非晶窄带饱和磁致伸缩系数小角磁转法测量

２０１１钲

仪表技术与传感器

２０１１

第７期

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ

Ｎｏ．７

非晶窄带饱和磁致伸缩系数小角磁转法测量

杨云嵇，鲍丙豪

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江２１２０１３）

摘要：研究了一种新的方法来测量非晶窄带饱和磁致伸缩系数，它是基于小角度磁旋转带来的应力感生各向异性场

的补偿及各向异性场等因素的修正来完成测量。通过自备的装置，测量出探测线圈中的二次谐波随直流磁场、张应力、交

流信号的电压变化关系，间接得出感生各向异性场随张应力的变化关系，从而得到成分为Ｆｅｌ８Ｂ１３Ｓｉ９，非晶窄带的饱和磁

致伸缩系数为 ＝５．６×１０～。

关键词：饱和磁致伸缩系数；非晶窄带；小角磁转法

中图分类号：ＴＧ１３９ 文献标致码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１１）０７—００７１—０２

Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｉｎ

Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｒｉｂｂｏｎ ｂｙ Ｗａｙｓ ｏｆ Ｓｍａｌｌ Ａｎｇｌｅ Ｒｏｔａｔｉｏｎ

ＹＡＮＧ Ｙｕｎ－ｊｉ，ＢＡＯ Ｂｉｎｇ－ｈａｏ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｔｈｉｎ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｒｉｂｂｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ

ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｓｍａｌｌ—ａｎｇｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｆｉｅｌｄ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ．Ｂｙ ａ ｓｅｌ￣ｍａｄｅ

ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｏｎ ｂｉｓａ ｍａｇｎｅｔ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｓ

ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｍａｎｇｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ（ Ｂ）ｏｆ Ｆｅｌ８ Ｂ１３ Ｓｉ９ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｉｒｂｂｏｎ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ入 ｏｆ ５．６×１０一

Ｗａｓ ｏｂｔｍｎｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ；ｔｈｉｎ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｒｉｂｂｏｎ；ｓｍａｌｌ ａｎｇｌｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ

０引言

交流磁场

磁致伸缩是指铁磁质的磁畴在外磁场作用下会定向排列，

从而引起介质中晶格间距的改变，致使铁磁体发生长度的变化

１ 磁场

的现象被称为磁致伸缩效应，并随着所加磁场的大小不同，形

变也可以不同。由于非晶态合金不存在磁晶各向异性，所以磁

致伸缩就成了影响磁特性的主要因素之一。非晶态合金与晶

态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了

图１小角转动原理图

显著的变化。以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和

使其饱和的直流磁场日 同时沿着带材轴向通以交流驱动电

磁感应强度和低损耗的特点。由于这样的特性，非晶态合金材

流Ｉｓｉｎｗｔ时，如果忽略掉肌肤效应，则可认为电流在带材内部

料在电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔

均匀传播，此时在厚度偏离其轴向距离为ｄ，宽度偏离其轴向距

的应用空间。自１９８０年，日本的Ｋ．Ｎａｒｉｔａ等发明了用小角转

离为ａ处，将产生环向交变磁场 ，根据安培环路定则， 的

动法（Ｓｍａｌｌ Ａｎｇｌｅ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｒｏｔａｔｉｏｎ）测量丝状非晶合金的

大小可用式（１）表示：

饱和磁致伸缩系数以来，人们对丝状非晶合金的饱和磁致伸缩

系数的测量进行了广泛而深入的研究。目前，国内关于非晶带

而 （１）

的饱和磁致伸缩系数的测量报道很少。该法通过对应力感生

式中，ａ。为非晶带的宽度； 为非晶带的厚度。

各向异性场的补偿及各向异性等因素的修正，采用小角转动间

在 作用下，在此非晶带表面上造成饱和磁化强度矢量

接测量了窄带非晶合金的磁致伸缩系数，并且制备了测量装

绕带轴方向的小角度摆动，摆动角度０的大小由交变磁场而

置，对铁基非晶带的饱和磁致伸缩系数进行了测量。

定。

１原理

如果沿着非晶带轴向施加张应力，由于非晶材料的磁晶各

小角转动法（ＳＡＭＲ）测量非晶带饱和磁致伸缩系数的原理

向异性为零，当样品具有各向异性的饱和磁致伸缩系数Ａ 时，

如图１所示。

由单畴模型可得样品的总能量密度为

置于磁场中的非晶薄带，在沿着带轴平面方向上施加足以

Ｅ＝一舟 Ｍ。ｃｏｓ０一目 Ｍ ｓｉｎ０＋３／２１ ｏ￣ｓｉｎ ０＋

／２（Ｎｄ。ＣＯＳ ＋０＋ ｓｉｎ ０） （２）

收稿日期：２０１０—１０—１８收修改稿日期：２０１１—０２—０６

式中： 为饱和磁化强度；０为饱和磁化强度与带轴的夹角；

７２ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｊｕ１．２０１１

Ｎ如为沿平行带轴方向的退磁因子； 。为沿垂直带轴方向的退

磁因子； 为沿带轴方向施加的张应力。

当样品内部的磁弹性各向异性场处处相等，非晶带内部所

有的磁化强度矢量的方向都平行于非晶带的轴向时，Ｅ取极小

值，即一ｄＥ￣ｄＯ＝０，由于直流磁场远大于交流磁场且ｃｏｓＯ＝１，

可得到

Ｈ

ｓｉｎ０－百＝ ） （ ）

若记Ｈｓ＝Ｍ。（Ⅳ日 一Ⅳｄ。）为形状各向异性场；Ｈ ＝３Ａ。盯／ 为

应力各向异性场； ＝ Ｃ

ｓｉｎｗｔ为正弦交变场。则可以得到

．

Ｉｎｌｔｘ

ｓｉｎＯ＝ ．一

Ｈ ＋Ｈｋ＋Ｈ

（４）

如果磁转角０最大值为 一，则绕在非晶窄带上的一组测试线

圈中感生电压为

ｅ２ｆ＝２ｐＮＳＭ。ｗｓｉｎ ０ ｓｉｎ２ｗｔ （５）

从式（５）可以看出，线圈中的感生电动势ｅ： 与垂直成倍频

关系。

将式（３）代入式（４）可得

（ ＋ ＋Ｈｓ） （６）

√ ｍ“

可以看出，— 与Ｈｄ 成正比关系。

￣／ｅ２ｆ

非晶窄带饱和磁致伸缩系数的大小决定于材料在轴向应

力作用下内部感生各向异性场随外加应力的变化率为

ｚ ＝÷— Ｍ （７）

１ ｄＨ．

．）ＧＯ＂

式中：Ｍ 为材料的饱和磁化强度，是材料的固有属性；ｄＨｋ／ｄｏ＂

为材料在轴向方向外力产生的应力感生各向异性场随外应力

的变化率。

由于日 难以直接测量，通过施加直流场Ｈ 来补偿 的

变化。从式（６）可以看出，先施加外直流磁场使非晶带饱和磁

化，再施加交变磁场使非晶带饱和磁矩发生小角度周期性变

化，这时存在一个最大的转角Ｏｍ ；同时对非晶带轴向施加外力

Ｆ，将产生沿轴向应力感生各向异性场增量△仇，将使磁转角发

生变化，这时可以调节 对△ 进行补偿，从而使 恢复到

初始数值。０的大小可以由探测线圈中的感生电压的二次谐波

ｅ 直观地反应出来。

２测量装置

根据上述的测量原理，采用图２所示的测量装置。交变驱

动电流，Ｗ由ＣＡ１６４０—０２型函数发生器提供，频率为３１０ ｋＨｚ．

测量线圈中的二次谐波电压通过示波器进行观测。外加的直

流磁场由绕制的线圈配合ＹＢ１７３１型直流稳压电源产生。测量 通过实验，发现在频率为３１０ ｋＨｚ左右有比较好的线性关

线圈匝数为１ ０００匝，电阻为７１．２ Ｑ，所有的实验在室温下进行。

由于要测量二次谐波，故通过带通滤波器将感测线圈中电

压信号进行滤波。采用二阶压控带通滤波电路，如图３所示。

由于压控电压源型滤波电路使用元器件数目较少，结构简单，

调整方便，对于一般应用场合性能比较优良，应用十分普遍。

巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最大的平坦度，

图２测量装置简图

在阻带内的逼近也是单调变化的，其相位与频率基本成正比，

可得失真较小的波形。该传感器的设计中，为保持通带范围内

幅频特性的稳定，采用了巴特沃斯滤波器。设计的带通的Ｑ值

为１０，放大倍数为２。

图３＝阶压控带通滤波器

通过滤波后的信号的频率为６２０ ｋＨｚ，这样就可以得到想

要的正弦二次谐波信号ｅ ．

３结果及讨论

测量材料选用的是非晶窄带，成分为Ｆｅ。 Ｂ ｓｉ ，感生电势

平方根的倒数１／ ｅ： 与直流磁场Ｈｄ。呈较好的线性关系。如图

４所示。

军

羹

魍

整

图４ １／ Ｐ２ｆ与直流磁场的关系

系，这是由材料的固有属性决定的。

在上述测量条件下，测量了在二次谐波不变时，应力感生

各向异性场 随外加张力，的变化曲线，如图５所示。测得

窄带的单位长度为１．２８ ｇ／ｍ，饱和磁感应强度 ０ 为１．５６ Ｔ，

将上述数据代入式（７），可得此非晶窄带的饱和磁致伸缩系数

Ａ ＝５．６×１０～。 （下转第７５页）

第７期 郭海伟等：温度外推在瞬态高温测试中的应用 ７５

ｐ

越

赠

图６红外测温仪测得温度曲线

面表现出较好的一致性来看，证明了所建立的外推模型和方法

图４黑体腔内表面温度曲线

的正确性。因此，将蓝宝石光纤温度传感器与有限差分逼近法

相结合，在温度测试中降低了对传感器性能的要求的同时，提

高了对物体温度测试的精度。在此基础上，对传感器进行静态

标定后，可以在航空发动机地面模拟试验中实现对其发动机内

燃气瞬态温度的准确测量。

参考文献：

［１］ ＭＩＣＨＡＬＳＫＩ Ｌ，ＥＣＫＥＲＳＤＯＲＦ Ｋ，ＫＵＣＨＡＲＳＫＩ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｔｅｍｐｅｒａ－

ｔｕＩｅｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．２ｎｄ ｅｄ．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．２００１：２７９—３３２．

［２］ ＮＩＣＨＯＬＡＳ Ｊ Ｖ，ＷＨＩＴＥ Ｄ Ｒ．Ｔｒａｃｅａｂｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ：ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ

ｔｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ．２ｎｄ ｅｄ．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆

图５黑体腔内外表面的温度曲线

Ｓｏｎｓ．２００１：２１—２４．

体腔外表面温度最大值为１ ０３５ ｏＣ，出现时刻为４９．８ １１１８．实验

测出的两条曲线其起点和最大值点并不在同一时刻，而是存在

［３］ＬＡＢＯＵＣＩＮＥ Ｃ Ｏ，ＫＨＥＬＬＡＦ Ａ．Ｐｅｉｒｏｄｉｃ ｍｅｔｈｏｄ：ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅｒｍｏ－

ｃｏｕｐ１ｅ ａｎｄ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ

一

个时间延迟△ｔ．根据热传导的基本理论，热量从黑体腔表层

ｄｉｆｕｓｉｖｉｔｙ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２Ｏ０４，７５（７）：１３２—１３５．

传递到 层需要一定的时间，因此，如图５所示，得到温度曲

［４］ＭＡＮＯ Ｊ Ｆ，ＣＡＨＯＮ Ｊ Ｐ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ ｈｔｅ ｔｅｍｐｅｒａ—

线符合理论实际。

ｔｕｒｅ ｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｅｌ￣ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓ—

将红外测温仪的输出信号转化为相应的温度曲线，如图６

ｅｍ．Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ，２００４，２３：４２３—４３０．

所示。其最高温度为１ ０８０℃，虽与外推结果相差４５ ａＣ，但与

［５］杨世铭，陶文铨．传热学．４版．北京：高等教育出版社，２００６．

内表面的温度相比，外推结果与实际温度更接近，拓展了蓝宝

［６］ 南京大学数学系计算数学专业．偏微分方程数值解法．北京：科学

石光纤温度传感器的测温上限。

出版社，１９７９．

５结束语

［７］ 中国清．蓝宝石光纤黑体腔温度传感器外推测试技术研究：［学位

实验结果表明：尽管瞬态超高温测试的外推方法，其精度

论文］．太原：中北大学，２０１０．

还受到黑体腔结构、黑体辐射率、热物性数据、光纤传光能力、

［８］贾力，方肇洪．高等传热学．２版．北京：高等教育出版社，２００８．

蓝宝石光纤传感器测试系统及其后后续等诸多因素的影响，但

作者简介：郭海伟（１９８６一），硕士研究生，主要研究领域：瞬态高温测试

从由外推法和红外测温仪测得温度曲线在变化趋势及峰值方

及信号的获取与处理。Ｅ・ｍａｌｌ：ｈａｌｗｅｉｑｆｗｌ＠１６３．ｃｏｍ．

（上接第７２页）

５．６ Ｘ １０～，基本可以满足文献相关资料的要求。

。

参考文献：

耋：

［１］王一禾，杨膺善．非晶态合金．北京：冶金工业出版社，１９８９：３５－４１．

［２］ ＮＡＲ１ＴＡ Ｋ，ＹＡＭＡＳＡＫＩ Ｊ，ＦＵＫＵＮＡＧＡ Ｈ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ

藕

ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｅｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｔｈｉｎ ａｍｏｒｐ—ｈａｎｓ ｒｉｂｂｏｎ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ—ａｎｇｌｅ

ｍａｇｎｅｔｉｚ－ａｔｉｏｎ ｒｏｔａｔｉｏｎ．ＩＥＥＥ Ｔ Ｍａｇｎ，１９８０，１６（２）：４３５—４３９．

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［３］ ＹＡＭＡＳＡＫＩ Ｊ，ＯＨＫＵＢＯ Ｙ，ＨＵＭＰＨＲＥＹ Ｆ Ｂ．Ｍａｇｎｅｔｏｓ－ｔｒｉｃｔｉｏｎ

１００ ２００ ３００ ４００ ５００

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｏｒｐｈｏｕｓ ｗｉｒｅｓ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ・・ａｎｇｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａ－

张应力馆

ｔｉｏｎ ｒｏｔａｔｉｏｎ．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，１９９０，６７（９）：５４７２—５４７４．

圈５ 非晶窄带ＦｅｌｌＢｌ３Ｓｉ９应力感生各向异性场日Ｋ随张力 的变化

［４］ 张国雄．测控电路．北京：机械工业出版社，２００６：１０３—１０６．

４结束语

［５］谢自美．电子线路设计・实验・测试．武汉：华中科技大学出版

在带通滤波器设计时，由于对二次谐波要求比较高，所以

社，２００２：９９—１１０．

要求带通Ｑ值要尽可能大一点，且衰减得要快一点，采用压控

［６］李耀天．五金手册．北京：中国电力出版社，２００７：５７０—５７１．

二阶的带通滤波器基本可以满足情况，但阶数还可以做得更高

作者简介：杨云嵇（１９８５一），硕士研究生，研究方向为非晶带特性研究。

一

点，这样带来的测量精度会更高。该次测量的精度为Ａ。＝

Ｅ－ｍａｌｌ：ｙａｎｇｙｕｎｊｉ＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ