CN214095913U - 一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置，包括光杠杆结构、光源，摄像装置、标尺、第一反射平台和第二反射平台，第一反射平台和第二反射平台分别安装相互对应的多个反射镜。电源激励线圈产生磁场，使得磁性材料发生磁致伸缩现象发生伸长或缩短，带动光杠杆连接的活动平台上下移动，致使光路发生改变，运用光杠杆法，通过多个平面镜的反射放大磁性材料的伸长量导致的光路变化。最后通过摄像装置获取相应的光斑图像，识别光斑中心的偏移量，进一步可用于计算磁致伸缩系数。本装置简单，搭建容易，光路直观可调，灵活度大，适合作为磁致伸缩现象的演示装置或光杠杆法实验教学装置，具有良好的推广价值。

Description

一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置

技术领域

本实用新型涉及电磁学实验设备技术领域，尤其涉及一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置。

背景技术

对磁致伸缩材料施加磁场后，材料内部原来呈杂乱无章排列的磁分子就会沿着磁场方向重新排列，导致材料的长度或体积发生变化，此为磁致伸缩效应，如图7所示，磁致伸缩系数是描绘磁性材料基本特性的一种参数，其实质为磁性材料在外界磁场作用下产生的长度或体积的相对改变量。因此，准确地测量磁致伸缩系数对研究磁性材料有重要意义。

磁致伸缩系数的大小大致在10^-6-10^-3范围内，对于多数铁磁质来说，磁致伸缩系数一般为10^-6-10^-5的数量级，磁致伸缩引起的长度变化量很小，一般测量长度的工具不易精确测量。

目前测量磁致伸缩系数的方法除光杠杆法外主要有应变电阻片测量法、迈克尔逊干涉测量法、差动式电容给测量法等，实验装置均较为复杂，原理较为复杂，演示效果不佳。而现有光杠杆法装置采用望远镜读数，照准聚焦较为复杂，且视差带来的读数误差难以消除。另外，现尚未有上述各种装置专门用于测量研究不同材料、长度、粗细金属棒的磁致伸缩系数与磁场的变化关系。

实用新型内容

本实用新型的实施例提供了一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置，用于解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。

一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置，包括光杠杆结构、光源，摄像装置、标尺、第一反射平台和第二反射平台；第一反射平台和第二反射平台相互间隔布置，光杠杆结构位于该间隔内，并且光杠杆结构分别与第一反射平台和第二反射平台相互错开；

光杠杆结构为立式结构，包括第一支杆、固定平台、活动平台、第一基座和第一反射镜；固定平台与第一支杆相连接，第一基座安装在固定平台上，第一反射镜与第一基座活动连接；待测物体竖向布置，一端电性连接直流励磁线圈，另一端用于连接活动平台，活动平台与第一反射镜之间还通过设置连杆相互连接；直流励磁线圈产生磁场，使待测物体产生长度变化，长度变化的待测物体通过活动平台、连杆使第一反射镜相对于第一基座偏转；

第一反射平台和第二反射平台分别安装相互对应的多个反射镜；光源用于向第一反射镜发射光线，第一反射镜反射的光线通过第一反射平台和第二反射平台的反射镜的依次反射，形成折线光路，在标尺上形成光斑，摄像装置用于获取标尺上形成的光斑图像。

优选地，固定平台具有贯穿设置的导向孔，活动平台位于该导向孔内并且可相对于该导向孔竖向移动；活动平台顶部具有竖向布置的后脚，连杆横向布置，一侧连接第一反射镜，另一侧与后脚顶端向铰接。

优选地，第一基座具有U型支爪，第一反射镜与该U型支爪相铰接。

优选地，U型支爪与后脚顶端的距离为6.5cm。

优选地，固定平台的顶面具有多道相互并列布置的导向槽，第一基座底部具有两根竖向布置的导向柱，该导向柱的底部与导向槽相接触；第一基座通过导向柱可沿导向槽移动。

优选地，第一反射平台和第二反射平台为立式结构；第一反射平台包括竖向布置的第二支杆，以及自下而上依次布置的第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；第二反射平台包括竖向布置的第三支杆，以及自下而上依次布置的第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第八反射镜；标尺位于第一反射平台的顶部；第一反射镜与第五反射镜相互对应；第一反射镜反射的光线依次通过第五反射镜、第二反射镜、第六反射镜、第三反射镜、第七反射镜、第四反射镜和第八反射镜的反射，在标尺上形成光斑。

优选地，光源为氦氖激光器。

优选地，还包括摄像台架，该摄像台架具有竖向布置的第四支杆，摄像装置与该第四支杆活动连接，摄像装置可沿第四支杆表面上下移动。

优选地，摄像装置为手机。

由上述本实用新型的实施例提供的技术方案可以看出，本实用新型提供的一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置，包括光杠杆结构、光源，摄像装置、标尺、第一反射平台和第二反射平台，第一反射平台和第二反射平台分别安装相互对应的多个反射镜。电源激励线圈产生磁场，使得磁性材料发生磁致伸缩现象发生伸长或缩短，带动光杠杆连接的活动平台上下移动，致使光路发生改变，运用光杠杆法，通过多个平面镜的反射放大磁性材料的伸长量导致的光路变化。最后通过摄像装置获取相应的光斑图像，识别光斑中心的偏移量，进一步可用于计算磁致伸缩系数。本装置简单，搭建容易，光路直观可调，灵活度大，适合作为磁致伸缩现象的演示装置或光杠杆法实验教学装置，具有良好的推广价值。作为一款基础性实验装置，用光杠杆发演示磁致伸缩现象能够帮助学生更好理解该现象。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置的光杠杆结构的结构示意图；

图3为光杠杆测量原理示意图；

图4为对通过本实用新型提供的一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置获取的光斑图像进行二值化处理后的效果示意图；

图5为对图4进行去噪声处理后的效果示意图；

图6为对图5进行圆拟合处理后的效果示意图；

图7为磁致伸缩效应的原理图。

图中：

1.光杠杆结构 11.第一支杆 12.固定平台 121.导向孔 122.导向槽 13.活动平台 131.后脚 14.第一基座 141.U型支爪 142.导向柱 15.第一反射镜 16.连杆 17.第一底座；

2.光源 3.摄像装置 4.标尺；

5.第一反射平台 51.第二支杆 52.第二反射镜 53.第三反射镜 54.第四反射镜55.第二底座；

6.第二反射平台 61.第三支杆 62.第五反射镜 63.第六反射镜 64.第七反射镜65.第八反射镜 66.第三底座；

7.摄像台架 71.第四支杆 8.直流励磁线圈。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。

参见图1，本实用新型提供一种基于光杠杆结构1的磁致伸缩测量装置，包括光杠杆结构1、光源2，摄像装置3、标尺4、第一反射平台5和第二反射平台6；第一反射平台5和第二反射平台6相互间隔布置，光杠杆结构1位于该间隔内，并且光杠杆结构1分别与第一反射平台5和第二反射平台6相互错开，以防止光杠杆结构1阻挡光路。

如图2所示，光杠杆结构1为立式结构，包括第一支杆11、固定平台12、活动平台13、第一基座14和第一反射镜15。第一支杆11竖向布置，固定平台12与第一支杆11相连接，第一基座14安装在固定平台12上，第一反射镜15与第一基座14活动连接。待测物体竖向布置，一端电性连接直流励磁线圈8，另一端用于连接活动平台13，活动平台13与第一反射镜15之间还通过设置连杆16相互连接；直流励磁线圈8产生磁场，使待测物体产生长度变化，长度变化的待测物体通过活动平台13、连杆16使第一反射镜15相对于第一基座14偏转。在本实施例中，光杠杆结构1还具有第一底座17，第一支杆11安装在第一底座17上，放置在地面/台面上。

第一反射平台5和第二反射平台6分别安装相互对应的多个反射镜；光源2用于向第一反射镜15发射光线，第一反射镜15反射的光线通过第一反射平台5和第二反射平台6的反射镜的依次反射，形成单向折线光路，最终在标尺4上形成光斑，摄像装置3用于获取标尺4上形成的光斑，并转换为光斑图像。应当理解的是，该依次反射的方式为从第一反射平台5的一个反射镜开始至第二反射平台6的一个反射镜，从该反射镜反射到第一反射平台5的相邻的另一个反射镜上，再从该反射镜反射到第二反射平台6的相邻的另一个反射镜上，如此往复依次交替反射，形成折线状的光路。

进一步的，在一些优选实施例中，固定平台12具有贯穿设置的导向孔121，活动平台13位于该导向孔121内并且可相对于该导向孔121竖向移动；活动平台13顶部具有竖向布置的柱状的后脚131，连杆16横向布置，一侧连接第一反射镜15，另一侧与后脚131顶端向铰接。

进一步的，第一基座14具有U型支爪141，第一反射镜15为圆形，第一反射镜15通过其径向两侧与该U型支爪141相铰接。当待测物体发生长度变化，其驱动活动平台13上下移动，进一步通过后脚131带动连杆16摆动，带动第一反射镜15以其与U型支爪141的铰接点为轴偏转。

更进一步的，光杠杆系数，即U型支爪141与后脚131顶端的距离为6.5cm。

更进一步的，如图2所示，固定平台12的顶面具有多道相互并列布置的导向槽122，第一基座14底部具有两根竖向布置的导向柱142，该导向柱142的底部伸入任一一条导向槽122内并与其底面相接触；第一基座14通过导向柱142可沿导向槽122的延伸方向移动，第一基座14还可通过变更导向柱142所伸入的导向槽122实现垂直于导向槽122延伸方向的移动。通过上述设置，能够实现第一反射镜15位置的调节。

在本实用新型提供的优选实施例中，第一反射平台5和第二反射平台6为立式结构；第一反射平台5包括竖向布置的第二支杆51，以及自下而上依次布置的第二反射镜52、第三反射镜53和第四反射镜54；第二反射平台6包括竖向布置的第三支杆61，以及自下而上依次布置的第五反射镜62、第六反射镜63、第七反射镜64和第八反射镜65；标尺4位于第一反射平台5的顶部；第一反射镜15反射的光线依次通过第五反射镜62、第二反射镜52、第六反射镜63、第三反射镜53、第七反射镜64、第四反射镜54和第八反射镜65的反射，形成单向折线光路，在标尺4上形成光斑。在本实施例中，第一反射平台5还具有第二底座55，第二支杆51安装在该第二底座55上。第二反射平台6还具有第三底座66，第三支杆61安装在该第三底座66上。

作为一个优选实施中，本实用新型的工作原理如下：

第一反射平台5和第二反射平台6相互间隔布置，光杠杆结构1位于该间隔内，并且光杠杆结构1分别与第一反射平台5和第二反射平台6相互错开，形成三角布局；光杠杆结构1为立式结构，包括第一支杆11、固定平台12、活动平台13、第一基座14和第一反射镜15。第一支杆11竖向布置，固定平台12与第一支杆11相连接，第一基座14安装在固定平台12上，第一反射镜15与第一基座14活动连接。待测物体竖向布置，一端电性连接直流励磁线圈8，另一端用于连接活动平台13；固定平台12具有贯穿设置的导向孔121，活动平台13位于该导向孔121内；活动平台13顶部具有竖向布置的柱状的后脚131，连杆16横向布置，一侧连接第一反射镜15，另一侧与后脚131顶端向铰接；第一基座14具有U型支爪141，第一反射镜15为圆形，第一反射镜15通过其径向两侧与该U型支爪141相铰接；第一反射平台5包括竖向布置的第二支杆51，以及自下而上依次布置的第二反射镜52、第三反射镜53和第四反射镜54；第二反射平台6包括竖向布置的第三支杆61，以及自下而上依次布置的第五反射镜62、第六反射镜63、第七反射镜64和第八反射镜65；标尺4位于第一反射平台5的顶部；第一反射镜15与第二反射平台6的第五反射镜62相对应，第五反射镜62还与第一反射平台5的第二反射镜52相对应，第二反射镜52还与第六反射镜63相对应，第六反射镜63还与第三反射镜53相对应，第三反射镜53还与第七反射镜64相对应，第七反射镜64还与第四反射镜54相对应，第四反射镜54还与第八反射镜65相对应，第八反射镜65还与标尺4相对应；光源2固定安装在距离待测物体约1米远处；

接通光源2，光源2向第一反射镜15发出光线，第一反射镜15反射的光线依次通过第五反射镜62、第二反射镜52、第六反射镜63、第三反射镜53、第七反射镜64、第四反射镜54和第八反射镜65的反射，形成单向折线光路，在标尺4上形成原始光斑；

当直流励磁线圈8产生磁场，使待测物体产生长度变化，其驱动活动平台13上下移动，进一步通过后脚131带动连杆16摆动，带动第一反射镜15以其与U型支爪141的铰接点为轴偏转，偏转后的第一反射镜15反射的光线依次通过第五反射镜62、第二反射镜52、第六反射镜63、第三反射镜53、第七反射镜64、第四反射镜54和第八反射镜65的反射，形成单向折线光路，在标尺4上形成偏移后的光斑；

通过摄像装置3获取原始光斑和偏移后的光斑的图像，从图像中识别出两个光斑的中心，对比两个光斑中心对应的标尺刻度变化量，通过相应换算即可获得待测物体的磁致伸缩系数。其可以是通过摄像装置3获取具有标尺刻度的光斑图像，通过现有图片读取工具(如手机OS的图片编辑APP或上传到电脑端使用Acdsee等)打开该光斑图像，目测或使用水平标线读取光斑中心对应的刻度。在一种优选实施例中，也可以通过对光斑图像进行相应处理以更精确地获得光斑中心点及两个光斑中心点对应的标尺刻度变化量。

为使得光斑更加清晰可读，光源2采用氦氖激光器，固定在两个反射台架连线上，光源2通过光杠杆结构1的第一反射镜15后在竖直面内经两反射平台上的平面镜多次反射，最终打在标尺4上。

在本实用新型提供的优选实施例中，励磁线圈参数如下：

内径R<sub>1</sub>(mm)	外径R<sub>2</sub>(mm)	匝数N	长度l(mm)
				25.0	29.5	200	51.0

表1：实验使用的励磁线圈参数

在本实用新型提供的优选实施例中，本装置还包括摄像台架7，该摄像台架7具有竖向布置的第四支杆71，摄像装置3与该第四支杆71活动连接，例如可以采用现有技术中的松紧套筒，该松紧套筒套装在第四支杆71上，通过设置悬拧手柄调节松紧套筒与第四支杆71的张紧，使摄像装置3可沿所述第四支杆71表面上下移动。该松紧套筒还具有夹持部，用于固定摄像装置3。

在一些优选方式中，摄像装置3为手机，通过手机摄像机采集光点位置后用软件找出光斑的中心，通过后期处理放大后的相片，追踪像素点找到伸长量的具体大小，用于后期定量分析磁性材料的磁致伸缩现象。

通过本装置获得的光斑偏移量经换算获得待测物体的磁致伸缩系数的原理如下：

通电螺线管激发的磁场

本实验采用在励磁线圈两端通上直流稳流电源实现磁场的发生。我们考虑磁场强度H为衡量磁场强弱的变量，由电磁学基本规律可知磁场强度在磁介质中的计算方法：

∮_LH·dl＝∑I₀ (1)

式中，L为恒定磁场中磁场强度的闭合环路，I₀为该环路所链环的传导电流大小。

于是，有磁场强度H与磁感应强度B的关系：

式中，M为磁化强度，在磁介质中，由该式可推导出磁路中的磁场强度：

式中L_e为样品的有效磁路长度。在本实验中，所采用的励磁线圈固定在光杠杆装置的底部支座上，待测金属棒从中间通过励磁线圈。线圈由两端的励磁电流激励产生恒定磁场，致使材料发生磁致伸缩。

根据上式，仅考虑线圈绕组中电流的情况下，励磁线圈产生的轴线上磁场强度为^[3]：

上式中，N为线圈匝数，I为线圈中的直流电流大小，R₂与R₁分别为线圈的外径与内径，l为线圈长度。根据上式，忽略磁介质影响，可以得出通电直流线圈中轴线上磁感应强度：

本实验中励磁电流相应的线圈轴线上磁感应强度由上式计算得到。

光杠杆放大原理

磁性材料被磁化时，其各方向的长度将会发生微小的变化(伸长或缩短)，这种现象被称为磁致伸缩。不同的磁性物质磁致伸缩的长度形变是不同的,通常用磁致伸缩系数γ来表征形变的大小：

其中，ΔL为材料由于磁致伸缩效应引起的长度变化量，L₀为不加磁场时材料的长度，L_B为材料在外磁场作用下伸长(或缩短)后的长度。γ>0表示伸长，γ<0表示缩短，γ＝0表示长度不变，一般铁磁性物质的γ很小，约百万分之一，通常用ppm代表。

由上式可知，测量磁致伸缩系数γ实际上就是对ΔL和L₀的测量，其中L₀是容易测量的，而形变量ΔL很小，想要精确测量就比较困难。

光杠杆是一种应用光学转换放大原理测量微小长度变化的装置，它的特点是直观、简便、精度高。本实验采用的光杠杆法是测量微小长度变化的一种简便直观的方法。光杠杆包括杠杆架和灯尺结构。反射镜放在杠杆架上组成杠杆镜，杠杆架下面有三个支脚，测量时两个前脚(称为支爪)放在固定平台上，一个后脚放在与待测材料相连的活动平台上。随着待测材料的伸长(或缩短)，活动平台向下(或向上)移动，带动杠杆架以支爪为轴转动。激光光源和标尺放在反射镜的斜前方，反射镜将激光反射到标尺上，杠杆转动时，光标在标尺上的位置随之发生移动。

设起始状态光标在标尺上的测量读数为S₀，当待测材料伸长(缩短)ΔL时，光杠杆后脚随之下降(上升)ΔL，杠杆架和镜面都偏转α角，反射线转过2α，此时标尺读数为S₁，则当ΔS较小时，有

上两式已将位移变化ΔL变成角度变化。式中d₁为镜面到标尺间的距离，d₂为光杠杆后脚到两前脚连线的垂直距离。因为ΔL＜＜d₂，θ很小，上两式又可近似写成

ΔL＝d₂·α ΔS＝d₁·2α (8)

消去θ，得到

其中

为放大倍数。这样就可以把微小的长度改变量ΔL用可观测的变化量ΔS表示。为保证大的放大系数，实验时应有较大的d₁和较小的d₂。

由此可得磁致伸缩系数

上式中，d₁与d₂分别为光杠杆前两脚至读数标尺的距离与光杠杆后脚至前两脚之间的水平距离(光杠杆系数)，于是，我们可以通过测量ΔS来得到磁性材料的磁致伸缩系数γ。

将图像二值化，即将图像的点的灰度值设为0或255，将图像黑白化，排除光斑以外的干扰背景图像，二值化后的图像如图4所示。

考虑到图像在二值化后受到某种干扰而含有噪声，因此对图像进行去噪处理，如图5所示。去噪处理后对该图像进行圆拟合，圆拟合后得到的图像如图6所示。

在软件中进一步进行数学计算，可以得到该光斑的圆心坐标(91.3550,108.7805)，从而找到了激光光斑的中心。

傅里叶变换提取基频信号幅值原理

在交变磁场下的磁致伸缩量随时间的变化波形较为复杂，且由于伸缩中的应力较为复杂，波形中噪声信号较多，为提取符合交变磁场频率的唯一频率信号，将得出的位移波形作傅里叶变换，从而把时域信号转换为频域信号，由傅里叶级数展开式：

可以确定组成位移波形的最可能频率信号(基频)，若其与电流变化信号相符合，则证明测出波形确为待测金属棒在交变磁场下伸缩的波形，并可通过基频幅值确定金属棒在该交变磁场下的最大伸长量，从而与直流电流激励的恒定磁场下的金属棒磁致伸缩系数作比较。由于磁致伸缩特性与电流的方向无关，故金属棒磁致伸缩的频率将为励磁电流信号频率的两倍。

装置评价

灵敏度

根据本实验装置的磁致伸缩系数计算公式：

考虑装置使用手机摄像机拍摄照片后后期图像处理读数最小分度值可达到0.02mm，装置参数d₁＝8000.0mm，d₂＝65.0mm，则可以得出该装置可以测出的最小磁致伸缩系数值：

上式中，ΔS_min为读数的最小分度值，L₀为待测材料的长度(单位：m)，γ_min为该装置可以测出的最小磁致伸缩系数大小(单位：ppm)。本实验所使用的不同长度的金属棒对应的可测最小磁致伸缩系数值如下：

表5：不同金属棒的最小可测磁致伸缩系数值

从上表可看出，不同长度金属棒实验可测得的最小磁致伸缩系数大小为0.08—0.50不等，属于灵敏装置的范畴，因此认为该实验装置的灵敏度较好。

精度

考虑光杠杆反射镜的反射角度变化：

由于实验装置使用了角度近似tanα～α，故会产生系统误差：

从上式可以看出，由于本实验装置微小位移最大放大倍数可超过100倍，故系统误差较小，实验所得数据属于精确数据。但当测量超磁致伸缩材料等磁致伸缩系数较大的材料时，系统误差不可忽略，可由下式计算：

上式中，d₂为光杠杆系数，γ为磁致伸缩系数，δ为系统误差大小。

演示效果

本实验装置简单，搭建容易，光路直观可调，灵活度大，适合作为磁致伸缩现象的演示装置或光杠杆法实验教学装置，具有良好的推广价值。作为一款基础性实验装置，用光杠杆发演示磁致伸缩现象能够帮助学生更好理解该现象。

相对于现有的光杠杆法测量装置，该装置撤去了望远镜，使用氦氖激光器代替，读数采用手机拍照与计算机软件结合的方法处理，降低了读数的难度，也使得教师在演示实验时能够更清晰地展现磁致伸缩原理。

另外，该装置兼容了交变磁场下金属棒磁致伸缩效应的演示功能，当频率足够小时，可以在无需外加操作的情况下观察金属棒长度随磁感应强度变化而变化的特性。

应用前景

光杠杆作为物理实验研究历史上著名的对微小位移的经典光学放大法，具有精度高、灵敏度大、调节方便等至今仍难以取代的优点。随着实验技术的飞速发展，对微小位移的测量新仪器、新装置层出不穷，如各种高灵敏度传感器在实验中的运用^[9]。但尽管经典的基础实验研究内容不够新颖，其所涉及的实验原理、研究方法与手段对物理学实验的发展有无法替代的作用，并且能够给大学物理理论知识提供支撑。

本实验装置基于光杠杆的基本原理，具有结构简易、精度高、易于观测、上手容易等特点，且能够定量研究磁致伸缩系数与所处磁场环境的关系，对磁致伸缩现象的各种应用装置的材料选择、仪器标定、甚至校内科普都有广大应用前景。近些年来，磁致伸缩现象得到了越来越广泛的应用，有学者依靠功率电传的基本原理研制了智能型磁致伸缩材料驱动的电静液作动器^[4]，用超磁致伸缩声波换能器产生高强度超声^[5]。在检测技术方面，磁致伸缩用于检测油水界面^[6]、进行常压炉炉管腐蚀导波检测分析^[7]，此外，基于磁致伸缩现象的磁致伸缩位移传感器已广泛应用于冶金、化工、环保、制药等民用领域^[8]，本装置可用于这些新型物理元件选材的基础试验，为其研发提供方便。

在大学物理实验中，光杠杆是作为静态法测量杨氏模量的装置而广泛被使用的，如今共振法等新型测量方法也已普及，本实验重新利用光杠杆装置，将其应用到磁致伸缩系数的测量中，让经典的物理实验装置焕发了新的生机。事实上，用光杠杆法放大的原理还可以测量光微小位移等其他微小变化，有广泛的应用前景。

综上所述，本实用新型提供的一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置，采用的是光杠杆测量装置，其原理是利用光学转换放大微小位移量，包括光杠杆结构、光源，摄像装置、标尺、第一反射平台和第二反射平台，第一反射平台和第二反射平台分别安装相互对应的多个反射镜。电源激励线圈产生磁场，使得磁性材料发生磁致伸缩现象发生伸长或缩短，带动光杠杆连接的活动平台上下移动，致使光路发生改变，运用光杠杆法，通过多个平面镜的反射放大磁性材料的伸长量导致的光路变化。最后通过摄像装置获取相应的光斑图像，识别光斑中心的偏移量，进一步可用于计算磁致伸缩系数。本装置可以将微小不宜观察的物理现象简易可视化，并且采用基本光学放大原理研究不同金属棒的磁致伸缩特性。装置结构简单，搭建容易，光路直观可调，灵活度大，适合作为磁致伸缩现象的演示装置或光杠杆法实验教学装置，具有良好的推广价值。作为一款基础性实验装置，用光杠杆发演示磁致伸缩现象能够帮助学生更好理解该现象。

相对于现有的光杠杆法测量装置，该装置撤去了望远镜，使用氦氖激光器代替，读数采用手机拍照与计算机软件结合的方法处理，降低了读数的难度，拍照获取的图像便于通过处理精确地获得光斑中心以及刻度变化量，使得教师在演示实验时能够更清晰地展现磁致伸缩原理。

另外，该装置兼容了交变磁场下金属棒磁致伸缩效应的演示功能，当频率足够小时，可以在无需外加操作的情况下观察金属棒长度随磁感应强度变化而变化的特性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于光杠杆结构的磁致伸缩测量装置，其特征在于，包括光杠杆结构、光源，摄像装置、标尺、第一反射平台和第二反射平台；所述第一反射平台和第二反射平台相互间隔布置，所述光杠杆结构位于该间隔内，并且所述光杠杆结构分别与所述第一反射平台和第二反射平台相互错开；

所述光杠杆结构为立式结构，包括第一支杆、固定平台、活动平台、第一基座和第一反射镜；所述固定平台与所述第一支杆相连接，所述第一基座安装在所述固定平台上，所述第一反射镜与所述第一基座活动连接；待测物体竖向布置，一端电性连接直流励磁线圈，另一端用于连接所述活动平台，所述活动平台与所述第一反射镜之间还通过设置连杆相互连接；直流励磁线圈产生磁场，使待测物体产生长度变化，长度变化的待测物体通过活动平台、连杆使所述第一反射镜相对于所述第一基座偏转；

所述第一反射平台和第二反射平台分别安装相互对应的多个反射镜；所述光源用于向所述第一反射镜发射光线，所述第一反射镜反射的光线通过所述第一反射平台和第二反射平台的反射镜的依次反射，形成折线光路，在所述标尺上形成光斑，所述摄像装置用于获取所述标尺上形成的光斑图像。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩测量装置，其特征在于，所述固定平台具有贯穿设置的导向孔，所述活动平台位于该导向孔内并且可相对于该导向孔竖向移动；所述活动平台顶部具有竖向布置的后脚，所述连杆横向布置，一侧连接所述第一反射镜，另一侧与所述后脚顶端向铰接。

3.根据权利要求2所述的磁致伸缩测量装置，其特征在于，所述第一基座具有U型支爪，所述第一反射镜与该U型支爪相铰接。

4.根据权利要求3所述的磁致伸缩测量装置，其特征在于，所述U型支爪与所述后脚顶端的距离为6.5cm。

5.根据权利要求3所述的磁致伸缩测量装置，其特征在于，所述固定平台的顶面具有多道相互并列布置的导向槽，所述第一基座底部具有两根竖向布置的导向柱，该导向柱的底部与所述导向槽相接触；所述第一基座通过所述导向柱可沿所述导向槽移动。

6.根据权利要求1所述的磁致伸缩测量装置，其特征在于，所述第一反射平台和第二反射平台为立式结构；所述第一反射平台包括竖向布置的第二支杆，以及自下而上依次布置的第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；所述第二反射平台包括竖向布置的第三支杆，以及自下而上依次布置的第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第八反射镜；所述标尺位于所述第一反射平台的顶部；所述第一反射镜与所述第五反射镜相互对应；所述第一反射镜反射的光线依次通过所述第五反射镜、第二反射镜、第六反射镜、第三反射镜、第七反射镜、第四反射镜和第八反射镜的反射，在所述标尺上形成光斑。

7.根据权利要求1至6任一所述的磁致伸缩测量装置，其特征在于，所述光源为氦氖激光器。

8.根据权利要求1至6任一所述的磁致伸缩测量装置，其特征在于，还包括摄像台架，该摄像台架具有竖向布置的第四支杆，所述摄像装置与该第四支杆活动连接，所述摄像装置可沿所述第四支杆表面上下移动。

9.根据权利要求8所述的磁致伸缩测量装置，其特征在于，所述摄像装置为手机。

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