CN112433182A - 一种对磁致伸缩微形变进行精准测量的装置及方法 - Google Patents

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付庚
王力
刘朝辉
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Abstract

一种对磁致伸缩微形变测量的装置,包括有采用光纤,光纤的一端插接在光纤插芯的尾部;光纤插芯位于不锈钢管内腔左端;不锈钢管的右端口设有Terfenol‑D金属薄片;制备方法步骤为:光纤的一端插入陶瓷插芯的尾端,将接口用环氧树脂粘黏;将陶瓷插针用圆形尺寸塑胶板固定在不锈钢管套筒中;在陶瓷插芯的顶端对接上Terfenol‑D金属薄片;测量步骤为:在螺旋线圈会产生相对应的磁场;通过计算机获取腔长的变化数据;测量多组不同电压导致螺旋线圈产生的磁场所对应的磁致伸缩Terfenol‑D材料薄片微形变量,进行多组数据拟合;根据所测形变量和磁致伸缩系数便可求出磁场强度;具有工艺简单、使用方便、测量精度高、抗干扰能力强的特点。

Description

一种对磁致伸缩微形变进行精准测量的装置及方法
技术领域
本发明属于光学传感技术领域,具体涉及一种对磁致伸缩微形变进行精准测量的装置及方法。
背景技术
磁致伸缩效应是指材料在外磁场作用下,材料内部的磁分子从原来的杂乱无序的排列变成沿磁场方向重新排序,最终导致其材料尺寸发生改变的现象,并且把饱和磁致伸缩系数λs的绝对值大50×10-6的材料称为磁致伸缩材料。由于磁致伸缩效应及其逆效应可以实现机械能和磁能之间的相互转换,以磁致伸缩材料为驱动和敏感元件的电-机转换技术,在高精度、快速响应、抗干扰、高可靠性等方面是任何传统技术望尘莫及的。目前,许多国内外专家学者和研究中心利用这一效应制作出各种高精度的驱动器和传感器,被应用于海军声呐、导弹发射控制装置、地质勘探、磁探矿、质谱仪以及人造地球卫星等高精尖科学领域。因此,而实现磁致伸缩量的精准测量是首要任务和重中之重。公开号为(CN207263103U)文献公开了一种磁致伸缩测量仪包括外壳和控制箱,所述外壳的内腔左右两壁分别连接有输出保护管和接受保护管,在输出和接受保护管中连接有稀土超磁致伸缩制成的波导丝,并且分别在输出保护管和接受保护管底部连接声波发射和接受面。通过声波在两个面的发射接受并且转化为电信号传输到显示屏幕。整个过程为利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应将电信号转化为声波振动信号,通过两个反射面的发送接收,最终传输到显示屏上,完成磁致伸缩的微形变测试。上述磁致伸缩的测量方法主要缺点是,需要复杂的制作工艺和实验工序,其制作成本昂贵,可操作性不强。公开号为(CN111208457A)的文献公开了一种利用电磁学原理方法对电工钢片磁致伸缩进行测量的设计。其中放置两个缠绕一定线圈闸数的对称相同磁体,中放置测量电工钢片。采用220V交流电分别输入上下两个线圈并且调节电流大小和方向,使两个对称磁铁成为一致且同步的互斥同名磁极,最终对钢片沿轧制方向的自由磁致伸缩量的检测。上述方法在对微小磁致伸缩量的识别和测量需要辅助设置高精度激光微位移测试仪,其主要缺点是,测量精度和准确度容易受外界干扰,需要的辅助测试仪器成本太高。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种对磁致伸缩微形变进行精准测量的装置及方法;装置制作工艺简单、使用方便、测量精度高、抗干扰能力强等突出优点,提高其磁致伸缩测量结果和精确度。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种对磁致伸缩微形变测量的装置,包括有采用光纤,光纤的一端插接在光纤插芯的尾部;光纤插芯位于不锈钢管内腔左端;不锈钢管的右端口设有Terfenol-D金属薄片。
所述的光纤插芯采用陶瓷光纤插芯。
一种对磁致伸缩微形变测量的装置的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,把光纤的一端插入陶瓷插芯的尾端,用环氧树脂将接口粘黏,光纤的另一端连接为FC/APC型接口;
步骤2,将陶瓷插针用直径为20mm的圆形尺寸塑胶板固定在直径为22mm的不锈钢管套筒中;
步骤3,在陶瓷插芯的顶端对接上直径为20mm的Terfenol-D金属薄片,同时保持一定的微小距离,用胶水固定在不锈钢套筒中,制成磁致伸缩测量装置;
利用一种对磁致伸缩微形变测量的装置测量磁场强度的方法,包括以下步骤:
步骤1),通入直流电源,在螺旋线圈会产生相对应的磁场,当磁性金属薄片受到外部磁场作用会沿磁场方向发生伸缩形变;
步骤2)当Terfenol-D金属薄片发生形变时,磁致伸缩测量装置中的腔长会随Terfenol-D金属薄片一起发生形变,光纤法珀磁场传感器腔长变化会通过解调仪将信息传递到计算机上,从而获取腔长的变化数据;
步骤3),测量多组不同电压导致螺旋线圈产生的磁场所对应的磁致伸缩Terfenol-D材料薄片微形变量,最后进行多组数据拟合;
步骤4),测量的磁致伸缩的伸缩量Δε与F-P传感器腔长变化量
Figure BDA0002726557670000032
相同,即
Figure BDA0002726557670000031
式中:ΔL和L是磁体的原始长度及磁化后长度的变化;
步骤5),得出磁场强度H作用下,磁致伸缩材料沿轴向方向的磁致伸缩与外加磁场关系式为:
Figure BDA0002726557670000041
式中:L—磁致伸缩材料长度;ΔL磁致伸缩材料的长度的变化;C—磁致伸缩材料的伸缩系数;
步骤6),根据上式得出磁场强度H与磁致伸缩的伸缩量Δε和F-P传感器腔长变化量
Figure BDA0002726557670000043
关系为:
Figure BDA0002726557670000042
便可求出待测磁场强度的大小。
本发明的有益效果是:
本发明装置是利用光学测量技术领域,对微小磁致伸缩进行高精度的快速测量,提高了磁致伸缩量的测量精准性和快速性,可以应用于各种专业测量领域。
本发明测量装置制作结构使用光纤陶瓷插芯作为反射端面,使其光纤插入陶瓷插芯底部,可以实现光纤端面和磁致伸缩金属薄片的精准测量,确保光信号在腔体内的传输。其装置整体结构简单,制作成本低可适用于各种工程测量和生产领域。
本发明的测量方法基于光学F-P干涉技术原理,相对于其他测量磁致伸缩微形变的传统方法,具有高精度、稳定性好、抗干扰能力强等优点。同时,测量工序步骤简单,可以实现长期稳定、快速、准确测量,为测量磁致伸缩量提供了便捷有效的方法。
附图说明
图1(a)为本发明涉及的磁致伸缩微形变的测量装置结构示意图。
图1(b)为本发明图1(a)的左侧端面示意图。
图2为本发明测量微小磁致伸缩量方法系统示意图。
其中:1-光纤,2-光纤插芯,3-不锈钢管,4-珐珀腔,5-Terfenol-D金属薄片,6-磁场测量装置,7-螺旋线圈,8-直流电压源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1(a)、图1(b),一种对磁致伸缩微形变测量的装置,包括有采用光纤1,光纤1的一端插接在光纤插芯2的尾部;光纤插芯2位于不锈钢管3内腔左端;不锈钢管3的右端口设有Terfenol-D金属薄片。把光纤插入陶瓷插芯的尾部,以陶瓷插芯的一端面构造一个以空气为介质的珐珀腔,所构造的法珀腔包括两个反射面,一个反射面为陶瓷插芯的端面,另一反射面为相对应的磁致伸缩Terfenol-D材料薄片。当收到磁场作用时,薄片会沿磁场方向发生微形变从而改变所述珐珀腔的腔长,通过反射的光学信号解调出来相对应的腔长形变量,实现对磁致伸缩的微形变测量。
所述的光纤插芯2采用陶瓷光纤插芯。
一种对磁致伸缩微形变测量的装置的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,把光纤的一端插入陶瓷插芯的尾端,用环氧树脂将接口用环氧树脂粘黏,光纤的另一端连接为FC/APC型接口;
步骤2,将陶瓷插针用直径为20mm的圆形尺寸塑胶板固定在直径为22mm的不锈钢管套筒中;
步骤3,在陶瓷插芯的顶端对接上直径为20mm的Terfenol-D金属薄片,同时保持一定的微小距离,用胶水固定在不锈钢套筒中,制成磁致伸缩测量装置;
利用一种对磁致伸缩微形变测量的装置测量磁场强度的方法,包括以下步骤:
步骤1),通入直流电源,在螺旋线圈会产生相对应的磁场,当磁性金属薄片受到外部磁场作用会沿磁场方向发生伸缩形变;
步骤2)当Terfenol-D金属薄片发生形变时,磁致伸缩测量装置中的腔长会随Terfenol-D金属薄片一起发生形变,光纤法珀磁场传感器腔长变化会通过解调仪将信息传递到计算机上,从而获取腔长的变化数据;
步骤3),测量多组不同电压导致螺旋线圈产生的磁场所对应的磁致伸缩Terfenol-D材料薄片微形变量,最后进行多组数据拟合;
步骤4),测量的磁致伸缩的伸缩量Δε与F-P传感器腔长变化量
Figure BDA0002726557670000063
相同,即
Figure BDA0002726557670000061
式中:ΔL和L是磁致伸缩材料的原始长度及磁化后长度的变化;
步骤5),得出磁场强度H作用下,磁致伸缩材料沿轴向方向的磁致伸缩与外加磁场关系式为:
Figure BDA0002726557670000062
式中:L—磁致伸缩材料长度;ΔL磁致伸缩材料的长度的变化;C—磁致伸缩材料的伸缩系数;
步骤6),根据上式得出磁场强度H与磁致伸缩的伸缩量Δε和F-P传感器腔长变化量
Figure BDA0002726557670000072
关系为:
Figure BDA0002726557670000071
便可求出待测磁场强度的大小。
参见图1(a)、图1(b)、图2所示,本发明的磁致伸缩测量装置,包括单模光纤1,把光纤的一端插入陶瓷插芯2的尾端,用环氧树脂将接口粘黏,光纤的另一端连接为FC/APC型接口。用一直径为20mm的圆形塑胶板,用环氧树脂固定于直径为22mm的不锈钢套筒3中,以陶瓷插芯2的另一端构成以空气为介质的珐珀腔4。珐珀腔4分别以陶瓷插芯2和Terfenol-D金属薄片5为两个反射面。在磁场的作用下,Terfenol-D金属薄片5会沿磁场方向发生形变从而改变珐珀腔4的腔长,与光纤相连接的陶瓷插芯2拾取珐珀腔变化所对应的光学信号,通过解调得到腔长形变量,实现对磁致伸缩微形变的测量。
如图2所示,本发明的磁致伸缩微形变量测量步骤为:将螺旋线圈7右端接入直流电压源8的正极,左端接入直流电压源8的负极,通入5V直流电源,基于电磁学理论预先判断磁场方向,将磁致伸缩测量装置6放置于螺旋线圈7左端,使Terfenol-D金属薄片5沿磁场方向发生形变,将Terfenol-D金属薄片5的磁致伸缩微形变量对应的珐珀腔变化量通过解调仪解调出来,便得到相对的微小磁致伸缩形变量。

Claims (4)

1.一种对磁致伸缩微形变测量的装置,包括有采用光纤(1),其特征在于,光纤(1)的一端插接在光纤插芯(2)的尾部;光纤插芯(2)位于不锈钢管(3)内腔左端;不锈钢管(3)的右端口设有Terfenol-D金属薄片。
2.根据权利要求1所述的一种对磁致伸缩微形变测量的装置,其特征在于,所述的光纤插芯(2)采用陶瓷光纤插芯。
3.一种对磁致伸缩微形变测量的装置的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1,把光纤的一端插入陶瓷插芯的尾端,用环氧树脂将接口粘黏,光纤的另一端连接为FC/APC型接口;
步骤2,将陶瓷插针用直径为20mm的圆形尺寸塑胶板固定在直径为22mm的不锈钢管套筒中;
步骤3,在陶瓷插芯的顶端对接上直径为20mm的Terfenol-D金属薄片,同时保持一定的微小距离,用胶水固定在不锈钢套筒中,制成磁致伸缩测量装置。
4.利用一种对磁致伸缩微形变测量的装置测量磁场强度的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1),通入直流电源,在螺旋线圈会产生相对应的磁场,当磁性金属薄片受到外部磁场作用会沿磁场方向发生伸缩形变;
步骤2)当Terfenol-D金属薄片发生形变时,磁致伸缩测量装置中的腔长会随Terfenol-D金属薄片一起发生形变,磁致伸缩微形变量测量装置的腔长变化会通过解调仪将信息传递到计算机上,从而获取腔长的变化数据;
步骤3),测量多组不同电压导致螺旋线圈产生的磁场所对应的磁致伸缩Terfenol-D材料薄片微形变量,最后进行多组数据拟合;
步骤4),测量的磁致伸缩的伸缩量Δε与F-P传感器腔长变化量
Figure FDA0002726557660000021
相同,即
Figure FDA0002726557660000022
式中:ΔL和L是磁体的原始长度及磁化后长度的变化;
步骤5),得出磁场强度H作用下,磁致伸缩材料沿轴向方向的磁致伸缩与外加磁场关系式为:
Figure FDA0002726557660000023
式中:L—磁致伸缩材料长度;ΔL磁致伸缩材料的长度的变化;C—磁致伸缩材料的伸缩系数;
步骤6),根据上式得出磁场强度H与磁致伸缩的伸缩量Δε和F-P传感器腔长变化量
Figure FDA0002726557660000024
关系为:
Figure FDA0002726557660000025
可求出待测磁场强度的大小。
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