专利名称：卧式力磁耦合机械加载与测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于材料磁参数及其特性测量技术领域。
背景技术：
目前，磁性材料的磁特性测量技术已经成熟，并且各种磁测仪已经产品化。但是对磁性材料的力磁耦合行为的研究虽有所进展，却没有相应的研究力磁耦合行为的实验设备和仪器。在R.Tickle，R.D.James(Journal of Magnetism and Magnetic Materials 195(1999)627-638)研究Ni2MnGa磁和机械性能的文章中，提到了研究力磁耦合实验的设备，但这套设备所能加载的磁场强度比较小，并且其载荷加载装置精度低，不能实现连续的加载，由于使用软弹簧加载，所能加载的载荷也很小。整套设备所能实现的功能也比较少，图9是其加载的示意图。

发明内容
本发明的目的在于提供一种力磁加载强度大，精度高，可连续加载的卧式力磁耦合机械加载与测量系统。
人们从很久以前就对磁性材料的力磁耦合行为进行了研究，实验发现应力是影响铁磁材料磁性质的重要因素之一。随着应力状态的改变，磁性材料的矫顽场，饱和磁化强度，磁导率，饱和磁致伸缩，压磁系数均会发生变化。随着科学技术的发展，磁性材料的应用越来越广泛，新的磁性材料也不断涌现，工作环境也越来越复杂。这就需要对磁性材料的力磁耦合行为进行系统的研究，因此我们研制了卧式力磁耦合机械加载与测量系统。
原理准静态下铁磁材料的本构关系可表示为εij＝εij(σij，Hi) (1)Bi＝Bi(σij，Hi) (2)其中σij为应力，εij为应变，Bi为磁感应强度，Hi为磁场强度。由本构方程可以看出，当自变量为应力和磁场强度时，输出量是应变和磁感应强度，则在实验中这四个量是必须测量的基本量。通过这四个量，我们可以得到反映铁磁材料性质的特征曲线，如磁滞回线，磁致伸缩曲线，应力应变曲线等，进一步，由这些基本的特征曲线，可以测得重要的材料参数。
磁场强度的测量磁场的测量根据不同的物理原理，可以分为力和力矩法，电磁感应法，磁电效应法和共振法。我们测量中采用磁电效应法，它是利用霍尔效应，使用简单方便，且精度高。将载流半导体放置于磁场中，如果电流的方向与磁场方向垂直，则在电流的垂直方向上产生电位差UH，这种现象称为霍尔效应。霍尔电动势可由下式决定UH=RHdIB···(3)]]>其中RH为霍尔系数，I为样品中的电流强度，d为样品厚度，B为磁感应强度。由于具有霍尔效应材料的磁化率远远小于1，则B≈μ0H，代入上式可得磁场强度H=dμ0RHIUH···(4)]]>磁感应强度的测量根据电磁感应定律，当磁通量Φ穿过具有N匝线圈的截面并在Δt时间内发生变化时，会产生电动势Ue，则对其积分可得到Δt时间内的磁通变化量ΔΦΔΦ=1NUeRΔt]]>R线圈电阻 (5)当从t＝0时的初始状态为参考点，则磁感应强度表示为B=ΦS=ΔΦS]]>S截面积(6)应力测量采用力传感器应变测量应变的测量可通过光测和电测法。由于电测具有使用简单，精度高的特点，我们采用传统的电阻应变片测量应变。
磁滞回线的测量磁滞回线分别有三种形式B-H曲线，M-H曲线和J-H曲线。其中磁化强度M，磁极化强度J以及磁感应强度B之间存在如下关系B＝H+J＝H+4πM(高斯制) (7)
B＝μ0(H+M)＝μ0H+J(国际单位制) (8)只要知道磁化强度M，磁极化强度J以及磁感应强度B中的任意一个值均可按照式(7)求出另外两个量。在我们的实验中采用J线圈，即直接得到J值。
以B-H曲线为例说明磁滞回线测量原理。首先通过电机加载，使试件承受一定载荷，载荷可以通过力传感器测量。然后通过D/A卡控制励磁电源，加载磁场，并利用霍尔片测量磁场强度，并将采集到的电压信号传入A/D卡，同时，通过线圈获得磁感应B值，并将其传入A/D卡，由计算机自动记录这两组数据，从而得到B-H曲线。
磁致伸缩曲线的测量测量时的磁致伸缩实际上是相对磁致伸缩，定义如下λ＝εH-εH＝0(9)即相对于不施加磁场时候的变形。当测量某一应力σ下的磁致伸缩时，要考虑到εH＝0＝ε(σ)(10)此时εH＝0为单纯应力σ引起的形变。在0应力状态下λ＝εH，磁致伸缩即是测得的应变。
磁致伸缩曲线的测量与磁滞回线测量类似。首先通过电机加载，使试件承受一定载荷，载荷可以通过力传感器测量。然后通过D/A卡控制励磁电源，加载磁场，并利用应变片测量磁致伸缩并将信号引入A/D卡，同时，通过霍尔片测量磁场强度，并将其引入A/D卡，由计算机自动记录这两组曲线，得到磁致伸缩曲线。
应力应变曲线测量首先通过D/A卡控制励磁电源，加载磁场，然后通过电机加载，使试件承受一定载荷，利用应力传感器得到应力信号，通过电阻应变片得到应变信号，同时将这两组信号引入A/D卡，由计算机自动记录，从而得到应力应变曲线。
三点弯曲线测量首先通过D/A卡控制励磁电源，加载到一定磁场，然后通过垂直加载装置手动加载，使试件在三点弯夹具上承受一定载荷直至断裂，利用应力传感器得到最大断裂载荷，同时将信号引入A/D卡，由计算机自动记录，从而得到应力应变曲线。
应力退磁化曲线首先通过D/A卡控制励磁电源，加载到一定磁场，然后通过电机加载，利用应力传感器得到应力信号，通过J线圈测量磁感强度的信号，同时将信号引入A/D卡，由计算机自动记录，从而得到应力退磁化曲线。
基本材料参数的测量材料的基本参数都可以从磁化曲线，磁致伸缩曲线，应力应变曲线中得到。弹性模量便可以直接从应力应变曲线中测得。
磁导率和磁化率分别定义为μ=BH,χ=MH···(11)]]>由于磁导率和磁化率是依赖于加载历史的，故根据不同应用范围可以定义不同的磁导率，如初始磁导率，微分磁导率等。磁导率和磁化率之间存在如下关系μ＝1+x (12)矫顽场Hc，剩余磁化强度Mr，饱和磁化强度是铁磁材料的重要基本材料常数，可以从M-H曲线测得。以图1给出了测量示意图。则由B-H曲线可以测量矫顽场Hcb和剩余磁感应强度Br，注意Hc和Hcb会有一点差别。
图1中，x轴是磁场强度，y轴是磁化强度。数据采集是离散的点，在计算矫顽场时，取最靠近零磁化强度的两点(H1，M1)和(H2，M2)，其中M1＜0而M2＞0。由于矫顽场是磁化强度为零时的磁场强度值，故通过(H1，M1)和(H2，M2)的插值可得矫顽场Hc。对于硬磁材料，磁化曲线穿过矫顽场时有一定斜率，故矫顽场Hc是(H1，M1)和(H2，M2)连线上M＝0对应的值，可以表达为Hc=H2-H1-H2M1-M2M2···(13)]]>对于软磁材料，磁化曲线穿过矫顽场时几乎垂直于x轴，则M1和M2几乎相等，将会导致按照上式数值计算的溢出。故Hc可近似为两点的中点Hc=12(H1+H2)···(14)]]>剩余磁化的测量与矫顽场测量类似，取最靠近零磁场的两点(H′1，M′1)和(H′2，M′2)，其中H′1＜O和H′＞O2，剩余磁化强度可得Mr=M2′-M1′-M2′H1′-H2′H2′···(15)]]>测量步骤●参数设置(样品面积，长度，需要达到的最大磁场，磁场和磁感量程的设置)●测试前准备工作(检查试件是否已经安装完毕，高斯计、传感器是否调零，应变仪是否平衡，应变桥是否正确，应变片是否正常，磁通计漂移是否调节，Apc按钮(自动化控制开关按钮)是否按下，积分器的按钮是否弹起(在测量开始后，这些按钮已经无效)，霍尔探头以及J线圈是否安装正确，极头位置是否调整，电机位移限制是否正确等。)选择需要测量曲线(磁滞回线、磁致伸缩曲线等)开始测量。
本发明所述的卧式力磁耦合机械加载与测量系统，其特征在于它是一种磁场下横向加载与测量系统，含有控制子系统，它包含工控机；A/D转换器，它的输入/出端与工控机的控制信号输出端、数据信号的输入端互连；D/A转换器，它的输入/出端与工控机控制信号输出端、数据信号输入端互连；应力传感器，它的输出端经积分电路后与上述A/D转换器的输入端相连；动态应变仪，它的输出端经积分电路后与上述A/D转换器的输入端相连；磁通计，它的输出端与上述A/D转换器的输入端相连，它的量程调节信号输入端与上述D/A转换器的量程控制信号输出端相连；高斯计，它的输出端与上述A/D转换器的数据输入端相连，它的量程调节信号输入端与上述D/A转换器的量程控制信号输出端相连；励磁电源，它的输入端与上述D/A转换器的控制信号输出端相连；横向加载子系统，它包含底座；试件；感应线圈，沿轴向绕在试件上且用线圈架来固定，而两个输出端与上述磁通计的输入端相连；应变片，沿轴向贴在试件上，其输出端与上述动态应变仪的输入端相连；
霍尔探头，用固定架固定在底座上，而探头的位置靠近试件的下侧，其两输出端与上述高斯计输入端相连；带电磁铁极头的直流磁场线圈，共两个，由上述励磁电源供电，线圈中心线皆与试件同轴，线圈分别位于试件轴向左右两侧的底座，产生互相交替工作的直流磁场；导轨，共两根，分别沿底座长度方向分布在试件径向两侧，且固定在线圈外侧的底座边上；试件横向加载机构，位于试件沿轴向的左侧，包括试件横向加载架呈“匚”字形，位于径向侧的两根导轨上，在它的两臂间固定有一个加载架，在加固架左侧有一个固定在该试件横向加载架一个臂内侧的位移限制器；加载电机和手动加载轮；传动轴，一端与加载电机和手动加载轮同轴，且与该试件横向加载架同轴螺纹连接而另一端经轴承滑动地固定在加固架上；试件轴向左侧的加载板，它固定在该试件横向加载架两臂的开口端；左夹头，一侧固定在试件轴向左侧的加载板上，而另一侧从左边沿轴向夹住试件；试件横向加载调整机构，位于试件轴向右侧，包括调整板，共两块，分别位于试件径向侧导轨上；应变型力传感器，固定在调整板面对试件的一侧；试件轴向右侧的加载板，固定在应变型力传感器的另一侧上；右夹头，一侧固定在试件轴向右侧的加载板上，而另一侧从左边沿轴向夹住试件；定位板，共两块，分别位于试件径向侧两根导轨上，它与调整板另一侧之间有一个调整间隙；本发明所述的卧式力磁耦合机械加载与测量系统，其特征在于，它是一种磁场下三点弯断裂实验加载与测量系统控制子系统工控机；A/D转换器，它的输入/出端与工控机的控制信号输出端、数据信号的输入端互连；D/A转换器，它的输入/出端与工控机控制信号输出端、数据信号输入端互连；应力传感器，它的输出端与上述A/D转换器的输入端相连；动态应变仪，它的输出端经积分电路后与上述A/D转换器的输入端相连；
磁通计，它的输出端经积分电路后与上述A/D转换器的输入端相连，它的量程调节信号输入端与上述D/A转换器的量程控制信号输出端相连；高斯计，它的输出端与上述A/D转换器的数据输入端相连，它的量程调节信号输入端与上述D/A转换器的量程控制信号输出端相连；励磁电源，它的输入端与上述D/A转换器的控制信号输出端相连；三点弯断裂实验加载子系统，它包含底座试件；感应线圈，沿轴向绕在试件上且用线圈架来固定，而两个输出端与上述磁通计的输入端相连；应变片，沿轴向贴在试件上，其输出端与上述动态应变仪的输入端相连；霍尔探头，用固定架固定在底座上，而探头的位置靠近试件的下侧，其两输出端与上述高斯计输入端相连；带电磁铁极头的直流磁场线圈，共两个，由上述励磁电源供电，线圈中心线皆与试件同轴，线圈分别位于试件轴向左右两侧的底座，产生互相交替工作的直流磁场；三点弯断裂实验加载机构，它包括固定架，沿上述线圈的中心线方向固定在上述底座上，且等距离的夹在上述线圈之间；传动轴，一端与一个手动轮同轴连接，且同轴地穿过上述固定架；应变型压力传感器，其上端面同轴线地与上述传动轴下端嵌接；三点弯压头，其上端面同轴线地与上述应变型压力传感器的下端面嵌接，同时又由固定在上述固定架两臂间的导向架同轴线地螺纹连接；三点弯加载底座，同轴线地固定在上述固定架的底架上；三点弯加载支座，同轴线地固定在上述三点弯加载底座的上端面上；试件，夹在上述三点弯加载支座中，上端面的中心顶着上述三点弯压头的顶端，试件面两端各有一个支座，而该两个支座是固定在上述底座上的。
图2详细给出了实验设备的各个组成部分。由于这套设备不仅进行本构实验还要进行断裂实验，为了满足我们的要求并使测量过程自动化，自行开发了测量过程的监控与数据采集软件。在监控软件的控制下，应力应变信号分别通过力传感器和动态应变仪引入A/D卡，磁场强度和磁感应强度则通过积分器转换后引入A/D卡。计算机通过D/A卡，控制磁场加载，在磁场加载的同时，计算机通过A/D同步采集磁感应，应变和应力信号，并自动处理和记录数据。
通过这套设备，可以进行全面的本构实验，可以测量不同应力状态下的磁滞回线，不同应力状态下磁致伸缩曲线，不同磁场强度下的应力应变曲线，不同磁场强度下的应力退磁化曲线等。


图1.磁性参数测量示意图。
图2.横向加载实验设备示意图1-加载电机4-电磁铁6-压头7-圆柱形状试件8-霍尔探头9-J线圈13-应变型力传感器17-位移限制器20-应变片图3.磁场下三点弯断裂实验设备示意图4-电磁铁8-霍尔探头24-应变型力传感器27-三点弯支座 28-薄片状试件图4.信号的采集原理示意图。
图5.卧式横向力磁耦合机械机构剖视图5a纵剖视图；5b俯视图；5c左侧视图；5d放大图；1.加载电机2.手动加载轮3.横向加载架4.电磁铁5.加载板6.压头7.圆柱形状试件8.霍尔探头9.J线圈10.应变型力传感器11.调整板12.霍尔探头固定架13.应变型力传感器输出端14.设备底座15.传动轴部分16.加固架17.位移限制器18.导轨19.固定螺栓20.应变片。
图6.控制子系统的电路原理框图。
图7.三点弯断裂实验加载机构剖视图7a纵剖视图；7b俯视图；7c左侧视图；7d放大图；21.纵向加载手动轮22.纵向固定架23.传动轴24.应变型力传感器25.导向架26.三点弯压头27.三点弯加载支座28.薄片状试件29.三点弯加载底座图8.实验曲线。
图9.R.Tickle，R.D.James加载机构30.支架31.试件32.弹簧33.试件台34.螺母具体实施方式
(1)磁场产生设备磁场由直流电通过电磁铁产生。为了同时具有高磁场和高精度，设计了两套电源①通过晶体管整流的小电源，最大输出电流20A，最大功率2KW，当极间距为80mm，最大磁场可以达到0.4T，10分钟内磁场波动小于1％；②通过可控硅整流的大电源，最大输出电流50A，最大功率15KW，当极间距为80mm，最大磁场可达到1.2T，3分钟内磁场波动小于3％。对于一般软磁材料使用小电源，磁场稳定，精度高。对于硬磁材料或者饱和场大于1T的磁性材料，可以使用大电源。
(2)磁场测量设备磁场强度由霍尔探头测量，磁感应强度由线圈测量，将这两路原始模拟信号引入积分器，转换为A/D卡可以直接采集的模拟信号。A/D卡为14位。
(3)机械加载设备分别设计了横向加载和纵向加载设备，这两个方向的加载均为位移加载，垂直是通过涡轮蜗杆传动，横向加载是无级调速电极加载。横向加载量程为1000公斤力，纵向加载量程为200公斤力。
通过纵向加载架，安装压头与基座，可以实现三点弯实验。如图3所示。
(4)监控与采集设备整个实验过程由计算机控制，通过D/A控制电源加载，通过A/D采集磁场强度，磁感应强度，应力和应变等信号。如图4所示。
(1)D/A控制单元

(2)A/D采集单元

(3)励磁电源MTP-500HB(小电源)

(4)励磁电源MTP-5000H(大电源)

电源特点实现电流过载自动保护 手动调节电流输出(5)高斯计TA101A(用于H测量)

(6)磁通计TA101A(用于B测量)

(7)电磁铁

(8)JH-补偿线圈(4个)

(9)动态应变仪自动平衡电桥，输出电压信号±10V(10)力传感器(2个)
A量程1吨，精度1NB量程100公斤力，精度0.1N(11)可调速电机及电机控制箱载荷量程11000N载荷传递平稳蜗杆旋转一周，加载头步进位移不超过0.05mm。
过载保护(12)加载装置技术要求对中性小于0.4mm最大挠度小于0.5mm(13)加载装置材料采用不锈钢等非磁性材料设备的优点与功能卧式力磁耦合机械加载与测量系统所能达到的磁场强度高，机械加载的量程大且精度高，并且机械加载使用步进电机加载，实现了连续加载。所有的测量信号采集与处理由计算机软件完成，整个测量过程自动化。机械加载装置有两套，可以实现和磁场垂直和平行两个方向的加载和测量实验，并且试件的夹具可以更换，能够完成拉伸，压缩以及三点弯等实验。可以实现不同加载方式不同应力状态下的磁滞回线，磁致伸缩曲线；不同加载方式不用磁场强度下的应力退磁化曲线，应力应变曲线；还可以进行不同磁场强度下的三点弯实验和压痕实验。并且这套设备还可以继续开发许多功能，比如合电位移计，可以测量不同应力状态下的电磁效应，还可以测量不同力磁耦合载荷下的磁致相变曲线等等。并且测量应变信号时，应变信号线采用磁屏蔽线，消除了磁场引起的噪声信号。采用全桥测量应变，降低了弯矩的影响。
权利要求
1.卧式力磁耦合机械加载与测量系统，其特征在于它是一种磁场下横向加载与测量系统，含有控制子系统，它包含工控机；A/D转换器，它的输入/出端与工控机的控制信号输出端、数据信号的输入端互连；D/A转换器，它的输入/出端与工控机控制信号输出端、数据信号输入端互连；应力传感器，它的输出端经积分电路后与上述A/D转换器的输入端相连；动态应变仪，它的输出端经积分电路后与上述A/D转换器的输入端相连；磁通计，它的输出端与上述A/D转换器的输入端相连，它的量程调节信号输入端与上述D/A转换器的量程控制信号输出端相连；高斯计，它的输出端与上述A/D转换器的数据输入端相连，它的量程调节信号输入端与上述D/A转换器的量程控制信号输出端相连；励磁电源，它的输入端与上述D/A转换器的控制信号输出端相连；横向加载子系统，它包含底座；试件；感应线圈，沿轴向绕在试件上且用线圈架来固定，而两个输出端与上述磁通计的输入端相连；应变片，沿轴向贴在试件上，其输出端与上述动态应变仪的输入端相连；霍尔探头，用固定架固定在底座上，而探头的位置靠近试件的下侧，其两输出端与上述高斯计输入端相连；带电磁铁极头的直流磁场线圈，共两个，由上述励磁电源供电，线圈中心线皆与试件同轴，线圈分别位于试件轴向左右两侧的底座，产生互相交替工作的直流磁场；导轨，共两根，分别沿底座长度方向分布在试件径向两侧，且固定在线圈外侧的底座边上；试件横向加载机构，位于试件沿轴向的左侧，包括试件横向加载架呈“匚”字形，位于径向侧的两根导轨上，在它的两臂间固定有一个加载架，在加固架左侧有一个固定在该试件横向加载架一个臂内侧的位移限制器；加载电机和手动加载轮；传动轴，一端与加载电机和手动加载轮同轴，且与该试件横向加载架同轴螺纹连接而另一端经轴承滑动地固定在加固架上；试件轴向左侧的加载板，它固定在该试件横向加载架两臂的开口端；左夹头，一侧固定在试件轴向左侧的加载板上，而另一侧从左边沿轴向夹住试件；试件横向加载调整机构，位于试件轴向右侧，包括调整板，共两块，分别位于试件径向侧导轨上；应变型力传感器，固定在调整板面对试件的一侧；试件轴向右侧的加载板，固定在应变型力传感器的另一侧上；右夹头，一侧固定在试件轴向右侧的加载板上，而另一侧从左边沿轴向夹住试件；定位板，共两块，分别位于试件径向侧两根导轨上，它与调整板另一侧之间有一个调整间隙；
2.卧式力磁耦合机械加载与测量系统，其特征在于，它是一种磁场下三点弯断裂实验加载与测量系统控制子系统工控机；A/D转换器，它的输入/出端与工控机的控制信号输出端、数据信号的输入端互连；D/A转换器，它的输入/出端与工控机控制信号输出端、数据信号输入端互连；应力传感器，它的输出端与上述A/D转换器的输入端相连；动态应变仪，它的输出端经积分电路后与上述A/D转换器的输入端相连；磁通计，它的输出端经积分电路后与上述A/D转换器的输入端相连，它的量程调节信号输入端与上述D/A转换器的量程控制信号输出端相连；高斯计，它的输出端与上述A/D转换器的数据输入端相连，它的量程调节信号输入端与上述D/A转换器的量程控制信号输出端相连；励磁电源，它的输入端与上述D/A转换器的控制信号输出端相连；三点弯断裂实验加载子系统，它包含底座试件；感应线圈，沿轴向绕在试件上且用线圈架来固定，而两个输出端与上述磁通计的输入端相连；应变片，沿轴向贴在试件上，其输出端与上述动态应变仪的输入端相连；霍尔探头，用固定架固定在底座上，而探头的位置靠近试件的下侧，其两输出端与上述高斯计输入端相连；带电磁铁极头的直流磁场线圈，共两个，由上述励磁电源供电，线圈中心线皆与试件同轴，线圈分别位于试件轴向左右两侧的底座，产生互相交替工作的直流磁场；三点弯断裂实验加载机构，它包括固定架，沿上述线圈的中心线方向固定在上述底座上，且等距离的夹在上述线圈之间；传动轴，一端与一个手动轮同轴连接，且同轴地穿过上述固定架；应变型压力传感器，其上端面同轴线地与上述传动轴下端嵌接；三点弯压头，其上端面同轴线地与上述应变型压力传感器的下端面嵌接，同时又由固定在上述固定架两臂间的导向架同轴线地螺纹连接；三点弯加载底座，同轴线地固定在上述固定架的底架上；三点弯加载支座，同轴线地固定在上述三点弯加载底座的上端面上；试件，夹在上述三点弯加载支座中，上端面的中心顶着上述三点弯压头的顶端，试件面两端各有一个支座，而该两个支座是固定在上述底座上的。
全文摘要
卧式力磁耦合机械加载与测量系统，属于磁特性测量技术领域，其特征在于，它提出了磁场下横向加载与测量、磁场下三点弯断裂实验加载与测量两类系统。其控制部分采用数字控制及测量子系统，其加载部分，分别采用电机或手动横向加载机构以及手动螺旋式三点加压断裂式加载机构。它可以在磁场下实现力磁耦合的连续加载而且还具有力、磁负载大，测量精度高的优点。
文档编号G01R33/00GK1584621SQ20041004278
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月28日 优先权日2004年5月28日
发明者方岱宁, 冯雪, 万永平, 裴永茂 申请人:清华大学