·1588· 工程科学学报，第38卷，第11期 120 所以棒的各点振动相位相同，此时可以将铁镓合金棒 100 类比于一个质量为m,劲度系数为K=贷的弹簧，其 80 中E为铁镓合金棒的杨氏模量，S为铁镓合金棒的横 60 费面积在报动中带簧的等效质量为9。 在磁致伸 40 缩力作用下，铁镓合金棒产生振速，质量为m的质 量块的等效振速为速”，根据动量定理有 mtsm元 (10) 3 162432404856 磁场强度/伥A·m) 弹簧的动能和弹性势能是相互转化的，当弹性势 图5铁镓合金棒出厂测试数据 能为零时，弹簧的振速达到最大值，弹簧的动能最大 Fig.5 Factory data of the Galfenol rod 为m。此时，后质量块的振速达到最大值，质量块 6 耗.铁镓合金棒在实际使用中，通常进行切缝等处理 以减少棒内涡流影响。该测量系统还可以用来测量切 的动能为”雩，二者能量之和对应的电磁能为取而理 缝处理后的铁镓合金棒样品，以验证其切缝的可行性 想情况下，质量块动能为零，弹簧的振速达到最大值 及测量切缝后的动态磁致伸缩特性.铁镓合金棒在工 程使用中状态一般更接近于动态情况，例如磁致伸缩 W的电磁能全部转化为弹簧的动能”， 6,此时有 材料在驱动制动器或声学换能器时，需要工作在一定 等式 频段，因此动态测量有助于分析磁致伸缩材料在工程 m'v2 mv:m' 应用的状态 + 6 2 (11) 6 因此有=√m实验中速度要小于理想条 件的速度”带入实验中质量参数m≥100m,实验中 速度的误差小于0.2% 3.2环境因素带来的误差 环境因素主要有两类，一是重力和摩擦力的影响， 二是环境“噪声”的影响.测量的铁镓合金棒样品质量 为0.192kg,考虑样品垂直放置时情况，高度为h(0< h<)处的重力产生的压应力为T=p(l-h),其中p为 -48-32 -16016 32 48 铁镓合金的密度，最低处的压应力为576Pa.因此在测 磁场强度低A·m) 量过程中，无论水平还是垂直放置，铁镓合金棒都处于 图6动态测量(10Hz)下铁稼合金棒应变随磁场强度变化曲线 Fig.6 Measured curves of magnetostriction strain in the Galfenol rod 较低的压应力下. with magnetic field in a dynamic static (10 Hz) 环境噪声有三类，分别是电噪声、光学噪声和振 动声音的干扰.信号传输线都有屏蔽层，因此50Hz的 3测量误差分析 电噪声比较小，实验中测试频率小于50Hz,可以加低 通滤波器来滤除电噪声。从测量点反射回来的光信号 测量系统的准确度会受到本身测量原理、测量设 与环境中光噪声信号的信噪比足够高就能保证测量数 备及周围环境的影响，根据上述测量样品的参数及测 据是准确的，这与激光发射强度及测量目标点的反射 量设备对整个测量系统进行误差分析 能力有关.文中实验采用的激光测振仪具有大功率的 3.1铁镓合金棒固定装置引入的误差 激光源且测量铁镓棒端面抛光较好，测试系统能够识 假设铁稼合金棒的质量为m,固定端质量为m, 别信噪比最优的结果.为了减少环境噪声的影响，选 当m→次，即固定端质量远远大于测量样品质量时， 当 择相对安静的实验场所，并在测试系统底部加橡胶或 者泡沫，以滤除高频振动噪声 整个振动系统趋近固定边界条件，实际测量系统并不 为了测试环境噪声影响，切断激励线圈中电流，测 会达到固定边界条件的要求，测量误差总会存在.在 量铁镓合金棒表面的振动，测试结果如图7所示.在 测量的频率下，铁镓合金棒振动波长远大于棒的长度， 采集时间内有一个周期为20Hz左右的环境噪声，噪工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 图 5 铁镓合金棒出厂测试数据 Fig． 5 Factory data of the Galfenol rod 耗． 铁镓合金棒在实际使用中，通常进行切缝等处理 以减少棒内涡流影响． 该测量系统还可以用来测量切 缝处理后的铁镓合金棒样品，以验证其切缝的可行性 及测量切缝后的动态磁致伸缩特性． 铁镓合金棒在工 程使用中状态一般更接近于动态情况，例如磁致伸缩 材料在驱动制动器或声学换能器时，需要工作在一定 频段，因此动态测量有助于分析磁致伸缩材料在工程 应用的状态． 图 6 动态测量( 10 Hz) 下铁镓合金棒应变随磁场强度变化曲线 Fig． 6 Measured curves of magnetostriction strain in the Galfenol rod with magnetic field in a dynamic static ( 10 Hz) 3 测量误差分析 测量系统的准确度会受到本身测量原理、测量设 备及周围环境的影响，根据上述测量样品的参数及测 量设备对整个测量系统进行误差分析． 3. 1 铁镓合金棒固定装置引入的误差 假设铁镓合金棒的质量为 m'，固定端质量为 m， 当 m m' →∞ ，即固定端质量远远大于测量样品质量时， 整个振动系统趋近固定边界条件，实际测量系统并不 会达到固定边界条件的要求，测量误差总会存在． 在 测量的频率下，铁镓合金棒振动波长远大于棒的长度， 所以棒的各点振动相位相同，此时可以将铁镓合金棒 类比于一个质量为 m'，劲度系数为 K = ES l 的弹簧，其 中 E 为铁镓合金棒的杨氏模量，S 为铁镓合金棒的横 截面积． 在振动中弹簧的等效质量为m' 3 ［12］ ． 在磁致伸 缩力作用下，铁镓合金棒产生振速 v'，质量为 m 的质 量块的等效振速为速 v，根据动量定理有 mv = m'v' 3 ． ( 10) 弹簧的动能和弹性势能是相互转化的，当弹性势 能为零时，弹簧的振速达到最大值 v' a，弹簧的动能最大 为m'v' a 2 6 ． 此时，后质量块的振速达到最大值 va，质量块 的动能为mv 2 a 2 ，二者能量之和对应的电磁能为 W． 而理 想情况下，质量块动能为零，弹簧的振速达到最大值 v″ a，W 的电磁能全部转化为弹簧的动能m'v″ a 2 6 ，此时有 等式 m'v' a 2 6 + mv 2 a 2 = m'v″ a 2 6 ． ( 11) 因此有 v' a = 3m 槡3m + m' v″ a，实验中速度 v' a 要小于理想条 件的速度 v″ a ． 带入实验中质量参数 m≥100m'，实验中 速度的误差小于 0. 2% ． 3. 2 环境因素带来的误差 环境因素主要有两类，一是重力和摩擦力的影响， 二是环境“噪声”的影响． 测量的铁镓合金棒样品质量 为 0. 192 kg，考虑样品垂直放置时情况，高度为h( 0 ＜ h ＜ l) 处的重力产生的压应力为 T = ρ( l － h) ，其中 ρ 为 铁镓合金的密度，最低处的压应力为576 Pa． 因此在测 量过程中，无论水平还是垂直放置，铁镓合金棒都处于 较低的压应力下． 环境噪声有三类，分别是电噪声、光学噪声和振 动声音的干扰． 信号传输线都有屏蔽层，因此 50 Hz 的 电噪声比较小，实验中测试频率小于 50 Hz，可以加低 通滤波器来滤除电噪声． 从测量点反射回来的光信号 与环境中光噪声信号的信噪比足够高就能保证测量数 据是准确的，这与激光发射强度及测量目标点的反射 能力有关． 文中实验采用的激光测振仪具有大功率的 激光源且测量铁镓棒端面抛光较好，测试系统能够识 别信噪比最优的结果． 为了减少环境噪声的影响，选 择相对安静的实验场所，并在测试系统底部加橡胶或 者泡沫，以滤除高频振动噪声． 为了测试环境噪声影响，切断激励线圈中电流，测 量铁镓合金棒表面的振动，测试结果如图 7 所示． 在 采集时间内有一个周期为 20 Hz 左右的环境噪声，噪 ·1588·