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1、编码： 山东省第四届大学生物理科技创新大赛作品申报书 作品名称： 应用于磁致伸缩材料的磁致伸缩特性测定仪 学校全称： 中国石油大学（华东） 申报者姓名： 郭敏强 指导教师： ?、? 类别：B类实验方法研究（A类）自制实验教学仪器（B类）物理量智能化测量技术（C类）实验模拟与仿真（D类）实物类（E类）山东省第四届大学生物理科技创新大赛组委会制2012年3月 申 报 者 情 况申报者情况姓 名郭敏强性别男出生年月1992年11月21日学校全称中国石油大学（华东）专业应用物理学现学历本科年级2009级学制4年通讯地址山东省青岛市黄岛经济技术开发区长江西路66号联系电话*合作者情况姓 名性别年龄学历所
2、在单位穆伟平男23在读本科中国石油大学（华东）刘慧男24在读本科中国石油大学（华东）杨斌男22在读本科中国石油大学（华东）指导教情况和见指导教师情况 姓名*性别*年龄*职 称*单位*联系电话*对作品的真实性以及作品的意义、水平等评价一、作品的真实性该测定仪是在调研文献的基础上，充分利用普通物理实验所学的相关知识和物理实验中心现有的实验设备，发挥自主创新能力，独立改装设计实验，巧妙地将三项实验（惠更斯电桥法、电阻应变片法、相关量代换法）中的测量技术、测量思想有机结合在一起，完成了仪器的物理理论部分。新的测量方法从一个全新的角度精确、简洁地完成了磁致伸缩系数的高精度测量，既有利于学生更好地掌握实验
3、的精髓，培养创新思维，也有利于物理实验教学，降低了实验室维护成本，为实验室建设提供了新的思路。该测定仪依托于上述理论，结合电工电子学相关知识，原理结构清晰，设计方案合理，实验方法新颖，具有较高的创新性，适合于在实验室推广的同时也满足了一定的实际需求，有效解决传统实验中存在的诸多问题的同时简化了测量过程。二、作品的意义磁致伸缩材料是重要的能量与信息转换功能材料。对磁致伸缩材料进行研究，最为基础和关键的工作就是对静态磁致伸缩性能的测量，即对磁致伸缩系数的测量。这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），也可以将机械能（或机械位移与信息）转换成电磁能（或电磁信息），
4、是重要的能量与信息转换功能材料。该磁致伸缩测定仪的成功研制，减小了体积，降低了实验成本，可移动性、可携带性加强，其将对声纳的水声换能器技术、电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域产生影响，具有较广泛的应用前景。三、作品的水平该磁致伸缩仪是在调研了大量市场相关仪器的基础上，结合实验中所做出的新理论，制订了实施性较强的方案。理论部分为将长度测量转化成电阻和检流计偏转值的测量，并利用整体代换等思想推导获得了用检流计偏转值计算磁致伸缩系数的计算式。该测定仪结构紧凑简单、测量简洁快速、操作方便
5、、精度较高，达到了一个试验测定仪所追求的效果。随着铁磁材料特性研究的不断发展，磁致伸缩效应在工业传感器技术中的应用也不断得到发展，该测定仪对磁致伸缩系数的测量不仅能使人们在教学上获益，也能够推动磁致伸缩效应在检测技术、工程工业及其他方面中的应用。申报者所在学院审核意见 年 月 日申报作品情况（由申报者本人填写）作品全称应用于磁致伸缩材料的磁致伸缩特性测定仪展示形式及实物尺寸软件 ； 实物及尺寸：作品设计的目的和基本思路（相关资料作为附件，例如研究报告、实验数据、外观图、鉴定证书和应用证书等）一、设计的目的1.解决传统实验室和市场上磁致伸缩测试仪器均为大型专业设备，体积大、读数误差较大、操作复杂
6、、价格昂贵等问题，设计制作新的测量仪应用于实际测量，在实验室做进一步推广；2.用新测定仪器，通过非平衡电桥和电阻应变片实现铁磁质磁致伸缩系数的高精度测量，同时提高实验效率；3.解决超微弱信号在实验室和工业测量中的应用； 4.以研究为契机，进一步实现整套磁致伸缩材料物理学性能（如磁致伸缩系数，磁滞回线，磁阻随磁场的变化关系等）的研究；5.使磁致伸缩测量不仅能使人们从教学上获益，也能够推动磁致伸缩效应在检测技术、工业传感器技术、能量与信息转换功能材料、换能器技术、海洋探测技术、微位移致动、智能机翼、机器人等高技术领域得到应用。二、基本思路针对实验室及工业中对磁致伸缩系数测量存在的诸多问题，进行逐一
7、解决，基本步骤如下：1.通过参研大量国内外文献资料及市场上相关仪器的状况和存在的问题，借鉴成功的案例，提取足够的实验前期准备，制定出最佳、最合理的实验设计方案。2.运用已经成功验证的物理理论原理，将测量磁致伸缩系数的核心部分有效地结合到电子元器件电路中。3.将物理原理、电子器件所能达到的测量范围、实际中存在的影响因素结合到一起，全面综合考虑，对设计方案进行试验。4.分析仪器测量数据和实验室中组合电路的测量数据，做出合理的分析解释，并对该测定仪的适用范围进行限定。5.对电路中所有单片机程序进行调节，使其与硬件部分完整结合，同时考虑方案进一步的简化浓缩，使其同时实现自动和手动两种测量功能。作品的创
8、新点、技术难点和实际应用情况一、创新点1.该测定仪的理论新方法改变了传统磁致伸缩仪器计算复杂、体积庞大、价格昂贵和读数误差大的缺陷，实现了结构紧凑简单、测量简洁快速、操作方便、结果精度较高的效果，只须在检验定标之后直接将待测材料置于磁场中，数码管显示出新方法中所需的压差数值即可，达到了一个试验测定仪所追求的效果。2该测定仪运用AD524放大器、滤波模块和16位AD模块ADS7825P实现了实验中直流复射式检流计的功能作用，达到了高精准测量的效果，有效地解决了实验测量中的核心问题。3该作品在一定程度上解决了当前实验仪器研究中存在的超微弱信号极难测量和稳定的问题，为以后的相关研究提供了范例，可用于
9、实际测量，在实验室可作进一步推广。二、技术难点1.在磁致伸缩材料表面径向粘贴电阻应变片，要求粘贴的电阻应变片能与材料伸缩形变同步增减。 2.由于在1-30mT励磁场下引起应变片的电阻变化量极小，那么对于该测定仪实现超微弱信号的测量成为首要难点和重点。3.该测定仪减少了组合电路测量实验中电阻箱须加以校准的步骤，却增加了器件产生噪声，信号手干扰程度大不稳定，计算机所能识别的数据位数有限制等难题。4.在实验中的测量转化到电子器件中时，不能实现一对一的配置，需经过不断的需求值转换，需要不断地分析引入量对整个测量系统的影响程度。5.制作过程中器件结合在一起时极容易损坏，需不断的分析每个模块、管脚、电路端
10、口的电压值和整体影响效果，来确保下一步实验测量的实现。三、实际应用情况1.该测定仪对磁致伸缩系数测量，结合材料的组成、种类和外施磁场的大小等因素有关，可用在研究应用领域中；2.该测定仪对磁致伸缩材料的物理学性能的测定，可以拓宽其应用领域，为今后的纵向研究奠定基础；3.磁致伸缩材料是重要的能量与信息转换功能材料，测定仪对其性能的研究，一定程度上可发掘出材料的潜在使用价值；4.该测定仪是在完成了普通物理实验教程的基础上设计并提出的，它结合了物理实验中所学的相关知识，立足于实验室的需求，适合于在实验室推广使用，也适合实际应用；5.将改进后实验装置和方法应用于实际测量后，精度高、工作稳定，结果显示：新
11、的装置和方法简化了测量过程，提高了测量结果的准确度，而且该技术可以用来比较准确地检测各种磁致伸缩材料的磁致伸缩系数，满足检测技术及其他方面中的应用；6.后期将尝试将其用于水下通讯、制导、捕鱼、油井及地质探测等，其它方面应用包括阀门控制、精密车床、机器人、蠕动马达、阻尼减振、延迟器及传感器等方面。其他说明1.在威海举行的山东省第三届物理科技创新大赛“磁致伸缩材料物理学性能新型测定方法的研究”获得一等奖；2.在实验的基础上已撰写出磁致伸缩系数测定新方法的研究论文一篇，已被中文核心期刊实验室研究与探索录用，定于2012年12月发表；3.对于所做出的新测量方法，申请国家发明专利“一种测量磁致伸缩系数的
12、新方法（专利号2012101216377）”一项，已经受理，并且初步审查合格，进入实质审查阶段。4.本实验装置和测量方法已应用于实际测量，结果显示装置性能较好，能达到预期效果；5.该仪器申请国家实用新型专利“应用于磁致伸缩材料磁致伸缩系数测定仪（专利号2012202741796）”并已经受理；6.该试验测定仪的研制受国家级大学生创新试验项目“磁致伸缩材料物理学性能测定新方法的研究（项目编号111042559）”的依托进行。评审委员会意见组委会秘书处资格审查通过审查 未通过审查 审查人（签名） 年 月 日评审小组成绩 小组内排名： 得 分： 组长（签名） 年 月 日评审会终审建议特等奖 一等奖二
13、等奖 三等奖未获奖 主任（签名） 年 月 日编码： 山东省第四届大学生物理科技创新大赛作品申报书 作品名称： 应用于磁致伸缩材料的磁致伸缩特性测定仪 学校全称： 中国石油大学（华东） 申报者姓名： 郭敏强 指导教师： 张亚萍、刘彦民 类别：B类实验方法研究（A类）自制实验教学仪器（B类）物理量智能化测量技术（C类）实验模拟与仿真（D类）实物类（E类）山东省第四届大学生物理科技创新大赛组委会制2012年3月目 录第一章 作品研究综述101 仪器制作项目简介101.1 团队简介101.2 项目小结112 仪器研究背景和目的113 当前国内外同类课题研究水平概述123.1 国外稀土磁致伸缩材料的应用
14、现状123.2 国内稀土磁致伸缩材料的应用现状143.3 现阶段市场上存在的仪器14第二章 磁致伸缩系数测定仪制作说明161 仪器制作原理161.1 Fe-Ga合金的磁致伸缩应变机制161.2 应变电阻片测量法161.3 实验原理171.4 非平衡电桥法测量磁致伸缩系数原理181.5 平衡电桥法测定测量磁致伸缩系数原理182 仪器实施方式192.1 仪器的装置和技术特点192.2 仪器测量的具体实施方式192.3 仪器定标20第三章 仪器的测量精度分析211 测量评定过程212 测量结果及分析212.1 非平衡电桥法实验结果及分析212.2平衡电桥法实验结果及分析232.3 综合比较分析23第
15、四章 工业应用展望251 优势分析251.1 测量灵敏度高251.2 采用连续、无损测试方法251.3 测量范围广251.4 仪器成本低252 市场分析和经济效益预测253 应用领域分析26第五章 结 论28参考文献28附 录30致谢：36第一章 作品研究综述1 仪器制作项目简介1.1 团队简介本团队是中国石油大学理学院组建的物理技能创新大赛竞赛团队，团队成员具有丰富的科研经历，其中团队负责人郭敏强：作品“磁致伸缩材料物理学性能新型测定方法的研究”获得山东省第三届物理科技创新大赛一等奖；“基于单片机的单摆法智能重力加速度测量装置的研制”获得山东省第三届物理科技创新大赛三等奖；承担国家级大学生创
16、新性实验计划项目“磁致伸缩材料物理学性能测定新方法的研究（项目编号111042559）”；在中文核心期刊投稿二篇论文已被录用等待发表；申请国家发明专利6项，实用新型专利6项；参加国家级大学生创新实验项目“激光衍射法测量气泡膜剪切弹性模量和表面粘度（编号101042537）”、“新型太阳能自动跟踪系统追日装置的设计（项目编号111042565）”，校级大学生创新实验项目“基于单片机8051系列的红绿灯试验仪的开发（项目编号20111145）”、“基于单片机的单摆法智能重力加速度测量装置（项目编号20111149）”；第八届“挑战杯”博德世达中国石油大学（华东）大学生创业计划大赛中获得铜奖。团队成
17、员穆伟平为机电学院在读本科生，多次参加电子设计大赛，分别获得省一等奖、三等奖，在电子电路方面具有丰富的知识。团队成员刘慧是计算机专业的学生，在程序编写和调节方面具有丰富的底蕴和基础，现已被保送为研究生。团队指导老师张亚萍副教授为中国石油大学（华东）物理实验中心副主任，硕士生导师，主要从事物理实验教学与研究工作。近3年主持校科研项目1项，校级实验技术改革项目1项，完成并验收校级实验技术改革重点项目1项、校级教改项目1项；参与国家自然科学基金1项、山东省自然基金2项；获得校级优秀教学成果一等奖1项，优秀实验技术成果一等奖1项、二等奖2项。山东省物理实验教学示范中心及大学物理实验省级精品课程主要负责
18、人之一。多次指导学生参加科技活动并获得优异成绩。团队指导老师刘彦民是物理实验中心副主任，主要从事智能仪器检测，计算机软硬件结合的相关研究工作。在电子电路设计，仪表检测和应用方面具有丰富的经验。1.2 项目小结项目名称：应用于磁致伸缩材料的磁致伸缩特性测定仪项目开始时间：2011年9月思路来源：基础物理实验教程平衡电桥法测量磁致伸缩系数项目主要解决问题：其他磁致伸缩材料的磁致伸缩特性测定仪操作方法繁琐，运行成本高，测量不连续，体积大，不宜携带等问题。项目主要创新点：该仪器制作成本低，可实时、连续、精确地用于测量磁致伸缩材料的磁致伸缩特性，并能对磁致伸缩材料的磁滞回线进行显示。2 仪器研究背景和目
19、的铁磁性物质在被外磁场磁化时，其体积和长度会发生变化，通常把这种效应称为磁致伸缩效应。当长度为l的磁性材料在磁化方向上的长度变化为l时，磁致伸缩系数可表示为：=ll。纯铁的磁致伸缩系数仅为2010-4左右。20世纪70年代，美国海军表面武器实验室的研究人员发现超磁致伸缩材料Tbo0.27Dy0.73Fe2合金磁致伸缩系数可达200010-6以上，使磁致伸缩材料的研究和应用达到了新的高度，作为磁学与磁性材料领域的重要组成部分，磁致伸缩效应和磁致伸缩材料的应用与研究从未停止过。研究人员于2000年发现了新型的低场磁致伸缩材料，为磁致伸缩材料提出了新的发展方向。磁致伸缩材料可实现电磁能与机械能或声能
20、的相互转换，因此它是重要的能量与信息转换功能材料，在换能器技术、海洋探测技术、微位移致动、智能机翼、机器人等高技术领域具有广泛的应用前景，同时，它是新世纪提高国家竞争力的战略性功能材料。对磁致伸缩材料进行研究，最基础也是最重要的工作就是对磁致伸缩系数随磁场变化关系(磁致伸缩曲线)的测量，磁致伸缩系数是磁致伸缩材料的核心特性参数。然而，目前市场上磁致伸缩测试仪器均为大型专业设备，由于体积大、操作复杂、价格昂贵等原因不便推广。静态磁致伸缩测试仪可以准确测量铁磁合金的磁致伸缩系数并实时生成磁致伸缩曲线。该仪器具有较高测量精度，不仅适用于科研工作中的磁性测量，还可以应用于高校理工类学生的物理实验教学。
21、3 当前国内外同类课题研究水平概述精确测量磁致伸缩材料的磁致伸缩特性中的磁致伸缩系数是最基础也是最重要的工作。磁致伸缩材料的磁致伸缩系数是衡量材料本身性质的一项重要指标，目前测量磁致伸缩系数的方法主要有迈克尔逊测量法、光杠杆和机械杠杆组合测量法等。利用这些方法所制作的实验仪器比较多，应用于精确测量磁致伸缩材料的磁致伸缩特性的测定仪多为磁致伸缩系数测量仪和弱磁滞回线测量仪，其国内外应用研究情况如下：3.1 国外稀土磁致伸缩材料的应用现状磁致伸缩材料在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、
22、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景，例如用该材料可制造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷(PZT)材料来制造，它仅能制造小功率(2.0kW)的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率(625kw)的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。此研究有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20100，可促进石油工业的发展；用该材料制造的
23、薄型(平板型)喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度(20dB以下)。反振动与减振器应用到运载工具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等。目前从事超磁致伸
24、缩材料研究的，包括美国、瑞典、德国、俄罗斯、英国、法国、日本等已有50多家公司，正在或准备开发这种材料的各种可能应用。稀土超磁致伸缩材料是国外八十年代末新开发的新型功能材料，主要是指稀土-铁系金属间化合物，特别是铽镝铁磁致伸缩合金(TerfenolD)的成功研制，更是开辟了磁致伸缩材料的新时代，TerfenolD是70年代才发现的新型材料。美国前沿技术(Edge Technologies)公司1989年开始生产稀土大磁致伸缩材料，其商品牌号为TerfenolD，随后瑞典Feredyn AB公司也生产、销售稀土大磁致伸缩材料，产品牌号为Magmeg86，近10多年来，日本、俄罗斯、英国和澳大利亚
25、等也相继研究开发出TbDyFe2型磁致伸缩材料，并有少量产品销售。稀土磁致伸缩材料主要用于制作大功率声纳，后者广泛应用于水下通讯、制导、捕鱼、油井及地质探测等。其它应用包括阀门控制、精密车床、机器人、蠕动马达、阻尼减振、延迟器及传感器等。稀土磁致伸缩材料的开发与应用，日益受到人们的关注，产量及市场消费量增长非常迅速。据美国前沿技术公司统计，全世界TerfenolD合金产量，1989年仅为100kg，1993年约l000kg，1995年达到10t，而到1997年已达到70t。美国国内每年用于声纳等器件的TerfenolD材料价值约数百万到1千万美元，声纳、油压机、机器人等器件的市场金额每年约6亿
26、美元。最近5年来，TerfenolD的市场年增长率为100。近期，美国宇航局与Energen公司签约，投资开发新一代太空望远镜用致动装置。近几年来，国外研制了近千种应用器件，批准的美国专利已超过一百多件，据专家分析，在2015年之前，TerfenolD的市场将包括以下几部分：在运输业的主要产品为刹车线、燃料注入、降噪减震、阀和泵以及线性马达。在航空、航天、航海及其它部门中的应用器件除声纳外，还包括线性马达、致动器、液体动力系统、薄膜、传感器和降噪减震系统。在加工、制造中的应用包括精密定位系统、印刷业的雕版打印头、精密机床的工具定位和主动减震，用于机械手、机器人等各种自动化设备的致动器和马达及传
27、感器等。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统OAT(Ocean Acoustic Topography)和海洋气候声学温度测量系统ATOC(The AcousticThericometrv of Ocean climate)的水声发射换能器，其信号可发射到1000km的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。3.2 国内稀土磁致伸缩材料的应用现状我国几个重要研究单位于90年代前后开始研究TbDyFe晶体磁致伸缩材料，如中科院物理所、金属所、包头稀土院、北京科技大学等，虽然实验室研究达到了较高水平，但目前都没有实现规模生产。近几年来，稀土超磁致伸缩材料的应用研究在国内也得到了重视
28、，在声纳、精密机械、高速阀门等方面应用取得了一些进展。稀土超磁致伸缩器件研究已列入国家“九五”攻关项目。钢铁研究总院科研开发组和中科院声学研究所协作研制稀土-铁系超磁致伸缩材料水声换能器。北京有色金属研究总院通过中国有色金属工业总公司向国家申请利用世界银行科技发展项目贷款，在北京建立“稀土材料国家工程研究中心”。超磁致伸缩材料GMM促进了声纳的发展，稀土超磁致伸缩材料TerfenolD优越的特性使它具有广泛的应用前景，例如低频大功率而体积小重量轻的声纳换能器能提高海军的防卫和攻击能力，是它的典型而又重要的一个应用。稀土超磁致伸缩材料在水声换能器上的应用有：(1)圆柱形水声换能器；(2)复合棒(
29、Tonpilz)换能器；(3)型弯张水声换能器；(4)Flextensional underwater acoustical transducer)；(4)用于海洋声层析(Tomography)的水声换能器；(5)Janus换能器；(6)型弯张稀土超磁致伸缩水声换能器(Flextensional class)；(7)超导稀土超磁致伸缩水声换能器。稀土磁致伸缩材料可作成超声波清洗机、焊接机和超声外科手术刀等使用的高频超声换能器。另一种提高稀土超磁致伸缩材料高频特性的方法是使用稀土超磁致伸缩复合材料，它是由稀土超磁致伸缩材料的粉末与粘接剂合成的金属基体复合材料。3.3 现阶段市场上存在的仪器3.3
30、.1 TRS-2磁致伸缩测试仪图1-1 TRS-2磁致伸缩测试仪该设备用于测量单片电磁钢板（硅钢板）在交流磁化过程中磁化方向所产生的机械变形（磁致伸缩），适用于电磁钢板的研究开发以及检测。采用激光测试原理，可以在正弦波、三角波、方波等波形条件下测试，但其体积大，不方便携带使用，价格昂贵，动辄上万甚至几十万，维护费用也比较高，一般的公司或工厂很少购买，比较难以得到推广。3.3.2 BKT-3薄膜磁致伸缩测量仪图1-2 BKT-3薄膜磁致伸缩测量仪磁致伸缩薄膜材料在微机电系统(MEMS)、水下声纳等领域有着广泛的应用，由于磁致伸缩薄膜的磁致伸缩系数的绝对值很小，因此对薄膜材料的磁致伸缩系数进行直接
31、测量十分困难。BKT-3薄膜磁致伸缩测量仪采用激光光杠杆放大的方法测量磁致伸缩薄膜悬臂梁的微挠度，从而实现磁致伸缩系数的测试。光杠杆法所测量出的精度因为材料及方式的局限性，很难达到非常高的精度。很容易看出，其体积较大，重量大，不宜移动，不方便携带，对于广泛应用带来了较大限制。3.4 其他分析方法和仪器图1-3 磁致伸缩参数测量仪磁致伸缩材料多参数测量系统是一种测量超磁致伸缩材料特性参数随外加交、直流磁场变化情况的装置。该系统由电磁铁、电磁铁稳流电源、磁通测量单元、磁场测量单元、应变测量单元、阻抗测量单元、亥姆亥兹线圈、音频励磁电源、数据采集系统、压力包、计算机和激光打印机等组成。这种仪器不但体
32、积大，笨重，而且因为本身和所带部分过多，影响过大，极不稳定，测量时非专业人士不可。第二章 磁致伸缩系数测定仪制作说明1 仪器制作原理1.1 Fe-Ga合金的磁致伸缩应变机制 Fe-Ga磁致伸缩材料为体心立方结构，它具有高的磁致伸缩各向异性。Fe-Ga合金的磁致伸缩应变主要是在磁化过程中非180畴壁位移或磁矩的转动造成的4。磁畴的畴壁位移及磁矩的转动与合金的取向和磁矩有密切关系，Fe-Ga合金的易磁化方向为方向。对于轴向取向的多晶合金,当在磁矩取向方向施加一磁场时，为了减小静磁能，轴向取向合金的磁矩会向方向旋转，各个晶粒的磁致伸缩应变都沿方向做有序排列，因而Fe-Ga合金表现出大的磁致伸缩应变5
33、。1.2 应变电阻片测量法电阻应变片是最常用的测力传感元件，其结构是将金属丝或半导体制成栅（如图2-1）贴在基底上。当用应变片测试时，应变片要牢固地贴在测试体表面；当测试体受力发生形变时，应变片的敏感栅变形，其电阻随之发生相应的变化。通过测试电路将测试体的形变信息转换成电阻电信号输出显示6。由于磁致伸缩形变率正比于电阻变化率，则测量磁场内黏贴电阻应变片样品的磁致伸缩系数7可表示为 （1）式中C为应变电阻片的结构参数，R为应变电阻片的原阻值，K为包含测量系统的放大倍数。 图2-1 电阻应变片传感器设R20为黏于待测样品上的电阻应变片，当样品的长度发生变化L/L时，电阻应变片也与之发生一定比例的变
34、化，电阻应变片的阻值变为 （2）为电阻应变片的灵敏系数，由厂家给出。本实验中所用Fe-Ga磁致伸缩材料，厂家所给的S值为2.1。1.3 实验原理在非平衡电桥的基础上，用整体代换的思想，可改装为如图2-2所示的电路，电阻R1和R4为比率臂电阻（取R1:R4=1:1），R20为黏贴于待测样品上的应变片电阻（4个350欧应变片电阻串联），R2、R3为可调电阻箱，桥上为灵敏电流计。（电源电压25V）在连接电路之前，首先用电流表检验电阻箱阻值变化是否均匀，之后按照图2-2连接实验电路6,8。闭合开关K1、K2，将K3置于R20，调节R3使得检流计示数为零，记录下此时R3的阻值（即所测得所贴应变片R20的
35、阻值）。将开关K3置于R2，调节R2使得检流计示数为零，并以此时为基准，逐次向同一个方向调节R2，并记录R2阻值和对应的检流计示数，作R2/R2-关系曲线。若此时关系曲线线性程度好，则可运用非平衡电桥原理实现高精度测量。ER4K2R5R3R20R1R2K3K1图2-2 新的电桥实验电路图调节R2使检流计示数为零（即回到基准状态），将K3置于R20，将R20置于激励磁场中，逐渐增加激励电流（产生激励磁场），同时记录不同时刻检流计的示数和激励磁场的大小，利用（8）式即可得出磁致伸缩系数与磁感应强度B的关系曲线。1.4 非平衡电桥法测量磁致伸缩系数原理在1.3原理的基础上连接好电路，改变R2，使之阻
36、值变化量为R2，由此引起的检流计偏转值为。桥臂阻值相对变化量R2/R2与检流计偏转值间为线性关系，可先确定R2/R2与的比例系数k，即有 （3）假设R2与R20并联，R2、为调节过程中每一时刻的值，R2为R2与R20并联的总电阻值，其他部分不变，则有 （4）则由（4）式可得 （5）简化上式，则约有 （6）上式中R2指桥路达到稳定时的值，R2指桥路偏离原来状态时R2的变化量。由式(3)、(6)推知 （7）则由(2)、(7)式可得 （8）实验中通过作出(R2/R2)-关系曲线，用图解法来确定常数k。之后将待测样品和补偿应变片置入磁场内，改变磁场，待测样品发生长度变化，导致R2/R2变化，检流计偏转
37、，最终由检流计的偏转值可确定待测样品的磁致伸缩系数。1.5 平衡电桥法测定测量磁致伸缩系数原理利用电阻应变片的应变效应，通过平衡电桥进行实验8，测定铁磁体的磁致伸缩系数。实验装置仍如图2-2所示，只是将R20与可变电阻R2并联。之后，通过外加磁场对磁致伸缩材料励磁（磁场大小由输入线圈的电流控制），调节R3使检流计示值为零，R3所示阻值即为R2的值，如此重复获取多组数据并记录9。电阻R2，R20臂的总电阻变化值R为 （9）由（2）得 （10）从而求出磁致伸缩系数。2 仪器实施方式2.1 仪器的装置和技术特点该仪器是基于整体带换法和非平衡电桥法相结合的原理，采用无损测量方式，实现对磁致伸缩系数比的
38、实时、连续、精确测量。它主要由磁致伸缩系数测量装置、信号处理装置和控制面板三部分组成。测量装置有磁场发生装置、端口电路、磁致伸缩棒和应变片传感器等组成。测量时需要注意磁致伸缩棒在磁场的放置状态和应变片传感器在磁致伸缩棒上所贴的形态。信号处理装置主要由放大器、滤波模块、AD转换模块、电源、稳压电源和单片机组成。能够成功地对所测量的量进行处理，将模拟量转化为数字量，并传输到单片机里，经过编写程序的控制，在通过各种计算原理的编入，实现磁致伸缩材料磁致伸缩系数的测量。控制面板模块由面板以及各个控制按键和旋钮组成，以达到对仪器操作控制的目的。2.2 仪器测量的具体实施方式图2-3 仪器整体外观图附注：1
39、-接线柱，2-导线，3-应变片传感器，4-磁致伸缩材料，5-载物台，6-切换键，7-图像放大键，8-图像缩小键，9-箱体，10-数据端口，11-控制面板，12-方向位移键，13-复位键，14-手动测量键，15-自动测量键，16-调零旋钮，17-开关，18-LCD面板。如图2-4所示，控制面板11上设有切换键6、图像放大键7、图像缩小键8、方向位移键12、复位键13、手动测量键14、自动测量键15、调零旋钮16和开关17。被测磁致伸缩材料4通过导线2与接线柱1相连，上面贴有应变片传感器3，并置于载物台5上，当测量时，将磁致伸缩棒置于磁场中。切换键6是用来切换不同的数或者切换数和图形。图像放大键7
40、、图像缩小键8是用来调节所显示图像，使其处于合适的大小。方向位移键12可以用于数据或图像等的移动。复位键13是一次测量完成后，进行下一次测量时须按下。手动测量键14、自动测量键15是根据自己的选择所选择的状态，各自都有自己的长处和缺点。调零旋钮16是表示处于磁场时因为剩磁的存在，需要进行的修正调节。图2-4 测定仪测量原理图如图2-4所示，当打开电源开关之后，整个电路通电，通过稳压模块，提供给电路较稳定的电压。此时置于磁场中的磁致伸缩棒开始在磁场中发生磁致伸缩变化，反映到电路中，桥路上的压差将发生变化。连接在桥路处的AD放大器模块便将这个信号放大，通过滤波来减少干扰。接着，16位AD模块ADS
41、7825P将通过自身的大范围捕获到数据，并传入到单片机里面，使示数得以在液晶LCD6943上显示。最终实现了磁致伸缩材料磁致伸缩系数的测量。2.3 仪器定标在固定的外界环境温度下，开始测量时，直接就可以知道应变片电阻的大小。当调节电阻时，将会出现一组电阻变化量和磁场的对应阻值，继而便可得到定标曲线。如果定标是自动测量的话，它可以根据在内部编写的程序自动进行，自动获取、记录并保存。如果是手动测量，按照调节磁场技术的方式即可实现。第三章 仪器的测量精度分析1 测量评定过程首先打开仪器，将磁致伸缩棒连接到接线柱上并置于磁场中，打开仪器开关，根据需要，按下自动按键或者手动按键。当为自动按键时，将会在程
42、序的指示下自动实现对数据进行测量，根据需要，既可以逐个按设定的时间显示示数，也可以显示出磁滞回线。当按下去的为手动按键时，可自行控制调节的幅度，另外，对于测量完成显示磁滞回线时，根据需要，可以调节放大按键或缩小按键，以得到自己需要的合适的磁滞回线。同时也可以显示出磁致伸缩材料在不同磁场大小下的磁致伸缩系数。2 测量结果及分析2.1 非平衡电桥法实验结果及分析 图3-1 励磁电流与磁感应强度关系曲线图3-1为励磁电流与磁感应强度关系曲线图，在逐步调节励磁电流的过程中它们之间呈线性均匀变化，其线性拟合关系式为 （11）其中，、为调节过程中的瞬时值。由此表明实验过程中励磁电流与磁感应强度稳定变化的线
43、性关系，实验中可通过间接测量电流的大小来获取磁场值，避免了实验中所用特斯拉计测量范围的限制和单次测量所带来的误差，获取较大范围较精确的磁场数据。图3-2 检流计示值与阻变R2/R2关系曲线图3-2为检流计示值与阻变R2/R2关系曲线图，其线性拟合关系式为 （12）从而确定出本实验条件下k值为0.00319，阻变R2/R2与摆角变化关系符合非平衡电桥法测量的原理，能够用于实现磁致伸缩系数的测量，为下一步的准确测量打下良好的基础。图3-3 磁感应强度B(mT)与磁致伸缩系数10-6的关系曲线图3-3为磁感应强度B(mT)与Fe-Ga合金材料磁致伸缩系数10-6的关系曲线，由新实验装置测得的数据，曲线图过渡相对
