李英明等：激光多普勒准静态法测量磁致伸缩系数 ·1587· 为了验证测量系统的操作影响，对点9进行四次 量.首先，对比测量1与测量2，测量3与测量4，在相 测量（实际测量中，可以增加测量点数，以获得整个辐 同测量情形下，前后两次测量结果差别在2%内，说明 射面的应变分布).表1为两种不同测试情形下测试 该测量方法具有可重复性，测量可靠性高：其次，比较 数据.情形1：使得测试面与激光尽可能垂直，表1中 同一点的四次测量数据，发现测量数据偏大的点始终 第二列为激光探头测量出点1~9与激光发射点的距 偏大，因此可以排除测量带来的操作误差，说明不同测 离，第三、四列为两次测量结果.情形2：使得测试面与 量点的应变不尽相同 入射激光不完全垂直，表1第五列为此时激光探头测 综上所述，激光多普勒准静态测量法可以测量出 量出点1~9与激光发射点的距离，第六、七列为连续 整个铁镓合金棒辐射面的应变分布，这有助于筛选应 两次测量结果.表2为四次测量相对于测量1的变化 变差异较大的棒材. 表1不同点四次测量应变对比表 Table 1 Four measurements of the nine points 编号 (距离1)/mm (应变1)/10-6 (应变2)106 (距离2）/mm (应变3)/10~6 (应变4)/10-6 545.01 93.7 93.6 545.05 91.5 92.8 545.01 95.2 94.5 545.02 92.8 93.2 545.00 93.1 92.6 545.01 91.9 92.1 4 545.00 90.1 89.7 545.02 89.9 89.8 545.00 87.4 86.2 545.06 87.9 86.2 6 545.00 85.1 85.2 545.09 84.3 86.0 > 545.01 88.9 88.0 545.10 87.6 87.3 545.01 92.8 91.2 545.08 90.1 89.6 9 545.00 88.2 88.2 545.02 87.4 87.2 表2 四次测量相对于测量1的变化量 100 Table 2 Variation between the four measurements 80 应变测量 应变测量 应变测量 应变测量 误差 误差2 误差3 误差4 60 -0.1 -2.4 -0.9 40L 0 -0.7 -2.5 -2.1 0 -0.5 -1.3 -1.0 0 -0.5 -0.3 -0.4 0 0 -1.3 0.6 -1.4 48 -32 -1601632 48 0 0.1 -0.9 1.1 磁场强度/低A·m) 0 -1.1 -1.5 -1.0 图4准静态测量(0.1Hz)下铁镓合金棒应变随磁场强度变化 -1.7 -2.9 -3.5 曲线 0 0.0 -0.9 -1.0 Fig.4 Measured curve of magnetostriction strain in the Galfenol rod with magnetic field in a quasi-static (0.I Hz) 提取铁镓合金棒中心线的应变与磁场数据，如 图4所示.饱和磁致伸缩应变为9.3×105左右，与厂 的应变特性，实验中我们观察到频率升高到10Hz时， 家提供的数据1×104基本一致（图5）.厂家测量采 准静态测量技术仍有较好的测试精度，只要选择具有 用的是应变法测量圆柱侧面上的应变，并且应变法可 较高采样率的激光测振设备即可.实验中选择测试频 带来大于10%的误差，因此本文提出方法的测量结 率为10Hz,采样频率为5000Hz.10Hz时，测得激励线 果是可信的.从图4中可知，在整个测量过程中磁滞 圈的阻值为8.2Ω.铁镓合金棒中心线的应变与磁场 很小，说明0.1Hz的准静态测量能够反映出铁镓合金 数据，如图6所示.由于测量频率的提升，铁镓棒中出 棒的静态磁致伸缩特性 现涡流，导致系统整体阻抗提高，螺线管中驱动电流幅 2.2准静态工作原理获得动态曲线实验设计 值最大为7.7A.测得的动态应变为8×10-5左右，从 利用激光多普勒准静态法还可以测量铁镓合金棒 应变磁场强度曲线明显可知整个系统中存在磁滞损李英明等: 激光多普勒准静态法测量磁致伸缩系数 为了验证测量系统的操作影响，对点 9 进行四次 测量( 实际测量中，可以增加测量点数，以获得整个辐 射面的应变分布) ． 表 1 为两种不同测试情形下测试 数据． 情形 1: 使得测试面与激光尽可能垂直，表 1 中 第二列为激光探头测量出点 1 ～ 9 与激光发射点的距 离，第三、四列为两次测量结果． 情形 2: 使得测试面与 入射激光不完全垂直，表 1 第五列为此时激光探头测 量出点 1 ～ 9 与激光发射点的距离，第六、七列为连续 两次测量结果． 表 2 为四次测量相对于测量 1 的变化 量． 首先，对比测量 1 与测量 2，测量 3 与测量 4，在相 同测量情形下，前后两次测量结果差别在 2% 内，说明 该测量方法具有可重复性，测量可靠性高; 其次，比较 同一点的四次测量数据，发现测量数据偏大的点始终 偏大，因此可以排除测量带来的操作误差，说明不同测 量点的应变不尽相同． 综上所述，激光多普勒准静态测量法可以测量出 整个铁镓合金棒辐射面的应变分布，这有助于筛选应 变差异较大的棒材． 表 1 不同点四次测量应变对比表 Table 1 Four measurements of the nine points 编号 ( 距离 1) /mm ( 应变 1) /10 － 6 ( 应变 2) /10 － 6 ( 距离 2) /mm ( 应变 3) /10 － 6 ( 应变 4) /10 － 6 1 545. 01 93. 7 93. 6 545. 05 91. 5 92. 8 2 545. 01 95. 2 94. 5 545. 02 92. 8 93. 2 3 545. 00 93. 1 92. 6 545. 01 91. 9 92. 1 4 545. 00 90. 1 89. 7 545. 02 89. 9 89. 8 5 545. 00 87. 4 86. 2 545. 06 87. 9 86. 2 6 545. 00 85. 1 85. 2 545. 09 84. 3 86. 0 7 545. 01 88. 9 88. 0 545. 10 87. 6 87. 3 8 545. 01 92. 8 91. 2 545. 08 90. 1 89. 6 9 545. 00 88. 2 88. 2 545. 02 87. 4 87. 2 表 2 四次测量相对于测量 1 的变化量 Table 2 Variation between the four measurements % 应变测量 误差 应变测量 误差 2 应变测量 误差 3 应变测量 误差 4 0 － 0. 1 － 2. 4 － 0. 9 0 － 0. 7 － 2. 5 － 2. 1 0 － 0. 5 － 1. 3 － 1. 0 0 － 0. 5 － 0. 3 － 0. 4 0 － 1. 3 0. 6 － 1. 4 0 0. 1 － 0. 9 1. 1 0 － 1. 1 － 1. 5 － 1. 0 0 － 1. 7 － 2. 9 － 3. 5 0 0. 0 － 0. 9 － 1. 0 提取铁镓合金棒中心线的应变与磁场数据，如 图 4 所示． 饱和磁致伸缩应变为 9. 3 × 10 － 5 左右，与厂 家提供的数据 1 × 10 － 4 基本一致( 图 5) ． 厂家测量采 用的是应变法测量圆柱侧面上的应变，并且应变法可 带来大于 10% 的误差［15］，因此本文提出方法的测量结 果是可信的． 从图 4 中可知，在整个测量过程中磁滞 很小，说明 0. 1 Hz 的准静态测量能够反映出铁镓合金 棒的静态磁致伸缩特性． 2. 2 准静态工作原理获得动态曲线实验设计 利用激光多普勒准静态法还可以测量铁镓合金棒 图 4 准静态测量( 0. 1 Hz) 下铁镓合金棒应变随磁场强度变化 曲线 Fig． 4 Measured curve of magnetostriction strain in the Galfenol rod with magnetic field in a quasi-static ( 0. 1 Hz) 的应变特性，实验中我们观察到频率升高到 10 Hz 时， 准静态测量技术仍有较好的测试精度，只要选择具有 较高采样率的激光测振设备即可． 实验中选择测试频 率为 10 Hz，采样频率为 5000 Hz． 10 Hz 时，测得激励线 圈的阻值为 8. 2 Ω． 铁镓合金棒中心线的应变与磁场 数据，如图 6 所示． 由于测量频率的提升，铁镓棒中出 现涡流，导致系统整体阻抗提高，螺线管中驱动电流幅 值最大为 7. 7 A． 测得的动态应变为 8 × 10 － 5 左右，从 应变!磁场强度曲线明显可知整个系统中存在磁滞损 ·1587·