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高靈敏度位移傳感器測量超磁致伸縮系數

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-04-22 10:33

  

       磁致伸縮現象在工業中有很多應用,特別是近年來以稀有元素與鐵合金組成的超磁致伸縮材 料(GMM)在工業、電子機械及軍事科學領域中有著極其廣泛的用途。磁致伸縮系數的測量常用電阻應變片方法,這種方法的缺點是粘應變片費時又麻煩,樣品更換不方便;也有用光杠桿法和邁克爾孫干涉儀測量磁致伸縮系數,但裝置體積較大,且不能直接得到電量,因而不能與計算機連接。為此,筆者設計了應用高靈敏度橋式磁致伸縮位移傳感器測量磁致伸縮量。對位移傳感器用千分螺桿進行測量前定標,位移傳感器感應片與千分螺桿之間,可以通過連接桿直接接觸,也可以通過8:1的鋁制杠桿接觸(杠桿起位移放大作用),用新的位移傳感器測量磁致伸縮位移量,實驗效果很好,位移傳感器測量分辨率優于0.1μm,測量結果與公認值基本一致。該實驗方法的優點是測量精度高,樣品更換方便,輸信號為電量,便于實現計算機在線監測。
1 實驗原理
1.1 磁致伸縮系數和超磁致伸縮材料
       某些晶體(特別是鐵磁體)在磁場作用下,沿外磁場方向的長度發生微小變化的現象稱為磁致伸縮現象。以2種稀土元素鋱(Tb)、鏑(Dy)和鐵(Fe)合金制成的棒狀體的線磁致伸縮系數λ 達到(1500-2000) ×10-6,它比通常采用的磁致伸縮的金屬、合金和鐵氧體材料的λ 大1-2個數量級,具有超大磁致伸縮效應,因此稱TbDyFe為稀土超磁致伸縮材料。
1.2 磁致伸縮量的測量
       將樣品AC置于磁場之中。當磁場增大時,樣品伸長推動桿OB,將位移傳感器放置在B點測量該點的移動距離。OA 和OB 的長度可以用游標卡尺測量,根據OA 與OB 的比值及B 點移動的距離,可以求出A點的移動距離,即被測樣品在外加磁場增加下的伸長量。由于樣品的伸長量非常小,常用的一些長度測量工具無法準確測量其變化量,但是選擇OA 與OB 之間恰當的比例,通過高靈敏度位移傳感器測量B點的移動距離,可以間接計算出樣品隨磁場變化的伸長量。
磁致伸縮位移傳感器
1.3 梁式彈性元件的位移傳感器
       位移傳感器的功能在于把機械位移量轉換成電信號,并由計算機對信號進行實時采集、自動控制測量和計算。應變式位移傳感器是把被測位移量變成彈性元件的應變。與測力傳感器不同的是,由于位移傳感器彈性元件的剛度比測力傳感器彈性元件的剛度要小得多,所以避免了當彈性元件變形時對被測構件形成反力而影響被測構件的位移輸出。
       在測量磁致伸縮的實驗中使用的是梁式硅壓阻元件位移傳感器,該傳感器產生彈力小于0.1N,對測量磁致伸縮系數的影響很小,可以保證數據的準確性。將硅壓敏電阻連接成電橋形式,其中R1 和R3 粘貼在橫梁的左側,R2 和R4 粘貼在橫梁的右側。測量時,當橫梁發生位移時,貼于橫梁兩側的硅壓敏電阻發生形變。增加杠桿后,位移傳感器測量位移的靈敏度將得到提高。通過調節直流電源電壓的差值可以微調測量時的靈敏度.
2 實驗儀器
       該測量裝置的功能和特點是使用無磁性杠桿機構將磁致伸縮的微小量進行放大,再利用高靈敏度位移傳感器將杠桿末端的位移量轉變為電壓信號進行多級放大,并通過計算機同時采集放大后的電壓信號與磁場強度信號,描繪出電壓與磁場強度關系曲線。并利用精度為1μm 的微分頭(準確度0.04MM)對杠桿末端的位移量與相應電壓值的關系進行定標,再測算出杠桿機械放大的倍數,即可得到不同磁場強度下材料磁致伸縮的長度。
3 實驗數據和結果
       超磁致伸縮 材料TbDyFe樣品直徑d=10.00mm,長度1-25.09mm。實驗數據位移傳感器信號UE 與磁場強度信號UB 的關系,將計算機采集到的電信號根據事先用微分頭及特斯拉計的定標結果轉換為相應的被測物理量,得到的樣品的λ-B 關系曲線。采用硅壓阻位移傳感器測量材料磁致伸縮系數的靈敏度比邁克爾孫干涉儀法、光杠桿法、橋式電阻應變片法高,且更換樣品方便,可以與計算機連接。但硅壓阻位移傳感器缺點是硅壓敏電阻阻值會受溫度變化的影響,因而溫度變化對傳感器靈敏度有影響。所以本測量裝置采用微分頭當場定標后立即做測量,定標和測量基本上為同一溫度,這樣可以保證測量結果準確性。
4、結束語
       采用硅壓阻位移傳感器測量超磁致伸縮材料的磁致伸縮系數,測量的結果與廠家給出的數據完全一致,測量結果重復性很好,并且便于利用計算機在線監測。這種新測量方法,可用于科研單位和企業,進行材料磁致伸縮特性的研究,也可用作高校近代物理實驗和設計性研究性實驗。
 


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