CN113805127A - 一种磁致伸缩材料性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩材料性能测试装置和方法，其中测试装置包括主体部件、第一扣件、第二扣件、励磁线圈、励磁线圈龙骨、磁感测量线圈、霍尔探头、电阻应变片、材料测试样件、螺纹锁紧压盖、T型加压杆、压力气体连接管或弹性元件。本发明采用环氧树脂将励磁线圈、磁感测量线圈、霍尔探头与励磁线圈龙骨固化成一体，通过螺纹连接、螺纹锁紧压盖将测试装置各部件固定在一起，形成稳定的结构。本发明的测试装置具有体积小、重量轻、一体化、结构稳定的特点，能够安装在振动试验台、冲击试验台上以及放置在温度试验箱中，测试磁致伸缩材料在振动、冲击、温度条件下磁化性能、磁致伸缩性能及温度稳定性。

Description

一种磁致伸缩材料性能测试装置及方法

本申请为申请日：2020年8月6日、申请号：202010782001.1、发明创造名称‘一种磁致伸缩材料性能测试装置及方法’的分案申请。

技术领域

本发明属于磁测量领域，特别是一种测试磁致伸缩材料在振动、冲击及温度环境下磁性能参数的装置及方法。

背景技术

磁致伸缩材料属于一种磁性功能材料，或者说更近似于一种软磁材料。磁致伸缩材料能够被外部磁场磁化，使材料内部的磁化状态发生改变产生磁感，同时材料形状/尺寸发生变化，当外部磁场消除后，材料恢复原状，即磁感减退，形状尺寸恢复或近似恢复到磁化前的状态，这种因外部磁场磁化使材料的磁化状态发生变化导致的材料形状尺寸变化称为‘磁致伸缩效应’，形状尺寸变化率称为‘磁致伸缩系数’。描述材料磁化后的磁化状态值称为‘磁化强度’或‘磁感强度’，磁感强度表征材料所处的磁化状态。磁感强度与外磁场强度的比值称为材料的磁导率，磁导率也是表示材料易磁化程度的参数，磁导率越大，材料越容易磁化，也就是材料达到相同磁化状态所需的外部磁场强度越小。通常情况下，软磁材料对应力或外部力作用非常敏感，材料存在内应力或受外部力作用时，材料的磁导率会大幅下降，材料的磁化状态也会发生改变。此外，磁性材料的磁性能都与温度有关，随着温度变化，材料的磁性能发生改变，对于磁致伸缩材料来说，随着温度变化，材料的磁致伸缩系数发生改变。磁致伸缩材料是应力敏感、温度敏感性材料，材料的磁致伸缩性能、磁化性能等参数因材料的受力状态、温度环境的不同而不同。

典型的磁致伸缩材料有稀土铽镝铁超磁致伸缩材料、铁镓大磁致伸缩材料以及具有较大磁致伸缩系数的高饱和磁感强度铁钴钒软磁合金(1J22合金)等，其它具有磁致伸缩效应的材料还有铁铝磁致伸缩合金、铁氧体磁致伸缩材料等。这些材料在外磁场作用下能够产生磁致伸缩应变和力输出现象，是用于驱动器件和声换能器件的重要机电转换材料。其中稀土铽镝铁超磁致伸缩材料、铁镓大磁致伸缩材料具有最大的饱和磁致伸缩系数，分别达到1800ppm、340ppm以上，而其它磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数在100ppm以下。磁致伸缩材料无论是在静态或动态下使用，都会受到来自预应力、荷载应力及振动冲击产生的交变外力的作用，其中交变外力在实际过程中是随机变化不可控的。振动冲击力来源于磁致伸缩换能器工作时自身结构振动；其次是材料发生伸缩应变，预应力机构中的弹性元件的压缩量变化导致的应力变化；最后是来自换能器工作环境的振动冲击产生的冲击力。因此，考察磁致伸缩材料的性能时，不仅是需要测定材料在固定应力值下的参数，还需要测定材料在振动冲击应力下的性能参数稳定性，即需要在各种冲击、振动环境下测试材料性能参数及参数稳定性指标，为材料应用及设计提供参考数据。除铁氧体磁致伸缩外，其它磁致伸缩材料是属于合金材料，合金材料具有电阻率低的特点，在交流或动态磁场驱动下，因涡流热导致材料温度升高，使材料工作温度点发生变化。此外，磁致伸缩材料工作温度也可能随应用器件所处工作环境温度发生变化。目前磁致伸缩材料的性能参数都是室温下测定的数据，而磁致伸缩材料属于温度敏感材料，材料的性能会随温度发生变化，特别是一些材料磁结构会随温度发生转变，发生材料易磁化方向、磁有序/无序、铁磁/顺磁转变等现象，导致材料性能发生根本改变。因此，考察磁致伸缩材料的性能时，仅仅测量材料在室温下的磁性能是不够的，还需要测定材料在偏离室温下的性能，需要在模拟温度环境中对材料在不同温度下性能进行测定，确定材料的温度系数或温度稳定性，为材料应用和设计提供参数。

中国发明专利申请号No.201410251901.8公开了一种“磁致伸缩材料参数特性测试装置及其方法”，该发明涉及磁致伸缩材料测试时加载在磁致伸缩材料上的预压应力和负载力的分离，并通过调整测试装置中设置的第一调整螺母和第二调整螺母分别对两组碟簧元件的压缩量来调节加载在磁致伸缩材料上的预压应力和负载应力。采用一套激光位移测量系统测试顶杆的位移来测量材料的磁致伸缩系数，顶杆与被测试的磁致伸缩材料联结，磁致伸缩材料在磁场作用下磁化产生沿轴向尺寸变化，推动顶杆位移，顶杆的位移量与材料的磁化形变量相等。该装置中设置有三个磁化线圈、磁致伸缩材料表面设有霍尔传感器和检测线圈，这些设置没有固定机构，在振动冲击环境下会随振动冲击发生震荡，不能实现稳定测量。此外，激光位移测量装置也没有考虑振动环境及振动产生的激光探头与顶杆相对位移对测量影响的问题。此外，在冲击振动环境下，弹性元件(此发明装置中采用的是碟簧)受冲击振动作用会发生应力变化，从而改变加载在磁致伸缩材料上的预应力和荷载力，使磁致伸缩材料受力发生变化，所以不能满足材料预设应力稳定的测试条件要求。该发明申请没有涉及磁致伸缩材料温度性能测试的问题。

中国发明专利ZL 201410257922.0(CN104062610B)公开了一种’磁致伸缩材料的磁特性测试装置及检测方法’，涉及一种在不同预应力下测试磁致伸缩材料磁特性的装置，或称测试测试磁致伸缩材料在不同预应力下的磁特性的装置。该发明的装置采用是一种框架结构，通过一个手摇剪式千斤顶对磁致伸缩材料施加轴向压力，并用框架中上、下两个称重传感器测量施加在磁致伸缩材料上的压力，旋转剪式千斤顶的调节丝杠，改变千斤顶的高度，通过框架的限位改变对磁致伸缩材料顶进压力。这种手摇剪式千斤顶的调节丝杠控制精确低，不具有精确调控剪式千斤顶升降高度的功能，因此其应力调节精度低，控制应力稳定能力差。同时，由于采用的是机械框架结构，测试过程中，当磁致伸缩材料磁化发生轴向伸长时，因框架结构限制，磁致伸缩材料受力将增大，当磁致伸缩材料退磁发生轴向缩短或负磁致伸缩系数材料磁化材料缩短时，材料的受力将减小，因此这种机械框架结构和加力方式难于获得稳定的预应力。同时该发明的测试装置采用的是分体结构单元通过框架限制组合在一起，不具有稳定的结构，不能放在振动冲击台上开展冲击振动下测试磁致伸缩材料性能稳定性的测试试验。

中国发明专利ZL 201310530487.X(CN103558569B)公开了一种‘磁致伸缩材料磁特性测试仪’，该发明的测试仪包括主测量部件、标准力传感器、应力施加装置和永磁体，其中应力施加装置由顶盖、油缸、油池底座、油池底座上端及穿过油池底座上端与手轮一体的螺杆组成。转动手轮，升降螺杆，限定磁致伸缩棒的机械位置，给油缸中的油加压，使顶盖提升对磁致伸缩材料加压。这个应力施加装置的特征是一台粉末油压压片机。该发明的测试仪采用的是机械结构限位和油压压片机加压的方式对磁致伸缩材料进行加压测试材料的磁特性。由于压片机中油介质是不可压缩的，以及转动手轮及升降螺杆的机械限位，施加压力后磁致伸缩材料轴向结构空间距离被固定限制，不能发生改变，当磁致伸缩材料磁化发生伸长或缩短时，材料的形变将受到限制或由于形变，材料的受力将发生改变，影响测试稳定性。此外，该发明的测试仪是一种分体式结构，各部分间没有稳定地固定在一起，不适合在振动冲击台上做冲击振动试验，同时，笨重的粉末油压压片机也不适合安装在振动冲击试验台上进行磁致伸缩材料性能测试应用。采用油压机的加力结构，由于体积和液压油的原因也不适合在高温、低温及宽的温度范围进行磁致伸缩材料温度性能测试使用。

中国发明专利申请号No.201810709773.5公开了‘一种大磁致伸缩材料的测量装置和方法’，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。该装置仅用于测量磁致伸缩材料在压应力下的磁致伸缩系数，不具有测量材料其它磁性能的功能。装置中压力加载特征为压力控制单元控制气缸加压或减压，连接在气缸活塞上连接杆带动第一压力杆、第二压力杆进行上下运动，第一压力杆和第二压力杆平行设置，一端与连接杆连接，另一端分别与压力块上两个凹槽中的钢珠抵接，厚重的压力块放置在被测磁致伸缩材料上方，由气缸产生的压力施加在压力杆上，压力杆的压力通过钢珠传递到压力块，再经压力块传递到磁致伸缩材料。测量装置的励磁磁场部分由框架型结构的磁轭、上极柱、上极头、下极柱、下极头以及上极柱线包(励磁线圈)、下极柱线包(励磁线圈)组成，由直流励磁电源向线包输入直流电流产生静态磁场。测试样品放置在下极头上，测量板在测试样品上，压力块放置在测量板上。磁致伸缩材料在磁场磁化下发生轴向形变，使测量板发生位移，采用激光测位仪测量测量板的位移，计算磁致伸缩材料的磁致伸缩系数。该测量装置的预应力加载机构复杂、不稳定，框架结构的磁轭体积大、质量重，各部件之间无抗冲击振动结构要求的固定连接与配合，并且激光测量要求很高的振动稳定环境。因此，该测试装置不适合测量磁致伸缩材料在冲击振动环境和变温环境下的磁性能。

因此，针对磁致伸缩材料磁致伸缩性能及磁化性能的测试，特别是对于应力及温度敏感的磁致伸缩材料在振动、冲击及温度环境下的性能测试，需要一种结构稳定、体积小、重量轻、可移动安装，能够满足冲击、振动、温度试验条件下测试磁致伸缩材料磁化性能、磁致伸缩性能及性能稳定性测试要求的测试装置和测试方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种测试磁致伸缩材料的磁性能的测试装置及方法，可在冲击、振动和温度环境状态下，对材料的磁化性能、磁致伸缩性能、温度性能稳定性进行测量；该装置体积小、重量轻、一体化、结构稳定，并能够安装在振动试验台上及冲击试验台上或温度试验箱中。

为了实现上述的目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种磁致伸缩材料磁性能测试装置，包括励磁线圈2、励磁线圈龙骨3、磁感测量线圈4、霍尔探头5和电阻应变片6，在励磁线圈龙骨3中心放置材料测试样件7，电阻应变片6粘贴在材料测试样件7表面，该测试装置16还包括：带安装底座的主体部件1、T型加压杆9、第一扣件11、第二扣件13和压力气体连接管13-2；

主体部件1为具有上端开口的管状空腔，空腔内的螺纹锁紧压盖8将空腔分为上部和下部，上部与第一扣件11连接，下部用于容纳材料测试样件7、励磁线圈龙骨3、励磁线圈2、磁感测量线圈4及霍尔探头5，材料测试样件7下端面与主体部件1内底部形成端面面接触；第一扣件11、第二扣件13为具有孔腔的台阶型圆台型件；

所述主体部件1与第一扣件、第二扣件为如下可拆卸的刚性连接：第一扣件11下端与主体部件1上部连接，第二扣件13下端与第一扣件11上端连接；第一扣件11与第二扣件13之间有静态密封，第一扣件11与第二扣件13之间形成圆柱形空腔11-1；

圆柱形空腔11-1内有加压气体，用于给T型加压杆9施加压力；

T型加压杆9一端为圆台、一端为圆杆，圆台侧面有环形凹槽，T型加压杆9安置在圆柱形空腔11-1内，安置在环形凹槽中的第一密封圈10与圆柱形空腔11-1侧壁形成滑动密封；圆杆穿过第一扣件11下端底面和锁紧盖8抵触在材料测试样件7的上端面；

励磁线圈2、磁感测量线圈4、霍尔探头5与励磁线圈龙骨3由环氧树脂固化成一体；

该测试装置安装在冲击试验台、振动试验台上或温度环境试验箱中，用于测量材料在冲击、振动、温度环境下的磁性能、磁致伸缩性能及温度性能。

主体部件1的下部为圆盘式底座1-2，圆盘式底座1-2上有对称均布的四个均布的、与主体部件中心距离相等的安装孔1-1，通过螺母、螺杆将测试装置16固定在振动试验台或冲击试验台上。

励磁线圈2绕制在励磁线圈龙骨3外侧，并用环氧树脂将励磁线圈2与励磁线圈龙骨3固化成一体；磁感测量线圈4及霍尔探头5镶嵌固定在励磁线圈龙骨3内侧，采用环氧树脂将磁感测量线圈4、霍尔探头5与励磁线圈龙骨3固化成一体。

所述第一扣件11为有台阶的圆台件，中心为侧壁光滑的圆柱形空腔11-1，直径大的一端为上端，上端有第一扣件内螺纹11-3，上端顶面有安放第二密封圈12的环形凹槽；直径小的一端为下端，下端有第一扣件外螺纹11-2，下端底面中心有一圆形通孔，通孔的直径小于圆柱型空腔直径；第二扣件13为有台阶的圆台件，第二扣件中心有同心孔，直径小的一端为下端，下端的外侧有第二扣件外螺纹13-1，直径大的一端为上端，上端顶面中心有压力气体联结管13-2，上端的下端面为密封面。

主体部件1的上部为上端开口的管状空腔，上部内侧上端有主体部件内螺纹1-5，侧壁有励磁线圈电线引入通孔1-3和测试信号线引入通孔1-4。

所述螺纹锁紧压盖8为有中心通孔和外侧螺纹的圆环，与主体部件1螺纹连接，用于将励磁线圈2、励磁线圈龙骨3、磁感测量线圈4、霍尔探头5封装固定在主体部件1的下部空腔内，与主体部件1固定成为稳定的整体。

第二扣件13与第一扣件11螺纹连接，第一扣件11与主体部件1螺纹连接，使第二扣件13、第一扣件11与主体部件1成为稳定的整体。

T型加压杆的圆台侧面有设置第一密封圈10的环形凹槽。

主体部件1、螺纹锁紧压盖8、T型加压杆9采用具有良好导磁性能的材料加工制作，所述材料为选自电工纯铁、铁钴合金、铁镍合金、低碳钢中的一种。

压力气体连接管13-2与外部的调压阀、压力罐或高压气瓶连接，向圆柱形空腔11-1注入加压气体，经T型加压杆9向材料测试样件7施加压力，并通过调压阀调节气体压力调整对测试样件施加的压力值。

在圆柱形空腔11-1中用弹性元件14代替加压气体，由弹性元件14通过T型加压杆9向材料测试样件7施加压力。

通过调节第二扣件13与第一扣件11的螺纹进入量调节弹性元件14的压缩变形量调整对T形加压杆9的压力，并将压力施加到材料测试样件7上，所述的弹性元件14为蝶形弹簧组、螺形圈弹簧中的一种。

一种应用如所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置的测试方法，该方法包括如下步骤：

1)采用环氧树脂将励磁线圈2、磁感测量线圈4、霍尔探头5与励磁线圈龙骨3固化成一体；

2)用螺纹锁紧压盖8将上述励磁线圈2、励磁线圈龙骨3、磁感测量线圈4、霍尔探头5封装固定在主体部件1的下部空腔内；

3)将材料测试样件7放置在励磁线圈龙骨3中心，电阻应变片6粘贴在材料测试样件7表面；

4)将所述主体部件1与第一扣件、第二扣件形成如下可拆卸的刚性连接：第一扣件11与主体部件1螺纹连接，第二扣件13与第一扣件11螺纹连接，使主体部件1、第一扣件和第二扣件通过螺纹连接成为稳定的整体；

5)通过向T型加压杆加力对材料测试样件7施加预应力，加力方式为加压气体加压或弹性元件加压；

6)将各个部件固定为稳定的整体的测试装置安装在振动试验台、冲击试验台上或放置在温度试验箱中，测量材料测试样件7在振动、冲击、温度条件下的磁化性能、磁致伸缩性能及温度性能。

该测试装置与磁化电源、动/静态应变仪、高斯计、磁通计、数据采集计算机连接，用于磁致伸缩材料或软磁材料的直流磁化性能、交流磁化性能、磁致伸缩性能的测试。

所述的磁致伸缩材料包括稀土超磁致伸缩材料、铁镓磁致伸缩材料、铁铝磁致伸缩材料以及其它具有磁致伸缩效应的材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

一、提供了一种重量轻、体积小、一体化、结构稳定，并具有安装底座的磁致伸缩材料测试装置，能够与振动试验台、冲击试验台、温度试验箱等试验装置安装在一起，在振动、冲击、温度环境下对磁致伸缩材料进行磁化性能、磁致伸缩性能、性能稳定性的测试。

二、提供了一种具有稳定结构的测试装置，该装置的励磁线圈、磁感测量线圈及霍尔探头与线圈龙骨通过环氧树脂胶固化成一体，并通过螺纹连接、螺纹锁紧压盖将各部件与主体部件锁紧固定在一起，保障振动、冲击试验中各部件不会发生相对位移，也不会发生撞击测试样件。

三、提供了一种振动、冲击下磁致伸缩材料应力稳定的加力结构，在稳定的预应力下测试材料振动、冲击下磁致伸缩及磁化性能。采用压力气体通过T型加压杆对磁致伸缩材料加预应力，利用气体具有可压缩性特点，稳定振动、冲击过程被测试材料的受力，使材料测试样件的预应力不受振动、冲击以及材料磁化形变的影响。

四、提供了一种振动、冲击下磁致伸缩材料应力不稳定的加力结构，采用弹性元件通过T型加压杆对磁致伸缩材料加预应力，在振动、冲击及材料磁化形变下材料应力发生变化，测试材料振动、冲击下磁致伸缩及磁化性能。

五、提供了一种具有施加预应力的轻便结构，并可安装在温度试验箱中，在预应力加载下测试磁致伸缩材料在不同温度和预应力下磁化和磁致伸缩性能的装置和方法。

本发明的测试装置具有许多重要的优点。首先，本发明的测试装置具有重量轻、体积小，全部组件和测试样件紧密固定连接在一起，形成稳定的结构，保障振动、冲击试验中各部件不会发生相对位移，也不会发生撞击测试样件的情况，并具有一体化安装底座，能够与振动试验台、冲击试验台、温度试验箱等环境试验装置固定安装在一起，能够提供在振动、冲击、温度环境下对磁致伸缩材料进行磁化性能、磁致伸缩性能、性能稳定性的测试及试验。其次，本发明装置的气体加压结构简单，只有一个带密封环的T型加压杆和一个具有管式内腔的扣件，通过外部注入的压力气体对测试样件施加预应力，没有复杂、庞大的气压包、加压气缸和加压机构，保证了本发明测试装置的简单、轻便、结构稳定的特点，能够很好地满足材料进行冲击、振动、温度环境下的性能测试和试验要求。第三，本发明装置采用压力气体通过T型加压杆对磁致伸缩材料加预应力，利用气体具有可压缩性特点，稳定冲击、振动下测试材料的受力，能够保证材料测试样件的预应力不受振动、冲击加速度以及材料磁化形变的影响，在稳定的预应力下测试材料冲击、振动下磁致伸缩性能及磁化性能，有利于测试数据的真实性、稳定性和重现性。第四，本发明的测试装置能够提供一种具有施加预应力的轻便结构，并可安装在温度试验箱中，在预应力加载下测试磁致伸缩材料在不同温度和预应力下磁化性能、磁致伸缩性能和温度系数。

本发明的测试装置可用于磁致伸缩材料包括稀土超磁致伸缩材料、铁镓磁致伸缩材料以及其它具有磁致伸缩效应的材料在振动、冲击、温度环境下磁致伸缩性能、磁化性能、性能稳定性等的测试，也可用于金属软磁材料在振动、冲击、温度、压力环境下磁性能测试。

附图说明

图1是本发明的磁致伸缩材料性能测试装置第一实施例，采用气体加压的结构示意图。

图2是本发明的第二实施例，采用弹性元件加压的结构示意图。

图3是本发明的第三实施例的结构示意图，该实施例为将测试装置安装在冲击、振动平台上。

图4是本发明的第四实施例的结构示意图，该实施例为将测试装置安装在温度环境试验箱中。

图5是本发明第三实施例中，测试磁致伸缩材料在冲击、振动下磁致伸缩系数的变化。

图6是本发明第四实施例中，测试磁致伸缩材料在高、低温范围磁致伸缩系数的变化。

图7是本发明的第五实施例，测试磁致伸缩材料在室温、常态(静态)下磁致伸缩系数随磁化场强度的变化。

图8是本发明的第五实施例，测试磁致伸缩材料在室温、常态(静态)下磁导率μ33随磁化场强度的变化。

附图标记

1主体部件 2励磁线圈 3龙骨

4磁感测量线圈 5霍尔探头 6电阻应变片

7材料测试样件 8螺纹锁紧压盖 9T型加压杆

10第一密封圈 11第一扣件 12第二密封圈

13第二扣件 14弹性元件 15隔热垫

16测试装置 17温度试验箱 18冲击、振动平台

1-1安装孔 1-2圆盘式底座 1-5主体部件内螺纹

1-3励磁线圈电源线引出通孔 1-4测量信号线引出通孔

11-1圆柱形空腔 11-2第一扣件外螺纹 11-3第一扣件内螺纹

13-1第二扣件外螺纹 13-2压力气体连接管

具体实施方式

附图显示仅用于说明目的的本发明的优先实施例及方法。为了更加清楚说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合具体实施方式、应用结果对本发明进一步详细描述说明。这些描述只是示例性的，而并非限制本发明的范围。专业技术人员从以下的讨论中描述的结构和方法可以替换实施例，但不背离本发明的原理。

实施例1-采用气体加压

图1是本发明的一种磁致伸缩材料磁性能测试装置的第一实施例的结构示意图。如图1所示，该实施例测试装置，包括带安装底座的主体部件1、励磁线圈2、龙骨3、磁感测量线圈4、霍尔探头5、电阻应变片6、材料测试样件7、螺纹锁紧压盖8、T型加压杆9、第一密封圈10、第一扣件11、第二密封圈12、第二扣件13、压力气体连接管13-2。

其中，主体部件1的下部为圆盘式底座1-2，圆盘式底座1-2上有对称均布的四个安装孔1-1，主体部件1的上部为上端开口的管状柱体，管状柱体内侧上端有主体部件内螺纹1-5，管状柱体的侧面有励磁线圈电源线引出通孔1-3和测量信号线引出通孔1-4；产生磁场的励磁线圈2绕制在励磁线圈龙骨3上，磁感测量线圈4镶嵌固定在励磁线圈龙骨3内侧，霍尔探头5镶嵌固定在励磁线圈龙骨3内侧，采用环氧树脂将励磁线圈2、磁感测量线圈4、霍尔探头5与励磁线圈龙骨3灌注固定成一体。中心为通孔、侧面有螺纹的螺纹锁紧压盖8，采用导磁材料，如电工纯铁制作，与主体部件1螺纹连接，将励磁线圈龙骨3锁紧固定在主体部件1中；第一扣件11为有台阶的圆台型件，中心为侧壁光滑的圆柱形空腔11-1，直径大的一端为上端，上端有第一扣件内螺纹11-3，上端顶面有安放密封圈的环形凹槽，直径小的一端为下端，下端有第一扣件外螺纹11-2，下端底面中心有一圆形通孔，通孔的直径小于圆柱形空腔11-1直径，第一扣件11通过第一扣件外螺纹11-2与主体部件内螺纹1-5连接，将第一扣件11与主体部件1固定在一起；第二扣件13为有台阶的圆台型件，第二扣件13中心有同心孔，直径小的一端为下端，下端的外侧有第二扣件外螺纹13-1，直径大的一端为上端，上端顶面有压力气体连接管13-2，第二扣件13通过下端的第二扣件外螺纹13-1与第一扣件11上端的第一扣件内螺纹11-3连接，第一扣件11上端顶面环形密封槽中的第二密封圈12与第二扣件13上端的下端面形成静态密封，第二扣件13通过第一扣件11与主体部件1固定在一起；一个一端为圆台、一端为圆杆的T型加压杆9，T型加压杆9的圆台侧面有环形凹槽，T型加压杆9安置在第一扣件11中，安置在环形凹槽中的第一密封圈10与圆柱形空腔11-1的光滑侧壁结合，形成滑动密封，T型加压杆9的圆杆通过第一扣件11下端底面的中心圆孔伸出第一扣件11与材料测试样件7的上端面接触，对材料测试样件7施加预应力；电阻应变片6按一定方向粘贴在材料测试样件7表面，材料测试样件7安置在励磁线圈龙骨3中心，下端面与主体部件1内底部形成端面面接触，上端面与T型加压杆9的下端面形成端面面接触。采用压力气体加压，按照材料测试样件7的横截面尺寸及设定的压强，计算出加压气体的压力，调整好气体压力，将压力气体通过压力气体连接管13-2引入第一扣件11的圆柱形空腔11-1，通过T型加压杆9对材料测试样件7施加预应力。

与外部的测量仪器、电源连接，如动/静态应变仪、高斯计、磁通计、锁相放大器、磁化电源等，给励磁线圈加载直流电流、交流电流、直流电流+交流电流，产生静态磁场、交变磁场及直流偏置+交变磁场，测试材料直流磁性能、交流磁性能及直流偏置交流磁性能，包括磁化性能、磁致伸缩性能等。

实施例2-采用弹性元件加压

图2是本发明的一种磁致伸缩材料磁性能测试装置的第二实施例的结构示意图。如图2所示，该实施例测试装置，包括带安装底座的主体部件1、励磁线圈2、励磁线圈龙骨3、磁感测量线圈4、霍尔探头5、电阻应变片6、材料测试样件7、螺纹锁紧压盖8、T型加压杆9、第一扣件11、第二扣件13、弹性元件14。其中主体部件1的下部为圆盘式底座1-2，底座上有对称均布的四个安装孔1-1，上部为上端开口的管状柱体，管状柱体内侧上端有主体部件内螺纹1-5，管状柱体的侧面有励磁线圈电源线引出通孔1-3和测量信号线引出通孔1-4；产生磁场的励磁线圈2绕制在励磁线圈龙骨3上，磁感测量线圈4镶嵌固定在励磁线圈龙骨3内测，霍尔探头5镶嵌固定在励磁线圈龙骨3内测，采用环氧树脂将励磁线圈、磁感测量线圈、霍尔探头与龙骨灌注固定成一体；中心为通孔、侧面有螺纹的螺纹锁紧压盖8，采用导磁材料，如电工纯铁制作，与主体部件1螺纹连接，将励磁线圈龙骨3锁紧固定在主体部件1中；第一扣件11为有台阶的圆台型件，中心为圆柱形空腔11-1，直径大的一端为上端，上端有第一扣件内螺纹11-3，直径小的一端为下端，下端有第一扣件外螺纹11-2，下端底面中心有一圆形通孔，通孔的直径小于圆柱形空腔11-1直径，第一扣件11通过第一扣件外螺纹11-2与主体部件1上端的主体部件内螺纹1-5连接，将第一扣件11与主体部件1固定在一起；第二扣件13为有台阶的圆台型件，直径小的一端为下端，下端的外侧有第二扣件外螺纹13-1，直径大的一端为上端，第二扣件13通过下端的第二扣件外螺纹13-1与第一扣件11上端的第一扣件内螺纹11-3连接，使第二扣件13、第一扣件11与主体部件1固定在一起；一个一端为圆台、一端为圆杆的T型加压杆9，T型加压杆9安置在第一扣件11中，T型加压杆9的上端安置有弹性元件14，本实施例中弹性元件14为蝶形弹簧组，T型加压杆9的圆杆通过第一扣件11下端底面的中心圆孔伸出第一扣件11与材料测试样件7的上端面接触，通过调节第二扣件13进入第一扣件11的螺纹深度调节弹性元件14的压缩量，对材料测试样件7施加预应力；电阻应变片6按一定方向粘贴在材料测试样件7表面，材料测试样件7安置在励磁线圈龙骨3中心，下端面与主体部件1内底部形成端面面接触，上端面与T型加压杆9的下端面形成端面面接触。按照材料测试样件7的横截面尺寸及设定的压强，计算出弹性元件14变形量和压力，通过T型加压杆9对材料测试样件7施加预应力。

与外部的测量仪器、电源连接，如动/静态应变仪、高斯计、磁通计、锁相放大器、磁化电源等，给励磁线圈加载直流电流、交流电流、直流电流+交流电流，产生静态磁场、交变磁场及直流偏置+交变磁场，测试材料直流磁性能、交流磁性能及直流偏置交流磁性能，包括磁化性能、磁致伸缩性能等。

实施例3-该测试装置连接到冲击、振动试验台

图3是本发明的一种磁致伸缩材料磁性能测试装置的第三实施例的结构示意图。如图3所示，该实施例为本发明测试装置16安装在冲击、振动试验台18上，其中包括测试装置16、冲击、振动试验台18。将磁致伸缩材料测试样件7放入测试装置16中，将第一扣件11通过螺纹旋入主体部件1中，将安装有第一密封圈10的T型加压杆9装入第一扣件11中。将第二密封圈12放置在第一扣件11上端的密封槽中，再将第二扣件13旋入第一扣件11中直至压紧第二密封圈12。采用M12的螺母、螺杆将测试装置16通过主体部件1的底座安装孔1-1安装固定在冲击、振动试验台18上。将压力气体连接管13-2通过压力调节阀与外部的压力气体罐或气瓶连接。将直流磁化电源、静态应变仪、高斯计、数据采集计算机与测试装置16连接。根据测试要求的预应力值确定压力气体的压力值，调节压力调节阀至设定的压力值，打开气阀联通压力气体对测试样件施加预应力。本实施例磁致伸缩材料测试样件的预应力值为8MPa，保持恒定。向测试装置16中的励磁线圈2加载4A直流电流，读出磁致伸缩材料的应变值，并保持电流恒定(即保持磁化场恒定)。按预先设定的振动、冲击模式启动振动台，测试记录磁致伸缩材料在振动、冲击状态下的应变值。

图5是实施例3采用本发明的测试装置在恒定预应力和磁化场下测试磁致伸缩材料的磁致伸缩性能在冲击、振动环境下变化测试试验结果，其中横坐标轴为振动、冲击持续时间，纵坐标轴为磁致伸缩系数。

实施例4-该测试装置安装到温度环境试验箱中

图4是本发明的一种磁致伸缩材料磁性能测试装置的第四实施例的结构示意图。如图4所示，该实施例为本发明测试装置安装在温度环境试验箱中，其中包括测试装置16、隔热垫块15、温度环境试验箱17。将磁致伸缩材料测试样件7放入测试装置16中，将第一扣件11通过螺纹旋入主体部件1中，分别将T型加压杆9、碟簧组14放入第一扣件11中，将第二扣件13通过螺纹旋入第一扣件11中压缩碟簧组14，根据测试要求的预应力值计算碟簧组14的压缩量，确定第二扣件13旋入第一扣件11的量值，本实施例预应力为6MPa。将调整好预应力的测试装置16放置在高低温温度环境试验箱17中，为了保持温度均匀，温度箱中有一块隔热垫块15，测试装置16放置在隔热垫块15上。通过温度箱的接线口将直流磁化电源、静态应变仪、高斯计、数据采集计算机与测试装置16连接。测试过程由低温向高温进行逐渐升温。首先将测试箱温度调整到130K，温度稳定后，向测试装置16中的励磁线圈2加载3.2A直流电流，并保持，读取应变仪数据，并逐渐升温到下一个测试温度点，温度稳定后读取应变值。

图6是实施例4磁致伸缩材料测试样件在恒定磁化场、恒定预应力下磁致伸缩系数随温度的变化的测试结果，其中横坐标轴为温度，纵坐标轴为磁致伸缩系数。

实施例5-该装置在静态下测试磁致伸缩材料磁致伸缩系数、磁导率随磁化场强度 的变化

图7、图8是采用本发明的一种磁致伸缩材料磁性能测试装置在常态(静态)下测试磁致伸缩材料磁致伸缩系数、磁导率随磁化场强度的变化的实例。测试材料样件预应力9MPa，采用压力气体加压。

本发明内容和实施例的描述，提供了一种磁致伸缩材料性能测试装置和方法。以上讨论仅仅揭示和描述本发明的示例性方法和实施例，并不局限于所描述的实施例与改进。本领域的技术人员将会看到，本发明可以以其它具体形式实现而不超出本发明的权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种磁致伸缩材料磁性能测试装置，包括励磁线圈(2)、励磁线圈龙骨(3)、磁感测量线圈(4)、霍尔探头(5)和电阻应变片(6)，在励磁线圈龙骨(3)中心放置材料测试样件(7)，电阻应变片(6)粘贴在材料测试样件(7)表面，其特征在于：

该测试装置(16)还包括：带安装底座的主体部件(1)、T型加压杆(9)、第一扣件(11)、第二扣件(13)；

主体部件(1)为具有上端开口的管状空腔，空腔内的螺纹锁紧压盖(8)将空腔分为上部和下部，上部与第一扣件(11)连接，下部用于容纳材料测试样件(7)、励磁线圈龙骨(3)、励磁线圈(2)、磁感测量线圈(4)及霍尔探头(5)，材料测试样件(7)下端面与主体部件(1)内底部形成端面面接触；第一扣件(11)、第二扣件(13)为具有孔腔的台阶型圆台型件；

所述主体部件(1)与第一扣件、第二扣件为如下可拆卸的刚性连接：第一扣件(11)下端与主体部件(1)上部连接，第二扣件(13)下端与第一扣件(11)上端连接；第一扣件(11)与第二扣件(13)之间有静态密封，第一扣件(11)与第二扣件(13)之间形成圆柱形空腔(11-1)；

圆柱形空腔(11-1)内有弹性元件(14)，用于给T型加压杆(9)施加压力；

T型加压杆(9)一端为圆台、一端为圆杆，圆台侧面有环形凹槽，T型加压杆(9)安置在圆柱形空腔(11-1)内，安置在环形凹槽中的第一密封圈(10)与圆柱形空腔(11-1)侧壁形成滑动密封；圆杆穿过第一扣件(11)下端底面和锁紧盖(8)抵触在材料测试样件(7)的上端面；

励磁线圈(2)、磁感测量线圈(4)、霍尔探头(5)与励磁线圈龙骨(3)由环氧树脂固化成一体；

该测试装置安装在冲击试验台、振动试验台上或温度环境试验箱中，用于测量材料在冲击、振动、温度环境下的磁性能、磁致伸缩性能及温度性能。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：主体部件(1)的下部为圆盘式底座(1-2)，圆盘式底座(1-2)上有对称均布的、与主体部件中心距离相等的安装孔(1-1)，通过螺母、螺杆将测试装置(16)固定在振动试验台或冲击试验台上。

3.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：励磁线圈(2)绕制在励磁线圈龙骨(3)外侧，并用环氧树脂将励磁线圈(2)与励磁线圈龙骨(3)固化成一体；磁感测量线圈(4)及霍尔探头(5)镶嵌固定在励磁线圈龙骨(3)内侧，采用环氧树脂将磁感测量线圈(4)、霍尔探头(5)与励磁线圈龙骨(3)固化成一体。

4.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：所述第一扣件(11)为有台阶的圆台件，中心为侧壁光滑的圆柱形空腔(11-1)，直径大的一端为上端，上端有第一扣件内螺纹(11-3)，上端顶面有安放第二密封圈(12)的环形凹槽；直径小的一端为下端，下端有第一扣件外螺纹(11-2)，下端底面中心有一圆形通孔，通孔的直径小于圆柱型空腔直径；第二扣件(13)为有台阶的圆台件，第二扣件中心有同心孔，直径小的一端为下端，下端的外侧有第二扣件外螺纹(13-1)，直径大的一端为上端。

5.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：主体部件(1)的上部为上端开口的管状空腔，上部内侧上端有主体部件内螺纹(1-5)，侧壁有励磁线圈电线引入通孔(1-3)和测试信号线引入通孔(1-4)。

6.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：所述螺纹锁紧压盖(8)为有中心通孔和外侧螺纹的圆环，与主体部件(1)螺纹连接，用于将励磁线圈(2)、励磁线圈龙骨(3)、磁感测量线圈(4)、霍尔探头(5)封装固定在主体部件(1)的下部空腔内，与主体部件(1)固定成为稳定的整体。

7.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：第二扣件(13)与第一扣件(11)螺纹连接，第一扣件(11)与主体部件(1)螺纹连接，使第二扣件(13)、第一扣件(11)与主体部件(1)成为稳定的整体。

8.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：T型加压杆的圆台侧面有设置第一密封圈(10)的环形凹槽。

9.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：主体部件(1)、螺纹锁紧压盖(8)、T型加压杆(9)采用具有良好导磁性能的材料加工制作，所述材料为选自电工纯铁、铁钴合金、铁镍合金、低碳钢中的一种。

10.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：在圆柱形空腔(11-1)中的弹性元件(14)通过T型加压杆(9)向材料测试样件(7)施加压力。

11.根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置，其特征在于：通过调节第二扣件(13)与第一扣件(11)的螺纹进入量调节弹性元件(14)的压缩变形量调整对T形加压杆(9)的压力，并将压力施加到材料测试样件(7)上，所述的弹性元件(14)为蝶形弹簧组、螺形圈弹簧中的一种。

12.一种应用如根据权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置的测试方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)采用环氧树脂将励磁线圈(2)、磁感测量线圈(4)、霍尔探头(5)与励磁线圈龙骨(3)固化成一体；

2)用螺纹锁紧压盖(8)将上述励磁线圈(2)、励磁线圈龙骨(3)、磁感测量线圈(4)、霍尔探头(5)封装固定在主体部件(1)的下部空腔内；

3)将材料测试样件(7)放置在励磁线圈龙骨(3)中心，电阻应变片(6)粘贴在材料测试样件(7)表面；

4)将所述主体部件(1)与第一扣件、第二扣件形成如下可拆卸的刚性连接：第一扣件(11)与主体部件(1)螺纹连接，第二扣件(13)与第一扣件(11)螺纹连接，使主体部件(1)、第一扣件和第二扣件通过螺纹连接成为稳定的整体；

5)通过向T型加压杆加力对材料测试样件(7)施加预应力，加力方式为弹性元件加压；

6)将各个部件固定为稳定的整体的测试装置安装在振动试验台、冲击试验台上或放置在温度试验箱中，测量材料测试样件(7)在振动、冲击、温度条件下的磁化性能、磁致伸缩性能及温度性能。

13.一种如权利要求1所述的磁致伸缩材料磁性能测试装置的用途，其特征在于：该测试装置与磁化电源、动/静态应变仪、高斯计、磁通计、数据采集计算机连接，用于磁致伸缩材料或软磁材料的直流磁化性能、交流磁化性能、磁致伸缩性能的测试。

14.根据权利要求13所述的用途，其特征在于：所述的磁致伸缩材料包括稀土超磁致伸缩材料、铁镓磁致伸缩材料、铁铝磁致伸缩材料以及其它具有磁致伸缩效应的材料。

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