磁致伸縮現(xiàn)象在工業(yè)中有很多應(yīng)用，特別是近年來以稀有元素與鐵合金組成的超磁致伸縮材 料（gmm）在工業(yè)、電子機(jī)械及軍事科學(xué)領(lǐng)域中有著極其廣泛的用途。磁致伸縮系數(shù)的測(cè)量常用電阻應(yīng)變片方法，這種方法的缺點(diǎn)是粘應(yīng)變片費(fèi)時(shí)又麻煩，樣品更換不方便；也有用光杠桿法和邁克爾孫干涉儀測(cè)量磁致伸縮系數(shù)，但裝置體積較大，且不能直接得到電量，因而不能與計(jì)算機(jī)連接。為此，筆者設(shè)計(jì)了應(yīng)用高靈敏度橋式磁致伸縮位移傳感器測(cè)量磁致伸縮量。對(duì)位移傳感器用千分螺桿進(jìn)行測(cè)量前定標(biāo)，位移傳感器感應(yīng)片與千分螺桿之間，可以通過連接桿直接接觸，也可以通過8:1的鋁制杠桿接觸（杠桿起位移放大作用），用新的位移傳感器測(cè)量磁致伸縮位移量，實(shí)驗(yàn)效果很好，位移傳感器測(cè)量分辨率優(yōu)于0.1μｍ，測(cè)量結(jié)果與值基本一致。該實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，樣品更換方便，輸信號(hào)為電量，便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測(cè)。
1 實(shí)驗(yàn)原理
1.1 磁致伸縮系數(shù)和超磁致伸縮材料
某些晶體（特別是鐵磁體）在磁場(chǎng)作用下，沿外磁場(chǎng)方向的長(zhǎng)度發(fā)生微小變化的現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象。以2種稀土元素鋱（tb）、鏑（dy）和鐵（fe）合金制成的棒狀體的線磁致伸縮系數(shù)λ 達(dá)到（1500-2000） ×10-6，它比通常采用的磁致伸縮的金屬、合金和鐵氧體材料的λ 大1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，具有超大磁致伸縮效應(yīng)，因此稱tbdyfe為稀土超磁致伸縮材料。
1.2 磁致伸縮量的測(cè)量
將樣品ac置于磁場(chǎng)之中。當(dāng)磁場(chǎng)增大時(shí)，樣品伸長(zhǎng)推動(dòng)桿ob，將位移傳感器放置在b點(diǎn)測(cè)量該點(diǎn)的移動(dòng)距離。oa 和ob 的長(zhǎng)度可以用游標(biāo)卡尺測(cè)量，根據(jù)oa 與ob 的比值及b 點(diǎn)移動(dòng)的距離，可以求出a點(diǎn)的移動(dòng)距離，即被測(cè)樣品在外加磁場(chǎng)增加下的伸長(zhǎng)量。由于樣品的伸長(zhǎng)量非常小，常用的一些長(zhǎng)度測(cè)量工具無法準(zhǔn)確測(cè)量其變化量，但是選擇oa 與ob 之間恰當(dāng)?shù)谋壤ㄟ^高靈敏度位移傳感器測(cè)量b點(diǎn)的移動(dòng)距離，可以間接計(jì)算出樣品隨磁場(chǎng)變化的伸長(zhǎng)量。
1.3 梁式彈性元件的位移傳感器
位移傳感器的功能在于把機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)控制測(cè)量和計(jì)算。應(yīng)變式位移傳感器是把被測(cè)位移量變成彈性元件的應(yīng)變。與測(cè)力傳感器不同的是，由于位移傳感器彈性元件的剛度比測(cè)力傳感器彈性元件的剛度要小得多，所以避免了當(dāng)彈性元件變形時(shí)對(duì)被測(cè)構(gòu)件形成反力而影響被測(cè)構(gòu)件的位移輸出。
在測(cè)量磁致伸縮的實(shí)驗(yàn)中使用的是梁式硅壓阻元件位移傳感器，該傳感器產(chǎn)生彈力小于0.1ｎ，對(duì)測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的影響很小，可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將硅壓敏電阻連接成電橋形式，其中r1 和r3 粘貼在橫梁的左側(cè)，r2 和r4 粘貼在橫梁的右側(cè)。測(cè)量時(shí)，當(dāng)橫梁發(fā)生位移時(shí)，貼于橫梁兩側(cè)的硅壓敏電阻發(fā)生形變。增加杠桿后，位移傳感器測(cè)量位移的靈敏度將得到提高。通過調(diào)節(jié)直流電源電壓的差值可以微調(diào)測(cè)量時(shí)的靈敏度.
2 實(shí)驗(yàn)儀器
該測(cè)量裝置的功能和特點(diǎn)是使用無磁性杠桿機(jī)構(gòu)將磁致伸縮的微小量進(jìn)行放大，再利用高靈敏度位移傳感器將杠桿末端的位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)進(jìn)行多級(jí)放大，并通過計(jì)算機(jī)同時(shí)采集放大后的電壓信號(hào)與磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，描繪出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系曲線。并利用精度為1μm 的微分頭（準(zhǔn)確度0.04mm）對(duì)杠桿末端的位移量與相應(yīng)電壓值的關(guān)系進(jìn)行定標(biāo)，再測(cè)算出杠桿機(jī)械放大的倍數(shù)，即可得到不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下材料磁致伸縮的長(zhǎng)度。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果
超磁致伸縮 材料tbdyfe樣品直徑d＝10.00mm，長(zhǎng)度1-25.09mm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)位移傳感器信號(hào)ue 與磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)ub 的關(guān)系，將計(jì)算機(jī)采集到的電信號(hào)根據(jù)事先用微分頭及特斯拉計(jì)的定標(biāo)結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的被測(cè)物理量，得到的樣品的λ－b 關(guān)系曲線。采用硅壓阻位移傳感器測(cè)量材料磁致伸縮系數(shù)的靈敏度比邁克爾孫干涉儀法、光杠桿法、橋式電阻應(yīng)變片法高，且更換樣品方便，可以與計(jì)算機(jī)連接。但硅壓阻位移傳感器缺點(diǎn)是硅壓敏電阻阻值會(huì)受溫度變化的影響，因而溫度變化對(duì)傳感器靈敏度有影響。所以本測(cè)量裝置采用微分頭當(dāng)場(chǎng)定標(biāo)后立即做測(cè)量，定標(biāo)和測(cè)量基本上為同一溫度，這樣可以保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。
4、結(jié)束語(yǔ)
采用硅壓阻位移傳感器測(cè)量超磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)，測(cè)量的結(jié)果與廠家給出的數(shù)據(jù)一致，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性很好，并且便于利用計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測(cè)。這種新測(cè)量方法，可用于科研單位和企業(yè)，進(jìn)行材料磁致伸縮特性的研究，也可用作高校近代物理實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性研究性實(shí)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：傳感器 游標(biāo)卡尺