CN208506229U - 一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备 - Google Patents

Abstract

一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备，其中，该测量设备包括：磁轭(1)、第一电磁铁线包(2)、第二电磁铁线包(3)、下极头(4)和上极头(5)；所述磁轭(1)相对的两个内壁由外至内依次设置有所述第一电磁铁线包(2)和所述下极头(4)，以及所述第二电磁铁线包(3)和所述上极头(5)；所述第一电磁铁线包(2)的相对两侧分别设置有一个激光系统，用于分别测量被测样品在两个方向上的伸缩量。上述技术方案解决了无法准确测量被测样品磁致伸缩系数的问题。

Description

一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备

技术领域

本实用新型属于磁性材料测量领域，尤其涉及一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备。

背景技术

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。

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(Tb_xDy_1-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。

目前，国内大磁致伸缩系数的测量仪器的测量方法主要采用应变电阻式、电涡流式、电容式等。其中应变电阻法效果最好，应用最为广泛。应变电阻传感器是成熟的位移传感器，灵敏度高，一旦贴好，重复性极好，且应变电阻传感器本身的测量准确度也可以保证。然而在实际应用中，应变电阻传感器均为人工贴于被测材料之上，人为因素如：所贴位置、样品表面光洁度的选择、胶的种类和厚度、粘贴时使用压力的大小影响了测试结果的复现性，目前采用这种方法测量磁致伸缩系数，同一材料在不同实验室，甚至同一材料由不同的测试人员测量，获得的测量结果还很难让人满意。存在着各个实验室和科研工作者在其论文中发表的成果可比性较差的问题，这给磁致伸缩材料和应用的科学研究带来了不小的困难。

基于上述情况，需要使用一种绝对的、非接触的测量方法来解决此问题。目前，已经能查到的激光法也有一些，但是电磁铁线包使用的为螺线管，而且为单光路设计。

实用新型内容

(一)实用新型目的

本实用新型的目的是提供一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备。

(二)技术方案

为解决上述问题，本实用新型的第一方面提供了一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备，包括：磁轭、第一电磁铁线包、第二电磁铁线包、下极头和上极头；所述磁轭相对的两个内壁由外至内依次设置有所述第一电磁铁线包和所述下极头，以及所述第二电磁铁线包和所述上极头；所述第一电磁铁线包的上表面相对两侧分别设置有一个激光系统，用于分别测量被测样品在磁化方向上的伸缩量。

进一步，靠近每个所述激光系统的位置处分别设置有一个分光装置，外部激光头的激光经过两个所述分光装置分别进入对应的所述激光系统。

进一步，激光系统包括：平行设置的支撑部和测量板，所述支撑部靠近所述第一电磁铁线包设置，所述测量板靠近所述第二电磁铁线包设置；所述支撑部的两端分别设置有一个参考镜；所述测量板的两端分别设置有一个反射镜；所述下极头的两端分别设置有一个激光干涉仪；位于所述支撑部和所述测量板的同一侧的其中一个所述激光干涉仪、其中一个所述反射镜和其中一个所述参考镜形成一激光光路。

进一步，位于所述支撑部和测量板的同一侧的其中一个所述激光干涉仪、其中一个所述反射镜和其中一个所述参考镜位于竖直方向上的同一直线上；以所述测量板的中心线为对称轴，两个所述反射镜对称分布在所述测量板上；以所述支撑部的中心线为对称轴，两个所述参考镜对称分布在所述支撑部上；以所述下极头的中心线为对称轴，两个所述激光干涉仪对称分布在所述下极头的两侧。

进一步，所述第一电磁铁线包和所述第二电磁铁线包分别与励磁电源连接。

进一步，测量设备还包括：两个光学接收器，每个所述光学接收器分别连接至每个所述激光干涉仪。

进一步，测量设备还包括：依次连接的高斯计和磁场测量探头，所述磁场测量探头设置在所述测量板和所述支撑部之间。

进一步，所述励磁电源、两个所述光学接收器和所述高斯计分别连接至工控机。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下有益的技术效果：本实用新型通过在第一电磁铁线包的相对两侧分别设置有一个激光系统，用于分别测量被测样品在两个方向上的伸缩量，从而将两个方向上的伸缩量的平均值作为磁致伸缩系数的计量，提高了磁致伸缩系数测量的准确性，且实现了无接触测量，复现性达到了0.3％。

附图说明

图1是现有技术中采用电阻应片法测量大磁致伸缩材料伸缩性的装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备的结构示意图；

图3是本实用新型实施例的一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备的光路示意图；

图4是本实用新型实施例的一个大磁致伸缩样品在最大场为5000Oe时的磁致伸缩系数-磁场强度曲线图；

图5(a)是φ20*50尺寸的特镝铁样品在最大场为3000Oe时的磁致伸缩系数-磁场强度曲线图；

图5(b)是φ30*50尺寸的特镝铁样品在最大场为3000Oe时的磁致伸缩系数-磁场强度曲线图。

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：第一电磁铁线包；3：第二电磁铁线包；4：下极头； 5：上极头；6：分光装置；7：支撑部；8：测量板；9：参考镜；10：反射镜； 11：激光干涉仪；12：励磁电源；13：光学接收器；14：高斯计；15：磁场测量探头；16：工控机；17：激光头；18：被测样品。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、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，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。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实用新型的概念。

图1是现有技术中采用电阻应片法测量大磁致伸缩材料伸缩性的装置的结构示意图。

如图1所示，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。图1是国标推荐的测量方法。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。所贴位置、样品表面光洁度的选择、胶的种类和厚度、粘贴时使用压力的大小影响了测试结果的复现性。

现有技术方案一采用电阻应变片法，存在两个方面的缺点：(1)应变片所贴位置、样品表面光洁度的选择、胶的种类和厚度、粘贴时使用压力的大小都会影响测试结果的复现性；(2)只测量了应变片处的位移变化量，为局部测量，不能反映被测样品的整体性能。

其他也有采用电涡流式、电容式和激光法等测量装置，但是这些测量装置所用电磁铁线包均为螺线管，不是电磁铁作为电磁铁线包的，而且均为单光路。

传统的磁致伸缩系数的计算公式如下：

由上述公式可知，现有技术是通过直接测量被测样品在磁场中的位移变化量，而且仅仅是在一个方向上的位移变化量。但是由于测量板是直接放置在被测样品上方的，而磁致伸缩系数是测量的测量板的位移变化量，因此，如果测量板翘起，或者两端不平衡时，就会存在测量不准确的问题，故本实用新型从磁致伸缩系数的定义出发，提出了采用双路激光位移法测量大磁致伸缩材料磁致伸缩系数，磁致伸缩系数的计算公式如下：

其中：λ为磁致伸缩系数；ΔL为被测样品的伸长量，单位为mm；L为被测样品沿磁场方向的长度，单位为mm；ΔL1为一路激光系统测量得到的位移量，单位为mm；ΔL2为另外一路激光系统测量得到的位移量，单位为mm。

由公式(2)可知，可以将两路激光系统测得的位移量的平均值作为被测大磁致伸缩样品的实际伸长量。

按照公式(2)，要实现磁致伸缩系数λ的准确测量，则必须能够准确测量ΔL1和ΔL2，由于激光位移法是一种绝对的测量方法，能够直接测量样品的整体长度变化，测量结果由激光波长决定，因此能够提高测量结果的准确性，另外，可以实现无接触测量，复现性不受测量人员限制，同时采用电磁铁作为电磁铁线包，可以提供较高的磁场。因此本实用新型采用了具有1nm 分辨率的双路激光系统，通过合理的机械和光学结构设计，实现了大磁致伸缩系数的无接触、整体准确测量。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。

具体的测量装置请参见如下实施例的介绍：

图2是本实用新型实施例的一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备的结构示意图。

图3是本实用新型实施例的一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备的光路示意图。

如图2和图3所示，一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备，包括：磁轭1、第一电磁铁线包2、第二电磁铁线包3、下极头4和上极头5；磁轭1相对的两个内壁由外至内依次设置有第一电磁铁线包2和下极头4，以及第二电磁铁线包3和上极头5；第一电磁铁线包2的两侧(被测样品18的两侧)分别设置有一个激光系统，用于分别测量被测样品在两个方向上的伸缩量。

可选的，第一电磁铁线包2和第二电磁铁线包3均可以采用电磁铁。

其中，第一电磁铁线包2和下极头4设置在磁轭1的底面上，而第二电磁铁线包3和上极头5是设置在磁轭1的，但本实用新型不以此为限，也可以是第一电磁铁线包2和下极头4设置在磁轭1的顶部，而第二电磁铁线包 3和上极头5是设置在磁轭1的底面上。以下实施例均以第一电磁铁线包2 和下极头4设置在磁轭1的底面上，第二电磁铁线包3和上极头5设置在磁轭1的顶部进行说明。

激光系统是对称分布在被测样品18的两侧，当第一电磁铁线包2和第二电磁铁线包3通电在上极头5和下极头4之间产生电磁场之后，位于第一电磁铁线包2和第二电磁铁线包3之间的被测样品就会随着磁场的变化而伸长或缩短，通过两个激光系统分别测量被测样品在对称的两个方向上的位移变化量，从而能够更准确地测量磁致伸缩系数。

其中，被测样品是位于激光系统内部，由激光干涉仪接收外部激光头发射的激光，从而根据激光路程的变化测量得到位移变化量。

在一个实施方式中，采用一个激光头17，在激光头与每个激光系统之间分别设置一个分光装置6，外部激光头的激光经过两个分光装置6分别进入对应的激光系统。分光装置可以采用分光镜或者转向镜。

请继续参阅图2，激光系统包括：平行设置的支撑部7和测量板8，支撑部7靠近第一电磁铁线包2设置，测量板8靠近第二电磁铁线包3设置；支撑部7的两端分别设置有一个参考镜9；测量板8的两端分别设置有一个反射镜10，具体地，反射镜10是设置在测量板8的下表面；下极头4的两端分别设置有一个激光干涉仪11；支撑部7和测量板8同一侧的激光干涉仪11、反射镜10和参考镜9形成一激光光路。

依据上述配置，可以在测量装置周围放置一激光头，激光头发出的激光通过分光装置后，形成两路激光，进入到位于被测样品18左右两侧的两路激光干涉仪中，干涉仪输出的激光信号朝向正上方，一路通过参考镜发射，另一路通过固定在测量板上的测量反射镜反射，参考镜和测量镜反射的信号在重新回到干涉仪形成测量信号，实现了位移量的测量。本实用新型采用了在被测样品左右两侧各放置一套相同的激光系统的方式进行测量，主要原因是：其一是因为要在被测样品顶端施加压力，无法同时在顶部实现测量。其二是因为如果在侧面测量的话，由于测量板8的翘动，而且测量镜距离样品中心有一定距离，因此，如果只用一路激光系统来测量的话，无法准确代表被测样品顶端的位移量，因此在两侧设计了完全对称的光路，通过计量两路位移量平均值的方式得到样品整体的伸缩量。

可选的，反射镜可以粘贴在测量板8的下表面。

其中，支撑部7是放置在第一电磁铁线包2的上表面，被测样品18放在下极头4的上表面，支撑板7为中空的环状结构，被测样品位于支撑部7的中间位置处，参考镜设置在支撑部7的两端，具体地，是在支撑部7的两端开设孔径小于参考镜直径的通孔，将参考镜放置在通孔上方，以使得光线通过，可以以参考镜所在位置为参考线，测量测量板8相对该参考线的位移变化量。

两束激光在分别进入两个激光干涉仪之后，朝向激光干涉仪的正上方射出，对于其中一束激光来说，又可以分为两路，其中一路经过参考镜到达反射镜，并由反射镜反射回激光干涉仪，另一路直接由参考镜反射回激光干涉仪，参考镜和反射镜反射的信号回到激光干涉仪之后形成位移变化量的测量信号。

较佳地，位于同一侧的激光干涉仪11、反射镜10和参考镜9位于竖直方向上的同一直线上；以测量板8的中心线为对称轴，两个反射镜10对称分布在测量板8上；以支撑部7的中心线为对称轴，两个参考镜9对称分布在支撑部7上；以下极头4的中心线为对称轴，两个激光干涉仪11对称分布在下极头4的两侧。如此的对称设置两个激光干涉仪11、反射镜10和参考镜9，能够形成对称的双路激光系统，从而有效消除由于测量点偏离被测样品中心轴线而产生的测量误差。

请继续参阅图2，第一电磁铁线包2和第二电磁铁线包3上分别缠绕有线包，每个线包与励磁电源12连接。

在一个实施方式中，测量设备还包括：两个光学接收器13，每个光学接收器13分别连接至每个激光干涉仪11。

在另一个实施方式中，测量板8和支撑部7之间还设置有磁场测量探头 15，磁场测量探头15连接至高斯计14。具体地，磁场测量探头15可以采用霍尔探头。磁场测量探头15设置在支撑板7和测量板8之间的被测样品周围。

其中，励磁电源12、两个所述光学接收器13和所述高斯计14分别连接至工控机16。

测量时，首先将样品放置到两个电磁铁的极头之间，同时放置好测量板，被测样品的下表面接触下极头，被测样品的另一端上表面放置测量板，计算机控制励磁电源的输出，使电磁铁产生磁场，激光头发出双频激光测量被测样品两个端面之间的绝对距离，使用高斯计测量样品所处的磁场强度，外接电源使两个电磁铁产生一个从0开始到设定最大磁场强度稳定变化的直流磁场，同时同步测量被测样品的伸长量、磁场强度和磁感应强度。通过上述方法，装置可以测量磁场强度、磁感应强度与磁致伸缩系数、磁致伸缩应变率之间的对应曲线。具体地，是工控机通过USB接口控制励磁电源的输出，同时采集高斯计的磁场信号。工控机内部的双通道数据采集卡记录两路光学接收器的位移信号。当励磁电源输出信号给第一、第二电磁铁线包时，在第一、第二电磁铁上设置的下极头和上极头之间产生磁场，放置在其中的大磁致伸缩被测样品的长度将随着磁场的增加而伸长，以及随着磁场的降低而减小。而随着被测样品长度的变化，自由放置在被测样品顶部的测量板将产生向下或向上的移动，从而固定在测量板两端的激光测量反射镜将分别测量出测量板两端的位移变化量ΔL1和ΔL2，分别在两路激光测量参考镜和两路激光干涉仪之间形成位移变化量的电信号分别进入相应的光学接收器中，光学接收器与工控机中插入的双通道采集卡相连，从而可以计算出位移量ΔL1和Δ L2，再通过公式(1)计算出磁致伸缩系数λ。在这个过程中，高斯计同步测量磁场强度，并且将磁场强度信号通过USB接口传递给计算机，计算机软件利用采集到的磁场强度值H和磁致伸缩系数λ绘制出磁致伸缩曲线。通过上述方法，本实用新型的测量装置还可以测量磁场强度、磁感应强度与磁致伸缩系数、磁致伸缩应变率之间的对应曲线。

本实用新型中的装置和方式使用的是双路激光位移法进行测量，这一方法实现了样品的整体无接触准确测量，因此，将激光与电磁铁结合，能够实现微米量级的变化量测量。

由于磁致伸缩量是微小变化量，在微米量级，因此任何背景噪声和系统结构的微小移动都会对测量结果产生影响，为了有效消除这一系统误差，主要采取了三个方面的改进：

(1)第一是将电磁铁放在隔振台上面；

(2)第二是在光路设计方面，采取了差分测量的方式，尽可能消除系统误差。具体做法是使参考镜和反射镜以同一参考面为参照物，即使参考面发生位移，参考镜和反射镜之间也不会因为参考面的位移而发生位移变化。因为测量过程中，随着磁场的增加，放置被测样品的下极头会产生竖直方向上的位移，而且这是一个不小的位移量，量级可能大于被测量，这是最大的系统误差来源。因此，将参考镜固定在支撑部上，反射镜固定在测量板上，如果下极头产生竖直方向上的位移，则参考镜和反射镜也会随着下极头的移动而移动，参考镜和反射镜之间并无相对运动，这样，后期按照差分方式计算，下极头的位移量就能够被有效抵消，最终测量结果中就仅包括了被测样品的磁致伸缩量。

(3)第三项措施就是支撑部7包括多个嵌套设置的筒状结构，多个筒状结构的嵌套部位的外径由上至下依次增大，多个筒状结构之间过盈配合。以 3个筒状结构为例，均为圆柱形的筒状结构，分别记为第一筒状结构、第二筒状结构和第三筒状结构，第二筒状结构和第三筒状结构均包括第一段和第二段，第一段的外径小于第二段的外径，第一段的外径还小于第一筒状结构的外径，且第二筒状结构的第二段的外径、第三筒状结构的第二段的外径和第一筒状结构的外径相同，第二筒状结构与第一筒状结构嵌套的部分的外径与第一筒状结构的内径相匹配，第二筒状结构的第一段插接在第一筒状结构内部。可选的，每个筒状结构的高度设置为5mm，用来根据被测样品的高度来调整支撑部的高度，使参考镜和反射镜之间的距离尽可能的小，尽可能减少光路上的干扰。

由于本实用新型采用双路激光位移法测量的是被测样品的位移量，除了大磁致伸缩材料本身的位移变化外，系统的任何微小位移变化都会反映到测量结果中，比如电磁铁的下极头，随着电磁铁磁场的增加，上下极头会相吸从而引起下极头向上的移动，这个位移量是非常大的，甚至超过了被测样品的测量信号，这部分误差就是测量装置的系统误差，必须消除，否则难以准确测量。本实用新型采用的双路激光位移测量法和差分式光路设计，有效地将系统误差降低到了最低，对测量大磁致伸缩材料的测量来说，系统误差的能够达到低于0.5％。

下面通过有机玻璃对本实用新型能够减小系统误差进行说明：

本实用新型使用了一个没有磁致伸缩性能的高度为50mm的有机玻璃样块，在装置上以同样的方法测量，得到的磁致伸缩曲线所示，在5000Oe的磁场范围内，磁致伸缩系数最大为2ppm，即为该装置测量大磁致伸缩的系统误差，对于最大磁致伸缩系数600ppm，引入的系统误差低于0.5％。

下面通过实验对本实用新型的测量设备和测量方法的有益效果进行说明：

图4为一个大磁致伸缩样品在最大场为5000Oe时的磁致伸缩系数-磁场强度曲线。

图5(a)是φ20*50尺寸的特镝铁样品在最大场为3000Oe时的磁致伸缩系数-磁场强度曲线图。

图5(b)是φ30*50尺寸的特镝铁样品在最大场为3000Oe时的磁致伸缩系数-磁场强度曲线图。

表1为同一个特镝铁样品在不同时间的测量重复性，结果表明，10次测量的标准偏差为0.3％。

表1测量重复性

应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型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 (8)

1.一种采用双路激光位移法的大磁致伸缩材料的测量设备，其特征在于，包括：磁轭(1)、第一电磁铁线包(2)、第二电磁铁线包(3)、下极头(4)和上极头(5)；

所述磁轭(1)相对的两个内壁由外至内依次设置有所述第一电磁铁线包(2)和所述下极头(4)，以及所述第二电磁铁线包(3)和所述上极头(5)；

所述第一电磁铁线包(2)的上表面相对两侧分别设置有一个激光系统，用于分别测量被测样品在磁化方向上的伸缩量。

2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，靠近每个所述激光系统的位置处分别设置有一个分光装置(6)，外部激光头(17)的激光经过两个所述分光装置(6)分别进入对应的所述激光系统。

3.根据权利要求2所述的测量设备，其特征在于，所述激光系统包括：平行设置的支撑部(7)和测量板(8)，所述支撑部(7)靠近所述第一电磁铁线包(2)设置，所述测量板(8)靠近所述第二电磁铁线包(3)设置；

所述支撑部(7)的两端分别设置有一个参考镜(9)；

所述测量板(8)的两端分别设置有一个反射镜(10)；

所述下极头(4)的两端分别设置有一个激光干涉仪(11)；

位于所述支撑部(7)和所述测量板(8)的同一侧的其中一个所述激光干涉仪(11)、其中一个所述反射镜(10)和其中一个所述参考镜(9)形成一激光光路。

4.根据权利要求3所述的测量设备，其特征在于，位于所述支撑部(7)和测量板(8)的同一侧的其中一个所述激光干涉仪(11)、其中一个所述反射镜(10)和其中一个所述参考镜(9)位于竖直方向上的同一直线上；

以所述测量板(8)的中心线为对称轴，两个所述反射镜(10)对称分布在所述测量板(8)上；

以所述支撑部(7)的中心线为对称轴，两个所述参考镜(9)对称分布在所述支撑部(7)上；

以所述下极头(4)的中心线为对称轴，两个所述激光干涉仪(11)对称分布在所述下极头(4)的两侧。

5.根据权利要求3所述的测量设备，其特征在于，所述第一电磁铁线包(2)和所述第二电磁铁线包(3)分别与励磁电源(12)连接。

6.根据权利要求5所述的测量设备，其特征在于，还包括：两个光学接收器(13)，每个所述光学接收器(13)分别连接至每个所述激光干涉仪(11)。

7.根据权利要求6所述的测量设备，其特征在于，还包括：依次连接的高斯计(14)和磁场测量探头(15)，所述磁场测量探头(15)设置在所述测量板(8)和所述支撑部(7)之间。

8.根据权利要求7所述的测量设备，其特征在于，所述励磁电源(12)、两个所述光学接收器(13)和所述高斯计(14)分别连接至工控机(16)。