杆和所述第二压力杆进行上下运动。
进一步,所述压力控制单元还连接至计算机,用于接收所述计算机发送的设定的压力值,并基于所述压力值控制所述气缸。
进一步,所述上极柱和所述下极柱外部还缠绕有极柱线包,所述极柱线包与励磁电源连接。
根据本发明的另一个方面,提供一种大磁致伸缩材料的测量方法,包括:获取设定的压力值;将所述压力值发送至压力控制单元;压力控制单元控制气缸进行相应的上下运动,并带动所述第一压力杆和所述第二压力杆靠近或远离被测样品。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果:通过将上极柱和下极柱设置在磁轭内部相对的两侧;上极头与下极头设置在上极柱和下极柱相对的两个面上;第一压力杆和第二压力杆平行设置,且第一压力杆和第二压力杆的一端通过连接杆连接,另一端依次穿过磁轭和上极柱;连接杆与气缸连接,第一压力杆和第二压力杆在气缸的带动下进行上下运动,采用气动方式,实现了不同应力下的测量,解决了目前磁致伸缩测量仪的加压问题,从而实现了被测样品的整体无接触测量,且能够实现0-10N/mm2范围内应力的连续可调,进一步提升了磁致伸缩系数的测量范围,最大应力为10N/mm2,大大超过了国标的要求范围。
附图说明
图1是现有技术中采用电阻应变片法测量大磁致伸缩材料的装置的结构示意图;
图2是本发明实施例一的大磁致伸缩材料的测量装置的结构示意图;
图3是本发明实施例二的大磁致伸缩材料的测量方法的流程示意图;
图4是本发明实施例的不同应力下Ф20*50样品磁致伸缩系数与磁场强度的曲线图;
图5是本发明实施例的不同应力下Ф30*43样品磁致伸缩系数与磁场强度的曲线图;
图6(a)是本发明实施例的Ф20*50样品的磁致伸缩系数应力曲线图;
图6(b)是本发明实施例的为Ф30*43样品的磁致伸缩系数应力曲线图。
附图标记:
01:极头调距;02:被测棒材;03:应变片;04:电磁铁;05:线包;06:霍尔探头;07:磁极头;08:力传递杆;09:弹性加压装置;010:压力定位装置;1:磁轭;2:上极柱;3:下极柱;4:上极头;5:下极头;6:第一压力杆;7:第二压力杆;8:连接杆;9:气缸;91:气缸活塞;10:压力块;11:压力控制单元;12:计算机;13:极柱线包;14:励磁电源;15:磁场测量单元;16:激光接收器;17:霍尔探头;18:钢珠;19:螺杆;20:被测样品;21:测量板;A1:第一通孔A;B1:第一通孔B;A2:第二通孔A;B2:第二通孔B;A3:第三通孔A;B3:第三通孔B。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面结合具体实施方式并参照附图,对本发明进一步详细说明。应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
图2是本发明第一实施例的磁致伸缩材料的测量装置的结构示意图。
如图2所示,包括磁轭1、上极柱2、下极柱3、上极头4、下极头5、第一压力杆6和第二压力杆7;上极柱2和下极柱3分别贴合磁轭1内部的侧壁设置,且上极柱2和下极柱3相对设置;上极头4与下极头5设置在上极柱2和下极柱3之间,且上极头4贴合上极柱2的一面设置,下极头5贴合下极柱3的一面设置,上极头4与下极头5也相对设置;上极柱2的一端设置有第一通孔A A1,相对的另一端设置有第一通孔B B1,相应地,磁轭1上与第一通孔A A1对应的位置处设置有第二通孔A A2,与第一通孔B B1对应的位置处设置有第二通孔B B2,第一压力杆6依次穿过第二通孔A A2和第一通孔A A1,第二压力杆依次穿过第二通孔B B2和第一通孔B B1,第一压力杆6和第二压力杆7的一端通过连接杆8连接,且连接杆8与气缸9的气缸活塞91连接,第一压力杆6和第二压力杆7在气缸活塞91的带动下沿上述通孔进行上下运动。
请继续参阅图1,第一压力杆6包括:第一上压力杆61和第一下压力杆62;第二压力杆7包括:第二上压力杆71和第二下压力杆72;第一上压力杆61和第二上压力杆71的一端分别沿其周向向外延伸形成第一止挡部和第二止挡部;第一上压力杆61和第二上压力杆71的纵截面为T字形,连接杆8上设置有第三通孔A A3和第三通孔B B3,第一上压力杆61穿过第三通孔A A3并与第一下压力杆62抵接,同样地,第二上压力杆71穿过第三通孔B B3并与第二下压力杆72抵接,进而在活塞运动下继续向下运动。
为了使得气缸9对左边两边的第一压力杆6和第二压力杆7形成同等压力,故气缸9的活塞端连接至所述连接杆8的中心位置处较佳。
其中,第三通孔A A3与第二通孔A A2和第一通孔A A1相匹配,第三通孔A A3、第二通孔A A2和第一通孔A A1的中心点连线形成的形状与第一压力杆6的形状相匹配,第三通孔B B3与第二通孔B B2和第一通孔B B1相匹配,第三通孔B B3、第二通孔B B2和第一通孔BB1的中心点连线形成的形状与第一压力杆6的形状相匹配以使得第一压力杆6能够依次穿过第三通孔A A3、第二通孔A A2和第一通孔A A1,同样地,第二压力杆7能够依次穿过第三通孔B B3、第二通孔B B2和第一通孔B B1,为了使得第一上压力杆61和第二上压力杆71在分别穿过上述第三通孔A A3和第三通孔B B3后与连接杆固定,第三通孔A A3和第三通孔BB3的孔径须分别小于第一止挡部和第二止挡部的最大长度,如此,第一上压力杆61和第二上压力杆71的另一端就能够分别穿过连接杆8并在止挡部位置处与连接杆8卡接,从而使得气缸的活塞端带动连接杆进而带动第一上压力杆61和第二上压力杆71向下运动并分别与第一下压力杆62和第二下压力杆72抵接,对第一下压力杆62和第二下压力杆72形成向下的压力。
请继续参阅图1,测量装置还包括压力块10,用于放置在被测样品上方,且分别与第一压力杆6和第二压力杆7的另一端抵接。
其中,在下极头4的上方放置有被测样品,被测样品上方放置有测量板,测量板贴合压力块的下表面设置,压力块的上表面是设置有第一下压力杆62和第二下压力杆72。当第一下压力杆62和第二下压力杆72在气缸带动下向下运动时,第一下压力杆62和第二下压力杆72同时抵接在所述压力块的上表面。
较佳地,压力块10上还设置有第一凹槽和第二凹槽;第一凹槽与第一压力杆6对应设置;第二凹槽与第二压力杆7对应设置;第一凹槽和第二凹槽内部分别嵌设有钢珠18,第一压力杆6和第二压力杆7的另一端分别与钢珠抵接。
压力块10是为了保证压力能均匀施加在被测样品上,不使测量板21产生角度,因此设计了一个比较厚重的压力块,并且在压力块10的上表面上相对的两侧开孔并各放置一个钢珠,从而将第一压力杆6和第二压力杆7的力作用到钢珠上进而传递到被测样品,这样能够保证压力仅施加到钢珠的中心,即使压力块稍有偏移其测量板21两侧的压力相对被测样品的中心也是对称的。
由于上极柱是贴合磁轭的内表面的上部设置,故需要将上极柱2通过螺杆19连接在磁轭1上。螺杆的作用是调节上极柱2的上下位置,这样可以改变上极头和下极头之间的距离。
请继续参阅图1,测量装置还包括:压力控制单元11、计算机12、励磁电源14、磁场测量单元15和激光接收器16,压力控制单元11、励磁电源14、磁场测量单元15、激光接收器16均与计算机12连接,压力控制单元11连接至气缸9,用于控制气缸9加压或减压,从而带动第一压力杆6和第二压力杆7进行上下运动,压力控制单元11接收计算机12发送的设定的压力值,并基于压力值控制气缸9,上极柱2和下极柱3外部还缠绕有极柱线包13,极柱线包13与励磁电源14连接。
具体地,压力控制单元11根据设定的压力使气缸9的活塞产生向下的动作,活塞通过连接杆8带动第一上压力杆61和第二上压力杆71向下运动,当第一上压力杆61和第二上压力杆71分别与第一下压力杆62和第二下压力杆72接触后,压力通过第一下压力杆62和第二下压力杆72传递到对应位置处的钢球,进而通过压力块10作用在被测样品20顶端。
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。
大磁致伸缩样品在测量时需要进行不同压力下的测量。因此在测量前,需要先给样品施加一个稳定的压力,因为大磁致伸缩是一个微米级的测量,因此压力需要特别稳定,不能使样品微动。具体的施加压力过程是:通过计算机软件设定需要的压力,按照气缸活塞和被测样品直径的比例,计算机12通过压力控制单元18控制比例阀进行压力设定,也可以控制气缸加压和减压,气缸运动到上下压力杆接触,通过钢球和压力块10压紧被测样品为止。
施加压力后,等待稳定一段时间,即可开始磁致伸缩系数的测量,测量时,计算机22控制励磁电源23的输出,为极柱线包通电,使上极柱和下极柱产生磁场,进而使用磁场测量单元15通过霍尔探头17测量磁场。激光接收器16测量位移量,整个测量过程由计算机12控制完成。
图3是本发明实施例二的一种大磁致伸缩材料的测量方法的流程示意图。
如图3所示,包括:
S1,获取设定的压力值;
S2,将压力值发送至压力控制单元;
S3,压力控制单元控制气缸进行相应的上下运动,并带动第一压力杆和第二压力杆靠近或远离被测样品。
下面通过实验对本发明的技术效果进行说明:
图4和图5分别为Ф20*50和Ф30*43两个不同的大磁致伸缩样品在最大场为3000Oe时的磁致伸缩系数磁场强度曲线。图4应力范围为1-5N/mm2,图5应力范围为1~10N/mm2,图6(a)和图6(b)分别为根据图4和图5的测量结果绘制的磁致伸缩系数应力的曲线。
本发明的大磁致伸缩材料的测量装置,实现了被测样品的整体无接触测量,且为了实现不同应力下的测量,采用了气动方式,解决了目前磁致伸缩测量仪的加压问题,实现了应力的全自动控制,这种加压方式,实现了0-10N/mm2范围内应力的连续可调,进一步提升了磁致伸缩系数的测量范围,最大应力为10N/mm2,大大超过了国标的要求范围。
本发明具有以下有益效果:
(1)在电磁铁上极柱上开孔的加压方式,避开了极头位置,一方面满足了测量过程中应力的要求,同时也不影响磁场的均匀性。
(2)在压力块10的上表面上相对的两侧开孔并各放置一个钢珠,从而将第一压力杆6和第二压力杆7的力作用到钢珠上进而传递到被测样品,这样能够保证压力仅施加到钢珠的中心,即使压力块稍有偏移其测量板21两侧的压力相对被测样品的中心也是对称的。
应当理解的是,本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理,而不构成对本发明的限制。因此,在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。此外,本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种大磁致伸缩材料的测量装置,其特征在于,包括磁轭(1)、上极柱(2)、下极柱(3)、上极头(4)、下极头(5)、第一压力杆(6)和第二压力杆(7);
所述上极柱(2)和所述下极柱(3)设置在所述磁轭(1)内部相对的两侧;
所述上极头(4)与所述下极头(5)设置在所述上极柱(2)和所述下极柱(3)相对的两个面上;
所述第一压力杆(6)和所述第二压力杆(7)平行设置,且所述第一压力杆(6)和所述第二压力杆(7)的一端通过连接杆(8)连接,另一端依次穿过所述磁轭(1)和所述上极柱(2);
所述连接杆(8)与气缸(9)连接,所述第一压力杆(6)和所述第二压力杆(7)在所述气缸(9)的带动下进行上下运动;
还包括压力块(10),用于放置在被测样品上方,且分别与所述第一压力杆(6)和所述第二压力杆(7)的另一端抵接;
所述压力块(10)上还设置有第一凹槽和第二凹槽;
所述第一凹槽与所述第一压力杆(6)对应设置;
所述第二凹槽与所述第二压力杆(7)对应设置;
所述第一凹槽和所述第二凹槽内部分别嵌设有钢珠(18),所述第一压力杆(6)和所述第二压力杆(7)的另一端分别与所述钢珠抵接;
所述第一压力杆(6)包括:第一上压力杆(61)和第一下压力杆(62);
所述第二压力杆(7)包括:第二上压力杆(71)和第二下压力杆(72);
所述第一上压力杆(61)和所述第二上压力杆(71)的一端分别沿周向向外延伸形成第一止挡部和第二止挡部;
所述连接杆(8)上设置有第三通孔A(A3)和第三通孔B(B3),所述第三通孔A(A3)的孔径小于所述第一止挡部的最大长度,所述第三通孔B(B3)的孔径小于所述第二止挡部的最大长度;
所述第一上压力杆(61)和所述第二上压力杆(71)的另一端分别穿过所述连接杆(8)的两端并在所述止挡部位置处与所述连接杆(8)卡接;
还包括:压力控制单元(11),连接至所述气缸(9),用于控制所述气缸(9)加压或减压,从而带动所述第一压力杆(6)和所述第二压力杆(7)进行上下运动。
2.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述气缸(9)的活塞端连接至所述连接杆(8)的中心位置处。
3.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述上极柱(2)通过螺杆(19)连接在所述磁轭(1)上。
4.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述压力控制单元(11)还连接至计算机(12),用于接收所述计算机发送的设定的压力值,并基于所述压力值控制所述气缸(9)。
5.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述上极柱(2)和所述下极柱(3)外部还缠绕有极柱线包(13),所述极柱线包(13)与励磁电源(14)连接。
6.一种大磁致伸缩材料的测量方法,其特征在于,应用于权利要求1至5任一项所述的测量装置,包括:
获取设定的压力值;
将所述压力值发送至压力控制单元;
所述压力控制单元控制气缸进行相应的上下运动,并带动所述第一压力杆和所述第二压力杆靠近或远离被测样品。
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