测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统及其方法

1.本发明涉及磁致伸缩测量，具体是涉及一种测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统及其方法。


背景技术：

2.稀土超磁致伸缩材料(terfenol-d)作为一种新型的电磁功能材料，由于其出色的磁致伸缩性能在微位移驱动领域占有极大的应用市场，并广泛应用于机器人、超精密加工、精密仪器和水声换能器等领域。
3.稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变测量的重复性是产品应用极为关键的因素之一，同样也标志着测量的精确度如何。从目前实验数据来看，磁致伸缩测量的重复性较差、精确度较低。磁致伸缩材料作为一种高度非线性材料，其磁机耦合特性决定了磁致伸缩应变测量的重复性，而剩磁作为关键因素，如何进行高效的退磁是一个亟待解决的问题。
4.国内外对退磁已经有相关研究，但多集中于变压器铁芯等软磁材料，cn 102323555 a公开了一种多光束激光外差测量磁致伸缩系数的方法，其中公开了在测量磁致伸缩系数时，先将待测试件进行退磁，但并未未公开退磁的具体方法，也未描述如何进行高效退磁或者退磁是否成功，未量化考虑剩磁对磁致伸缩应变测量的精确度产生的影响。实际上，如何进行磁致伸缩材料的高效退磁是磁致伸缩应变测量的难点，也是该领域需要解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统及其方法，对稀土超磁致伸缩材料高效退磁后测量磁致伸缩应变，磁致伸缩应变测量的重复性得到显著提高，有效提高了材料参数测量的精确度。
6.本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统，包括直流电源、信号发生器、功率放大器、高斯计、应变仪、超磁致伸缩棒、霍尔探头、电阻应变片、换向开关、大线圈、小线圈、感应线圈和磁轭，磁轭两侧分别设有大线圈，磁轭中部固定有超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒上端固定在磁轭上端，超磁致伸缩棒下端固定在磁轭下端，超磁致伸缩棒中部设有两个小线圈，超磁致伸缩棒依次穿过两个小线圈，感应线圈缠绕在超磁致伸缩棒中部表面，电阻应变片位于感应线圈上方位置；直流电源通过换向开关分别与大线圈、小线圈相连，信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与小线圈相连，电阻应变片与应变仪相连，高斯计与霍尔探头相连，霍尔探头紧贴超磁致伸缩棒中部的感应线圈。
7.进一步，还包括数据记录仪，所述应变仪、感应线圈、高斯计分别与数据记录仪相连。
8.一种测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的方法，包括以下步骤：
9.(1)搭接测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统；
10.(2)测量超磁致伸缩棒退磁前的剩磁δb
1r
；
11.(3)在不同退磁电流频率和幅值下，产生不同的退磁初始磁场，对超磁致伸缩棒进行退磁操作；
12.(4)测量不同退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度下超磁致伸缩棒退磁后的剩磁δb
2r
；
13.(5)计算不同退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度下超磁致伸缩棒的退磁效率η；
14.(6)选取退磁效率满足要求的退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度范围，对超磁致伸缩棒进行退磁操作；
15.(7)在激励磁场下，测量退磁后的超磁致伸缩棒的磁致伸缩应变。
16.进一步，步骤(2)中，测量超磁致伸缩棒退磁前的剩磁δb
1r
的方法如下：
17.(2-1)采用阶跃法测量超磁致伸缩棒退磁前的正向磁感应强度变化量δb1和退磁前的反向磁感应强度变化量δb2；
18.(2-2)计算测量超磁致伸缩棒退磁前的剩磁δb
1r
：
19.进一步，步骤(2-1)中，采用阶跃法测量超磁致伸缩棒退磁前的正向磁感应强度变化量δb1和退磁前的反向磁感应强度变化量δb2，具体方法为：
20.(2-1-1)产生阶跃变化的电流，电流数值设定为使超磁致伸缩棒磁感应强度接近饱和的电流值，将超磁致伸缩棒磁化接近正向饱和磁感应强度b1点，所述阶跃变化的电流是指在极短时间内使小线圈中的电流上升到设定值；
21.(2-1-2)在感应线圈两端采集感应电压即感应电动势，经过积分计算得到超磁致伸缩棒退磁前的正向磁感应强度变化量δb1；
22.(2-1-3)产生反向阶跃变化的电流，电流数值设定为使超磁致伸缩棒磁感应强度接近饱和的电流值，将超磁致伸缩棒磁化接近反向饱和磁感应强度b2点；
23.(2-1-4)在感应线圈两端采集感应电压即感应电动势，经过积分计算得到超磁致伸缩棒退磁前的反向磁感应强度变化量δb2。
24.进一步，步骤(2-1-2)、(2-1-4)中，积分计算得到超磁致伸缩棒退磁前的正向磁感应强度变化量δb1及反向磁感应强度变化量δb2的方法如下：
25.(a)在阶跃变化的电流下，感应线圈的感应电动势ε(t)表达式如下：
[0026][0027]
其中，i(t)是感应线圈中的瞬时感应电流，r是感应线圈的电阻参数，l是感应线圈的电感参数；
[0028]
(b)由法拉第电磁感应定律可知，感应线圈的感应电动势ε(t)又可表示为：
[0029][0030]
其中，b(t)是超磁致伸缩棒的瞬时磁感应强度，s是感应线圈的横截面积，n是感应线圈的匝数，φ(t)是感应线圈中的瞬时磁通量；
[0031]
(c)对公式(2)进行[0，τ]积分，即
[0032][0033]
此时积分所得b(t)即为磁感应强度变化量，正向阶跃变化的电流下，积分所得b(t)为退磁前的正向磁感应强度变化量δb1，反向阶跃变化的电流下，积分所得b(t)为退磁前的反向磁感应强度变化量δb2。
[0034]
进一步，步骤(4)中，测量不同退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度下超磁致伸缩棒退磁后的剩磁δb
2r
的方法如下：
[0035]
(4-1)采用阶跃法测量超磁致伸缩棒退磁后的正向磁感应强度变化量δb3和退磁后的反向磁感应强度变化量δb4；
[0036]
(4-2)计算测量超磁致伸缩棒退磁后的剩磁δb
2r
：
[0037]
进一步，步骤(5)中，所述退磁效率
[0038]
进一步，步骤(6)中，选取满足退磁效率η》95％的退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度范围，对超磁致伸缩棒进行退磁操作。
[0039]
进一步，所述退磁效率η》95％时，对应的退磁电流频率设置范围在5～10hz，退磁初始磁场对应的磁通密度范围应设置在饱和磁通密度的96.26％～100％。
[0040]
与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0041]
本发明在不同退磁电流频率和幅值下，对稀土超磁致伸缩材料进行退磁，从而选取退磁效率满足要求的退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度范围，对稀土超磁致伸缩材料进行退磁操作，从而实现稀土超磁致伸缩材料高效退磁，稀土超磁致伸缩材料高效退磁后磁致伸缩应变测量的重复性得到显著提高；退磁电流频率范围设置在5～10hz，退磁初始磁场对应的磁通密度范围设置在饱和磁通密度的96.26％～100％，稀土超超磁致伸缩材料的退磁效率大于95％，稀土超磁致伸缩材料退磁后磁致伸缩应变测量的重复性改进了67％，有效提高了材料参数测量的精确度。
附图说明
[0042]
图1是本发明实施例之测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统的结构示意图。
[0043]
图2是图1所示实施例的小线圈、超磁致伸缩棒、感应线圈及电阻应变片的剖面示意图。
[0044]
图3是本发明实施例之测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的方法的流程图。
[0045]
图4是图3所示实施例的超磁致伸缩棒的正向、反向磁感应强度变化量测量原理图。
[0046]
图5是图3所示实施例的超磁致伸缩棒退磁前和退磁后的剩磁测量结果图。
[0047]
图6是图3所示实施例的超磁致伸缩棒的退磁效率结果图。
[0048]
图7是图3所示实施例的超磁致伸缩棒退磁前的磁致伸缩应变测量和退磁后的磁致伸缩应变测量的结果对比图。
[0049]
图中，1—直流电源，2—信号发生器，3—功率放大器，4—高斯计，5—应变仪，6—数据记录仪，7—超磁致伸缩棒，8—霍尔探头，9—电阻应变片，10—换向开关，11—大线圈，12—小线圈，13—感应线圈，14—磁轭，15—上极头，16—下极头。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0051]
参照图1、图2，本实施例之测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统包括直流电源1、信号发生器2、功率放大器3、高斯计4、应变仪5、数据记录仪6、超磁致伸缩棒7、霍尔探头8、电阻应变片9、换向开关10、大线圈11、小线圈12、感应线圈13、磁轭14、上极头15、下极头16，磁轭14呈口字型，磁轭14两侧分别设有大线圈11，磁轭14中部固定有超磁致伸缩棒7，超磁致伸缩棒7上端通过上极头15固定在磁轭14上端，超磁致伸缩棒7下端通过下极头16固定在磁轭14下端，超磁致伸缩棒7中部设有两个小线圈12，超磁致伸缩棒7依次穿过两个小线圈12，感应线圈13缠绕在超磁致伸缩棒7中部表面，电阻应变片9位于感应线圈13上方位置。直流电源1通过换向开关10分别与大线圈11、小线圈12相连，信号发生器2与功率放大器3相连，功率放大器3与小线圈12相连，电阻应变片9与应变仪5相连，应变仪5、感应线圈13与数据记录仪6相连，数据记录仪6与高斯计4相连，高斯计4与霍尔探头8相连，霍尔探头8紧贴超磁致伸缩棒7中部的感应线圈13。
[0052]
由直流电源1对小线圈12进行供电，产生阶跃变化的电流，将超磁致伸缩棒7正向磁化，在感应线圈13两端采集感应电压即感应电动势传输到数据记录仪6，经积分计算得到超磁致伸缩棒7退磁前和退磁后的正向磁感应强度变化量δb1、δb3，通过换向开关10使电流反向，产生反向阶跃变化的电流，将超磁致伸缩棒7反向磁化，在感应线圈13两端采集感应电压即感应电动势传输到数据记录仪6，经积分计算超磁致伸缩棒7退磁前和退磁后的反向磁感应强度变化量δb2、δb4，根据δb1、δb2计算测量超磁致伸缩棒7退磁前的剩磁δb
1r
：根据δb3、δb4计算测量超磁致伸缩棒7退磁后的剩磁δb
2r
：从而根据δb
1r
、δb
2r
计算退磁效率
[0053]
由信号发生器2分别发送一组不同频率的低频交流电压信号，经过功率放大器3放大后给小线圈12供电，从而产生一组不同频率的交流电流信号作为退磁电流。
[0054]
直流电源1给大线圈11供电，产生不同的激励磁场，由霍尔探头8测量激励磁场强度，在不同的激励磁场下，由电阻应变片9测量退磁后的超磁致伸缩棒7相应的磁致伸缩应变对应的电压信号，应变仪5对退磁后的超磁致伸缩棒7的磁致伸缩应变对应的电压信号进行采集和处理，并将数据传输给数据记录仪6。霍尔探头8将测量的激励磁场强度对应的电压信号传输给高斯计4来实时监测，并由高斯计4将电压信号传输给数据记录仪6。
[0055]
参照图3，本实施例之测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的方法，包括以下步骤：
[0056]
(1)搭接测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统；
[0057]
(2)测量超磁致伸缩棒7退磁前的剩磁δb
1r
；
[0058]
(3)在不同退磁电流频率和幅值下，产生不同的退磁初始磁场，对超磁致伸缩棒7
进行退磁操作；
[0059]
(4)测量不同退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度下超磁致伸缩棒7退磁后的剩磁δb
2r
；
[0060]
(5)计算不同退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度下超磁致伸缩棒7的退磁效率η；
[0061]
(6)选取退磁效率满足要求的退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度范围，对超磁致伸缩棒7进行退磁操作；
[0062]
(7)在激励磁场下，测量退磁后的超磁致伸缩棒7的磁致伸缩应变。
[0063]
步骤(1)中，搭接的测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统为上文介绍的本实施例的测量稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩应变的系统。
[0064]
步骤(2)中，测量超磁致伸缩棒7退磁前的剩磁δb
1r
的方法如下：
[0065]
(2-1)采用阶跃法测量超磁致伸缩棒7退磁前的正向磁感应强度变化量δb1和退磁前的反向磁感应强度变化量δb2；
[0066]
(2-2)计算测量超磁致伸缩棒7退磁前的剩磁δb
1r
：
[0067]
参照图4，步骤(2-1)中，采用阶跃法测量超磁致伸缩棒7退磁前的正向磁感应强度变化量δb1和退磁前的反向磁感应强度变化量δb2，具体方法为：
[0068]
(2-1-1)由直流电源1对小线圈12进行供电，产生阶跃变化的电流，电流数值设定为使超磁致伸缩棒7磁感应强度接近饱和的电流值，将超磁致伸缩棒7磁化接近正向饱和磁感应强度b1点，该阶跃变化的电流是指在极短时间内使小线圈12中的电流上升到设定值；
[0069]
(2-1-2)在感应线圈13两端采集感应电压即感应电动势传输到数据记录仪6，经过积分计算得到超磁致伸缩棒7退磁前的正向磁感应强度变化量δb1；
[0070]
(2-1-3)通过换向开关10使电流反向，产生反向阶跃变化的电流，电流数值设定为使超磁致伸缩棒7磁感应强度接近饱和的电流值，将超磁致伸缩棒7磁化接近反向饱和磁感应强度b2点；
[0071]
(2-1-4)在感应线圈13两端采集感应电压即感应电动势传输到数据记录仪6，经过积分计算得到超磁致伸缩棒7退磁前的反向磁感应强度变化量δb2。
[0072]
步骤(2-1-2)、(2-1-4)中，积分计算得到超磁致伸缩棒7退磁前的正向磁感应强度变化量δb1及反向磁感应强度变化量δb2的方法如下：
[0073]
(a)在阶跃变化的电流下，感应线圈13的感应电动势ε(t)表达式如下：
[0074][0075]
其中，i(t)是感应线圈13中的瞬时感应电流，r是感应线圈13的电阻参数，l是感应线圈13的电感参数。
[0076]
(b)由法拉第电磁感应定律可知，感应线圈13的感应电动势ε(t)又可表示为：
[0077][0078]
其中，b(t)是超磁致伸缩棒7的瞬时磁感应强度，s是感应线圈13的横截面积，n是感应线圈13的匝数，φ(t)是感应线圈13中的瞬时磁通量。
[0079]
(c)对公式(2)进行[0，τ]积分，即
[0080][0081]
此时积分所得b(t)即为磁感应强度变化量，正向阶跃变化的电流下，积分所得b(t)为退磁前的正向磁感应强度变化量δb1，反向阶跃变化的电流下，积分所得b(t)为退磁前的反向磁感应强度变化量δb2。
[0082]
将式(2)代入式(1)，得：
[0083][0084]
对式(4)两边同时积分可得：
[0085][0086]
由式(5)可知，当阶跃电流的上升时间τ足够小时，等式右边的第一项可以忽略不计，即b(t)只与某一时刻的瞬时感应电流值有关。因此当磁化电流阶跃到最大值时，通过式(3)得到的b(t)就是磁感应强度变化量，不受积分时间以及初始磁通密度的影响。
[0087]
步骤(3)中，在不同退磁电流频率和幅值下，产生不同的退磁磁场，对超磁致伸缩棒7进行退磁操作的方法如下：
[0088]
(3-1)由信号发生器2分别发送一组不同频率的低频交流电压信号，经过功率放大器3放大后给小线圈12供电，从而产生一组不同频率的交流电流信号；所述交流电流信号作为退磁电流。
[0089]
本实施例中，一组不同频率的交流电流信号包括20hz、15hz、10hz、5hz的四个交流电流频率。
[0090]
(3-2)调节信号发生器2分别将各个不同频率的退磁电流升至不同电流幅值，产生相应的退磁初始磁场，超磁致伸缩棒7在相应的退磁初始磁场下进行退磁。
[0091]
退磁电流函数如下所示：
[0092][0093]
其中，i
demag
为退磁电流，i
set
为退磁电流的初始值，-ax为退磁电流的衰减因子，f为退磁电流的频率，为退磁电流的相位。
[0094]
本实施例中，不同电流幅值包括15a(150ka/m)、12a、9a、6a、3a、1a六个电流值。故本实施例中，将各个不同频率的退磁电流升至不同电流幅值是指，将20hz频率的退磁电流升至15a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为1.07t，将15hz的退磁电流升至15a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为1.07t，将10hz的退磁电流升至15a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为1.07t，将5hz的退磁电流升至15a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为1.07t；将20hz频率的退磁电流升至12a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为1.03t，将15hz的退磁电流升至12a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为1.03t，将10hz的退磁电流升至12a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为1.03t，将5hz的退磁电流升至12a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为1.03t；将20hz频率的退磁电流升至9a，此时退磁初始磁场对应
的磁通密度为0.98t，将15hz的退磁电流升至9a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.98t，将10hz的退磁电流升至9a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.98t，将5hz的退磁电流升至9a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.98t；将20hz频率的退磁电流升至6a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.91t，将15hz的退磁电流升至6a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.91t，将10hz的退磁电流升至6a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.91t，将5hz的退磁电流升至6a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.91t；将20hz频率的退磁电流升至3a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.62t，将15hz的退磁电流升至3a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.62t，将10hz的退磁电流升至3a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.62t，将5hz的退磁电流升至3a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.62t；将20hz频率的退磁电流升至1a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.34t，将15hz的退磁电流升至1a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.34t，将10hz的退磁电流升至1a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.34t，将5hz的退磁电流升至1a，此时退磁初始磁场对应的磁通密度为0.34t，分别在上述列举的各种退磁电流下，对超磁致伸缩棒7进行退磁操作。
[0095]
参照图5，步骤(4)中，测量不同退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度下超磁致伸缩棒7退磁后的剩磁δb
2r
的方法如下：
[0096]
(4-1)采用阶跃法测量超磁致伸缩棒7退磁后的正向磁感应强度变化量δb3和退磁后的反向磁感应强度变化量δb4；
[0097]
(4-2)计算测量超磁致伸缩棒7退磁后的剩磁δb
2r
：
[0098]
步骤(4-1)中，采用阶跃法测量超磁致伸缩棒7退磁后的正向磁感应强度变化量δb3和退磁后的反向磁感应强度变化量δb4，具体方法同测量测量超磁致伸缩棒7退磁前的正向磁感应强度变化量δb1和退磁前的反向磁感应强度变化量δb2。
[0099]
步骤(5)中，退磁效率η越大，说明退磁效果越好。本实施例在不同退磁电流下的退磁效率如图6所示，退磁效率最高达到了98.95％。通过本实施例退磁实验得到：稀土超磁致伸缩材料高效退磁(退磁效率》95％)时对应的退磁电流频率设置范围在5～10hz，退磁初始磁场对应的磁通密度范围应设置在饱和磁通密度的96.26％～100％。故本实施例步骤(6)中，选取满足退磁效率η》95％的退磁电流频率和退磁初始磁场对应的磁通密度范围，对超磁致伸缩棒7进行退磁操作。
[0100]
步骤(7)中，在不同的激励磁场下，测量退磁后的超磁致伸缩棒7相应的磁致伸缩应变。直流电源1给大线圈11供电，本实施例中，大线圈11的电流设置为0a
→
16a
→
0a，步长为0.2a，产生不同的激励磁场，由霍尔探头8测量激励磁场强度，由电阻应变片9测量退磁后的超磁致伸缩棒7相应的磁致伸缩应变对应的电压信号，应变仪5对退磁后的超磁致伸缩棒7的磁致伸缩应变对应的电压信号进行采集和处理，并将数据传输给数据记录仪6。霍尔探头8将测量的激励磁场强度对应的电压信号传输给高斯计4来实时监测，并由高斯计4将电压信号传输给数据记录仪6。
[0101]
为了评估本发明退磁对磁致伸缩应变测量的重复性的改进效果，本发明在相同条件下，重复测量三次退磁后的超磁致伸缩棒7相应的磁致伸缩应变；并在同等条件下，重复
测量三次退磁前的超磁致伸缩棒7相应的磁致伸缩应变。验证效果如图7所示，图7(a)为不同激励磁场下，退磁前的超磁致伸缩棒7相应的磁致伸缩应变测量效果图，图7(b)为不同激励磁场下，退磁后的超磁致伸缩棒7相应的磁致伸缩应变测量效果图。结果表明：超磁致伸缩棒7退磁前磁致伸缩应变测量的重复性较低，最大差距为60ppm，退磁后磁致伸缩应变测量的重复性改进了67％，极大地提高了材料参数测量的精确度。此处的重复性是指在相同测量条件下，对同一被测量对象(磁致伸缩应变)进行连续多次测量所得结果之间的一致性。
[0102]
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
[0103]
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。