周嚴，黃書彬，劉躍，劉鵬輝，劉世宇，張子龍

（天津商業(yè)大學理學院，天津300134）

基于邁克爾遜干涉法的磁致伸縮動態(tài)演示儀設計

周嚴，黃書彬，劉躍，劉鵬輝，劉世宇，張子龍

（天津商業(yè)大學理學院，天津300134）

磁致伸縮材料在換能器、傳感器、致動器等領域具有廣泛應用，因此對于高校理工科專業(yè)而言，磁致伸縮效應是電磁學課程教學中的重點內(nèi)容.然而，磁致伸縮效應引起的形變小、現(xiàn)象不直觀，同時，用于科研的測量設備體積大、價格高、不便攜，因此，目前市場上尚無適用于課堂教學的磁致伸縮演示實驗儀.本文基于邁克爾遜干涉儀原理，設計制作了磁致伸縮動態(tài)演示儀.其具有體積小、成本低、演示效果顯著等優(yōu)勢，既可以用于學生較高層次的創(chuàng)新實驗中，亦可用于課堂上磁致伸縮效應的演示.

邁克爾遜干涉儀；光干涉法；磁致伸縮效應

0 引言

磁致伸縮效應自發(fā)現(xiàn)以來，一直受到研究人員的廣泛關注[1-3].特別是超磁致伸縮材料Terfenol-D合金出現(xiàn)后，因其具有應變大、能量密度高、響應快、居里溫度高等優(yōu)點，在致動器、換能器和傳感器等多領域得到前所未有的廣泛應用與發(fā)展[4-6].磁致伸縮材料既可實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，又可用于信息轉(zhuǎn)換，因此，利用磁致伸縮材料實現(xiàn)電磁能與機械能或聲能的相互轉(zhuǎn)換的特性研制的器件或設備，在海洋探測、機器人重要部件、天文觀測等高新技術領域具有廣泛的應用[7-9].近年來，由于能源問題廣受關注，而新型磁致伸縮材料Galfenol兼具高磁致伸縮性能和優(yōu)異的機加工性能，在振動發(fā)電領域具有顯著的潛力，因此可以預見，磁致伸縮材料在未來科技、能源等多方面具有越來越重要的地位.

磁致伸縮系數(shù)是表征材料磁致伸縮性能的首要指標，測量磁致伸縮曲線，即磁致伸縮系數(shù)與外加磁場之間的變化關系曲線，是磁致伸縮材料性能研究的基礎工作.對于高等院校理工科學生特別是物理、電子等專業(yè)的本科生而言，磁致伸縮效應相關內(nèi)容是電磁學課程的學習重點與難點.然而，由于磁致伸縮效應不直觀，因此直觀的課堂演示實驗是幫助學生理解該現(xiàn)象的良好教學手段.然而，目前市場上現(xiàn)有設備均為用于科學研究的大型實驗儀器，不適合課堂教學.本文基于邁克爾遜干涉儀原理，設計制作了體積較小、便于帶入課堂的靜態(tài)磁致伸縮演示儀.該儀器具有體積小、成本低、演示效果顯著等優(yōu)勢，既可用于課堂上磁致伸縮效應的演示，又可用于學生較高層次的創(chuàng)新實驗中.

1 總體結構設計

磁致伸縮演示儀主要由干涉儀單元、致動器單元、機械傳動部件和計數(shù)單元組成.圖1給出了演示儀的部件關系圖.致動器單元主要包括電磁鐵電源、電磁線圈和磁致伸縮棒；干涉儀單元主要為邁克爾遜干涉儀組件；計數(shù)單元主要包括可識別變化條紋的光電檢測電路和電腦計數(shù)器.

演示儀總體工作原理如圖2所示：施加勵磁電流后，在電磁鐵（10）產(chǎn)生的磁場驅(qū)動下磁致伸縮棒（9）產(chǎn)生應變，通過機械杠桿（4）將此微小形變進行放大后傳至干涉儀的可移動平面鏡（17），從而在觀察屏（15）上產(chǎn)生不斷變化的干涉條紋，在此過程中，由光敏二極管（14）識別后，將數(shù)據(jù)傳入電腦計數(shù)器，進而顯示于屏幕上.由于隨著電流逐漸增大，磁致伸縮棒隨之伸長，與之連接的平面鏡也持續(xù)移動，從而可通過光屏觀察到持續(xù)變化的條紋，因此對于學生觀察、理解磁致伸縮過程而言，是非常直觀的.

圖1 磁致伸縮動態(tài)演示儀部件關系圖Fig.1 The structure diagram of magnetostrictive dynamic demonstrator

圖2 磁致伸縮動態(tài)演示儀面板結構圖Fig.2 Panel and structure diagram of magnetostrictive dynamic demonstrator

2 干涉儀單元設計

干涉儀單元設計主要包括光路和激光光源的電源設計.

光路部分如圖3所示，主要運用邁克爾遜干涉原理[10]，通過設計和調(diào)節(jié)光源、分光板、補償板、平面鏡、光屏等光學元件位置與角度，并將致動器頂桿與一平面鏡相連接，可實現(xiàn)將磁致伸縮棒產(chǎn)生的應變轉(zhuǎn)換為等傾干涉條紋的變化并確定其數(shù)值關系，從而得到磁致應變的具體數(shù)值.

圖3中，S為光源，G2為鍍有半透膜的分光板，G1為補償板，M1、M2為平面反射鏡，M1是固定的，M2和精密絲杠相連，使其可以向前后移動.將磁致伸縮頂桿部分與平面鏡M2相連接，當施加外磁場作用時，磁致伸縮棒伸長，會通過機械杠桿將應變放大后傳至平面鏡M2，使其位置發(fā)生變化，從而使相干光束1′、2′的光程差發(fā)生變化，觀察屏上干涉條紋就會發(fā)生移動，通過觀察、記錄干涉條紋的變化，即可得出形變的實際值.具體數(shù)學關系如下：

設磁致伸縮棒長度為L，絕對伸長量為Δl，干涉條紋變化數(shù)為ΔN，激光波長為λ，根據(jù)邁克爾遜干涉儀工作原理可得平面鏡M2移動位移

由于安裝了放大2倍的機械杠桿，則

磁致伸縮系數(shù)

由于氦氖激光波長λ=632.8×10-9m，因此，光屏上每變化一個條紋，對應絕對形變（即測量精度）約為158.2×10-9m，磁致伸縮Λ約為3.2×10-6.

3 致動器單元設計

致動器單元主要包括直流磁場電源、直流磁場發(fā)生裝置以及磁致伸縮棒.直流磁場發(fā)生裝置的電源由恒流源提供，然而儀器所需最大勵磁電流為4 A，恒流源提供的初始電流相對較小，因此實驗儀采用如圖4所示可調(diào)節(jié)的恒流源電路對勵磁電流進行放大.電路設計中采用達林頓三極管進行放大，這是由于運放電路的輸出電流相對較小，而大功率三極管所需的基極電流IB較大，可以為勵磁線圈提供穩(wěn)定的大電流.

為保證演示實驗效果，直流磁場發(fā)生裝置應提供適當?shù)拇艌鲎兓秶?，這就需要對線圈進行設計.設線圈匝數(shù)為N，線圈電流為I，線圈長度為L，則磁場

圖3 干涉儀單元的光路設計圖Fig.3 The light path design of interferometer unit

圖4 勵磁線圈的恒流源電路圖Fig.4 Circuit diagram of the constant current source for the excitation current

選取N=2 000匝，最大電流Imax=4 A，線圈長度L=50 mm，則最大磁場約為2 kOe.

4 計數(shù)單元與測量實例

實際測量、演示過程中，讀數(shù)環(huán)節(jié)通常存在計數(shù)工作耗時、易出錯等問題.為了提高測量速度和讀數(shù)的準確度，該儀器在光屏位置設計了如圖5所示的光電檢測電路，并與電腦計數(shù)器連接，實現(xiàn)自動計數(shù)的功能.當磁致伸縮棒在外磁場驅(qū)動下發(fā)生形變并推動平面鏡發(fā)生位移時，光屏上的條紋會不斷擴大或收縮，然而對于光敏三極管位置而言，僅表現(xiàn)為明暗交替變化，即光線照度變化，每變化一次，就會輸出一個脈沖信號觸發(fā)計數(shù)電路，從而實現(xiàn)自動、準確記錄條紋變化數(shù).

圖5為光電檢測電路.由光敏三極管檢測光屏上干涉環(huán)的明暗變化，變化成光敏三極管電流的變化，使電阻R1上電壓變化，經(jīng)過電容C1濾波，三極管Q2放大，斯密特觸發(fā)器U1整形成方波，觸發(fā)計數(shù)電路，完成計數(shù).

圖5光電檢測電路Fig.5 Circuit of photoelectric detection

圖6 為Terfenol-D棒在外加磁場作用下發(fā)生的位移（以及干涉條紋變化數(shù)）和勵磁電流之間的變化關系.由圖可見，磁致伸縮（位移和條紋數(shù)）隨磁場的增大而增大；同時，表現(xiàn)出高磁場（高勵磁電流）條件下磁致伸縮增長更快，分析認為這主要來源于3方面因素：1）磁場較低時，磁化與磁致伸縮發(fā)生的機制決定了形變增長由緩至快的變化過程，這是影響最大的一方面；2）隨著形變的發(fā)生，致動單元以及機械傳動部件存在的機械間隙逐漸消除，從而引起磁致伸縮增大；3）隨著磁致伸縮的增加，彈簧壓應力也隨之增加，從而引起磁致伸縮增大，該影響是這3方面因素中影響最小的一方面.

圖6 Terfenol-D棒的位移（以及干涉條紋變化數(shù)）隨勵磁電流的變化Fig.6 Displacement of Terfenol-D rod（and the change of interference fringes）as a function of exciting current

5 結束語

通過對干涉儀單元、致動器單元、機械傳動部件和計數(shù)單元四部分進行設計，完成了對磁致伸縮動態(tài)演示實驗儀的設計與制作，并對Terfenol-D磁致伸縮棒進行磁致伸縮測量.結果表明，該儀器可以清晰顯示磁場驅(qū)動下磁致伸縮引起的干涉條紋變化，可以動態(tài)顯示磁致伸縮現(xiàn)象的過程.該儀器因其體積小、便于攜帶和現(xiàn)象明顯的優(yōu)點，既可精確測量磁致伸縮，又可以作為物理實驗或物理教學演示儀器，具有良好的應用效果和發(fā)展前景.

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[責任編輯 代俊秋]

Design of magnetostrictive dynamic demonstrator based on Michelson interference method

ZHOU Yan,HUANG Shubin,LIU Yue,LIU Penghui,LIU Shiyu,ZHANG Zilong
（School of Science,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China）

The magnetostrictive material has wide application fields for the transducer,sensor and actuator.Therefore,the magnetostrictive effect is the key content of electromagnetics to science and engineering majors in the college.However, the deformation caused by the magnetostrictive effect is small,the phenomenon is not intuitive,at the same time,the measuring equipment for research has large volume,high price.At present,there is no dynamic magnetostrictive demonstrator suitable for classroom teaching.This paper is based on Michelson interferometer principle,and the dynamic magnetostrictive demonstration instrument has been designed.It has many advantages,such as small size,low cost,obvious demonstration effect and so on.The instrument can be used in the higher level innovation experiments of students,and can also be used in the demonstration of magnetostrictive effect in class.

Michelson's interferometer；optical interference method；magnetostriction

TH73

A

1007-2373（2017）04-0024-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.004

2017-07-06

教育部留學回國人員科研啟動基金；天津商業(yè)大學本科教育教學改革項目（TJCUZD201439）；全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目

周嚴（1980-），男，副教授，博士，lxyzhy@tjcu.edu.cn．