張進(jìn)治 謝 亮 鐵小勻

(北方工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，100144，北京)

超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material，簡(jiǎn)稱GMM)是20世紀(jì)以來迅速發(fā)展起來的新型功能材料，目前被視為提高國(guó)家高科技競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略性功能材料. 在軍民兩用高科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

鋱鏑鐵(TbDyFe)是一種超磁致伸縮材料，具有磁致伸縮系數(shù)大、能量密度高、響應(yīng)速度快、磁機(jī)械耦合系數(shù)高，適用頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn).[1]其室溫下的磁致伸縮應(yīng)變量(磁致伸縮系數(shù))之大是以往任何場(chǎng)致伸縮材料所無法比擬的. 它比傳統(tǒng)的鎳鈷(Ni-Co)等磁致伸縮合金的應(yīng)變量大幾十倍，是電致伸縮材料的5倍以上.

磁致伸縮系數(shù)β是工程應(yīng)用中的重要參數(shù)，目前，國(guó)內(nèi)外測(cè)量大磁致伸縮系數(shù)的方法有很多，如吳慶春等用劈尖干涉法測(cè)量[2]，方運(yùn)良等用半導(dǎo)體位移傳感器測(cè)量[3]，李英明等用激光多普勒準(zhǔn)靜態(tài)法測(cè)量[4]，白巖等用線性調(diào)頻激光外差技術(shù)測(cè)量磁致伸縮系數(shù)等.[5]在這些方法中，電磁位移傳感器、聲學(xué)位移傳感器等，都要受到溫度、磁阻效應(yīng)、環(huán)境噪聲、粘貼工藝等因素的影響，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果復(fù)現(xiàn)性差，準(zhǔn)確性不高.

激光檢測(cè)技術(shù)具有精度高、響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代重要的超精密檢測(cè)及測(cè)量技術(shù). 因此，本文將綠色激光的單縫衍射與機(jī)電自動(dòng)控制結(jié)合，把TbDyFe微小的伸長(zhǎng)量轉(zhuǎn)化成單縫衍射圖象的變化，通過單片機(jī)計(jì)算出TbDyFe的磁致伸縮系數(shù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 單縫衍射實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

鋱鏑鐵TbDyFe：長(zhǎng)100±1 mm，直徑10 mm(北京鋼鐵研究總院提供材料)見圖2(a)；綠激光：波長(zhǎng)532 nm；單縫由2個(gè)刀片組成；磁場(chǎng)采用2個(gè)螺線管疊加見圖2(b)，具體參數(shù)如表1所示.

表1 螺線管參數(shù)

1.2 測(cè)量與控制系統(tǒng)

電控位移平臺(tái)主要由步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、控制模塊、液晶顯示模塊、光敏二極管模塊、拉線位移傳感器，串口采集模塊組成，如圖3～4所示. 單縫衍射系統(tǒng)由2個(gè)刀片和1片連接銅棒組成，具體如圖5所示，硬件功能框圖如圖6～7所示.

整個(gè)系統(tǒng)的供電采用5 V/24 V輸出的開關(guān)電源，42步進(jìn)電機(jī)(步距角：1.8°；步距角精度：±5%；軸向間隙：0.08 mmMax；負(fù)載：450 g)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成了基礎(chǔ)的平臺(tái).主控采用了經(jīng)典的89C52，為避免干擾，2塊89C52同時(shí)工作，一片專門負(fù)責(zé)電機(jī)的控制及液晶屏12864的顯示，一片負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集和發(fā)送傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù). 傳感器本文采用了高精度WXY31拉線位移傳感器(精度0.02%；分辨率0.01)和光電二極管模塊，拉線位移傳感器能夠?qū)崟r(shí)輸出穩(wěn)定的位移信號(hào)，光電二極管足夠靈敏能夠讀取相對(duì)較弱的光信號(hào).

本文開發(fā)的上位機(jī)模塊，能夠?qū)⑽灰坪凸庹諒?qiáng)度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出，以圖像的形式展現(xiàn)在電腦上，以數(shù)據(jù)的形式保存在Excel表格中，并能夠把最終的磁致伸縮系數(shù)計(jì)算出來.

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 磁致伸縮原理

有些物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下，其尺寸伸長(zhǎng)(或縮短)，去掉外加磁場(chǎng)后又恢復(fù)其原來的尺寸，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象. 原子磁矩是材料產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)的基礎(chǔ). 過渡元素和稀土元素存在著未填滿的3d和4f電子層，具有自旋磁矩和原子磁矩，發(fā)現(xiàn)具有磁致伸縮效應(yīng). 鐵磁材料在居里溫度以下發(fā)生自發(fā)磁化，形成大量的磁疇. 未加外磁場(chǎng)時(shí)，磁疇的磁化方向是隨機(jī)取向的，如圖8(H=0)所示，不顯示宏觀效應(yīng). 在外磁場(chǎng)作用下，磁疇磁化方向旋轉(zhuǎn)趨于一致，均沿外磁場(chǎng)方向，如圖8(H≠0)所示，磁疇形變也趨于一致，使磁體尺寸發(fā)生變化，從而產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng). 從自由能極小的觀點(diǎn)來看，磁性材料的磁化狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其自身的形狀和體積都要改變，因?yàn)橹挥羞@樣才能使系統(tǒng)的總能量最小. 鐵磁體的形變隨外加磁場(chǎng)變化而變化. 當(dāng)磁場(chǎng)比飽和磁化場(chǎng)Hs小時(shí)，磁體的形變主要是長(zhǎng)度變化，體積幾乎不變，即線磁致伸縮；當(dāng)磁場(chǎng)大于飽和磁化場(chǎng)Hs時(shí)，磁體的形變主要是體積變化，即體磁致伸縮.

2.2 單縫衍射原理

光作為一種電磁波，在遇到障礙物時(shí)傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，繞過障礙物前進(jìn)，這就是光的衍射現(xiàn)象. 當(dāng)衍射物是狹縫時(shí)，豎直方向上會(huì)限制光線的傳播，衍射圖樣就會(huì)在豎直方向上鋪展；限制的愈厲害，衍射效應(yīng)愈明顯. 屏幕上形成的單縫衍射圖樣是：中心一個(gè)中央明紋，上下對(duì)稱的分布著各級(jí)明暗相間的條紋，條紋平行于狹縫.

其明暗條紋滿足的條件為：

(1)

其中θ為衍射角，b為縫寬，λ為激光波長(zhǎng). 根據(jù)單縫衍射原理，第K級(jí)暗紋到中央主極大距離為xK，則其縫寬b的大小為：

(2)

當(dāng)給勵(lì)磁線圈通過一確定電流時(shí)，第K級(jí)暗紋到中央主極大的距離變成x′K，磁致伸縮材料TbDyFe原長(zhǎng)為D，則磁致伸縮系數(shù)β為:

(3)

因?yàn)棣=Δb，所以：

(4)

3 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

本文實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)單片機(jī)控制42步進(jìn)電機(jī)在0～200 mm(拉線位移傳感器)運(yùn)動(dòng)，以定標(biāo)，步進(jìn)電機(jī)每步距離. 重復(fù)3次，取其平均值，把此參數(shù)輸入單片機(jī).

2)給勵(lì)磁線圈通過一確定電流I(0.20 A、0.40 A、0.60 A、0.80 A、1.00 A、1.20 A、1.40 A)，用DH4501B磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀(杭州大華儀器)測(cè)勵(lì)磁線圈軸線上的霍爾電壓，由公式(5)得出勵(lì)磁線圈軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,其數(shù)據(jù)如表2所示.

VH=KHISB

(5)

其中VH為霍爾電壓，霍爾系數(shù)KH=178 mV/mA·T，工作電流IS=0.500 mA，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度.

3)使綠色激光對(duì)準(zhǔn)狹縫，調(diào)節(jié)縫寬，使接收屏上出現(xiàn)清晰的衍射圖像；給螺線管通電，直到衍射圖像變化；分別掃描不加電流和加上不同電流時(shí)的衍射圖像；由上位機(jī)獲得xK和x′K，并帶入公式(4)自動(dòng)計(jì)算出磁致伸縮系數(shù)(實(shí)驗(yàn)溫度為22 ℃).

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，不同電流下的衍射曲線如圖10～11所示.

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由此得出TbDyFe的磁致伸縮特性，見圖12.

由于自制磁場(chǎng)線圈的限制，電流最大為1.4 A，大于1.4 A磁場(chǎng)下的數(shù)據(jù)無法測(cè)得. 但由圖12中2條曲線可看出，利用單縫衍射得出的實(shí)驗(yàn)曲線與用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院JDM- 30A型磁致伸縮參數(shù)測(cè)量?jī)x(儀器精度：0.1ppm)測(cè)得的曲線吻合度很高.

4 結(jié)語

由于磁致伸縮效應(yīng)引起的材料長(zhǎng)度變化極其微小，一般只有10-6～10-3數(shù)量級(jí)，因此需要一些精密的測(cè)量方法. 從測(cè)量結(jié)果可以看出，用單縫衍射法測(cè)量TbDyFe的磁致伸縮系數(shù)是可行的，此法原理簡(jiǎn)單，精度能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求. 并且，電控位移平臺(tái)能自動(dòng)掃描衍射圖像、自動(dòng)計(jì)算并顯示結(jié)果，從而縮短測(cè)量時(shí)間，能更好更快地研究TbDyFe的磁致伸縮持性. 本微位移測(cè)量方法對(duì)材料的微位移測(cè)量提供一種新的精確測(cè)量手段，此裝置也可擴(kuò)展，稍作改裝可以測(cè)量其它的伸縮系數(shù)，如線膨脹系數(shù). 這對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)有很大的幫助.