一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法

本发明涉及物理参数测量，尤其是指一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法。

背景技术：

1、铁磁体在外界磁场的作用下，其内部磁畴会定向排列，致使介质内部晶格间距变化，其体积和长度发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩系数指沿磁化方向的材料形变量δl与形变前总长度l的比值，是衡量磁致伸缩效应的重要参数；磁致伸缩效应在换能器技术、微小位移测量、振动和噪声抑制等高精密测量领域具有广泛的应用，因此准确测定材料的磁致伸缩系数非常重要，但同时，由于磁致伸缩效应引起的材料长度变化极小，其测量难度也相对较大。

2、常用的测量磁致伸缩系数的方法包括应变电阻片法、光杠杆法和单缝衍射法等，其中应变电阻片法对应变片的灵敏度要求较高、且应变片牢固贴覆于待测样品表面，不利于重复循环使用，将应变片应用于电路中进行测量时，电路的磁效应与待测样品相互影响；光杠杆法和单缝衍射法均存在精度缺陷，且难以实现自动化测量。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中磁致伸缩系数的测量精度低、对测量装置和仪器的精度要求高，自动化程度低等技术难点，提供一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法，利用牛顿环装置能够产生的干涉条纹的涌动变化，通过计算获得磁致伸缩系数，自动化程度高且具有可重复性，便于推广使用。

2、第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁致伸缩系数测量装置，其包括，

3、可变磁场，需要测量磁致伸缩系数的目标件设置于所述可变磁场内；所述可变磁场被配置为磁感应强度能够变化，且所述目标件在所述可变磁场中因磁致伸缩效应而形变；

4、成像组件，其包括光学装置和光源；所述目标件连接所述光学装置一侧，所述光源垂直入射所述光学装置的另一侧，并使所述光学装置产生牛顿环干涉条纹；所述光学装置包括平凸透镜和平面玻璃，所述目标件的形变量变化时，其抵接所述平面玻璃使光程差变化，所述干涉条纹外涌或内陷；

5、相机，所述相机、所述光学装置和所述目标件依次设置、且具有相同的轴线；所述相机用于采集所述干涉条纹；

6、处理器，其连接所述相机，根据所述干涉条纹的变化数据处理得到不同磁感应强度对应的所述磁致伸缩系数，及饱和磁致伸缩系数。

7、在本发明的一个实施例中，所述可变磁场被配置为螺线管，所述螺线管设置为卷绕呈筒状结构的导线，所述螺线管的筒状结构内设置有能够穿设所述目标件的轴向空腔；所述螺线管的两端均连接至电源。

8、在本发明的一个实施例中，所述目标件竖直设置，其延伸方向上远离所述光学装置的一侧端部设有调节螺丝，所述调节螺丝用于调节所述目标件的竖向高度。

9、在本发明的一个实施例中，所述光源包括，

10、光源控制器，其用于发射光线；

11、半反半透镜，其设置于所述光源控制器发射光线的光路上，所述发射光线入射所述半反半透镜，并产生能够垂直入射所述光学装置的反射光。

12、在本发明的一个实施例中，所述目标件连接所述平面玻璃厚度方向的第一侧表面，所述平面玻璃在厚度方向上的第二侧表面接触所述平凸透镜的外凸表面的中心，所述光源垂直入射所述平凸透镜的水平表面。

13、第二方面，本发明还提供一种磁致伸缩系数测量方法，基于如上述实施例所述的磁致伸缩系数测量装置，所述测量方法包括如下步骤，

14、步骤1：调节所述光源使其垂直入射所述光学装置，调节所述平凸透镜的外凸表面的中心与所述平面玻璃的第二侧表面的距离为h0，并使所述干涉条纹图像清晰；

15、步骤2：将所述目标件置于所述可变磁场中；

16、步骤3：调节所述可变磁场的磁感应强度，所述目标件因磁致伸缩效应形变，抵接所述平面玻璃移动，使所述光学装置内的所述距离h0变化为h；所述干涉条纹产生外涌或内陷的吞吐变化；

17、步骤4：设置数据记录的步长为n，其中，n为正整数；所述干涉条纹每吞吐n条圆环，对应记录一次磁感应强度；直至调节所述可变磁场的磁感应强度使所述干涉条纹的吞吐呈饱和状态；

18、步骤5：根据所述光源的波长λ和所述干涉条纹的总吞吐数量n计算每一磁感应强度对应的磁致伸缩系数及饱和磁致伸缩系数，并进行拟合。

19、在本发明的一个实施例中，所述目标件包括待测部和固定部，所述固定部位于所述待测部延伸方向的两端，所述固定部设置为非铁磁性材料，所述待测部能够因磁致伸缩效应形变。

20、在本发明的一个实施例中，所述目标件在置于所述可变磁场前，进行退磁处理。

21、在本发明的一个实施例中，所述光源的入射角设置为0°时，照射于所述平凸透镜和所述平面玻璃的光程差的计算公式为，

22、

23、其中，δ为光程差，h为所述平面玻璃的第二侧表面与所述平凸透镜的凸面中心的距离，λ为所述光源的入射光线波长；

24、所述干涉条纹相消的条件为，

25、

26、其中，k为所述光学装置对应的常数系数；

27、选取所述干涉条纹的暗纹的吞吐量作为观测量时，推导得到，

28、

29、

30、其中，δh为所述待测部因磁致伸缩效应形变后所述距离h的变化量，δk为所述光学装置的距离h改变后而的常数系数变化量；

31、所述干涉条纹每吞吐n条圆环时，记录一次数据，所述待测部的形变量计算公式为，

32、

33、其中，δl为所述待测部的形变量；n为所述干涉条纹的总吞吐数量，总吞吐数量n的计算公式为，

34、n＝i*n+k′

35、其中，i为当前总吞吐数量对应记录数据的总次数，k′为修正常数；

36、当所述干涉条纹涌出n条圆环时，根据磁致伸缩系数的定义，所述待测部对应的磁致伸缩系数计算公式为，

37、

38、其中，α为磁致伸缩系数，l为所述待测部形变前的延伸长度。

39、在本发明的一个实施例中，步骤1中，h0<100λ。

40、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

41、本发明所述的一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法，利用光学干涉法测出波长量级的微小长度变化，精度高准确性好，且装置内各组件不会产生电磁干扰；仅需读取电流表示数，精度的要求仅为1ma，测量简便且误差极小；

42、本发明推导了牛顿环条纹涌动数量、伸缩长度和波长三者之间的关系，利用处理器自动化求磁致伸缩系数，测量效率高，自动化程度高，实现装置的智能化和测量的实时性；

43、本发明装置结构简单，成本较低，具有良好的可重复性和可推广性；装置通过干涉条纹涌动记录数据，相机实时采集可视化程度高、便于观察，对磁致伸缩效应具有良好的展示效果。

技术特征：

1.一种磁致伸缩系数测量装置，其特征在于，包括，

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于：所述可变磁场被配置为螺线管，所述螺线管设置为卷绕呈筒状结构的导线，所述螺线管的筒状结构内设置有能够穿设所述目标件的轴向空腔；所述螺线管的两端均连接至电源。

3.根据权利要求2所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于：所述目标件竖直设置，其延伸方向上远离所述光学装置的一侧端部设有调节螺丝，所述调节螺丝用于调节所述目标件的竖向高度。

4.根据权利要求1所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于：所述光源包括，

5.根据权利要求1或4所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于：所述目标件连接所述平面玻璃厚度方向的第一侧表面，所述平面玻璃在厚度方向上的第二侧表面接触所述平凸透镜的外凸表面的中心，所述光源垂直入射所述平凸透镜的水平表面。

6.一种磁致伸缩系数测量方法，基于如权利要求1～5中任意一项所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤，

7.根据权利要求6所述的磁致伸缩系数测量方法，其特征在于：所述目标件包括待测部和固定部，所述固定部位于所述待测部延伸方向的两端，所述固定部设置为非铁磁性材料，所述待测部能够因磁致伸缩效应形变。

8.根据权利要求7所述的磁致伸缩系数测量方法，其特征在于：所述目标件在置于所述可变磁场前，进行退磁处理。

9.根据权利要求7所述的磁致伸缩系数测量方法，其特征在于：所述光源的入射角设置为0°时，照射于所述平凸透镜和所述平面玻璃的光程差的计算公式为，

10.根据权利要求6所述的磁致伸缩系数测量方法，其特征在于：步骤1中，h0<100λ。

技术总结
本发明涉及一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法，其包括可变磁场、成像组件、相机及处理器；目标件设置于所述可变磁场内因磁致伸缩效应而形变，所述目标件连接所述光学装置一侧，所述光源垂直入射所述光学装置的另一侧，并使所述光学装置产生牛顿环干涉条纹；所述目标件的形变量变化时，所述干涉条纹外涌或内陷；所述相机用于采集所述干涉条纹，所述处理器连接所述相机，处理得到磁致伸缩系数；本发明利用光学干涉法测出波长量级的微小长度变化，精度高准确性好，实现装置的智能化和测量的实时性；结构简单，成本较低，具有良好的可重复性和可推广性；可视化程度高、便于观察，对磁致伸缩效应具有良好的展示效果。

技术研发人员：孙宝印,徐傅,杨俊义,徐亚东,周坤,刘波
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14