CN201382897Y - 改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置，包括迈克尔逊干涉仪和磁化测量系统，磁化测量系统由交流螺线管、交流调压器、电流计、滑动变阻器、直流稳压源以及开关构成，交流螺线管内置有挡板、待测样品及反射镜，交流调压器、电流计、滑动变阻器、直流稳压源以及开关均置于外电路中。本实用新型装置的优点在于：通过光学干涉法所能测量的磁致伸缩系数的数量级可达到10^－7，实验测量数据精确、可靠，同时简化了实验装置的结构，降低了成本，培养了学生的动手能力。

Description

改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置

技术领域

本实用新型涉及一种测量磁致伸缩系数的装置，特别涉及对迈克尔逊干涉仪的改进。

背景技术

磁致伸缩材料在磁场的作用下，长度发生变化，可以实现电磁能、机械能之间的转化，因此磁致伸缩在所有的磁性材料中起着重要的作用，被广泛用于磁致伸缩元器件的开发，迄今为止，该材料的应用器件的专利已达二千多个。磁致伸缩材料主要有铁氧体、Fe-Co-Sm-B系非晶和金、巨磁致伸缩材料、记忆合金磁致伸缩材料等。磁致伸缩材料因其优良特性而得到广泛的关注和应用。

磁致伸缩系数是表征磁致伸缩材料的一个重要特性。其实验现象是，当有一外加强磁场平行于一棒状样品轴线进行磁化时，磁场一方面克服磁各向异性能将磁矩取向于外磁场方向，另一方面棒的长度也将发生伸长或缩短。为此，对磁致伸缩系数的测量就显得尤为重要。

在现行的大学物理实验中，磁致伸缩系数的测量多采用非平衡电桥的方法，即把作为桥臂的电阻应变片贴在待测样品上，将样品长度的变化转为桥臂电阻的变化进行测量。但是由于此方法中，温度及磁电阻效应等因素均会对实验产生一定的影响，电路中出现严重的漂移现象，导致测量难以准确进行。

此外，目前现有的技术中，磁致伸缩测量还采用智能测量系统、电容位移等方法。这些方法首先花费偏多，此外也不能够充分训练学生在大学物理实验中的动手能力。

实用新型内容

本实用新型为了克服上述缺陷，提供一种测量铁磁材料磁致伸缩系数的装置，本装置在现有大学物理实验“迈克尔逊干涉仪”的基础上作了改装。增加了磁化测量系统。

本实用新型的技术方案是：一种改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置，包括迈克尔逊干涉仪和磁化测量系统。迈克尔逊干涉仪上设置有导轨和反射镜，导轨上设置非磁性的挡板，待测样品放置于反射镜与挡板之间，所述磁化测量系统由交流螺线管、交流调压器、电流计、滑动变阻器、直流稳压源以及开关构成，所述交流螺线管内轴线位置置有挡板、待测样品及反射镜，所述交流调压器、电流计、滑动变阻器、直流稳压源以及开关均置于外电路中，所述交流螺线管为自绕制螺线管，螺线管内径为22cm，长度为20cm，螺线管上密绕直径为1mm的漆包线圈，线圈匝数为5000匝。螺线管用以提高磁场强度，使待测样品在强磁场下被磁化，从而使待测样品表现出磁致伸缩特性以及材料尺寸的变化，而材料尺寸的变化最终引起反射镜位置的改变，进而引起干涉条纹级数的变化。交流调压器为能够提供退磁用所需0～250V交流电压的调压器。实验开始前，为了避免样品本身已被磁化的影响，我们首先采用交流调压器对待测样品调压退磁。电流计可测量系统内安培级电流，即安培级电流计。实验过程中，记录电流变化情况，依据电流可计算得到磁场强度B的值(B＝μ₀nI)。在实验测量过程中，为了提供测量系统内变化的电流，在封闭测量系统中还安装有一滑动变阻器，滑动变阻器的可调电阻范围为0～200Ω。同时，在实验测量过程中，为确保电路正常工作，需提供0～80V的直流稳压源。

当螺线管线圈中通过电流I时，经计算其轴线处磁感应强度为B＝μ₀nI，待侧样品在磁场作用下其长度将发生变化，从而引起干涉条纹级数改变。设样品的伸缩量为ΔL，条纹级数改变量为ΔK，则由迈克尔逊干涉仪原理可知 $\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\ΔK\λ}}{2},$ 由伸缩量的改变计算样品磁致伸缩系数 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}=\frac{\mathrm{\ΔK\λ}}{2L}.$

本实用新型装置的优点在于：通过光学干涉法所能测量的磁致伸缩系数的数量级可达到10^-7，比一般测量的磁致伸缩系数10^-5高两个数量级，实验原理简单、意义深邃，实验测量数据精确、可靠，同时简化了实验装置的结构，降低了成本。采用这种装置不仅能够达到测量铁磁材料磁致伸缩系数的目的，而且整个实验的安装、测试、分析过程对培养学生学习大学物理实验的能力来说都有一定的帮助。

附图说明：

图1为改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数装置的实验原理图。

图2为改进的反射镜装置俯视图。

图3为迈克尔逊干涉仪俯视图。

图中：S-He-Ne激光器光源；G-扩束镜；G1-一面镀铝膜的平行平面玻璃；G2-与G1厚度和折射率相同的平行平面玻璃；M1、M2-反射镜；M1′-反射镜M1移动后的位置；1-交流螺线管；3-电流计；4-滑动变阻器；5-直流稳压电源；6-交流调压器；7、8-开关。9-毛玻璃片；10-挡板；11-导轨；12-底座；13-调平螺丝；14-丝杠；15-粗调手轮；16-毫米尺；17-防尘罩；18-微调手轮；19-拉簧螺丝；20-丝杠的顶进螺丝；21-螺丝；22-待测样品。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步说明。

如图1-3所示，一种改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置，包括迈克尔逊干涉仪和磁化测量系统。迈克尔逊干涉仪上设置有导轨11和反射镜M1，导轨上设置非磁性的挡板10，待测样品22放置于反射镜M1与挡板10之间，磁化测量系统由交流螺线管1、交流调压器6、电流计3、滑动变阻器4、直流稳压源5以及开关7、8构成，交流螺线管1内轴线位置置有挡板10、待测样品22及反射镜M1。交流调压器6、电流计3、滑动变阻器4、直流稳压源5以及开关7、8均置于外电路中。交流螺线管1为自绕制螺线管，螺线管内径为22cm，长度为20cm，在螺线管线圈上密绕5000匝直径为1mm的漆包线圈。交流螺线管1用以提高磁场强度，使待测样品在强磁场下被磁化，从而使铁磁材料样品表现出磁致伸缩特性。交流调压器6为能够提供退磁用所需交流电压的调压器。实验开始前，为了避免样品本身已被磁化的影响，先对待侧样品22采用交流调压器6调压退磁。电流计3可测量系统内安培级电流。实验过程中，记录电流变化情况，依据电流可计算得到磁场强度B的值(B＝μ₀nI)。在实验测量过程中，为了提供测量系统内变化的电流，在封闭测量系统中还安装有一滑动变阻器4，滑动变阻器4的可调电阻范围为0～200Ω。在实验测量过程中，提供了确保电路正常工作的0～80V直流稳压源5。

实验时按以下步骤实施：

(1)观察等倾干涉条纹

1)点亮He-Ne激光器S，使光束与分束板等高且位于沿一面镀铝膜的平行平面玻璃G1和反射镜M2的中心连线上。转动干涉仪粗调手轮15，使反射镜M1和M2两镜距一面镀铝膜的平行平面玻璃G1的中心大致相等(拖板上的标志线大约指在主尺的35.0mm位置)，以便于调出干涉条纹。

2)在激光器与一面镀铝膜的平行平面玻璃G1之间放上扩束镜G。此时从干涉仪前方朝一面镀铝膜的平行平面玻璃G1观察，可以看到分别有反射镜M1和反射镜M2反射产生的两组像。仔细调节反射镜M2后面的调节螺丝13使两组像重合(主要看两组中最亮的两个点重合)，先使反射镜M2反射的像逐步接近反射镜M1反射的像。如果难以重合，可略微调节一下反射镜M1镜后的三个螺丝。如果两组像确实完全重合了，就可以放上毛玻璃片9，则视场中就会出现明暗相间的干涉条纹。如果经过上述调整后，仍然看不到条纹(或干涉条纹很模糊)，可以轻轻地转动粗调手轮15半圈左右，使反射镜M1移动一下位置达到反射镜M1移动后的位置M1′，干涉条纹就会出现了。

3)在毛玻璃片9上看到干涉条纹后，仔细调节反射镜M2的两个拉簧螺丝19，把干涉条纹变粗，曲率变大，直到把条纹的圆心调至视场中央，视场中将出现明暗相间的等倾干涉同心圆环。然后旋转微调手轮18，观察干涉环的“冒”与“缩”现象。

(2)利用等倾干涉环测He-Ne激光的波长。

1)选定等倾干涉环清晰的区域，调整仪器的零点。

2)轻轻旋转微调手轮18(注意：要与调零点时的旋转方向相同)，每冒出(或缩进)50个干涉环记录一次反射镜M1的位置，连续记录六次。然后用逐差法求出激光的波长，并与标准值 $(\mathrm{\λ}=6238\stackrel{0}{A})$ 进行比较，计算百分差 $\left|\frac{\stackrel{0}{\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_0}\right|\×100\%.$

(3)如图1所示，合开关7，断开关8，形成交流磁化线圈1、电流计3、交流调压器6的闭环系统。将电流调到线圈的额定电流值，再缓慢减小到零。此步操作的目的是将铁磁材料样品退磁。

(4)如图1所示，合开关8，断开关7，形成交流磁化线圈1、电流计3、滑动变阻器4、直流稳压电源5的闭环系统。螺线管线圈接直流稳压电源5，调节滑动变阻器4的阻值Rw，通过改变电流大小，待测样品表现出磁致伸缩特性以及材料尺寸的变化，材料尺寸的变化最终引起反射镜M1移动一下位置达到反射镜M1移动后的位置M1′，进而引起干涉条纹级数的变化。观察并记录毛玻璃片9中条纹级数改变量ΔK及电流计3中相应的电流值I。

铁磁材料磁致伸缩系数的测定：本实用新型中利用改进迈克尔逊干涉仪测量磁致伸缩系数装置来完成铁磁材料样品磁致伸缩系数的测量。采用He-Ne激光器，光源波长为

激励螺线管线圈长20cm，内径22cm，共绕制5000匝。交流调压器为0～250V。对尺寸为0.5cm×0.5cm×8cm的含镍的铁基非晶合金样品的磁致伸缩系数进行实测。当螺线管线圈中通过电流I时，其轴线处磁感应强度B＝μ₀nI，待测样品22在磁场作用下长度将发生变化，从而引起测量到的干涉条纹级数改变。令样品伸缩量为ΔL，令相应条纹该变量为ΔK，则由迈克尔逊干涉仪原理可知 $\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\ΔK\λ}}{2},$ 由伸缩量的改变计算样品的磁致伸缩系数 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}=\frac{\mathrm{\ΔK\λ}}{2L}.$

以上实施例仅用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变化和变型，因此所有等同的实用新型方案属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由各项权利要求所限定。

Claims (6)

1、一种改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置，包括迈克尔逊干涉仪、和磁化测量系统，其特征在于：所述的迈克尔逊干涉仪上设置有导轨和反射镜，导轨上放置非磁性的挡板，待测样品放置于反射镜与挡板之间；所述磁化测量系统由交流螺线管、交流调压器、电流计、滑动变阻器、直流稳压源以及开关构成；所述交流螺线管内轴线位置设置有所述挡板、待测样品及反射镜；所述交流调压器、电流计、滑动变阻器、直流稳压源以及开关均置于外电路中。

2、根据权利要求1所述的一种改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置，其特征在于：所述交流螺线管为自绕制螺线管，螺线管内径为22cm，长度为20cm，螺线管上密绕直径为1mm的漆包线圈，线圈匝数为5000匝。

3、根据权利要求1所述的一种改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置，其特征在于：所述交流调压器为0～250V交流电压调压器。

4、根据权利要求1所述的一种改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置，其特征在于：所述电流计为安培级电流计。

5、根据权利要求1所述的一种改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置，其特征在于：所述滑动变阻器的可调电阻范围为0～200Ω。

6、根据权利要求1所述的一种改进迈克尔逊干涉仪测磁致伸缩系数的装置，其特征在于：所述直流稳压源直流供电电压为0～80V。

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