磁性材料多功能测量仪的研制

杨 斌， 胡瑞雪， 张亚萍， 韩立立

(中国石油大学(华东) 理学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

目前,一般的仪器只能测量出单一的磁学特性，如果要测量多个量需要用到多个仪器，而且要做大量数据处理工作，为实验增加了成本和许多不便。例如，通常教学所用的TH-MHC磁滞回线测量仪只能测量固定磁性材料磁滞回线，且需要处理上百组数据，而且不能直接得到剩磁、矫顽力、磁导率等磁性参数。另外，磁致伸缩材料在工农业上都有广泛应用，磁致伸缩材料的磁致伸缩系数是决定材料用途的重要依据之一，因此测量磁致伸缩系数也至关重要[1]。

实验仪器智能化、多功能、简单方便已经成为仪器行业的发展趋势，因此各个研究机构都在致力于研究既经济，又高效的装置。本文研究了磁性材料多功能测量仪，该装置成功把上述磁学特性集合在一个仪器中测量，即可以测量不同形状、成分结构磁性材料的磁滞回线、剩磁、矫顽力、磁导率以及磁致伸缩材料的磁致伸缩系数，通过控制面板上的按键实现功能的切换，由液晶屏接显示图像以及测量数据。从而大大简化了实验步骤，节省了成本和人力。

1 测量原理

1.1 动态磁滞回线的测量

根据动态磁滞回线的测量原理，可以将磁场强度H和磁感应强度B的测量转化为电压的测量。通常情况下，磁滞回线教学仪器的磁性材料样品都是形状固定不可更换的，无法满足测量多种不同形状、不同成分结构磁性材料的需要。该装置在测量部分采用双线圈反向连接作为探测线圈，在其外面套上励磁线圈，即可避免上述问题，如图1所示。2个探测线圈分别记为线圈1、线圈2。实验时只需将待测样品放入线圈1、2中任意一个即可。假设将样品置于线圈2内，B磁化为交变磁场在样品中产生的磁感应强度，S1为线圈1的有效面积，S2为线圈2的有效面积，n为线圈1、2的匝数，则探测线圈产生的总电动势为[2]

(1)

若两线圈完全一致，S2=S1，上式可简化为

(2)

图1 励磁线圈与探测线圈示意图

由式(2)可以看到，取出的原始信号并非需要的B磁化信号。这里采用积分电路，将感应信号转化为B磁化，即

该仪器采用的积分电路如图2所示。图中:N为励磁线圈的匝数;L为样品的平均磁路长度;U1为R1端的电压；n为探测线圈匝数;R2、C为组成的积分电路电阻和电容;U2为积分电容C两端的电压;S为样品磁路的截面积[3]。可以得到：

(3)

(4)

U1分别通过单片机采集，由液晶显示屏即可得到磁滞回线图形[4]。根据单片机采集到的数据由式(3)、(4)计算出具体H、B，进而可以得到剩磁、矫顽力等磁性参数[5]。

图2 积分电路图

1.2 磁导率μ的测量

动态磁滞回线H和B的测量是通过测量如图2中电压U1和U2实现的。交流磁导率μ此时是复数，

μ1=Bmcosδ/Hm

(5)

μ2=Bmsinδ/Hm

(6)

式中:μ1为磁导率的实部;μ2为磁导率的虚部;Hm和Bm分别为幅值磁场强度和幅值磁感应强度;δ为滞后角，也称损耗角。

通过电压U1和U2的信息可以得到Bm和Hm，以及两者的相位差(滞后角)δ。由式(5)、(6)即可求出此时的磁导率[6]，此过程的所有计算都通过编程由单片机来实现[7]。

1.3 磁致伸缩系数测量

将磁致伸缩形变转换为应变片电阻变化的测量方法，通过非平衡电桥来检测应变片变化大小，从而可以确定磁致伸缩系数λ[8]。磁致伸缩系数常用ΔL/L表示,如L为磁致伸缩棒的原长，ΔL为棒长度方向上的伸长量。当样品的长度发生变化ΔL时，黏贴在棒上的电阻应变片随之发生变化,设为ΔX，电阻应变片的阻值变化为[9]

式中,K为电阻应变片的灵敏系数，由厂家给出。因此只需测出ΔR/R即可得到磁致伸缩系数。ΔR/R可以通过非平衡电桥法检测。将电阻应变片接入非平衡电桥的一个桥臂，由非平衡电桥的测量原理可知，在平衡状态下，调节桥臂阻值相对变化量ΔR/R与检流计偏转值α为线性关系。因此只需检测通过单片机采集桥臂间的电压差即可计算出磁致伸缩系数[10-11]。

2 装置与过程

2.1 装置及工作方式

测量装置分为内部装置以及外部装置,前者主要由磁滞回线测量电路以及磁致伸缩系数测量电路构成;后者主要由测量线圈、电阻应变片等组成。测量电路结合外部测量线圈以及待测材料产生信号，经过调理电路调整信号、滤波并使其在液晶屏上良好显示；A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，由单片机对数据进行处理分析，在液晶显示器直接显示出测量结果。通过电磁继电器实现磁滞回线测量电路和磁致伸缩系数测量电路的切换，以按键形式体现。工作流原理如图3所示。

图3 仪器内部工作原理图

2.2 测量过程

(1) 动态磁滞回线及其相关参数。接通电源后打开开关，按下复位键时装置处于待工作状态。按下设置键，选择磁滞回线测量模式。先将电压旋钮的电压档调为0，然后将磁性材料放在任一探测线圈中，再次调节电压旋钮到适当电压，按下测量按钮时，液晶屏上会显示此电压下的磁性材料动态磁滞回线。此时按数据键会显示此电压条件下的剩磁、矫顽力以及此时的磁导率。按下复位键可重复测量。

(2) 磁致伸缩系数。首先将探测线圈从励磁线圈中取出，将电源由交流切换到直流，测量磁致伸缩系数的外加磁场由励磁线圈提供。将磁致伸缩材料置于励磁线圈的磁场中，按下复位键，再按下设置键选择磁致伸缩模式，使其处于初态，磁场为零时，得到的是半导体应变片的阻值。每改变一次磁场(即改变直流电压的大小)，按下一次测量键，测定仪便记录一次数据，如此重复。本实验暂取30次测量，每次磁场变化2 mT之后，半导体应变片电阻的改变值为ΔR，按测量键便可得到磁致伸缩材料在磁场中的变化曲线。按下数据键可以得到30次测量点的数据。按下复位键可重复测量。

3 测量结果

3.1 磁滞回线测量结果及分析

图4为励磁线圈电压为24 V时，从示波器观测到的Fe-Ga磁致伸缩材料的磁滞回线图形。在磁场中改变Fe-Ga磁致伸缩材料磁畴结构，使得更多的磁畴指向易磁化轴方向，形成了更加明显的易磁化轴，进而各项异性能减小，以致在较小的矫顽力下Fe-Ga磁致伸缩材料就达到饱和磁化。可以看出，该磁致伸缩材料为典型的软磁性材料，其内部磁畴在励磁电流下容易生磁、去磁，而且几乎没有剩磁、矫顽力。由于磁滞回线的面积表示磁化1周的磁能损耗，因此，可看出磁能损耗近似为0，可广泛用于作动器、换能器及传感器领域[12]。该图像可以直观显示出该材料的剩磁、矫顽力、磁导率等特性，通过单片机的采集数据并计算,可以得到精确的结果，并直接输出。

图4 磁滞回线图形

3.2 磁致伸缩系数测量结果及分析

图5为磁致伸缩系数随磁感应强度的变化曲线。由图可见，在磁感应强度小于6 mT时，磁致伸缩系数λ随磁感应强度B增大增幅较慢；当磁感应强度大于6 mT时，λ随着B的增大增幅较快；当B>30 mT时，λ增幅减慢，开始趋于饱和[13]。从晶体学角度看， 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[7]，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〈100〉方向，在较低磁场下磁矩难以转动至外磁化方向的轴向[15]，因此材料的磁致伸缩系数小且增幅缓慢，但当磁场增至一定程度后，磁化能足以克服磁矩偏转的能量势垒，使得更多的磁矩转动至外磁化方向，因此材料在较强的外磁场下具有比较高的磁致伸缩应变[12]。

图5 磁致伸缩系数随磁感应强度变化关系图

4 结 论

经试验验证,该仪器具有如下优点：

(1) 多功能智能切换。可以测量磁性材料的磁滞回线，剩磁、矫顽力、磁导率，以及磁致伸缩材料的磁致伸缩系数。通过电路设计，以按键方式实现智能切换。

(2) 材料可更换。材料用双线圈反向连接的方式，可以不同形状、成分结构的磁性材料，便于对比研究。

(3) 经济、方便。多功能集于一身，省去以往复杂实验步骤、节省实验成本。

适用范围：可以在工、农业生产中用来检测磁性材料的磁学特性，确定该材料的适用范围；也可在教学、科研中深入研究普通磁性材料及磁致伸缩材料的磁学性能，具有一定的学术价值。由于该仪器价格便宜、功能多，所以具有较高的经济效益，若投入生产市场竞争力大。

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