巨磁致伸缩材料磁机械耦合系数的测量
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２０ ０ ２年
３ １卷
８月
第 ４ｊ
Ｊ ＯＵ
河
北
工
业
大
学
学
报
Ａ ｇ ｓ２ ０ ｕ ｕｔ ０ ２
Ｖｏ１３ｌＮｏ． ． ４
ＡＬ ＯＦ ＨＥＢＥ１ＵＮ Ｉ ＶＥＲＳＩ ＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮ ＯＬＯＧＹ
文 章 编 号 ： ｌｏ —３ ３ （０ ２ ４Ｏ ｏ 一４ ｏ ７２ ７ ２ ０ ）０ ．ｏ ｌ０
电磁 铁 、交 流 功率 源 及 计算 机 等组 成 ，其 框 图如 图 １
所示 ．
２ 三 参 数 法 磁 机 械 耦 合 系 数 的 测 量
２１压 磁 系 数 的 测 量 ．
压 磁 系数 是 指 在交 变驱 动 磁 场 的作 用 下磁 致 伸缩 材 料 产 生 的交变 应 变 与 交变 驱 动 磁场
巨磁 致 伸 缩 材 料 磁 机 械 耦 合 系 数 的 测 量
王 博 文 ， 张智 祥 ，翁 玲 ，李 养 贤
（河 北 工 业 大学 电气学 院 ， 天 津 ３ ０１０） ０ ３
摘 要 ： 据 磁 机 械 耦 合 系数 的 测量 原 理 ， 用 锁 相 放 大器 建 立 了磁 机 械耦 合 系数 测 量 系统 ， 根 利 并 应 用 该 系统 测 量 了 巨磁 致 伸 缩 材 料 的磁 机 械 耦 合 系数 ．测 试 结 果 表 明 ，采 用 锁 相 放 大 器 技 术 所 测 得 的磁 机 械 耦 合 系数 是 准确 可 靠 的 ． Nhomakorabea２
河
北
工
业
大
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学
报
２ ０ 年 第 ４期 ０２
式 （） 确 定材 料 的 磁机 械 耦 合 系数 ．这种 方 法 称 为 ２
频率 共 振法 ．
测 量样 品为 巨磁 致 伸缩 材 料 ，尺 寸 为 １ ｍ × ０ｍ ６ ｎ １ 测量 系统 主 要 由锁 相 放大 器 、 流磁 场 电源 、 ０ｌ． ｎ 直
数 ．
１ 测 量原 理
巨磁 致 伸 缩 材 料 的磁 机械 耦 合 系数 ， 两 种 数学 表 达 式 ，一 种可 表 示 为 。 有
Ｋ ３ ， ａ ３ ３
ｏ
ｐ ３… ３
（） １
一
其 中 ， 压磁 系数 （ 为 磁致 伸缩 随磁 场 的 变 化率 ） ，
种 测 量方 法 称 为三 参 数 法 ． 磁机 械 耦 合 系数 ， 另一 种 数学 表 达 式 为 的
，
为 柔顺 系 数 ， ， 应 力 为常 数 时材 料 的 ， 即
增 量磁 导 率 ． 为真 空 磁导 率 ．测 量 出材 料 的这 ３个 参数 就 可 以确 定 材料 的 磁机 耦 合 系数 ， ，这
√ １ ． 詈（ ） 一 ． ‘
（ ２ ）
测量 材 料 的 阻抗 随 频 率 的变 化 曲线 ，可 以 得到 材 料 的共 振 频率 厂 和 反 共振 频 率 厂 ，进 而根 据 ，
材 料进 行 了大 量 的研 究 工作 ，确 定 了材 料 的成 分 和 产 品牌号 Ｔ ｒ ｎ ｌ ｅ ｅ ｏ Ｄ．这 种 巨磁 致 伸缩 材 料 可 ｆ — 用 于 许 多领 域 ，如 超 声换 能 器 ，微位 移致 动 器和 线 性 马 达 等 ．为 了有效 地 利 用 巨磁 致 伸缩 材 料 设 计 器 件 ，设 计 者 需 要 确 定材 料 的 磁特 性 ．磁 机械 耦 合 系数是 巨磁 致 伸缩 材 料 的重 要 特性 之一 ，是 指 磁 致 伸缩 材 料 的输 出 机械 能 与输 入 的磁 场 能 的 比值 ．对 于 系统 输 入等 量 的 功率 ，具 有较 高 的 磁 机 械 耦合 系数 的 系统 将 输 出较 大 的 功 率 ．Ｃ ａ ａ． Ｓ ｖ ｇ ａ． 曾分 别 采 用三 参 数法 和 共 ｌ ｋｅ １ ｂ 和 ａａ ｅ ｔ １ ｒ ｔ ｅ
振 频 率 法 测量 了 巨磁 致 伸缩 材 料 的 磁 机械 耦 合 系 数 ，但 测 量 仪器 复 杂且 成 本 昂贵 ．针 对 巨 磁致 伸 缩 材 料测 量 存 在 的 实际 问题 ，利 用 锁 相放 大 器具 有 测 量 灵敏 度 高 ，可 同 时测 量 和 ｙ分 量 、可 变
频 率 及 ＩＥ 一８ 接 口等 特 点 ，研 制 了磁 机 械耦 合 系 数 的测 量 系统 ，并 测量 了材料 的 磁机 械耦 合 系 Ｅ Ｅ４８
收 稿 日 期 ： ２ ０ —２２ ０ ２０ —５
基 金 项 目：河 北 省重 点 科技 攻 关 项 目 （ １ １ ５ Ｉ ） ０２３ ３Ｄ 作 者 简 介 ： 王博 文 （９ ６ ） １ ５ 一 ，男 （ 族 ） 汉 ，教 授 ，博 士 生导 师
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图 １ 测量 系统 的 组 成
ｃ 的 比值 ，ｄ３ 瓦Ａ ３ Ｚ
．
可 由驱 动磁 场 线 圈的 电流
大 小计 算 得 到 ．交 变 磁场 可 诱 发材 料产 生 交 变应 变 ，导 致 应变 片的 电阻发 生 周 期 振 荡 ． 当在 应变 片上通 一 恒 定 电流 ，时 ，应 变 片 产生 的 电压 因 电阻值 的振 荡 而 发 生振 荡 ，测量 应 变 片 的 电压 可 以 测 出材 料 应 变
关 键 词 ：磁 机 械耦 合 系数 ； 巨磁 致 伸 缩 材 料 ；锁 相 放 大 器 ； 测 量
文 献 标 识 码 ：Ａ 中 图 分 类 号 ：Ｔ ７ Ｍ２ ４
０ 引 言
自从 １７ 年 Ｃ ａ ９２ ｌ ｋ…发现 了稀 土 一 化合 物 具有 巨大 的 磁致 伸缩 以来 ，许多 材料 研 究 者对 这种 ｒ 铁
Ｚ ｃ－丽 Ａ Ａ － Ｖｃ
…
（） ３
为应变 片两 端 电压 ， 为 应 变 片 电阻 ，Ｇ为 应 变 因子 ，，为流过 应 变 片的 电流 ． 对于 一 个 １０ ｍ 交流 磁 场 ，引起 的应 变 片 的 电压 只有 几 个 ０Ａ 的 Ｖ．为 了得到 精 确 的测 量 结 果 ， 采 用 矢量 相 减 的方 法 测量 ．在 测 量 时 ， 首 先使 恒 流 源 的 电流 为 ０ 由锁 相 放 大器 测 出应 变 片的 ， 噪声 信号ｐ ．然 后 ，使 恒 流源 输 出为预 定值 ，测 量 应 变 片 的交 流信 号 ｉ ．求 出所 测 信 号 Ｐ ．应 用锁
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Ｖｏ１３ｌＮｏ． ． ４
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文 章 编 号 ： ｌｏ —３ ３ （０ ２ ４Ｏ ｏ 一４ ｏ ７２ ７ ２ ０ ）０ ．ｏ ｌ０
电磁 铁 、交 流 功率 源 及 计算 机 等组 成 ，其 框 图如 图 １
所示 ．
２ 三 参 数 法 磁 机 械 耦 合 系 数 的 测 量
２１压 磁 系 数 的 测 量 ．
压 磁 系数 是 指 在交 变驱 动 磁 场 的作 用 下磁 致 伸缩 材 料 产 生 的交变 应 变 与 交变 驱 动 磁场
巨磁 致 伸 缩 材 料 磁 机 械 耦 合 系 数 的 测 量
王 博 文 ， 张智 祥 ，翁 玲 ，李 养 贤
（河 北 工 业 大学 电气学 院 ， 天 津 ３ ０１０） ０ ３
摘 要 ： 据 磁 机 械 耦 合 系数 的 测量 原 理 ， 用 锁 相 放 大器 建 立 了磁 机 械耦 合 系数 测 量 系统 ， 根 利 并 应 用 该 系统 测 量 了 巨磁 致 伸 缩 材 料 的磁 机 械 耦 合 系数 ．测 试 结 果 表 明 ，采 用 锁 相 放 大 器 技 术 所 测 得 的磁 机 械 耦 合 系数 是 准确 可 靠 的 ． Nhomakorabea２
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２ ０ 年 第 ４期 ０２
式 （） 确 定材 料 的 磁机 械 耦 合 系数 ．这种 方 法 称 为 ２
频率 共 振法 ．
测 量样 品为 巨磁 致 伸缩 材 料 ，尺 寸 为 １ ｍ × ０ｍ ６ ｎ １ 测量 系统 主 要 由锁 相 放大 器 、 流磁 场 电源 、 ０ｌ． ｎ 直
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１ 测 量原 理
巨磁 致 伸 缩 材 料 的磁 机械 耦 合 系数 ， 两 种 数学 表 达 式 ，一 种可 表 示 为 。 有
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其 中 ， 压磁 系数 （ 为 磁致 伸缩 随磁 场 的 变 化率 ） ，
种 测 量方 法 称 为三 参 数 法 ． 磁机 械 耦 合 系数 ， 另一 种 数学 表 达 式 为 的
，
为 柔顺 系 数 ， ， 应 力 为常 数 时材 料 的 ， 即
增 量磁 导 率 ． 为真 空 磁导 率 ．测 量 出材 料 的这 ３个 参数 就 可 以确 定 材料 的 磁机 耦 合 系数 ， ，这
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（ ２ ）
测量 材 料 的 阻抗 随 频 率 的变 化 曲线 ，可 以 得到 材 料 的共 振 频率 厂 和 反 共振 频 率 厂 ，进 而根 据 ，
材 料进 行 了大 量 的研 究 工作 ，确 定 了材 料 的成 分 和 产 品牌号 Ｔ ｒ ｎ ｌ ｅ ｅ ｏ Ｄ．这 种 巨磁 致 伸缩 材 料 可 ｆ — 用 于 许 多领 域 ，如 超 声换 能 器 ，微位 移致 动 器和 线 性 马 达 等 ．为 了有效 地 利 用 巨磁 致 伸缩 材 料 设 计 器 件 ，设 计 者 需 要 确 定材 料 的 磁特 性 ．磁 机械 耦 合 系数是 巨磁 致 伸缩 材 料 的重 要 特性 之一 ，是 指 磁 致 伸缩 材 料 的输 出 机械 能 与输 入 的磁 场 能 的 比值 ．对 于 系统 输 入等 量 的 功率 ，具 有较 高 的 磁 机 械 耦合 系数 的 系统 将 输 出较 大 的 功 率 ．Ｃ ａ ａ． Ｓ ｖ ｇ ａ． 曾分 别 采 用三 参 数法 和 共 ｌ ｋｅ １ ｂ 和 ａａ ｅ ｔ １ ｒ ｔ ｅ
振 频 率 法 测量 了 巨磁 致 伸缩 材 料 的 磁 机械 耦 合 系 数 ，但 测 量 仪器 复 杂且 成 本 昂贵 ．针 对 巨 磁致 伸 缩 材 料测 量 存 在 的 实际 问题 ，利 用 锁 相放 大 器具 有 测 量 灵敏 度 高 ，可 同 时测 量 和 ｙ分 量 、可 变
频 率 及 ＩＥ 一８ 接 口等 特 点 ，研 制 了磁 机 械耦 合 系 数 的测 量 系统 ，并 测量 了材料 的 磁机 械耦 合 系 Ｅ Ｅ４８
收 稿 日 期 ： ２ ０ —２２ ０ ２０ —５
基 金 项 目：河 北 省重 点 科技 攻 关 项 目 （ １ １ ５ Ｉ ） ０２３ ３Ｄ 作 者 简 介 ： 王博 文 （９ ６ ） １ ５ 一 ，男 （ 族 ） 汉 ，教 授 ，博 士 生导 师
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图 １ 测量 系统 的 组 成
ｃ 的 比值 ，ｄ３ 瓦Ａ ３ Ｚ
．
可 由驱 动磁 场 线 圈的 电流
大 小计 算 得 到 ．交 变 磁场 可 诱 发材 料产 生 交 变应 变 ，导 致 应变 片的 电阻发 生 周 期 振 荡 ． 当在 应变 片上通 一 恒 定 电流 ，时 ，应 变 片 产生 的 电压 因 电阻值 的振 荡 而 发 生振 荡 ，测量 应 变 片 的 电压 可 以 测 出材 料 应 变
关 键 词 ：磁 机 械耦 合 系数 ； 巨磁 致 伸 缩 材 料 ；锁 相 放 大 器 ； 测 量
文 献 标 识 码 ：Ａ 中 图 分 类 号 ：Ｔ ７ Ｍ２ ４
０ 引 言
自从 １７ 年 Ｃ ａ ９２ ｌ ｋ…发现 了稀 土 一 化合 物 具有 巨大 的 磁致 伸缩 以来 ，许多 材料 研 究 者对 这种 ｒ 铁
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（） ３
为应变 片两 端 电压 ， 为 应 变 片 电阻 ，Ｇ为 应 变 因子 ，，为流过 应 变 片的 电流 ． 对于 一 个 １０ ｍ 交流 磁 场 ，引起 的应 变 片 的 电压 只有 几 个 ０Ａ 的 Ｖ．为 了得到 精 确 的测 量 结 果 ， 采 用 矢量 相 减 的方 法 测量 ．在 测 量 时 ， 首 先使 恒 流 源 的 电流 为 ０ 由锁 相 放 大器 测 出应 变 片的 ， 噪声 信号ｐ ．然 后 ，使 恒 流源 输 出为预 定值 ，测 量 应 变 片 的交 流信 号 ｉ ．求 出所 测 信 号 Ｐ ．应 用锁