李英明等：激光多普勒准静态法测量磁致伸缩系数 ·1585· 钢板上，使硅钢片处于近似自由状态.Ghalamestani 为一体，假设激光垂直入射到铁镓合金棒振动面，这 等对上述方法进行了改进，将硅钢片放置在聚四氟 时有 乙烯薄膜上，在两者之间涂上润滑剂以减少摩擦力对 (3) 磁致伸缩测量的影响，在50~200Hz对硅钢片的磁致 63 K。 伸缩系数进行测量.上述文献结果表明激光测量磁致 式中，∫。为激光光波的多普勒频移，K。为激光光波的 伸缩系数的方法中硅钢片与支撑板间的摩擦力对测量 波长，为铁镓合金棒横截面振动速度.由此可知，激 结果仍有较大影响，而铁镓合金棒材质量更大，棒与支 光测振仪通过处理接收的多普勒频移信号可以得到铁 撑板间的摩擦力影响将会更大.本文设计了铁镓合金 镓合金棒表面的振动速度.棒表面位移和振动速度满 棒材的磁致伸缩系数准静态测试装置，该装置能够测 足方程 量铁镓合金棒材磁致伸缩系数和观察磁致伸缩材料动 x()=u(d)d. (4) 态曲线，有助于弥补磁致伸缩材料在工程应用中动态 式中，x为棒表面位移，！是时间变量 数据的不足 激光测振仪测试过程中，测试的振动速度和位移 1测量原理和装置 都是离散的，假设采样周期为△，那么经过n个采样 周期后，离散位移与振动速度满足方程 磁致伸缩系数是磁性材料在外磁场作用下产生的 长度的相对变化量，是磁致伸缩材料基本特性参数之 x,(n)=∑(i)△. (5) 一磁致伸缩系数用入表示： 式中，i表示第i个采样周期. AsAl 1 (1) 设计三角波驱动信号，当驱动信号远小于激光测 振仪采样频率时，驱动电流信号强度I在1/4周期内 式中，1为铁镓合金棒在外磁场为零时的长度，△1为铁 (从0增大至最大值)可表示为I=a,其中k为电流随 镓合金棒在有外磁场时长度变化量.磁致伸缩系数的 时间变化率.若式(5)的离散点对应该1/4周期，则有 测量关键是测量外磁场下铁镓合金棒长度变化量 1.1磁致伸缩系数准静态测量原理 xp= v(i)△ (6) 压电陶瓷材料压电应变常数山：的准静态法测量 当实验样品采用一端固定一端自由安装方式，自 原理(GB11309一89)是依据正压电效应，在压电振子 由端测得的x。为铁镓合金棒在一个周期内的最大伸 上施加一个频率远低于振子谐振频率的低频交变力， 长量，n。为电流1/4周期内对应的激光测振仪采样次 产生交变电荷，测试频率一般为100Hz.磁致伸缩系 数.铁镓合金棒的磁致伸缩系数为 数的测量可以类比压电应变常数的准静态测量原理， 在远离铁镓合金棒谐振基频的低频交变场激励下，测 (7) 得一端固定一端自由试件自由端的应变位移△1，即可 式中1为铁镓合金棒在外磁场为零时的长度.测试频 获得磁致伸缩系数入. 率的选择在满足准静态条件下，根据设备的工作频率 对于均匀细棒，一端固定一端自由边界条件下谐 范围确定，本文实验选择工作频率为0.1Hz和10Hz 振基频可由下式网描述： 1.3激励磁场产生装置 6=元 (2) 铁镓合金棒中的磁场由通电螺线管产生，螺线管 中心轴线上磁场强度满足方程▣ 代入铁镓材料的声速c=3162m·s、棒长l= 80mm参数可得基频为9881Hz.由此选择工作频率低 1=a兴 (8) 于50Hz即可满足准静态条件，实验中准静态测量采 式中：α为修正系数，螺线管为理想通电螺线管（螺线 用0.1Hz,观测动态曲线采用10Hz.文献13]中准静 管很长，线圈很薄)时α=1，对于实际设计的多层螺线 态测量铁镓棒采用的频率为0.05Hz,考虑到测试电流 管而言<1，可以通过实验测量来获得其数值，或者 (10A)较大，0.05Hz对应测量周期比0.1Hz周期长1 借助参考文献中的计算方法进行预估；N为螺线管线 倍，放出的热量较多，为了减少热量对铁镓合金的影 圈匝数；I为螺线管中电流信号强度：L为螺线管的 响，文中选择0.1Hz作为准静态测量. 长度 1.2激光多普勒测振技术测量自由端振动位移 根据式(8)，在一定动态范围内螺线管中磁场强 激光多普勒测振原理是基于测量从物体表面微小 度与通电电流强度成正比，通过测量通电螺线管中磁 区域反射回的相干激光光波的多普勒频率，进而确定 场可以得到磁场强度与电流信号强度关系H~I,进而 该测点的振动速度.激光测振仪的光源与光波接收器 可以获得磁致伸缩应变与驱动磁场的关系入~H.我李英明等: 激光多普勒准静态法测量磁致伸缩系数 钢板 上，使硅钢片处于近似自由状态． Ghalamestani 等［11］对上述方法进行了改进，将硅钢片放置在聚四氟 乙烯薄膜上，在两者之间涂上润滑剂以减少摩擦力对 磁致伸缩测量的影响，在 50 ～ 200 Hz 对硅钢片的磁致 伸缩系数进行测量． 上述文献结果表明激光测量磁致 伸缩系数的方法中硅钢片与支撑板间的摩擦力对测量 结果仍有较大影响，而铁镓合金棒材质量更大，棒与支 撑板间的摩擦力影响将会更大． 本文设计了铁镓合金 棒材的磁致伸缩系数准静态测试装置，该装置能够测 量铁镓合金棒材磁致伸缩系数和观察磁致伸缩材料动 态曲线，有助于弥补磁致伸缩材料在工程应用中动态 数据的不足． 1 测量原理和装置 磁致伸缩系数是磁性材料在外磁场作用下产生的 长度的相对变化量，是磁致伸缩材料基本特性参数之 一． 磁致伸缩系数用 λ 表示: λ = Δl l ． ( 1) 式中，l 为铁镓合金棒在外磁场为零时的长度，Δl 为铁 镓合金棒在有外磁场时长度变化量． 磁致伸缩系数的 测量关键是测量外磁场下铁镓合金棒长度变化量． 1. 1 磁致伸缩系数准静态测量原理 压电陶瓷材料压电应变常数 d33的准静态法测量 原理( GB11309—89) 是依据正压电效应，在压电振子 上施加一个频率远低于振子谐振频率的低频交变力， 产生交变电荷，测试频率一般为 100 Hz． 磁致伸缩系 数的测量可以类比压电应变常数的准静态测量原理， 在远离铁镓合金棒谐振基频的低频交变场激励下，测 得一端固定一端自由试件自由端的应变位移 Δl，即可 获得磁致伸缩系数 λ． 对于均匀细棒，一端固定一端自由边界条件下谐 振基频可由下式［12］描述: f0 = c 4l ． ( 2) 代入铁 镓 材 料 的 声 速 c = 3162 m·s － 1 、棒 长 l = 80 mm参数可得基频为 9881 Hz． 由此选择工作频率低 于 50 Hz 即可满足准静态条件，实验中准静态测量采 用 0. 1 Hz，观测动态曲线采用 10 Hz． 文献［13］中准静 态测量铁镓棒采用的频率为 0. 05 Hz，考虑到测试电流 ( 10 A) 较大，0. 05 Hz 对应测量周期比 0. 1 Hz 周期长 1 倍，放出的热量较多，为了减少热量对铁镓合金的影 响，文中选择 0. 1 Hz 作为准静态测量． 1. 2 激光多普勒测振技术测量自由端振动位移 激光多普勒测振原理是基于测量从物体表面微小 区域反射回的相干激光光波的多普勒频率，进而确定 该测点的振动速度． 激光测振仪的光源与光波接收器 为一体，假设激光垂直入射到铁镓合金棒振动面，这 时有 fD = 2v κc ． ( 3) 式中，fD 为激光光波的多普勒频移，κc 为激光光波的 波长，v 为铁镓合金棒横截面振动速度． 由此可知，激 光测振仪通过处理接收的多普勒频移信号可以得到铁 镓合金棒表面的振动速度． 棒表面位移和振动速度满 足方程 x( t) = ∫ v( t) dt． ( 4) 式中，x 为棒表面位移，t 是时间变量． 激光测振仪测试过程中，测试的振动速度和位移 都是离散的，假设采样周期为 Δt，那么经过 n 个采样 周期后，离散位移与振动速度满足方程 xt ( n) = ∑ n i = 1 v( i) Δt． ( 5) 式中，i 表示第 i 个采样周期． 设计三角波驱动信号，当驱动信号远小于激光测 振仪采样频率时，驱动电流信号强度 I 在 1 /4 周期内 ( 从 0 增大至最大值) 可表示为 I = kt，其中 k 为电流随 时间变化率． 若式( 5) 的离散点对应该 1 /4 周期，则有 xp = ∑ n0 i = 1 v( i) Δt． ( 6) 当实验样品采用一端固定一端自由安装方式，自 由端测得的 xp 为铁镓合金棒在一个周期内的最大伸 长量，n0为电流 1 /4 周期内对应的激光测振仪采样次 数． 铁镓合金棒的磁致伸缩系数为 λ = xp l ． ( 7) 式中 l 为铁镓合金棒在外磁场为零时的长度． 测试频 率的选择在满足准静态条件下，根据设备的工作频率 范围确定，本文实验选择工作频率为 0. 1 Hz 和 10 Hz． 1. 3 激励磁场产生装置 铁镓合金棒中的磁场由通电螺线管产生，螺线管 中心轴线上磁场强度满足方程［14］ H = α NI L ． ( 8) 式中: α 为修正系数，螺线管为理想通电螺线管( 螺线 管很长，线圈很薄) 时 α = 1，对于实际设计的多层螺线 管而言 α ＜ 1，可以通过实验测量来获得其数值，或者 借助参考文献中的计算方法进行预估; N 为螺线管线 圈匝数; I 为螺线管中电 流 信 号 强 度; L 为 螺 线 管 的 长度． 根据式( 8) ，在一定动态范围内螺线管中磁场强 度与通电电流强度成正比，通过测量通电螺线管中磁 场可以得到磁场强度与电流信号强度关系 H ～ I，进而 可以获得磁致伸缩应变与驱动磁场的关系 λ ～ H． 我 ·1585·