基于PXI-4220和LabVIEW的小尺寸样品磁致伸缩性能测量系统

南 楠，周天宏，陈 杰

（1.湖北汽车工业学院理学院，湖北 十堰 442002；2.武汉商学院信息工程学院，湖北 武汉 430056）

基于PXI-4220和LabVIEW的小尺寸样品磁致伸缩性能测量系统

南 楠1，周天宏2，陈 杰1

（1.湖北汽车工业学院理学院，湖北 十堰 442002；2.武汉商学院信息工程学院，湖北 武汉 430056）

为满足实验室条件下对样品磁致伸缩性能测试的需要，在LabVIEW环境下，控制NI PXI-4220双通道数据采集卡（搭载于PXI-1042Q机箱中）和由KEPCO BOP 72-6D型程控电源提供电流信号的GMW 5043-76mm型自动电磁铁，并配合RS Pro 2mm导线接端应变片以及自制的样品载台，成功开发适用于小尺寸样品的磁致伸缩测量系统。系统采用NI PXI-4220内置的半桥-I型惠斯登电路采集动态应变信号，并由LabVIEW程序自动进行数据处理。以CoFe2O4陶瓷作为试样置于该系统下测试，所得的磁致伸缩曲线反映出灵敏的应变-外场响应和明显的磁滞特点。经零点补偿换算后，测试样品的饱和磁致伸缩值为200×10-6~300×10-6，在有效范围之内。该系统具有搭建快捷方便和功能模块扩展性强的特点。

磁致伸缩；数据采集卡；LabVIEW；惠斯登电路；磁滞

0 引 言

磁致伸缩材料能够实现机械能与电磁能之间的相互转换，工业上被广泛用于制作各种换能器、传感器、微起动机等电子器件，军事上被用于制作声呐。应用最为广泛的超磁致伸缩 （giant magnetostriction，GM）材料当属潜艇声呐使用的 Terfenol-D合金（Tb0.3Dy0.7Fe2）[1]；但该类材料由于含昂贵的稀土元素，很难被广泛运用于民用工业。随着多铁性复合纳米结构成为研究的热点[2]，国际上对不含稀土元素的新型磁致伸缩材料的探索也越来越重视，开发成本低廉的磁致伸缩测量装置至关重要。

目前大多数对磁致伸缩的测量均采用Quantum Design公司生产的综合物性测量系统（PPMS）和理研电子株式会社研发的MST-400C磁致伸缩测量装置。但是，PPMS价格昂贵，MST-400C功能单一且可移植性差。基于上述原因，本文拟开发基于LabVIEW的磁致伸缩测量系统，采用技术成熟的应变片电测法配合NI-PXI系列数据采集装置实现对力值信号的快速采集和自动处理[3]。

1 应变片电测法结合PXI-4220模块测量磁致伸缩原理

1.1 磁致伸缩

磁致伸缩是磁性材料磁弹耦合作用的体现。常规意义的磁致伸缩简单定义为在外磁场作用下铁磁性样品沿着磁化方向长度发生变化的现象，常用磁致伸缩系数λ（相对伸长率）表示为

式中l（H）和l（0）分别为外磁场为H和0时样品的长度。

典型的完整循环磁致伸缩曲线[4]如图1所示，其中红色段为磁场正向扫描部分，蓝色段为反向扫描部分。

图1 完整循环的磁致伸缩曲线

1.2 PXI-4220测量磁致伸缩原理

将应变片紧紧贴附于待测样品表面，当样品在外加磁场的的作用下尺寸发生伸长或缩短时，会引起应变片上的应变电阻丝的长度发生变化从而改变其电阻值。将贴于待测样品的应变片通过导线接端配置在惠斯登电桥中作为其中一个臂，就可将应变值转化为电信号并经过软件处理得到需要的磁致伸缩信号波形图。NI PXI-4220模块自带惠斯登电桥且可以进行四分之一桥、半桥、全桥等多种配置方式，面板上的AI/0和AI/1两个串行口均可以作为物理输入通道。经多次试验，发现半桥-I型电路具有更高的输入输出灵敏度，因此应该采用该种配置方式，如图2所示[5]。

图2 NI PXI-4220中的半桥-I型惠斯登电路配置图

图中的R4即为测量拉伸应变的应变片，R3为外接的虚拟负载电阻。将载台上的R3和R4再通过设计相应的接口连到AI/1上从而接入电桥。

2 测量系统设计

2.1 总体设计

要测试完整的磁致伸缩曲线，需由GMW 5043-76mm型自动电磁铁为样品提供一定频率的交变磁场。该型电磁铁的电流输入由KEPCO BOP 72-6D型程控电源提供，KEPCO BOP 72-6D型程控电源可由LabVIEW程序直接控制，能够通过编程提供包括方波、锯齿波、正弦波在内的多种大范围的交变电流信号，因此完全可以满足样品测试所需要的磁场条件。通过自行设计的样品载台和外接电路将试样置于电磁场中并通过RS232接口与PXI-4220的AI/1通道连接。PXI-4220装载于PXI-1042Q机箱中并通过PXI总线技术与其相连。NI PXI-4220数据采集卡在LabVIEW的控制下通过设置相应的采样参数和滤波处理完成对应变信号的采集并由程序计算获得需要的实时磁致伸缩信号波形图[5-7]。在获得磁致伸缩信号的同时由LabVIEW同步记录数据信号并传输到程序自行创建的文本中（可以是Excel文件或TXT文档），便于插入专业的图表处理软件进行后续操作[8]。总体搭建结构原理如图3所示。

2.2 硬件设计

根据系统设计，首先需将样品固定在载台上放置于电磁铁的两个磁极间，后根据图2的结构将样品通过传感电路接口（图2虚线框左边部分）与数据采集卡的面板串口相连，构成完整的半桥-I型惠斯登电桥。

2.2.1 样品载台设计及样品固定

为使样品不受其他材料产生的感生磁场的影响，固定样品的载台需是非磁体，因而采用铜作为样品载台原材料较为合适。为获得尽量大的磁场强度，电磁铁两个磁极间的距离需尽量小，样品台可以为厚度小且细长的矩形薄板（5cm×2cm）。薄板的末端连接粗细合适长度约为50 cm的铜棒，便于用支架固定，支架距电磁铁的距离应尽量远。若要探究磁致伸缩性能与样品-磁场夹角的关系，还可根据需要在棒的末端添加角度指示器（如将光学偏振片的角度指示模块拆下进行加装）。

将切割好的长方体样品（10 mm×5 mm）用双面胶贴于载台表面，样品的长边与矩形载台的宽边平行（需提前标记样品放置区域）。检查样品的稳固性，确保铁磁性样品不会在强磁场作用下而松动，必要时可在样品边缘进行补胶[9]。

图3 测试系统的总体结构原理图

2.2.2 应变片贴附及传感接口电路的设计

将一片RS Pro 2 mm导线接端应变片用496胶水[9]紧密贴附于待测样品上表面作为主测量单元（R4），并将另一规格相同的应变片平行贴于样品旁边的载台面上作为虚拟负载电阻（R3）。两个应变片的4个导线接端分别标记为A，B和公共端C。在载台薄板的背面对应的设置A，B，C 3个焊点，将应变片的导线接端按编号对应地与背面的焊点焊接，通过导线束的其中3根线（标记为A，B，C）将载台薄板部分连接至一个RS232串口，其中A端短接串口的Pin5和Pin7，C短接Pin1和Pin4，B连Pin2，如图4所示。

图4 传感接口电路连接图

2.3 软件设计

该系统的输入信号筛选及处理全部由LabVIEW软件完成，整个系统包括参数设定、GM测量、波形图保存、数据输出及管理5部分。

参数设置主要包括样品编号设定和属性描述，电流源控制单元部分的电流扫描频率、扫描步长和幅值（电流的幅值决定磁场的范围）设定，信号采集模块的激励电压、零点补偿、采样点数、采样频率、采样范围以及输入衰减与放大增益设置，滤波模块的截止频率设置等。

GM测量模块，LabVIEW需首先控制KEPCO BOP 72-6D电源输出正负方向等幅的交变电流信号给电磁铁，在线圈半径和线圈匝数一定的情况下，电流的大小与电磁铁产生的磁场强度呈线性关系，可以实现饱和磁化强度范围内的全扫描。PXI-4220板卡经传感电路采集到样品尺寸变化导致的模拟电压信号，通过AD转换变为数字信号，然后由程序自动转换成应变数值。对采集到的应变信号需要进行滤波，采用Butterworth型滤波器消除外信号的干扰。Butterworth型滤波器在通带内具有较大的平坦度，对通带内的信号取一个均值作为目标测量值，最后动态描画实时波形图。GM测量模块的程序部分如图5所示。

波形图保存模块对符合要求的曲线图进行保存，数据输出和管理模块将自动根据样品编号、测试日期及属性标记创建文件夹并分类存储测量数据文本，便于查找，实现智能化管理。

3 系统测试

样品载台通过支架置于电磁铁磁极间，样品正对线圈中心，磁场方向与其待测面平行，根据实际样品的属性合理设置参数并启动程序进行测试。以化学共沉淀法制备的片状CoFe2O4铁氧体陶瓷为例，其中电流源的电流输出范围设置为-12～12 A（根据自行测试的CoFe2O4的磁化曲线，其饱和磁化强度所对应的电流不超过12A），扫描步长设置为0.1A。进行一个周期内的全扫描后所得的磁致伸缩曲线如图6所示。从图中可以看出，经一个完整周期的磁化过程，该测量系统所得数据描绘的曲线很好地反映了样品的磁滞效应，磁滞效应与样品的磁化强度和之前的磁化历史有关。经零点偏置换算后，其饱和磁致伸缩值达到200×10-6~300×10-6，与文献[10-12]的描述相一致。

图5 GM测量模块的程序图

图6 CoFe2O4的全扫描磁致伸缩曲线

4 结束语

本文利用实验室常见的磁场发生模块和自行设计制作的样品载台与接口电路，配合NI PXI-4220数据采集卡以及LabVIEW编程开发了适用于小尺寸样品的磁致伸缩测量系统。通过对不含稀土元素的铁氧体磁致伸缩材料CoFe2O4的实际测试并将测量结果与现有文献的综合对比，发现该系统具有较高的测量精度和敏捷的应变传感响应速度，证明其有效性。该系统搭建简单快捷，可随时进行功能扩充，为研究更多不含稀土元素的新型铁磁材料提供了软硬件基础。

[1]ENGDAHL G.Hand book of giant magnetostrictive ma terials[M].Salt Lake City：Academic Press，1999：198-210.

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[3]POLITCH J.Methods of Strain Measurement and their Comparison[J].Optics and Lasers in Engineering，1985（6）：55-66.

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[6] 刘雁潮，高成.基于LabVIEW的DC/DC变换器自动测试系统[J].中国测试，2009，35（1）：53-55.

[7]邓焱，王磊.LabVIEW7.1测试技术与仪器应用[M].北京：机械工业出版社，2004：220.

[8]胡绍海，高亚峰，肖坦.基于LabVIEW的Excel报表生成技术研究[J].测控技术，2007，26（10）：64-69.

[9]KOBAYASHI A S.Manual on experimental stress analysis[M].Third edition.Westport：Society for Experimental Stress Analysis，1978：69-70.

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（编辑：莫婕）

Magnetostriction measurement system for small-sized sample based on PXI-4220 and LabVIEW

NAN Nan1，ZHOU Tianhong2，CHEN Jie1
（1.School of Science，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China；2.Department of Information Engineering，Wuhan Business University，Wuhan 430056，China）

In order to satisfy the need of measuring magnetostrictive behavior of sample under laboratory condition，a magnetostriction measurement system used for small-sized sample was successfully developed by using LabVIEW based NI PXI-4220 two-channel data acquisition card inserted in PXI-1042Q case，GMW model 5043-76 mm electromagnet powered by KEPCO BOP 72-6D programmable power source，RS Pro-2mm Wire Lead Strain Gauge and self-designed sample holder.This system is configured with built-in Half-Bridge Type I Wheatstone circuit collecting dynamic strain signalbuiltin NIPXI-4220， and the acquired data willbe automatically processed by LabVIEW.The system wasused to testCoFe2O4ceramic，the acquired magnetostriction showed sensitive stain-field response and obvious hysteresis.Saturated magnetostriction of tested sample was within 200×10-6－300×10-6which was considered to be in valid range after performing zero compensation.This system is easy to set up and has strong expansibility.

magnetostriction；data acquisition card；LabVIEW；Wheatstone circuit；hysteresis

A

：1674-5124（2016）12-0087-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.018

2016-04-02；

：2016-05-18

湖北省教育科学十二五规划项目（2014B259）

南 楠（1988-），男，湖北十堰市人，助教，硕士，主要从事材料测试与表征技术的研究开发。