·1586· 工程科学学报，第38卷，第11期 们使用特斯拉计测量通电螺线管中的磁感应强度，得 波，在1/4周期内（电流为0A时作为起始点）电流随 到磁场强度与电流信号强度之间关系： 时间为线性变化. H=3557×I. (9) 式中：H为磁场强度，A·m:I为螺线管内电流强度， 压 A.磁致伸缩系数测量系统示意图如图1所示.将铁 镓合金棒一端面固定，通过环氧将铁镓合金棒粘贴在 重块上，重块选择无磁铅块（图1中与铁镓合金棒连接 的固定端为铅块)，铅块质量为20kg,测量的铁镓合金 20 棒样品质量为0.192kg,铅块质量约为铁镓合金棒的 0 100倍，另一端面自由：调节激光探头，观测探头上的 水平仪，使其发射激光沿水平方向：利用水平尺调整通 60 电螺线管及铁镓合金棒，使其至水平位置.本文采用 10 15 时间/s 不同于文献9,11]中的实验装置和测量方法，采用激 图2准静态测量(0.1Hz)电流和电压曲线 光多普勒原理设计的测量方法，被测材料制成一端固 Fig.2 Voltage and current curves in quasi-static (0.I Hz)measure- 定的棒状样品，测量另外的自由端，一端固定的测量方 ment 法使得材料的状态非常稳定。同时，该测量方法测量 时只需测量一端，这使得步骤简单，减少了测量误差. 对激光测振仪得到的振速进行处理，可以得到铁 镓合金棒磁致伸缩应变随驱动磁场强度的变化关系. 固定端 激励线圈（夹具固定） 对铁镓合金棒的端面进行多点测量，点1~8为等边八 铁嫁合金棒 边形的八个端点，点9为中心点，点9与其余点的距离 激光 为6.5mm.激光测振仪系统能够记录点9的位置，通 过程序控制实现多次重复测量.铁镓合金棒直径 20mm,长度80mm.图3为测量点示意图.采集点位 置不同测得的数据之间有差异，点1、2、3、4和8的数 功率放大器 激光处理器 电压电流检测 据要大于其余点的数据.导致原因可能有：①铁镓合 振演 金棒辐射面不是一个平面，部分测试点处辐射面与激 信号 光入射方向不垂直，存在一定偏角：②由于铁镓合金本 电流 电脑 身是一种合金，其不同位置处的材料特性可能不同，这 也会导致不同测量点测试结果不同：③测量棒材几何 图1激光测振仪测量磁致伸缩系数示意图 Fig.1 Schematic representation of the magnetostriction measurement 体上下部分存在差别，摩擦力重力等因素影响测量结 setup using a Laser Doppler Vibrometer 果：④测量系统本身调整存在测量误差.排除测量辐 射面与激光入射线不完全垂直的原因，因为不垂直时， 该测量中，磁致伸缩材料为铁镓合金，商品名为 测得的结果会整体偏小（可以通过测量点的坐标计算 Galfenol..实验中激光发射接收系统为Polytec公司的 得入射线与棒面的角度，对获得结果进行矫正)，但测 PSV500,信号发生器采用Agilent公司33220A任意波 量结果之间不会有较大差异 形发生器，功率放大器采用nF公司的BP4610. 2实验测量及分析 2.1准静态测量实验设计 通过以上分析，可知磁致伸缩材料在低频时才可 以利用激光多普勒准静态原理测量磁致伸缩系数.为 满足准静态要求，实验选择较低频率(0.1Hz和10Hz) 的三角波信号进行驱动.实验中功率放大器电压输出 范围-60~60V,电流输出范围-10~10A,通电螺线 管直流电阻为6.22.在测量时，功放电压输出幅度为 60V、频率为0.1Hz的三角波，采样频率为256Hz,采 图3铁镓合金棒端面测量点编号 集的电流和电压数据如图2所示，电流信号也为三角 Fig.3 Numbering of measuring points in the Galfenol surface工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 们使用特斯拉计测量通电螺线管中的磁感应强度，得 到磁场强度与电流信号强度之间关系: H = 3557 × I． ( 9) 式中: H 为磁场强度，A·m － 1 ; I 为螺线管内电流强度， A． 磁致伸缩系数测量系统示意图如图 1 所示． 将铁 镓合金棒一端面固定，通过环氧将铁镓合金棒粘贴在 重块上，重块选择无磁铅块( 图1 中与铁镓合金棒连接 的固定端为铅块) ，铅块质量为 20 kg，测量的铁镓合金 棒样品质量为 0. 192 kg，铅块质量约为铁镓合金棒的 100 倍，另一端面自由; 调节激光探头，观测探头上的 水平仪，使其发射激光沿水平方向; 利用水平尺调整通 电螺线管及铁镓合金棒，使其至水平位置． 本文采用 不同于文献［9，11］中的实验装置和测量方法，采用激 光多普勒原理设计的测量方法，被测材料制成一端固 定的棒状样品，测量另外的自由端，一端固定的测量方 法使得材料的状态非常稳定． 同时，该测量方法测量 时只需测量一端，这使得步骤简单，减少了测量误差． 图 1 激光测振仪测量磁致伸缩系数示意图 Fig． 1 Schematic representation of the magnetostriction measurement setup using a Laser Doppler Vibrometer 该测量中，磁致伸缩材料为铁镓合金，商品名为 Galfenol． 实验中激光发射接收系统为 Polytec 公司的 PSV-500，信号发生器采用 Agilent 公司 33220A 任意波 形发生器，功率放大器采用 nF 公司的 BP4610． 2 实验测量及分析 2. 1 准静态测量实验设计 通过以上分析，可知磁致伸缩材料在低频时才可 以利用激光多普勒准静态原理测量磁致伸缩系数． 为 满足准静态要求，实验选择较低频率( 0. 1 Hz 和 10 Hz) 的三角波信号进行驱动． 实验中功率放大器电压输出 范围 － 60 ～ 60 V，电流输出范围 － 10 ～ 10 A，通电螺线 管直流电阻为 6. 2 Ω． 在测量时，功放电压输出幅度为 60 V、频率为 0. 1 Hz 的三角波，采样频率为 256 Hz，采 集的电流和电压数据如图 2 所示，电流信号也为三角 波，在 1 /4 周期内( 电流为 0 A 时作为起始点) 电流随 时间为线性变化． 图 2 准静态测量( 0. 1 Hz) 电流和电压曲线 Fig． 2 Voltage and current curves in quasi-static ( 0. 1 Hz) measure￾ment 图 3 铁镓合金棒端面测量点编号 Fig． 3 Numbering of measuring points in the Galfenol surface 对激光测振仪得到的振速进行处理，可以得到铁 镓合金棒磁致伸缩应变随驱动磁场强度的变化关系． 对铁镓合金棒的端面进行多点测量，点 1 ～ 8 为等边八 边形的八个端点，点 9 为中心点，点 9 与其余点的距离 为 6. 5 mm． 激光测振仪系统能够记录点 9 的位置，通 过程序 控 制 实 现 多 次 重 复 测 量． 铁镓合金棒直径 20 mm，长度 80 mm． 图 3 为测量点示意图． 采集点位 置不同测得的数据之间有差异，点 1、2、3、4 和 8 的数 据要大于其余点的数据． 导致原因可能有: ①铁镓合 金棒辐射面不是一个平面，部分测试点处辐射面与激 光入射方向不垂直，存在一定偏角; ②由于铁镓合金本 身是一种合金，其不同位置处的材料特性可能不同，这 也会导致不同测量点测试结果不同; ③测量棒材几何 体上下部分存在差别，摩擦力重力等因素影响测量结 果; ④测量系统本身调整存在测量误差． 排除测量辐 射面与激光入射线不完全垂直的原因，因为不垂直时， 测得的结果会整体偏小( 可以通过测量点的坐标计算 得入射线与棒面的角度，对获得结果进行矫正) ，但测 量结果之间不会有较大差异． ·1586·