磁性材料与测试

关于磁致伸缩系数λ的测量

一、目的意义

能源、材料和信息并列为现代科学技术的三大支柱,这三大支柱是现代社

会赖以生存和发展的基本条件之一,其中材料科学显得尤为重要。磁致伸缩材料(Magnetostrictive Material)是自20世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料，目前已被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料，由于它在室温下具有机械能—电能转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱动方式简单等优点，引发了传统电子信息系统、传感系统、振动系统等的革命性变化。磁致伸缩系数是标志磁致伸缩材料性能优劣的关键参数，磁致伸缩系数越大其材料的能量密度越大，获取较大的磁致伸缩系数也是研究人员的目的之一，因此,获得精确的GMM的磁致伸缩系数,对材料的开发应用具有重要意义。本文主要以铁镍合金为例来说明磁致伸缩系数这一性能参数的测量。目前典型的GMM为Terfenol—D,它的磁致伸缩系数一般微米级,因此磁致伸缩系数的测量属于微位移测量范围，对测量的要求较高。

二、原理与测试方法

1、磁致伸缩效应原理

铁磁体在外磁场的作用下被磁化后，其长度及体积发生了变化，，这种现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩现象是1842年由著名物理学家焦(Joule)发现的,故又称为焦耳效应。

图一磁畴磁化与磁致伸缩效应

当磁致伸缩材料未被磁化时，其内部的磁畴取向是随机的，由于材料内部磁畴的

方向和大小在宏观上相互抵消，所以其总体上的磁场强度H 为0.如图一（a ）所示。以长方形磁致伸缩材料为研究对象，当材料沿其L 边被磁化后，它的内部磁畴取向基本一致，如图一（b ）所示。这时，在宏观上对外其磁场强度为H1.但是，在材料被磁化的同时，材料本身的外形也发生了变化，沿磁化方向伸长了∆L ，沿垂直磁化方向缩短了∆W ，这就是磁致伸缩效应。

磁致伸缩现象的大小用磁致伸缩系数表示。在磁化过程中,磁体沿磁化方向 单位长度发生的伸缩量称为线磁致伸缩系数,用λ表示,表达式为

L

L ∆=λ 式中:L ∆此为材料长度变化量；L 为材料原始长度。λ符号为正时,表示材料随磁场强度增强材料的长度是伸长的，称为正磁致伸缩；元符号为负时,表示材料随磁场强度增强材料的长度是缩短的,称为负磁致伸缩。

2、磁致伸缩系数的测量方法

目前国内外测量磁致伸缩系数的方法有电阻应变片法、电容法、光杠杆法、 干涉法等。其中电阻应变片法和电容法是比较完善的测量方式,另外,根据不同的测量原理,还有磁矩转动法、铁磁共振法、位移传递法等测量方式。下面以电阻应变法为例来说明磁致伸缩系数的测量。

图2 单臂工作电桥

将电阻应变片粘贴在超磁致伸缩材料上,再把贴有应变片的样品放入磁场中，在磁场的作用下样品产生磁致伸缩L

L ∆，磁致伸缩引起应变片的电阻R 发生

变化，当L

L ∆较小时，电阻的相对变化R R ∆可表示为： L

L K R R ∆=∆ 超磁致伸缩材料的形变会传递到应变片上,从而转化为电阻的变化,通过测量电阻的变化而测定磁致伸缩系数λ。电阻应变仪最常见的测试电路是采用单臂电桥,如图2所示。若R1=R2=R3=R4=R,则输出电压为：

R

R U U i O ∆∙=4 将此电压通过放大器放大后,换算成应变片电阻阻值的变化可知样品应变的 变化：

i

o U U K ∙=4λ 这种测试技术在磁致伸缩参数测量中具有许多独特的优点，例如结构简单、尺寸小、分辨率高、灵敏度高等优点。但是应变片法也有缺陷,测量时,必须保证样品与应变片良好粘合,必须消除电动势和热电势的影响,对引线的材料、长短及焊接均需加以考虑,还要注意减小样品的波动等。

三、测试结果与分析

在对不同的磁场强度下进行测试之后，可得磁致伸缩系数λ与磁场强度H 的关系曲线。如图三所示。

图3 不同磁场强度下的磁致伸缩系数②

由图中可知有以下结果：

①磁致伸缩系数与磁场强度成V型曲线，当磁场强度在一定范围内时，磁致伸缩系数λ随磁场强度H的增加而增加，当磁场H继续增加时，磁致伸缩系数λ不再增加而达到饱和。

②磁致伸缩系数λ具有滞回特性，即上升曲线与下降曲线不同。

四、结论

用电阻应变法测量磁致伸缩系数具有较高的精度和灵敏度，但也有其固有的缺点，例如应变片与材料是否良好粘合等，这都会影响最后磁致伸缩系数λ的测量准确度。

五、参考文献

[1].王博文。磁致伸缩材料与器件。冶金工业出版社，北京.

[2].姚世选。磁致伸缩直线位移传感器的机理研究与应用，太原理工大学博士学位论文.