磁性材料多功能測量儀的研制

楊 斌， 胡瑞雪， 張亞萍， 韓立立

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

目前,一般的儀器只能測量出單一的磁學(xué)特性，如果要測量多個(gè)量需要用到多個(gè)儀器，而且要做大量數(shù)據(jù)處理工作，為實(shí)驗(yàn)增加了成本和許多不便。例如，通常教學(xué)所用的TH-MHC磁滯回線測量儀只能測量固定磁性材料磁滯回線，且需要處理上百組數(shù)據(jù)，而且不能直接得到剩磁、矯頑力、磁導(dǎo)率等磁性參數(shù)。另外，磁致伸縮材料在工農(nóng)業(yè)上都有廣泛應(yīng)用，磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)是決定材料用途的重要依據(jù)之一，因此測量磁致伸縮系數(shù)也至關(guān)重要[1]。

實(shí)驗(yàn)儀器智能化、多功能、簡單方便已經(jīng)成為儀器行業(yè)的發(fā)展趨勢，因此各個(gè)研究機(jī)構(gòu)都在致力于研究既經(jīng)濟(jì)，又高效的裝置。本文研究了磁性材料多功能測量儀，該裝置成功把上述磁學(xué)特性集合在一個(gè)儀器中測量，即可以測量不同形狀、成分結(jié)構(gòu)磁性材料的磁滯回線、剩磁、矯頑力、磁導(dǎo)率以及磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)，通過控制面板上的按鍵實(shí)現(xiàn)功能的切換，由液晶屏接顯示圖像以及測量數(shù)據(jù)。從而大大簡化了實(shí)驗(yàn)步驟，節(jié)省了成本和人力。

1 測量原理

1.1 動(dòng)態(tài)磁滯回線的測量

根據(jù)動(dòng)態(tài)磁滯回線的測量原理，可以將磁場強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的測量轉(zhuǎn)化為電壓的測量。通常情況下，磁滯回線教學(xué)儀器的磁性材料樣品都是形狀固定不可更換的，無法滿足測量多種不同形狀、不同成分結(jié)構(gòu)磁性材料的需要。該裝置在測量部分采用雙線圈反向連接作為探測線圈，在其外面套上勵(lì)磁線圈，即可避免上述問題，如圖1所示。2個(gè)探測線圈分別記為線圈1、線圈2。實(shí)驗(yàn)時(shí)只需將待測樣品放入線圈1、2中任意一個(gè)即可。假設(shè)將樣品置于線圈2內(nèi)，B磁化為交變磁場在樣品中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S1為線圈1的有效面積，S2為線圈2的有效面積，n為線圈1、2的匝數(shù)，則探測線圈產(chǎn)生的總電動(dòng)勢為[2]

(1)

若兩線圈完全一致，S2=S1，上式可簡化為

(2)

圖1 勵(lì)磁線圈與探測線圈示意圖

由式(2)可以看到，取出的原始信號(hào)并非需要的B磁化信號(hào)。這里采用積分電路，將感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為B磁化，即

該儀器采用的積分電路如圖2所示。圖中:N為勵(lì)磁線圈的匝數(shù);L為樣品的平均磁路長度;U1為R1端的電壓；n為探測線圈匝數(shù);R2、C為組成的積分電路電阻和電容;U2為積分電容C兩端的電壓;S為樣品磁路的截面積[3]。可以得到：

(3)

(4)

U1分別通過單片機(jī)采集，由液晶顯示屏即可得到磁滯回線圖形[4]。根據(jù)單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)由式(3)、(4)計(jì)算出具體H、B，進(jìn)而可以得到剩磁、矯頑力等磁性參數(shù)[5]。

圖2 積分電路圖

1.2 磁導(dǎo)率μ的測量

動(dòng)態(tài)磁滯回線H和B的測量是通過測量如圖2中電壓U1和U2實(shí)現(xiàn)的。交流磁導(dǎo)率μ此時(shí)是復(fù)數(shù)，

μ1=Bmcosδ/Hm

(5)

μ2=Bmsinδ/Hm

(6)

式中:μ1為磁導(dǎo)率的實(shí)部;μ2為磁導(dǎo)率的虛部;Hm和Bm分別為幅值磁場強(qiáng)度和幅值磁感應(yīng)強(qiáng)度;δ為滯后角，也稱損耗角。

通過電壓U1和U2的信息可以得到Bm和Hm，以及兩者的相位差(滯后角)δ。由式(5)、(6)即可求出此時(shí)的磁導(dǎo)率[6]，此過程的所有計(jì)算都通過編程由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)[7]。

1.3 磁致伸縮系數(shù)測量

將磁致伸縮形變轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻變化的測量方法，通過非平衡電橋來檢測應(yīng)變片變化大小，從而可以確定磁致伸縮系數(shù)λ[8]。磁致伸縮系數(shù)常用ΔL/L表示,如L為磁致伸縮棒的原長，ΔL為棒長度方向上的伸長量。當(dāng)樣品的長度發(fā)生變化ΔL時(shí)，黏貼在棒上的電阻應(yīng)變片隨之發(fā)生變化,設(shè)為ΔX，電阻應(yīng)變片的阻值變化為[9]

式中,K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，由廠家給出。因此只需測出ΔR/R即可得到磁致伸縮系數(shù)。ΔR/R可以通過非平衡電橋法檢測。將電阻應(yīng)變片接入非平衡電橋的一個(gè)橋臂，由非平衡電橋的測量原理可知，在平衡狀態(tài)下，調(diào)節(jié)橋臂阻值相對(duì)變化量ΔR/R與檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)值α為線性關(guān)系。因此只需檢測通過單片機(jī)采集橋臂間的電壓差即可計(jì)算出磁致伸縮系數(shù)[10-11]。

2 裝置與過程

2.1 裝置及工作方式

測量裝置分為內(nèi)部裝置以及外部裝置,前者主要由磁滯回線測量電路以及磁致伸縮系數(shù)測量電路構(gòu)成;后者主要由測量線圈、電阻應(yīng)變片等組成。測量電路結(jié)合外部測量線圈以及待測材料產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)整信號(hào)、濾波并使其在液晶屏上良好顯示；A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，在液晶顯示器直接顯示出測量結(jié)果。通過電磁繼電器實(shí)現(xiàn)磁滯回線測量電路和磁致伸縮系數(shù)測量電路的切換，以按鍵形式體現(xiàn)。工作流原理如圖3所示。

圖3 儀器內(nèi)部工作原理圖

2.2 測量過程

(1) 動(dòng)態(tài)磁滯回線及其相關(guān)參數(shù)。接通電源后打開開關(guān)，按下復(fù)位鍵時(shí)裝置處于待工作狀態(tài)。按下設(shè)置鍵，選擇磁滯回線測量模式。先將電壓旋鈕的電壓檔調(diào)為0，然后將磁性材料放在任一探測線圈中，再次調(diào)節(jié)電壓旋鈕到適當(dāng)電壓，按下測量按鈕時(shí)，液晶屏上會(huì)顯示此電壓下的磁性材料動(dòng)態(tài)磁滯回線。此時(shí)按數(shù)據(jù)鍵會(huì)顯示此電壓條件下的剩磁、矯頑力以及此時(shí)的磁導(dǎo)率。按下復(fù)位鍵可重復(fù)測量。

(2) 磁致伸縮系數(shù)。首先將探測線圈從勵(lì)磁線圈中取出，將電源由交流切換到直流，測量磁致伸縮系數(shù)的外加磁場由勵(lì)磁線圈提供。將磁致伸縮材料置于勵(lì)磁線圈的磁場中，按下復(fù)位鍵，再按下設(shè)置鍵選擇磁致伸縮模式，使其處于初態(tài)，磁場為零時(shí)，得到的是半導(dǎo)體應(yīng)變片的阻值。每改變一次磁場(即改變直流電壓的大小)，按下一次測量鍵，測定儀便記錄一次數(shù)據(jù)，如此重復(fù)。本實(shí)驗(yàn)暫取30次測量，每次磁場變化2 mT之后，半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻的改變值為ΔR，按測量鍵便可得到磁致伸縮材料在磁場中的變化曲線。按下數(shù)據(jù)鍵可以得到30次測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。按下復(fù)位鍵可重復(fù)測量。

3 測量結(jié)果

3.1 磁滯回線測量結(jié)果及分析

圖4為勵(lì)磁線圈電壓為24 V時(shí)，從示波器觀測到的Fe-Ga磁致伸縮材料的磁滯回線圖形。在磁場中改變Fe-Ga磁致伸縮材料磁疇結(jié)構(gòu)，使得更多的磁疇指向易磁化軸方向，形成了更加明顯的易磁化軸，進(jìn)而各項(xiàng)異性能減小，以致在較小的矯頑力下Fe-Ga磁致伸縮材料就達(dá)到飽和磁化。可以看出，該磁致伸縮材料為典型的軟磁性材料，其內(nèi)部磁疇在勵(lì)磁電流下容易生磁、去磁，而且?guī)缀鯖]有剩磁、矯頑力。由于磁滯回線的面積表示磁化1周的磁能損耗，因此，可看出磁能損耗近似為0，可廣泛用于作動(dòng)器、換能器及傳感器領(lǐng)域[12]。該圖像可以直觀顯示出該材料的剩磁、矯頑力、磁導(dǎo)率等特性，通過單片機(jī)的采集數(shù)據(jù)并計(jì)算,可以得到精確的結(jié)果，并直接輸出。

圖4 磁滯回線圖形

3.2 磁致伸縮系數(shù)測量結(jié)果及分析

圖5為磁致伸縮系數(shù)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線。由圖可見，在磁感應(yīng)強(qiáng)度小于6 mT時(shí)，磁致伸縮系數(shù)λ隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大增幅較慢；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于6 mT時(shí)，λ隨著B的增大增幅較快；當(dāng)B>30 mT時(shí)，λ增幅減慢，開始趨于飽和[13]。從晶體學(xué)角度看， Fe-Ga合金的磁致伸縮應(yīng)變主要是在磁化過程中非180°疇壁位移或磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)造成的[7]，磁疇的疇壁位移及磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)與合金的取向和磁矩有密切關(guān)系，F(xiàn)e-Ga合金的易磁化方向?yàn)椤?00〉方向，在較低磁場下磁矩難以轉(zhuǎn)動(dòng)至外磁化方向的軸向[15]，因此材料的磁致伸縮系數(shù)小且增幅緩慢，但當(dāng)磁場增至一定程度后，磁化能足以克服磁矩偏轉(zhuǎn)的能量勢壘，使得更多的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)至外磁化方向，因此材料在較強(qiáng)的外磁場下具有比較高的磁致伸縮應(yīng)變[12]。

圖5 磁致伸縮系數(shù)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化關(guān)系圖

4 結(jié) 論

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,該儀器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 多功能智能切換。可以測量磁性材料的磁滯回線，剩磁、矯頑力、磁導(dǎo)率，以及磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)。通過電路設(shè)計(jì)，以按鍵方式實(shí)現(xiàn)智能切換。

(2) 材料可更換。材料用雙線圈反向連接的方式，可以不同形狀、成分結(jié)構(gòu)的磁性材料，便于對(duì)比研究。

(3) 經(jīng)濟(jì)、方便。多功能集于一身，省去以往復(fù)雜實(shí)驗(yàn)步驟、節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本。

適用范圍：可以在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用來檢測磁性材料的磁學(xué)特性，確定該材料的適用范圍；也可在教學(xué)、科研中深入研究普通磁性材料及磁致伸縮材料的磁學(xué)性能，具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。由于該儀器價(jià)格便宜、功能多，所以具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，若投入生產(chǎn)市場競爭力大。

[1] 李恒菊,李銀祥.稀土巨磁致伸縮材料的特性及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2004,18(3):304-309.

Li Heng-ju Li Yin-xiang. Properties of rare-earth giant magnetostrictive material and progress on its application [J], Mater Rev,2004,18(3):304-309．

[2] 吳志明,駱萬發(fā),沈桂平. 磁滯回線測量儀的設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(6):20-21.

Wu Zhi-ming，Luo Wan-fa, Shen Gui-ping. Design of hysteresis loop measurement instrument[J], Physical Experiment,2009,29(6):20-21.

[3] 高玉亮.電路與模擬電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2008:69-87.

[4] 賈瑞皋,薛慶忠.電磁學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2003:210-228.

[5] 李書光,張亞萍,朱海豐.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:科學(xué)出版社,2012:210-217.

[6] 嚴(yán) 密,彭曉領(lǐng).磁學(xué)基礎(chǔ)與磁性材料[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2006:102-107.

[7] 張志高,王立新,侯瑞芬,等.動(dòng)態(tài)磁性能測試儀的研究[J].現(xiàn)代測量與實(shí)驗(yàn)室管理,2004:18-20.

Zhang Zhi-gao，Wang Li-xin， Hou Rui-fen，etal. Measurement meter of magnetic materials’dynamic characteristics[J]. Advanced Measurement and Laboratory Management, 2004:18-20.

[8] 李 蓉.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:北京師范大學(xué)出版社. 2008:298-300.

[9] Akwn O K. A new measuring method of magnetostriction vibration[J]. J Appl Phys, 1979, 50: 7 713.

[10] 王乃丹,龍北玉,吳漢華，等. 大磁致材料磁致伸縮參數(shù)自動(dòng)測量儀的研制[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, 27(5A): 556-560.

Wang Nai-dan, Long Bei-yu, Wu Han-hua，etal. An automated magnetostriction measurement system designed for giant magnetostriction material[J], Journal of Yunnan University(Natural Science Edition), 2005, 27(5A): 556-560.

[11] Cochardt A W. A method of measuring magnetostriction[J]. J Appl Phys, 1954, 25(1): 91.

[12] 江民紅,顧正飛,成 鋼,等.〈533〉軸向取向稀土超磁致伸縮合金棒的制備與性能[J].材料工程，2008(4)：5-7.

Jiang Min-hong，Gu Zheng-fei，Cheng Gang,etal. Preparation and properties of rare earth-iron giant magnetostrictive material with 〈533〉 axial alignment[J], Materials Engineering, 2008(4)：5-7.

[13] 袁惠群,孫華剛. 超磁致伸縮材料內(nèi)部磁場特性及材料參數(shù)對(duì)其影響分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(30):119-124.

Yuan Hui-qun, Sun Hua-gang. Inner magnetic field characteristic of giant magnetostrictive materials and effects of the materials parameters on the characteristic[J]. Proceedings of the CSEE, 2008,28(30):119-124.

[14] 張光睿,江麗萍,吳雙霞,等.Fe—Ga合金磁致伸縮性能的研究進(jìn)展[J].材料研究與應(yīng)用,2010,4(1):5-8.

Zhang Guang-rui，Jiang Li-ping，Wu Shuang-xia，etal. Development of magnetostrictive properties of Fe-Ga alloy[J]. Materials Research and Application,2010,4(1):5-8.

[15] 季 勇, 周麗萍, 季 紅.磁致伸縮對(duì)超坡莫合金軟磁性能的影響[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,25(3):29-31.

Ji Yong，Zhou Li-ping Ji Hong，etal. Influence of magneto-striction on soft-magnetic property permalloy[J]. Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition) ,2004,25(3):29-31.