郭敏強， 孫曉紅

(鄭州大學 信息工程學院 河南省激光與光電信息技術重點實驗室，河南 鄭州 450002)

0 引 言

磁致伸縮材料多為鎳、鐵、鈷、鋁類合金與鎳銅鈷鐵氧陶瓷，其磁致伸縮系數一般只有10-5～10-6，應用多局限于超聲換能器方面[1]。由稀土與過渡金屬的合金或化合物組成的大磁致材料的磁致伸縮系數則可達2×10-3[2]，成為重要的功能材料之一，可用于有源減振、燃料噴射系統(tǒng)、液體和閥門控制、微定位、機械傳動裝置、振子和聲納等方面[3]。相對于國外，國內對于該材料的應用尚處于起步階段，除了對該材料的研制開發(fā)比較晚外，另一個主要的原因是落后的材料的測量技術。對于磁致伸縮系數的測量大致有光干涉法、機械光杠桿法[4]和應變電阻法3種。光干涉法測量靈敏度高(當樣品長為10 cm時，磁致伸縮系數的分辨率可達10-6數量級)，但樣品的安裝及光路調整和干涉條紋的記數都很不方便。應變片法是一種測量將磁致伸縮形變轉換為應變電阻值的變化的方法[5]。

本文提出了一種微弱應變傳感器，該傳感器結合了非平衡電橋法新方法和應變片法以及測量需求設定的微小信號處理方法，改變了傳統(tǒng)磁致伸縮儀器計算復雜、體積龐大、價格昂貴和讀數誤差大的缺陷，實現了結構緊湊簡單、測量簡潔快速、操作方便、測量結果精度高、應用范圍廣。

1 測量原理

1.1 HU—101型半導體應變電阻片測量法

使用HU—101—350型號的半導體應變片，主要技術參數為：基底尺寸5 mm×4 mm，硅片尺寸3×0.4×0.06，電阻值為350 Ω，靈敏系數S為120，電阻溫度系數、靈敏溫度系數都極小，工作溫度在80 ℃下，具有靈敏系數大，機械滯后性小，阻值范圍大，橫向效應小等特點。

測試時，應變片牢固黏貼于測試體表面；當測試體受力發(fā)生形變時，應變片的敏感柵變形，其電阻值隨之發(fā)生相應的變化。通過測試電路將測試體的形變信息轉換成電信號輸出顯示[6]。由于磁致伸縮形變率正比于電阻變化率[3]，測量磁場內黏貼電阻應變片樣品的磁致伸縮系數λ[3]為

(1)

式中C為應變電阻片的結構參數；R為應變電阻片的原阻值；K為測量系統(tǒng)的放大倍數。當電阻應變片長度發(fā)生ΔL/L變化時，電阻應變片的阻值變化為

(2)

由式(2)得出磁致伸縮系數為

(3)

由式(1)、式(2)，知S=1+2δ，為電阻應變片靈敏系數，由廠家提供。本文采用磁致伸縮材料為圓柱形棒狀鐵—鎵(Fe-Ga)合金。

1.2 傳感器測量精度

傳感器中所使用AD的基準電壓為2.485 V，要使傳感器能檢測到磁致伸縮材料在磁場中的變化量，則折合到電橋兩端的電壓變化量最小值必須大于12位AD的分辨率最小值。假設在一特定磁場下，磁致伸縮材料發(fā)生伸縮后，應變片的變化量為ΔR。實驗中測得應變片的初始值為1 540.8 Ω，電路兩端電壓為14.5 V，AD此時的放大倍數為10，電橋的3個橋臂均使用1 540.8 Ω的精密電阻器，另一個橋臂連接磁致伸縮材料，可得如下不等式

(4)

計算可得ΔR≥0.012 89 Ω。

2 裝置設計與實驗

2.1 傳感器裝置設計

自行研制的微弱應變測量傳感器主要由磁致伸縮系數測量裝置、信號處理裝置和控制面板三部分組成。測量裝置由磁場發(fā)生裝置、端口電路、磁致伸縮棒和應變片傳感器等組成。測量時需要注意磁致伸縮棒在磁場的放置狀態(tài)和應變片傳感器在磁致伸縮棒上粘貼的形態(tài)。信號處理裝置主要由放大器、濾波模塊、A/D轉換模塊、電源、穩(wěn)壓電源和單片機組成。能夠成功地對測量量進行處理，將模擬量轉換為數字量，并傳輸至單片機，經過程序控制，實現了對磁致伸縮材料磁致伸縮系數的測量?？刂泼姘蹇蓪崿F儀器的操作控制。

2.2 傳感器實驗過程

在溫度為T=295 K條件下，將磁致伸縮材料置于磁場中，并復位，處于初態(tài)，磁場為零時，得到半導體應變片的阻值。每改變一次磁場，按下一次測量鍵，傳感器便記錄一次數據，如此重復。實驗暫取30次測量，每次磁場變化2 mT，半導體應變電阻值變化ΔR，按確認鍵便可得到磁致伸縮材料在磁場中的變化曲線，移動鍵可以使圖像發(fā)生移動。按切換鍵，進入到圖像放大縮小界面，上下左右移動鍵可以調節(jié)圖像大小，查看曲線全圖或局部視圖；再按一次切換鍵，進入到數據菜單，按上下鍵可以查看測量中傳感器所記錄的數據。按下復位鍵，則重新測量。

3 結果與分析

3.1 基礎曲線測量

曲線的擬合公式為

R=1 540.293+0.043U

(5)

由經驗公式(5)和圖1可知橋臂電阻與橋端電壓之間的關系為直線關系，符合非平衡電橋法測量的原理，能夠用于實現磁致伸縮系數λ的測量，保證了其在理論上的測量是正確的。

圖1 橋臂電阻R與橋端電壓U之間的關系

3.2 測量數據制作曲線以及傳感器曲線

圖2的磁致伸縮曲線反映了Fe-Ga合金磁致伸縮材料在磁場中磁致伸縮系數λ隨磁場變化的特點。起始時，隨著磁場的增加，λ增幅較大，磁場在0～40 mT時，兩者之間的關系接近為直線；在磁場為40～60 mT之間時，隨著磁場的增加，λ增幅較小，直至最終接近一常數。從一定程度上說明了Fe-Ga合金磁致伸縮材料的伸縮性能在低磁場條件下比較好。當磁場強度較強時，λ的增幅減小是由于分子之間的相互作用力引起的。對曲線進行擬合可得

(6)

所擬合出的曲線從量化的角度反映了Fe-Ga合金磁致伸縮材料的性能。

圖2 磁場與磁致伸縮系數λ的關系

4 工業(yè)應用展望

微弱應變測量傳感器基于非平衡電橋原理建立，具有如下應用優(yōu)勢：

1)測量靈敏度高：基于非平衡電橋法和放大器AD524，可以實現在弱磁場中對磁致伸縮材料極小變化的精確測量。

2)采用連續(xù)、無損測試方法：實現磁場連續(xù)變化磁致伸縮系數的連續(xù)測量，由于材料不受壓力或是其他因素影響，不會對材料造成損耗。

3)測量范圍廣：信號處理裝置可以測量磁致伸縮棒的磁致伸縮系數，也可以測量其他的鐵或碳鋼材料，且不受測量范圍限制。

4)儀器成本低：采用低廉的電子器件，較一般磁致伸縮系數測量儀器成本大幅度降低。

5 結 論

本文基于非平衡電橋法研制了微弱應變測量傳感器，獲得了磁場與Fe-Ga合金材料磁致伸縮系數的關系，測量結果與實驗結果一致性較好。該傳感器的應用可以降低生產成本，提高測量精度，改善測量范圍，且攜帶方便，操作簡單。在一定程度上解決了當前實驗儀器研究中存在的超微弱信號極難測量和穩(wěn)定性的問題，為以后的相關研究提供了范例，可用于實際測量，在實驗室及工業(yè)生產中可作進一步推廣。

參考文獻:

[1] 王博文,葛景巖.巨磁致伸縮材料及其應用[J].沈陽工業(yè)大學學報,1998,20(3):64-67.

[2] 應啟明,羅梓賢.稀土大磁致伸縮材料研究[J]. 稀土, 1999,20(1):72-74.

[3] 高 峰.超磁致伸縮材料特性測量的實驗設計[J].武漢理工大學學報,2010(6)：410-411.

[4] Cochardt A W.A method of measuring magnetostriction[J].J Appl Phys,1954,25(1):91.

[5] 王乃丹,龍北玉,吳漢華,等.大磁致材料磁致伸縮參數自動測量儀的研制[J].云南大學學報:自然科學版,2005,27(5A):556-560.

[6] 李 蓉.基礎物理實驗教程[M].北京：北京師范大學出版社，2008：298-300.