基于半導體位移傳感器的磁致伸縮系數計算機測量

方運良，崔 娟，鄭源明

 

 

 

 

 

 

 

 

        通常鐵磁體材料的磁致伸縮系數的數量級為 10 － 5 ～ 10 － 6 ． 目前，磁致伸縮系數的測量常用方法有 2 種( 光杠桿法、電阻應變片法) ． 光杠桿法常因系統不穩定會引起讀數誤差，測量精度也不高; 電阻應變片法是把作為橋臂的電阻應變片貼在待測樣品上，將樣品長度的變化轉化為橋臂電阻的變化進行測量，由于粘貼必須嚴格按照工藝規程操作，還受到溫度、磁阻效應等因素的影響． 為了克服上述二種方法的不足，筆者設計了一種新的長度微小增量測量方法，在勁度系數小的彈性梁上粘貼 4 個半導體壓敏電阻連接成非平衡電橋，組成新的位移傳感器，測量微小伸長量． 該傳感器由于輸出電量能與計算機直接連接，實現計算機實時測量，過程簡單、快捷，樣品更換方便，可精確測量鐵磁材料的磁致伸縮系數． 磁致伸縮效應用處很多，例如由較大磁致伸縮系數鐵磁材料制成的棒置于高頻強電流的線圈中，可制成大功率超聲波發生器，在工業、醫學和國防領域中有重要應用．

1 實驗原理

       某些晶體( 特別是鐵磁體) 在居里溫度以下時，磁性材料中存在著大量的磁疇，在每個磁疇中，原子的磁矩有序排列，引起晶格發生形變． 由于各個磁疇的自發磁化方向不盡相同，因此在沒有外加磁場時，自發磁化引起的形變互相抵消，顯示不出宏觀效應． 外加磁場后，各個磁疇的自發磁化都轉向外磁場方向，結果導致磁體體積發生變化，于是產生了宏觀磁致伸縮．

2 實驗裝置簡介

2． 1 STM32 微控制系統簡介

       本測量系統采用 ARM 公司的 STM32 微控制器，該微控制器集高性能、低功耗、低成本于一體，同時具備卓越的實時響應、邏輯處理功能和優異的控制性能的要求． 通過專為 RS － 232 標準串口設計的電平轉換芯片 MAX232 與計算機進行串行通信，并以 C 語言編寫了專用的計算機數據采集與控制軟件，實現對電磁鐵勵磁電流大小和方向的控制，以及勵磁電流信號和微位移傳感器信號的同步采集與顯示． 

       電流大小控制: 計算機軟件端通過串行接口發送一個數字量給 STM32，經過 D /A( 數 /模) 轉換器轉變為一個電壓值，而后通過功率管與大功率電流源將對應的電壓值轉變為對應的電流大小，從而實現電磁鐵線圈電流大小的控制．

       電流方向控制: 計算機軟件可控制 STM32 的I /O 輸出端輸出高電平或低電平，但 I /O 輸出端的功率不足以驅動繼電器，因此要進行功率放大后才能通過繼電器來切換電流的方向．

       電流信號采集: 為了準確地對電磁鐵線圈中電流的大小進行采樣，在線圈上串聯了一個采樣電阻，用于將電流轉變為電壓量，通過 STM32 本身自帶的 12 位 A /D( 模 /數) 轉換器轉變為數字量后傳輸給計算機．

       傳感器信號采集: 由于不同材料的磁致伸縮量會有數量級上的差距，那么對于不同的樣品，壓阻式傳感器輸出電壓也會有很大的不同，所以在其輸出電壓信號經過前置放大后，再進行一級可變倍率的放大，用于適應不同的樣品． 由于 STM32 本身自帶有 A /D( 模 /數) 轉換器，放大后的電壓信號可直接輸入 STM32，轉變為數字量后傳輸給計算機．

2． 2 實驗裝置

1)電磁鐵及控制電源;

2)樣品架及杠桿． 這二部分的作用是: 固定樣品，放大磁致伸縮的伸縮量;

3) 位移傳感器、微分頭( 即測微螺桿，結構與千分尺的測微螺桿相同) 及信號放大器． 這三部分的作用是: 探測杠桿末端 G 位移量，將探測量轉換為電量信號經放大器放大后輸入電腦記錄處理;

4) 計算機及數據處理系統．

2． 3 微位移傳感器的設計

       選用勁度系數小、彈性良好的材料作為梁，目的是防止梁的反作用力造成微伸長量放大杠桿的形變而影響微伸長量的測量精確度． 由粘貼在梁上對稱位置增量 ΔR 相等的 4 個壓敏電阻構成的 4臂受感電橋，可以把壓力量轉換為電壓量。當壓力為零時，橋的 4 個臂電阻值相等，此時的初始電阻值均為 R，電橋輸出電壓為零; 當壓力不為零時，4 個橋臂的電阻值發生變化，電橋輸出電壓與壓力成線性關系． 此時，兩個敏感電阻增加，增加量為ΔR( p) ; 兩個敏感電阻減小，減小量為 － ΔR( p) ． 由于實驗時間不會很長，實驗室環境相對穩定且通電時間短，可忽略環境溫度對電阻值的影響。

3 實驗過程與結果分析

3． 1 磁感應強度 B 與勵磁電流 I 關系定標

        首先將勵磁電流源切換到手動調節電流的工作狀態，把特斯拉計的探頭置于電磁鐵兩個磁極的中心位置，手動調節勵磁電源，將勵磁電流 I 與磁感應強度 B 的關系數據記錄表 1 中．

       在磁感應強度還未飽和時，勵磁電流 I 與磁感應強度 B 近似為線性關系，即B = kB I ( 4)利用最小二乘法作線性擬合，可得 kB = 29． 4 mT /A，相關系數 r = 0． 9994．

3． 2 利用微分頭標定位移傳感器電壓信號與位移量的關系

        使用了讀數精度可達0． 001 mm的高精度微分頭，旋轉微分頭推動平移臺，Q 為平移臺與微分頭的接觸點，位移傳感器固定在平移臺上，接觸點 Q 的位移就是位移傳感器與杠桿的末端 G( 此時固定不動) 產生的相對位移，利用微分頭的讀數，即可對位移傳感器輸出經放大后的電壓信號 UE 與微分頭讀數 S 的關系進行定標。

3． 3 超磁致伸縮材料 TbDyFe 樣品的磁致伸縮系數將超磁致伸縮材料 TbDyFe 作為待測樣品( 規格: l = 25． 09 mm，d = 10． 00 mm) ，調節平移臺使位移傳感器電壓信號在定標范圍內，即可使用計算機軟件對數據進行自動采集．

       計算機自動控制勵磁電流及采集數據所描繪的曲線，縱軸表示位移傳感器的電壓信號，橫軸表示勵磁電流為三角波交流電的方向及大小，圖 4( a) 中，曲線左半部分為交流電流負方向，右半部分為交流電流正方向． 觀察圖 4( a) 可發現磁致伸縮的方向始終為正方向，和勵磁電流的方向( 即磁場方向) 無關，與理論分析相一致．

        利用計算機軟件中的數據導出功能將自動采集所得的數據導出為． xls 文件后，即可利用先前的定標數據進行處理．只取勵磁電流控制過程由零變大至預設值電流變化區間． 這一區間內的數據，以式( 4) 將采集所得的勵磁電流 I 的數據換算成磁感應強度 B，以式( 6) 將采集所得的位移傳感器的電壓信號換算成樣品的磁致伸縮系數 λ，得到的曲線如圖 4 ( b)所示． 這結果與該樣品生產廠家給出的參考值完全一致．

3． 4 結果的誤差分析

        筆者又以同樣的方法測試了兩個長度均為l= 25． 09 mm的鐵氧體和中碳鋼樣品，得出的磁致伸縮系數與磁感應強度。不難發現，鐵氧體樣品在磁化后長度有所增加，而中碳鋼樣品在磁化后長度有所減少，可見不同材料磁致伸縮效應的方向與大小皆會有所不同，并且這兩種樣品的磁致伸縮系數與 TbDyFe 材料相比要小 1 ～ 2 個數量級，這也驗證了筆者所設計的實驗方法有著相當高的靈敏度．采用半導體壓敏電阻位移傳感器測量材料磁致伸縮系數的靈敏度比傳統的方法高，更換樣品方便，且半導體壓敏電阻位移傳感器遠離強磁場區，可以減小磁阻效應對測量結果的影響，與計算機連接實時測量，可大大降低溫度變化對半導體壓敏電阻阻值的影響． 所以本測量裝置采用微分頭當場定標后立即做測量，定標和測量基本上為同一溫度，這樣可以保證測量結果準確性．

4 結束語

       以半導體壓敏電阻位移傳感器測量微位移量配合計算機自動采集數據，測量磁致伸縮材料的磁致伸縮系數，測量結果重復性很好． 這測量方法可用于科研單位和企業，進行材料磁致伸縮特性的研究，也可用作高校近代物理實驗和設計性研究性實驗．

 

 

 

 

 

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