Fe-Ga磁特性测试装置改进与动态磁致伸缩实验

Fe-Ga磁特性测试装置改进与动态磁致伸缩实验

王博文，谢新汇，周露露，王保发，曹晓宁，翁 玲

 

 

 

 

 

        新型磁致伸缩材料在超精密仪器及工业生产中的应用越来越广。超磁致伸缩材料Terfenol -D具有磁致伸缩系数大的优点，但饱和场高，延展性差，价格高等缺点限制了它的应用[<]。 Fe-Ga合金是继传统磁致伸缩材料和Terfenol-D稀土超磁致伸缩材料之后出现的一种新型磁致伸缩材料。 Fe-Ga合金具有饱和场低(5 kA/m)、 饱和磁致伸缩大(250 ppm汃磁滞小、抗拉强度高和易于加工等优点，在传感器换能器振动发电机中有广泛应用 。

       随后，研究人员从Fe-Ga材料的制备、 磁特性测试、Fe-Ga的应变模型和应用等方面进行了大量的研究 。 李纪恒等[7-8] 针对材料制备及热处理对Fe- Ga合金磁致伸缩特性的影响进行了研究，但是只得到不同处理工艺下Fe-Ga的静态磁致伸缩系数。 翁玲等在考虑附加涡流损失的情况下建立了Fe-Ga合金的动态滞后模型并进行了实验研究。 张露予和周新志等利用Fe-Ga优越的延展性，将Fe-Ga波导丝应用到大量程磁致伸缩位移传感器上。 然而，国内对磁特性测试仪器的研究和设计正处千起步阶段。 在磁特性测试方面，中国科学院物理研究所和河北工业大学研制的多参数磁学测试系统适合测量具有高饱合场材料的静态磁致伸缩系数、增量磁导率、频率阻抗特性等[13] 。 但该测试系统存在激励线圈匝数较多且小电流控制困难的问题，导致其在低饱合场下磁场控制精度低，数据采集点稀疏，无法准确测量低饱和场材料（如Fe-Ga、Fe-Al、Fe-Co和Fe-凶等）的磁致伸缩特性。 河北工业大学新型磁性材料与器件课题组研制的Fe-Ga磁特性测试装置可以对低饱和场磁致伸缩材料的磁特性进行测试，文献[14]对Fe-Ga合金的静态磁致伸缩特性和应力与应变的关系进行了实验研究，但并没有对动态的磁致伸缩特性进行研究，也没有给出动态磁致伸缩特性的实验结果。 然而，在实际应用中，Fe-Ga的动态磁特性是影响利用Fe-Ga材料制作的磁致伸缩换能器和悬臂梁式振动发电等装置输出特性的重要因素 。 实验发现，在Fe-Ga动态磁致伸缩测量中，激励线圈产生的磁场对测试样品存在电磁力的作用，测试样品在电磁力的作用下产生机械振动，导致得到的应变曲线存在严重误差。

       本文对上述现象进行了分析及解释，并对原测试装置进行了改进及实验，测试了Fe-Ga样品在无偏置和有偏置磁场作用下的动态磁致伸缩特性，得到了Fe-Ga的入~H曲线，测试结果与国内外报道结果相符[16]。本文的研究工作可用于指导基于Fe-Ga材料器件输出特性的研究，而且对低饱和场材料的静态、 动态、施加偏置磁场、施加应力作用下的磁致伸缩等磁特性测试具有积极的指导意义。

2 测试原理及平台搭建

       Fe-Ga磁特性测试系统如图1所示，其主要由3大模块组成，分别为磁场激励模块、样品测量模块、信号采集及处理模块。其中，磁场激励模块主要用千产生一个频率和幅值可调的激励磁场，其包括激励线圈、信号发生器、交直流电源、 功率放大器及电容补偿装置等。 样品测量模块是磁特性测试系统的核心部分，其主要由应变片、 线圈、 导磁回路、极头、应力施加部件、永磁体及测试样品等组成。 信号采集及处理模块主要由动态应变仪、 静态应变仪、霍尔芯片、信号采集板和计算机等组成，其主要功能是： (1)采集应变片的应变信号和霍尔芯片的磁场信号； (2)将采集到的电信号转换为应变值和磁场值； (3)数据处理及曲线的绘制。 为测量材料的其它磁学参数，Fe-Ga磁特性测试系统还包括压力传感器数字磁通计、高斯计等。

       利用TFG6920A信号发生器产生一个交流信号，再通过7101型功率放大器将其放大后，经功率放大器的输出端输入激励线圈，使激励线圈产生激励磁场。将Al321LUA型霍尔探头放置在贴有BX120-3AA型应变片的测试样品表面，用于采集激励磁场。测试样品在磁场的作用下将产生应变，SDY2103型动态应变仪用于采集应变片的应 变值并将应变传输给数据采集卡，PC机与数据采集卡连接，使用PC机上的SysDbg_32软件绘制H~t、入~t和入~H曲线。

       样品测量模块，其主要由压片机手轮、支架、永磁体、导磁硅钢片、激励线圈、测试样品、极头、压力传感器、液压压片机等组成。 样品测量 模块的设计决定了整个测试系统的准确性，其涉及到磁场的均匀性、电磁转换效率、阻抗匹配、应 变测量、磁场测量、极头与测试样品的面积比、偏置磁场的施加等问题[14] , 尤其是在动态磁场作用下会出现振动问题。 当施加交变磁场时测试样品 受电磁力的作用将产生振动，而应变片粘在测试样品上，样品的振动必然会给应变测量带来误差。为消除由材料磁致伸缩以外的电磁力带来的应变测扯误差，本文提出在支架上增加可调固定夹具。 其可以将测试样品的底部固定在下极头上。 为减小振动使测试样品与上极头间留有空气气隙，同时将正弦激励磁场的幅值调节至饱和磁场附近。

3.实验结果与讨论

3.1 Fe-Ga的静态磁致伸缩特性

       分别采用多参数磁学测试系统和本课题组设计的Fe-Ga磁特性测试系统对长35mm, 宽8mm, 厚1mm的片状Fes3Ga11合金的静态磁致伸缩特性 进行测试，结果如图3(彩图见期刊电子版）所示。由图可知多参数磁学测试系统在低场下的采样点稀疏，在高场下采样点较密集，其测量所得入~H 曲线表明：(1)入~H曲线为典型的＂碟形“曲线；(2)磁场由0变到11.8 kA/m时，应变由0直接达到饱和状态，此时的饱和应变达241ppm, 当磁场大千11.8 kA/m后，应变基本稳定。故由此得到饱和磁场为11.8 kA/m。根据Fe-Ga磁特性测试系统在改进前后所得的测试结果可知：(1)结构改进前后的入~H曲线基本重合，故结构改进 对千静态磁致伸缩特性的测量基本无影响；(2)在Fe-Ga材料达到饱和状态前采样点数较多，在低场下能清晰反应磁致伸缩应变随磁场的变化；(3)测试结果表明片状Fe-Ga材料的饱和磁场强度为5kA/m, 饱和磁致伸缩为250ppm。对比两台磁特性测试装置结果，可以得出多参数磁学测试系统在低场下对磁场的控制比较困难，尤法准确测量具有低饱和场材料的静态磁致伸缩特性，而Fe-Ga磁特性测试系统在低场下能准确实现对磁 场的控制，适合测量具有低饱和场磁性材料的磁特性参数。

3.2 结构改进前Fe-Ga动态磁致伸缩特性测量

       当给激励线圈通频率为1 Hz的正弦交流电时的H~t 和入~t 曲线如图 4(彩图见期刊电子版）所示。 由图4可知磁场曲线按正弦规律变化，应变曲线出现倍频现象。 当磁场从 0 增加到 5 kA/m 时，应变从 A 点的 0 ppm 迅速增加到 B 的 248 ppm。

       当磁场沿正弦曲线继续变化到磁场强度大千 5 kA/m时，应变缓慢上升，应变值由B点缓慢变化到C点的283ppm。当磁场从5kA/m下降到 0时，应变由283ppm迅速降落到D点的 32 ppm。当磁场反向增加时，应变并未降落到 0 ppm, 而是直接由D点上升到E点的284ppm。 当反向磁场大千5kA/m时，应变缓慢下降到F 点的250ppm。当反向磁场从5kA/m下降到0 时，应变值又迅速从F点下降到G点的0ppm。

        磁场频率为1Hz时认为是准静态，可以在此状态下分析Fe-Ga的静态磁致伸缩特性。由材料的磁致伸缩特性知，样品在大小相等方向相反的磁场中应变值相同，所以应变会出现倍频现象。 实验发现在磁场的正负周期内应变曲线并不完全重合，在一个磁场周期内应变值不会出现两个零点，而是有一定的残留应变值（图4的D点）；实验还发现当正向磁场大千饱和磁场5kA/m时，应变值缓慢上升，当反向磁场大于饱和磁场5kA/m 时，应变值缓慢下降，这与Fe-Ga的静态磁致伸缩 特性不符。

       本文对上述现象进行了深入分析。磁致伸缩材料有磁滞现象，假设D点的应变是由剩磁或磁滞引起的，当施加反向激励磁场时，样品内的磁场会降为零，即在反向磁场的作用下应变应降为零。 然而，图4中的D点在反向磁场作用下应变并没有降为零，而是直接由D点上升到E点，故可以得出D点的应变值并不是由于Fe-Ga材料的剩磁或者磁滞引起的。当磁场从okA/m反向增加到5kA/m时，应变由D点增大到E点，应变值上升了252ppm, 这与饱和磁致伸缩结果一致，这也印证了D点的应变值并不是由剩磁或磁滞引一起的这结论。考虑到测试样品在交流磁场作用下会产生机械振动，假设此时的应变值是由测试样品在交变磁场的作用下受电磁力的影响产生的，根据电磁力与磁场大小成正相关，且电磁力方向随磁场方向的改变而改变这一规律。图4中BC段应变值在正向磁场产生的电磁力的影响下，样品向上振动并产生拉升的额外应变，当磁场反向时，EF段应变值在反向磁场产生的电磁力影响下，样品向下振动并产生压缩的额外应变。 由千机械应变速度较慢，所以BC和EF段的应变值表现为缓慢上升，D点的前半周期磁场方向为正，所以D点的残留应变是由测试样品在正向电磁力的作用下产生的。当磁场反向时，样品受到电磁力的方向为相反方向，在反向磁场的作用下消除由正向磁场带来的残留应变，应变值回到O(G点）。

       为验证Fe-Ga磁特性测试装置在测量动态应变时出现图4的问题，调整线圈内正弦交流电的频率。图5(彩图见期刊电子版）为线圈正弦交流电频率为5Hz时的H~t和入~t曲线，图中的应变曲线在一个磁场周期内出现了6个拐点，分别为A、B、C、D、E,F点，它们对应的磁场强度分别为0,5, 5, o, 5, 5 kA/m, 应变分别为o, 247,415,172,417,256 ppm。采用与图4一致的方法进行分析，应变由A点变化到B点是由磁致伸缩引起的，此时应变对磁场的变化率较快，当磁场增大到饱和磁场5kA/m后，BC段的应变值主要是由磁致伸缩以外的电磁力产生的，此时磁场强度为正，由振动引起的应变与磁场方向一致，所 以应变缓慢增加；当磁场降落到5kA/m后应变迅速从C点降落到D点，CD段应变的降落主要是由于磁致伸缩引起的，与图4一致，此时D点的应变不为零。当磁场反向增加时，应变从D点变化到E点，此时应变是由磁致伸缩引起的，应变增加了245ppm, 当反向磁场增大到5kA/m 后，磁致伸缩达到饱和，EF段的应变主要是由反向电磁力引起的，此时Fe-Ga的振动方向与反向磁场方向一致，测试样品做反向运动，应变缓慢减小，当反向磁场下降到5kA/m后，应变由F点急剧下降到G点的0ppm, 此时应变是由Fe-Ga的磁致伸缩产生的。这与激励线圈通频率为1Hz 正弦交流电出现的问题一致，由于测试样品的振动与磁场的大小和频率有关，图5中D出现的残留应变达172ppm。

        激励电流频率分别为10、30、50、100 Hz 时的 H~t 和入 ~t 曲线。 由图6 可知，应变曲线中磁场达到饱和磁场(5 kA/m)后应变持续增大的问题， 图6(a)、 Cb) 、(c)、 Cd) 中当磁场达到饱和磁场后应变分别增大了 402,610,872,951 ppm。 磁场大于5 kA/m 时的应变主要是由 Fe-Ga 材料在高场作用下受电磁力产生的振动引起的额外应变。 由电磁力产生的机械振动引起的应变的主要特点有：应变值较大、应变变化缓慢、应变方向与磁场方向有关、应变周期与激励磁场周期一致、应变随磁场频率的增大而增大，当频率达到 100 Hz 时，由振动产生的应变达到 951 ppm。 这对动态磁致伸缩特性的测量产生严重误差，所以必须减小由电磁力产生振动对动态磁致伸缩测量带来的影响。

       总结可得：Fe-Ga 磁特性测试装置测得的应变主要由两部分组成：材料的磁致伸缩和电磁力产生的振动所引起的应变。 磁致伸缩产生的应变主要有以下特点：(1)在饱和场以下起作用；(2)变化速度快； (3)有倍频现象； (4) 由千 Fe-Ga 的磁滞小，所以在低频时磁致伸缩应变值与频率基本无关。 由电磁力产生的振动引起的应变主要有以下特点：

(1)电磁力的大小与磁场大小有关，磁场越大电磁力越大，所以电磁力主要是在高场起作用；
(2)由千机械振动的变化率较慢，所以由电磁力引起的应变变化速度较慢；
(3)电磁力引起的应变方向与磁场有关，表现为与磁场同频；
(4)机械振动与频率有关，所以由电磁力引起的应变不仅与所施加磁场的数值和方向有关，而且与激励磁场的频率有关。
3.3 结构改进后Fe-Ga动态磁致伸缩特性测量

        为降低由电磁力产生振动对动态磁致伸缩测 量带来的影响，在图2样品测量模块上用可调固定夹具将测试样品的底部固定在下极头上，测试样品上部与上极头留有空气气隙。根据电磁力与磁场强度正相关这 规律，实验中通过调节功率放大器的旋钮调节激励源的电压，进而将激励磁场调节在饱和场附近。

        给改进后Fe-Ga磁特性测试装置的激励线圈通频率为5 Hz正弦交流电所得测量结果如图7所示。由图7(a)H ~t和入~t曲线可知：磁场按正弦曲线变化，应变出现倍频，当磁场从0增加到5kA/m时，应变迅速从A点的0ppm变化到B点的252ppm, 磁场按正弦规律继续变化，当磁场强度大千 5 kA/m时应变由B点变化到C点，应变值基本保持不变，当磁场从 5 kA/m开始下降时，应变由C点的260ppm迅速 降落到D点的0 ppm, 在磁场的正半周期与负半周期实验结果一致。

实验结果主要区别在千：
(1)结构改进后当磁场大于5 kA/m后由机械振动产生的应变明显减小，说明结构改进后能有效消除电磁力产生的机械振动；
(2)当磁场 降为零时，应变也降为零， D点不再产生残留应变。
       动态应变值不仅与外加磁场的瞬时值有关，而且和它过去的状态有关，这是由Fe-Ga材料本身的磁滞产生的。

        线圈通频率为10,50,100,200,500Hz正弦交流电的H~t 和入~t曲线，图8(b)、Cd)、(£)、Ch)、(j)分别为对应频率下的入~H曲线。由图可知：在不同磁场频率下未出现图6中的由于振动带来的额外应变。说明结构改进后能有效消除由电磁力产生振动带来的应变。随磁场频率的增大，应变会出现延迟现象，当磁场为0时，应变并不为o,继续加反向磁场时应变才会降为0。由入~H曲线知，随磁场频率的增大入~H曲线的环增大，磁场为0时的交点随频率的增大而提高。当磁场频率为500 Hz时，应变与磁场同频，应变不再出现倍频现象，此时输出的最大应变值为380ppm, 入~H 曲线类似圆形。结构改进后Fe-Ga合金磁特性测试系统能有效消除电磁力产生的额外应变。根据测量结果可得：
(1)在共振频率以下动态磁场伸缩的最大应变比静态磁致伸缩系数略小，且随激励磁场频率的增大，最大应变减小；
(2)随着磁场频率的增大，应变 对磁场的延迟角度也增大，入~H曲线的面积越来越大；(3 )当激励磁场的频率为500 Hz时，应变与磁场同频，入~H 曲线类似为圆形。

       结构改进前激励电流频率在10 Hz 以上会产生明显的振动，当激励电流频率为100 Hz时由线圈电磁力而产生的振动带来的附加应变达951 ppm, 此值是静态磁场下饱和应变 250 ppm 的3.8 倍，所得测量结果存在严重误差。 测试结构改进后激励电流频率为100 Hz时所得最大应变为190 ppm, 其应变曲线并没有出现图 5中类似B点的转折点，故可以认为此时测量结果是可信的。 此时的应变较静态磁场下的饱和应变有所减小可能是由于材料本身的 磁滞产生的。

       为验证结构改进后的 Fe-Ga 磁特性装置能准确测量具有低饱和场样品的动态磁特性，选取Fess A压作为被测样品，其 饱和磁场强度为 4 kA/m, 饱和磁致伸缩为34 ppm。 当激励电流频率为25 Hz时的动态磁特性如图9所示。 由图9可知，FessAlis的应变改变落后千磁场变化，测量结果与国内外的报道一致，故结构改进后在动态磁特性测试实验中能有效消除由电磁力产生振动带来的应变。

       偏置磁场强度为2. 7 kA/m时，应变相对于激励磁场的延迟角与激励磁场频率的关系曲线。 由图11可知延迟角随激励磁场频率的增大而增大，在低频时频率对延迟角较为敏感，当频率达 50 Hz后延迟角随激励磁场频率的变化较为缓慢。 Fe-Ga 材料的应变变化落后于磁场变化是由于材料本身的磁滞引起的。 因为外部的激励磁场与材料内部的有效磁场存在延迟性，可能会使材料内部的磁场转动跟不上外部磁场的变化，当磁场频率增大时这种延迟会更明显。

4结论

        采用 Fe-Ga 磁特性测试装置进行动态磁致伸缩测量时会出现应变偏大现象，对此现象进行了解释并进行了实验验证。 本文在 Fe-Ga 磁特性测试装置的基础上通过将测试样品的底部固定在极头上并将激励磁场调节在饱和磁场附近，通过实验验证了结构改进后能有效消除机械振动对动态磁致伸缩特性测试带来的影响，基千测量结果得到：
(1) 在共振频率以下，Fe-Ga 的动态最大应变比静态饱和应变略小，且最大应变随磁场频率的增大而减小；
(2)磁场频率的增大，应变对磁场的延迟角度增大，入 ~H 曲线环的面积越大；
(3)当磁场频率达 500 Hz时，应变与磁场同频，入~H曲线近似为圆形。 实验还测试了 Fe-Ga 材料在2. 7 kA/m偏置磁场作用下的磁致伸缩特性，结果表明在偏置磁场作用下应变与磁场同频，但应变落后磁场，延迟角随频率的增大而增大，入~H曲线为椭圆形曲线，椭圆环的面积随频率的增大而增大。

 

 

 

 

 

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