基于邁克爾遜干涉法的磁致伸縮動(dòng)態(tài)演示儀設(shè)計(jì)

周?chē)?yán)，黃書(shū)彬，劉躍，劉鵬輝，劉世宇，張子龍

（天津商業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津300134）

基于邁克爾遜干涉法的磁致伸縮動(dòng)態(tài)演示儀設(shè)計(jì)

周?chē)?yán)，黃書(shū)彬，劉躍，劉鵬輝，劉世宇，張子龍

（天津商業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津300134）

磁致伸縮材料在換能器、傳感器、致動(dòng)器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，因此對(duì)于高校理工科專(zhuān)業(yè)而言，磁致伸縮效應(yīng)是電磁學(xué)課程教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容.然而，磁致伸縮效應(yīng)引起的形變小、現(xiàn)象不直觀，同時(shí)，用于科研的測(cè)量設(shè)備體積大、價(jià)格高、不便攜，因此，目前市場(chǎng)上尚無(wú)適用于課堂教學(xué)的磁致伸縮演示實(shí)驗(yàn)儀.本文基于邁克爾遜干涉儀原理，設(shè)計(jì)制作了磁致伸縮動(dòng)態(tài)演示儀.其具有體積小、成本低、演示效果顯著等優(yōu)勢(shì)，既可以用于學(xué)生較高層次的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，亦可用于課堂上磁致伸縮效應(yīng)的演示.

邁克爾遜干涉儀；光干涉法；磁致伸縮效應(yīng)

0 引言

磁致伸縮效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直受到研究人員的廣泛關(guān)注[1-3].特別是超磁致伸縮材料Terfenol-D合金出現(xiàn)后，因其具有應(yīng)變大、能量密度高、響應(yīng)快、居里溫度高等優(yōu)點(diǎn)，在致動(dòng)器、換能器和傳感器等多領(lǐng)域得到前所未有的廣泛應(yīng)用與發(fā)展[4-6].磁致伸縮材料既可實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，又可用于信息轉(zhuǎn)換，因此，利用磁致伸縮材料實(shí)現(xiàn)電磁能與機(jī)械能或聲能的相互轉(zhuǎn)換的特性研制的器件或設(shè)備，在海洋探測(cè)、機(jī)器人重要部件、天文觀測(cè)等高新技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[7-9].近年來(lái)，由于能源問(wèn)題廣受關(guān)注，而新型磁致伸縮材料Galfenol兼具高磁致伸縮性能和優(yōu)異的機(jī)加工性能，在振動(dòng)發(fā)電領(lǐng)域具有顯著的潛力，因此可以預(yù)見(jiàn)，磁致伸縮材料在未來(lái)科技、能源等多方面具有越來(lái)越重要的地位.

磁致伸縮系數(shù)是表征材料磁致伸縮性能的首要指標(biāo)，測(cè)量磁致伸縮曲線(xiàn)，即磁致伸縮系數(shù)與外加磁場(chǎng)之間的變化關(guān)系曲線(xiàn)，是磁致伸縮材料性能研究的基礎(chǔ)工作.對(duì)于高等院校理工科學(xué)生特別是物理、電子等專(zhuān)業(yè)的本科生而言，磁致伸縮效應(yīng)相關(guān)內(nèi)容是電磁學(xué)課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn).然而，由于磁致伸縮效應(yīng)不直觀，因此直觀的課堂演示實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生理解該現(xiàn)象的良好教學(xué)手段.然而，目前市場(chǎng)上現(xiàn)有設(shè)備均為用于科學(xué)研究的大型實(shí)驗(yàn)儀器，不適合課堂教學(xué).本文基于邁克爾遜干涉儀原理，設(shè)計(jì)制作了體積較小、便于帶入課堂的靜態(tài)磁致伸縮演示儀.該儀器具有體積小、成本低、演示效果顯著等優(yōu)勢(shì)，既可用于課堂上磁致伸縮效應(yīng)的演示，又可用于學(xué)生較高層次的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中.

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁致伸縮演示儀主要由干涉儀單元、致動(dòng)器單元、機(jī)械傳動(dòng)部件和計(jì)數(shù)單元組成.圖1給出了演示儀的部件關(guān)系圖.致動(dòng)器單元主要包括電磁鐵電源、電磁線(xiàn)圈和磁致伸縮棒；干涉儀單元主要為邁克爾遜干涉儀組件；計(jì)數(shù)單元主要包括可識(shí)別變化條紋的光電檢測(cè)電路和電腦計(jì)數(shù)器.

演示儀總體工作原理如圖2所示：施加勵(lì)磁電流后，在電磁鐵（10）產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下磁致伸縮棒（9）產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)機(jī)械杠桿（4）將此微小形變進(jìn)行放大后傳至干涉儀的可移動(dòng)平面鏡（17），從而在觀察屏（15）上產(chǎn)生不斷變化的干涉條紋，在此過(guò)程中，由光敏二極管（14）識(shí)別后，將數(shù)據(jù)傳入電腦計(jì)數(shù)器，進(jìn)而顯示于屏幕上.由于隨著電流逐漸增大，磁致伸縮棒隨之伸長(zhǎng)，與之連接的平面鏡也持續(xù)移動(dòng)，從而可通過(guò)光屏觀察到持續(xù)變化的條紋，因此對(duì)于學(xué)生觀察、理解磁致伸縮過(guò)程而言，是非常直觀的.

圖1 磁致伸縮動(dòng)態(tài)演示儀部件關(guān)系圖Fig.1 The structure diagram of magnetostrictive dynamic demonstrator

圖2 磁致伸縮動(dòng)態(tài)演示儀面板結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Panel and structure diagram of magnetostrictive dynamic demonstrator

2 干涉儀單元設(shè)計(jì)

干涉儀單元設(shè)計(jì)主要包括光路和激光光源的電源設(shè)計(jì).

光路部分如圖3所示，主要運(yùn)用邁克爾遜干涉原理[10]，通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)光源、分光板、補(bǔ)償板、平面鏡、光屏等光學(xué)元件位置與角度，并將致動(dòng)器頂桿與一平面鏡相連接，可實(shí)現(xiàn)將磁致伸縮棒產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為等傾干涉條紋的變化并確定其數(shù)值關(guān)系，從而得到磁致應(yīng)變的具體數(shù)值.

圖3中，S為光源，G2為鍍有半透膜的分光板，G1為補(bǔ)償板，M1、M2為平面反射鏡，M1是固定的，M2和精密絲杠相連，使其可以向前后移動(dòng).將磁致伸縮頂桿部分與平面鏡M2相連接，當(dāng)施加外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁致伸縮棒伸長(zhǎng)，會(huì)通過(guò)機(jī)械杠桿將應(yīng)變放大后傳至平面鏡M2，使其位置發(fā)生變化，從而使相干光束1′、2′的光程差發(fā)生變化，觀察屏上干涉條紋就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)觀察、記錄干涉條紋的變化，即可得出形變的實(shí)際值.具體數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

設(shè)磁致伸縮棒長(zhǎng)度為L(zhǎng)，絕對(duì)伸長(zhǎng)量為Δl，干涉條紋變化數(shù)為ΔN，激光波長(zhǎng)為λ，根據(jù)邁克爾遜干涉儀工作原理可得平面鏡M2移動(dòng)位移

由于安裝了放大2倍的機(jī)械杠桿，則

磁致伸縮系數(shù)

由于氦氖激光波長(zhǎng)λ=632.8×10-9m，因此，光屏上每變化一個(gè)條紋，對(duì)應(yīng)絕對(duì)形變（即測(cè)量精度）約為158.2×10-9m，磁致伸縮Λ約為3.2×10-6.

3 致動(dòng)器單元設(shè)計(jì)

致動(dòng)器單元主要包括直流磁場(chǎng)電源、直流磁場(chǎng)發(fā)生裝置以及磁致伸縮棒.直流磁場(chǎng)發(fā)生裝置的電源由恒流源提供，然而儀器所需最大勵(lì)磁電流為4 A，恒流源提供的初始電流相對(duì)較小，因此實(shí)驗(yàn)儀采用如圖4所示可調(diào)節(jié)的恒流源電路對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行放大.電路設(shè)計(jì)中采用達(dá)林頓三極管進(jìn)行放大，這是由于運(yùn)放電路的輸出電流相對(duì)較小，而大功率三極管所需的基極電流IB較大，可以為勵(lì)磁線(xiàn)圈提供穩(wěn)定的大電流.

為保證演示實(shí)驗(yàn)效果，直流磁場(chǎng)發(fā)生裝置應(yīng)提供適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)變化范圍，這就需要對(duì)線(xiàn)圈進(jìn)行設(shè)計(jì).設(shè)線(xiàn)圈匝數(shù)為N，線(xiàn)圈電流為I，線(xiàn)圈長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則磁場(chǎng)

圖3 干涉儀單元的光路設(shè)計(jì)圖Fig.3 The light path design of interferometer unit

圖4 勵(lì)磁線(xiàn)圈的恒流源電路圖Fig.4 Circuit diagram of the constant current source for the excitation current

選取N=2 000匝，最大電流Imax=4 A，線(xiàn)圈長(zhǎng)度L=50 mm，則最大磁場(chǎng)約為2 kOe.

4 計(jì)數(shù)單元與測(cè)量實(shí)例

實(shí)際測(cè)量、演示過(guò)程中，讀數(shù)環(huán)節(jié)通常存在計(jì)數(shù)工作耗時(shí)、易出錯(cuò)等問(wèn)題.為了提高測(cè)量速度和讀數(shù)的準(zhǔn)確度，該儀器在光屏位置設(shè)計(jì)了如圖5所示的光電檢測(cè)電路，并與電腦計(jì)數(shù)器連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能.當(dāng)磁致伸縮棒在外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下發(fā)生形變并推動(dòng)平面鏡發(fā)生位移時(shí)，光屏上的條紋會(huì)不斷擴(kuò)大或收縮，然而對(duì)于光敏三極管位置而言，僅表現(xiàn)為明暗交替變化，即光線(xiàn)照度變化，每變化一次，就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)觸發(fā)計(jì)數(shù)電路，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、準(zhǔn)確記錄條紋變化數(shù).

圖5為光電檢測(cè)電路.由光敏三極管檢測(cè)光屏上干涉環(huán)的明暗變化，變化成光敏三極管電流的變化，使電阻R1上電壓變化，經(jīng)過(guò)電容C1濾波，三極管Q2放大，斯密特觸發(fā)器U1整形成方波，觸發(fā)計(jì)數(shù)電路，完成計(jì)數(shù).

圖5光電檢測(cè)電路Fig.5 Circuit of photoelectric detection

圖6 為T(mén)erfenol-D棒在外加磁場(chǎng)作用下發(fā)生的位移（以及干涉條紋變化數(shù)）和勵(lì)磁電流之間的變化關(guān)系.由圖可見(jiàn)，磁致伸縮（位移和條紋數(shù)）隨磁場(chǎng)的增大而增大；同時(shí)，表現(xiàn)出高磁場(chǎng)（高勵(lì)磁電流）條件下磁致伸縮增長(zhǎng)更快，分析認(rèn)為這主要來(lái)源于3方面因素：1）磁場(chǎng)較低時(shí)，磁化與磁致伸縮發(fā)生的機(jī)制決定了形變?cè)鲩L(zhǎng)由緩至快的變化過(guò)程，這是影響最大的一方面；2）隨著形變的發(fā)生，致動(dòng)單元以及機(jī)械傳動(dòng)部件存在的機(jī)械間隙逐漸消除，從而引起磁致伸縮增大；3）隨著磁致伸縮的增加，彈簧壓應(yīng)力也隨之增加，從而引起磁致伸縮增大，該影響是這3方面因素中影響最小的一方面.

圖6 Terfenol-D棒的位移（以及干涉條紋變化數(shù)）隨勵(lì)磁電流的變化Fig.6 Displacement of Terfenol-D rod（and the change of interference fringes）as a function of exciting current

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)干涉儀單元、致動(dòng)器單元、機(jī)械傳動(dòng)部件和計(jì)數(shù)單元四部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了對(duì)磁致伸縮動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與制作，并對(duì)Terfenol-D磁致伸縮棒進(jìn)行磁致伸縮測(cè)量.結(jié)果表明，該儀器可以清晰顯示磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下磁致伸縮引起的干涉條紋變化，可以動(dòng)態(tài)顯示磁致伸縮現(xiàn)象的過(guò)程.該儀器因其體積小、便于攜帶和現(xiàn)象明顯的優(yōu)點(diǎn)，既可精確測(cè)量磁致伸縮，又可以作為物理實(shí)驗(yàn)或物理教學(xué)演示儀器，具有良好的應(yīng)用效果和發(fā)展前景.

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[責(zé)任編輯 代俊秋]

Design of magnetostrictive dynamic demonstrator based on Michelson interference method

ZHOU Yan,HUANG Shubin,LIU Yue,LIU Penghui,LIU Shiyu,ZHANG Zilong
（School of Science,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China）

The magnetostrictive material has wide application fields for the transducer,sensor and actuator.Therefore,the magnetostrictive effect is the key content of electromagnetics to science and engineering majors in the college.However, the deformation caused by the magnetostrictive effect is small,the phenomenon is not intuitive,at the same time,the measuring equipment for research has large volume,high price.At present,there is no dynamic magnetostrictive demonstrator suitable for classroom teaching.This paper is based on Michelson interferometer principle,and the dynamic magnetostrictive demonstration instrument has been designed.It has many advantages,such as small size,low cost,obvious demonstration effect and so on.The instrument can be used in the higher level innovation experiments of students,and can also be used in the demonstration of magnetostrictive effect in class.

Michelson's interferometer；optical interference method；magnetostriction

TH73

A

1007-2373（2017）04-0024-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.004

2017-07-06

教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金；天津商業(yè)大學(xué)本科教育教學(xué)改革項(xiàng)目（TJCUZD201439）；全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目

周?chē)?yán)（1980-），男，副教授，博士，lxyzhy@tjcu.edu.cn．