一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法

1.本发明涉及物理参数测量技术领域，尤其是指一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法。


背景技术：

2.铁磁体在外界磁场的作用下，其内部磁畴会定向排列，致使介质内部晶格间距变化，其体积和长度发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩系数指沿磁化方向的材料形变量δl与形变前总长度l的比值，是衡量磁致伸缩效应的重要参数；磁致伸缩效应在换能器技术、微小位移测量、振动和噪声抑制等高精密测量领域具有广泛的应用，因此准确测定材料的磁致伸缩系数非常重要，但同时，由于磁致伸缩效应引起的材料长度变化极小，其测量难度也相对较大。
3.常用的测量磁致伸缩系数的方法包括应变电阻片法、光杠杆法和单缝衍射法等，其中应变电阻片法对应变片的灵敏度要求较高、且应变片牢固贴覆于待测样品表面，不利于重复循环使用，将应变片应用于电路中进行测量时，电路的磁效应与待测样品相互影响；光杠杆法和单缝衍射法均存在精度缺陷，且难以实现自动化测量。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中磁致伸缩系数的测量精度低、对测量装置和仪器的精度要求高，自动化程度低等技术难点，提供一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法，利用牛顿环装置能够产生的干涉条纹的涌动变化，通过计算获得磁致伸缩系数，自动化程度高且具有可重复性，便于推广使用。
5.第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁致伸缩系数测量装置，其包括，
6.可变磁场，需要测量磁致伸缩系数的目标件设置于所述可变磁场内；所述可变磁场被配置为磁感应强度能够变化，且所述目标件在所述可变磁场中因磁致伸缩效应而形变；
7.成像组件，其包括光学装置和光源；所述目标件连接所述光学装置一侧，所述光源垂直入射所述光学装置的另一侧，并使所述光学装置产生牛顿环干涉条纹；所述光学装置包括平凸透镜和平面玻璃，所述目标件的形变量变化时，其抵接所述平面玻璃使光程差变化，所述干涉条纹外涌或内陷；
8.相机，所述相机、所述光学装置和所述目标件依次设置、且具有相同的轴线；所述相机用于采集所述干涉条纹；
9.处理器，其连接所述相机，根据所述干涉条纹的变化数据处理得到不同磁感应强度对应的所述磁致伸缩系数，及饱和磁致伸缩系数。
10.在本发明的一个实施例中，所述可变磁场被配置为螺线管，所述螺线管设置为卷绕呈筒状结构的导线，所述螺线管的筒状结构内设置有能够穿设所述目标件的轴向空腔；
所述螺线管的两端均连接至电源。
11.在本发明的一个实施例中，所述目标件竖直设置，其延伸方向上远离所述光学装置的一侧端部设有调节螺丝，所述调节螺丝用于调节所述目标件的竖向高度。
12.在本发明的一个实施例中，所述光源包括，
13.光源控制器，其用于发射光线；
14.半反半透镜，其设置于所述光源控制器发射光线的光路上，所述发射光线入射所述半反半透镜，并产生能够垂直入射所述光学装置的反射光。
15.在本发明的一个实施例中，所述目标件连接所述平面玻璃厚度方向的第一侧表面，所述平面玻璃在厚度方向上的第二侧表面接触所述平凸透镜的外凸表面的中心，所述光源垂直入射所述平凸透镜的水平表面。
16.第二方面，本发明还提供一种磁致伸缩系数测量方法，基于如上述实施例所述的磁致伸缩系数测量装置，所述测量方法包括如下步骤，
17.步骤1：调节所述光源使其垂直入射所述光学装置，调节所述平凸透镜的外凸表面的中心与所述平面玻璃的第二侧表面的距离为h0，并使所述干涉条纹图像清晰；
18.步骤2：将所述目标件置于所述可变磁场中；
19.步骤3：调节所述可变磁场的磁感应强度，所述目标件因磁致伸缩效应形变，抵接所述平面玻璃移动，使所述光学装置内的所述距离h0变化为h；所述干涉条纹产生外涌或内陷的吞吐变化；
20.步骤4：设置数据记录的步长为n，其中，n为正整数；所述干涉条纹每吞吐n条圆环，对应记录一次磁感应强度；直至调节所述可变磁场的磁感应强度使所述干涉条纹的吞吐呈饱和状态；
21.步骤5：根据所述光源的波长λ和所述干涉条纹的总吞吐数量n计算每一磁感应强度对应的磁致伸缩系数及饱和磁致伸缩系数，并进行拟合。
22.在本发明的一个实施例中，所述目标件包括待测部和固定部，所述固定部位于所述待测部延伸方向的两端，所述固定部设置为非铁磁性材料，所述待测部能够因磁致伸缩效应形变。
23.在本发明的一个实施例中，所述目标件在置于所述可变磁场前，进行退磁处理。
24.在本发明的一个实施例中，所述光源的入射角设置为0
°
时，照射于所述平凸透镜和所述平面玻璃的光程差的计算公式为，
[0025][0026]
其中，δ为光程差，h为所述平面玻璃的第二侧表面与所述平凸透镜的凸面中心的距离，λ为所述光源的入射光线波长；
[0027]
所述干涉条纹相消的条件为，
[0028][0029]
其中，k为所述光学装置对应的常数系数；
[0030]
选取所述干涉条纹的暗纹的吞吐量作为观测量时，推导得到，
[0031][0032][0033]
其中，δh为所述待测部因磁致伸缩效应形变后所述距离h的变化量，δk为所述光学装置的距离h改变后而的常数系数变化量；
[0034]
所述干涉条纹每吞吐n条圆环时，记录一次数据，所述待测部的形变量计算公式为，
[0035][0036]
其中，δl为所述待测部的形变量；n为所述干涉条纹的总吞吐数量，总吞吐数量n的计算公式为，
[0037]
n＝i*n+k
′
[0038]
其中，i为当前总吞吐数量对应记录数据的总次数，k
′
为修正常数；
[0039]
当所述干涉条纹涌出n条圆环时，根据磁致伸缩系数的定义，所述待测部对应的磁致伸缩系数计算公式为，
[0040][0041]
其中，α为磁致伸缩系数，l为所述待测部形变前的延伸长度。
[0042]
在本发明的一个实施例中，步骤1中，h0《100λ。
[0043]
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0044]
本发明所述的一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法，利用光学干涉法测出波长量级的微小长度变化，精度高准确性好，且装置内各组件不会产生电磁干扰；仅需读取电流表示数，精度的要求仅为1ma，测量简便且误差极小；
[0045]
本发明推导了牛顿环条纹涌动数量、伸缩长度和波长三者之间的关系，利用处理器自动化求磁致伸缩系数，测量效率高，自动化程度高，实现装置的智能化和测量的实时性；
[0046]
本发明装置结构简单，成本较低，具有良好的可重复性和可推广性；装置通过干涉条纹涌动记录数据，相机实时采集可视化程度高、便于观察，对磁致伸缩效应具有良好的展示效果。
附图说明
[0047]
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
[0048]
图1是现有技术中应变电阻片结构示意图；
[0049]
图2是现有技术中非平衡电桥测试电路示意图；
[0050]
图3是现有技术中光杠杆法的结构示意图；
[0051]
图4是现有技术中光杠杆法的原理示意图；
[0052]
图5是现有技术中单缝衍射法的装置示意图；
[0053]
图6是现有技术中单缝衍射原理示意图；
[0054]
图7是本发明实施例一中磁致伸缩系数测量装置的结构示意图；
[0055]
图8是本发明优选实施例中目标件的结构示意图；
[0056]
图9是本发明优选实施例中目标件与光学装置连接的结构示意图；
[0057]
图10是本发明优选实施例中光学装置的干涉条纹原理示意图；
[0058]
图11是本发明优选实施例中光学装置的几何关系示意图及干涉条纹示意图；
[0059]
图12是本发明实施例二中螺线管霍尔效应定标的参数示意图；
[0060]
图13是本发明实施例二中的一种拟合图像；
[0061]
图14是本发明实施例二中铁镍合金的α-b曲线。
[0062]
说明书附图标记说明：1、目标件；11、待测部；12、固定部；2、螺线管；21、电源；3、光学装置；31、平凸透镜；32、平面玻璃；321、第一侧表面；322、第二侧表面；4、相机；5、处理器；6、调节螺丝；7、光源控制器；8、半反半透镜；9、固定组件。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0064]
实施例一
[0065]
参照图1～图6所示，为现有技术中的磁致伸缩系数测量方法。参照图1所示，提供一种利用应变电阻片的电阻变化测量磁致伸缩系数的方法；应变电阻片是一种常用的测力传感元件，其结构设置为将金属丝或半导体制成栅贴在基底上，将应变电阻片牢固粘贴于待测目标件，当目标件受力发生形变时，应变片的敏感栅变形，其电阻随之变化。通过测试电路将目标件的形变信息转换成电阻电信号输出显示，由于磁致伸缩形变率正比于电阻变化率，则粘贴有应变片的目标件的磁致伸缩系数α计算公式为，
[0066][0067]
其中，c为应变电阻片的结构参数，r为应变电阻片的原阻值，k为包含测量系统的放大倍数，均为已知量；δr为需要测量的应变电阻片的电阻变化量，当目标件形变时，应变电阻片的阻值变化可表示为，
[0068][0069]
其中，s为已知的应变电阻片的灵敏度；应变电阻片法能够用于平衡电桥法、非平衡电桥法等多种测试电路。
[0070]
参照图2所示，将应变电阻片应用于非平衡电桥测试电路，其中电阻r1和r4为比率臂电阻(取r1∶r4＝1∶1)，r
20
为贴于目标件的应变片电阻；r2、r3为可调电阻箱，桥上为灵敏电流计。连接电路后改变r2，使之阻值变化量为δr2，由此引起的检流计偏转值为β。桥臂阻值相对变化量与β为线性关系，其比例系数为k，则有，
[0071][0072]
假设r2与r
20
并联，r2′
、β
′
为调节过程中每一时刻的值，r2为r2′
与r
20
并联的总电阻值，其他部分不变，则有
[0073][0074][0075][0076]
其中r2指桥路达到稳定时的值，δr2指桥路偏离原来状态时r2的变化量；推导可得，
[0077][0078][0079]
通过实验数据拟合出线性关系的比例系数k，再通过检流计偏转值β计算磁致伸缩系数。现有技术中利用应变电阻片的方法要求每做一次测试，就要将应变片与目标件表面牢固粘贴，测试后应变片不易被揭下，不能重复循环使用，还会在目标件表面留下胶水痕迹。同时，该方法对应变片的灵敏度和电路仪器的精度要求极高，且人为读数存在的视觉误差不可忽略；电路产生的磁效应还会对目标件产生影响，而作用于目标件的已知磁场也会影响其他的电路元件。
[0080]
参照图3～图4所示，现有技术提供一种光杠杆法测量微小长度的变化，可用于测量目标件形变量；所述光杠杆法装置在“t”型横架上设置平面镜，所述横架底部设置三支足；当金属丝未伸长时，光杠杆镜面、直尺和金属丝之间相互平行，与镜面同高的望远镜水平地对准镜面。此时，望远镜叉丝与直尺上某一刻度线相重合，其读数为a，金属丝被拉长后，光杠杆的后足尖下移一段微小距离δl，平面镜倾斜一个角度θ，根据光的反射定律，镜面转过θ，反射线将转过2θ，从望远镜中看时，叉丝与标尺上另一刻度线相重合，其读数为ai，与δl相对应的直尺变化量为
△
a＝|ai－a0|由几何知识可知，
[0081][0082]
其中d1为光杠杆后足到两前连线的垂直距离，d2为光杠杆镜面到直尺的距离。
[0083]
∵δl＜＜d1,δa＜＜d2[0084]
∴
[0085]
∴
[0086]
由此可得微小长度变化量的测量公式为
[0087][0088]
由于光杠杆仪器本身的缺陷，在测量磁致伸缩系数时操作复杂，测量难度大，且实验装置难以设置，更难以实现自动化测量；仅通过减少d1的值或增大d2的值以提高精度，操作难度较大，因此难以实现高精度的测量。
[0089]
参照图5～图6所示，现有技术还提供一种单缝衍射法测量磁致伸缩系数，光作为一种电磁波，在遇到障碍物时传播方向发生偏转，绕过障碍物前进，这就是光的衍射现象；当衍射物是狭缝时，竖直方向上会限制光线的传播，衍射图样就会在竖直方向上铺展；限制越厉害，衍射效应越明显。屏幕上形成的单缝衍射图样是：中心一个中央明纹，上下对称的分布着各级明暗相间的条纹，条纹平行于狭缝，其明暗条纹满足的条件为，
[0090][0091]
其中θ为衍射角，b为缝宽，λ为激光波长.根据单缝衍射原理，第k级暗纹到中央主极大距离为xk，则其缝宽b的大小为，
[0092][0093]
当给励磁线圈通过一确定电流时，第k级暗纹到中央主极大的距离变成xk′
，目标件原长为d，则磁致伸缩系数α为
[0094][0095]
因为δd＝δb，所以磁致伸缩系数为，
[0096][0097]
该方法由于夫琅禾费单缝衍射本身的缺陷，使得这类测量方法的精度不如其他的干涉衍射方法。单缝衍射法需要测量衍射角度或条纹间距，而衍射图案两侧较窄，因此不易测量；单缝衍射需要用到专业的光学设备，成本较高，不利于推广应用。
[0098]
经本案发明人对应变电阻片法、光杠杆法和单缝衍射法的研究发现，现有测量磁致伸缩系数的方法存在装置精度要求较高、可重复性差、成本较高、自动化程度较低等问题，据此，参照图7～图11所示，本发明实施例一提供一种磁致伸缩系数测量装置，其包括可变磁场、成像组件、相机4和处理器5；将待测目标件1置于所述可变磁场内，在不同的磁感应强度下其形变量发生变化；利用成像组件中牛顿环干涉条纹的变化测量波长量级的目标件形变量变化，通过所述相机4和所述处理器5处理得到不同磁感应强度对应的所述磁致伸缩系数，及饱和磁致伸缩系数，并进行拟合；本发明所述测量装置自动化程度高，可重复性强且能够保证测量精度。
[0099]
具体的，所述成像组件包括光学装置3和光源；所述光源垂直入射所述光学装置3并使其产生牛顿环干涉条纹；所述光学装置3包括平凸透镜31和平面玻璃32，所述目标件1
连接所述平面玻璃32厚度方向的第一侧表面321，所述平面玻璃32在厚度方向上的第二侧表面322接触所述平凸透镜31的外凸表面的中心，所述光源垂直入射所述平凸透镜31的水平表面。所述目标件1的形变量变化时，其抵接所述平面玻璃32使光程差变化，使所述干涉条纹产生外涌或内陷的吞吐变化。在一些实施例中，也可以将所述第一侧表面321与所述目标件粘接。
[0100]
进一步的，参照图7所示，在一些实施例中，所述光源包括光源控制器7和半反半透镜8；所述光源控制器7用于发射光线，所述半反半透镜8设置于所述光源控制器7发射光线的光路上，所述发射光线入射所述半反半透镜8，并产生能够垂直入射所述光学装置3的反射光；本实施例优选实施方式中，所述光源控制器7水平发射光线，所述半反半透镜8的反射面与水平面倾斜45
°
设置，便于控制反射光线方向。
[0101]
具体的，参照图7所示，在一些实施例中，所述可变磁场被配置为螺线管2，所述螺线管2设置为卷绕呈筒状结构的导线，所述螺线管2的筒状结构内设置有能够穿设所述目标件1的轴向空腔；所述螺线管2的两端均连接至电源21；通过调节电源21电压，能够使所述螺线管2中的电流产生变化，并使其产生磁场的磁感应强度发生变化，提供可变磁场环境。在其他实施例中，所述可变磁场也可以设置为其他励磁组件，通过合适的电流分布和载流线圈设置产生测试所需的可变匀强磁场，不限于此。
[0102]
进一步的，参照图7所示，在一些实施例中，所述目标件1竖直设置于所述螺线管2的轴向空腔中，其延伸方向上远离所述光学装置3的一侧端部设有调节螺丝6，所述调节螺丝6用于调节所述目标件1的竖向高度，进而调节所述第二侧表面322与所述平凸透镜31凸面中心的距离，该距离小于光源波长数值的100倍以内时，所述磁致伸缩系数测量装置处于能够测量的状态。
[0103]
具体的，所述测量装置还包括固定组件9，所述固定组件9设置为金属外壳并用于固定所述平凸透镜31的外缘，将所述平凸透镜31架设于一水平台面，使所述平凸透镜31的外凸表面和所述第二侧表面322之间具有空气层能够形成干涉条纹。
[0104]
具体的，所述相机4、所述平凸透镜31、所述平面玻璃32和所述目标件1依次设置、且具有相同的轴线；通过所述光源发射器和半反半透镜8的设置能够避免所述光源控制器7直接设置于所述光学装置3和所述目标件1的轴线方向上，对所述相机4的拍摄造成遮挡。所述相机4设置为ccd相机，用于采集所述平凸透镜31表面的干涉条纹图样；所述处理器5连接所述相机4的输出端收集并显示所述干涉条纹，根据所述干涉条纹的变化数据处理得到不同磁感应强度对应的所述磁致伸缩系数，及饱和磁致伸缩系数。
[0105]
实施例二
[0106]
参照图10～图14所示，本发明还提供一种磁致伸缩系数测量方法，所述测量方法基于实施例一所述的磁致伸缩系数测量装置，所述测量方法包括如下步骤，
[0107]
步骤1：调节所述光源使其垂直入射所述光学装置3，调节所述平凸透镜31的外凸表面的中心与所述平面玻璃32的第二侧表面322的距离为h0，并使所述干涉条纹清晰；
[0108]
具体的，所述距离h0《100λ，使所述磁致伸缩系数测量装置处于能够测量的状态。在一些实施例中，所述光源设置为波长为589.3nm的钠光灯；在其他实施例中，所述光源也可以设置为其他满足波长需求的单色光；将所述相机4连接至所述处理器5，并调整优化所述干涉条纹的图像质量。
[0109]
步骤2：将所述目标件1置于所述可变磁场；
[0110]
具体的，在将所述目标件1置于所述可变磁场前，进行退磁预处理；所述可变磁场设置为通电螺线管2时，将所述螺线管2连接交流调压器，将电流调到所述螺线管2线圈的额定电流值，再缓慢减少至零完成所述目标件1的退磁，将所述目标件1内的剩磁减少提高测量精度和准确性。
[0111]
具体的，所述目标件1包括待测部11和固定部12，所述固定部12位于所述待测部11延伸方向的两端，所述固定部12设置为非铁磁性材料，所述待测部11设置能够因磁致伸缩效应形变的铁磁性材料；所述目标件1置于通电螺线管2内的轴向空腔中时，所述待测部11位于空腔轴线方向的中部，使所述待测部11位于均匀磁场中，避免所述螺线管2端部的磁感应强度分布不均匀影响测试精度；在一些实施例中，所述固定部12设置为铜棒。
[0112]
步骤3：调节所述可变磁场的磁感应强度，所述目标件1因磁致伸缩效应形变，抵接所述平面玻璃32移动，使所述光学装置3内的所述距离h0变化为h；所述干涉条纹产生外涌或内陷的吞吐变化；
[0113]
具体的，使用所述螺旋管作为励磁组件产生磁场时，打开电源21开关，所述电源21设置为可控电压电源，调节电压使之增大，所述螺线管2中的电流也随之增大，所述待测部11在轴线方向上产生形变，且形变量不断变化，其形变通过所述固定部12抵接所述第一侧表面321移动，导致所述干涉条纹涌动。进一步的，当电流逐渐增大时，磁感应强度逐渐增大，所述待测部11的形变量逐渐增大，所述距离h变小，所述干涉条纹外涌；所述电流逐渐减小时，磁感应强度逐渐减弱，所述待测部11的形变量逐渐变小，所述距离h变大，所述干涉条纹内陷。
[0114]
步骤4：设置数据记录的步长为n，其中，n为正整数；所述干涉条纹每吞吐n条圆环，对应记录一次磁感应强度；直至调节所述可变磁场的磁感应强度使所述干涉条纹的吞吐呈饱和状态；
[0115]
具体的，在增大电流的过程中，参照图11所示，所述干涉条纹每外涌出n条圆环，暂停增大电压并通过电流表读取并记录一次对应的电流数值，输入至所述处理器5；在一些实施例中，所述步长n可以设置为1；在本实施例优选实施方式中，逐渐增大电源电压使所述干涉条纹外涌，直至外涌速度变慢，至饱和状态。
[0116]
步骤5：根据所述光源的波长λ和所述干涉条纹的总吞吐数量n计算每一磁感应强度对应的磁致伸缩系数及饱和磁致伸缩系数，并进行拟合。
[0117]
具体的，在本发明实施例二中，使用python程序计算磁致伸缩系数，其求解磁致伸缩系数的具体算法如下，
[0118]
所述光源的入射角设置为0
°
时，照射于所述平凸透镜31和所述平面玻璃32的光程差的计算公式为，
[0119][0120]
其中，δ为光程差，h为所述平面玻璃32的第二侧表面322与所述平凸透镜31的凸面中心的距离，λ为所述光源的入射光线波长；
[0121]
所述干涉条纹相消的条件为，
[0122][0123]
其中，k为所述光学装置3对应的常数系数；
[0124]
选取所述干涉条纹的暗纹的吞吐量作为观测量时，推导得到，
[0125][0126][0127]
其中，δh为所述待测部因磁致伸缩效应形变后所述距离h的变化量，δk为所述光学装置3的距离h改变后而的常数系数变化量；因此可以通过所述干涉条纹的涌动变化来测量所述平凸透镜31和所述平面玻璃32之间空气层厚度的变化，参照图7和图9所示，当所述平凸透镜31被所述固定组件9固定时，该厚度变化即为所述第一侧表面321移动的距离，也就是所述待测部11的形变量δl。所述干涉条纹每吞吐n条圆环时，记录一次数据，所述待测部的形变量计算公式为，
[0128][0129]
其中，δl为所述待测部的形变量；n为所述干涉条纹的总吞吐数量，总吞吐数量n的计算公式为，
[0130]
n＝i*n+k
′
[0131]
其中，i为当前总吞吐数量对应记录数据的总次数，k
′
为修正常数；若装置开始测量时中心条纹为暗纹，则k
′
＝1，增大电压至吞吐一组数据后开始记录数据进行测量；若装置开始测量时中心条纹为亮纹，则k
′
＝0.5，记录此时电流数据开始进行测量。
[0132]
当所述干涉条纹涌出n条圆环时，测得所述待测部11的形变量δl后，根据磁致伸缩系数的定义，所述待测部对应的磁致伸缩系数计算公式为，
[0133][0134]
其中，α为磁致伸缩系数，l为所述待测部形变前的延伸长度。
[0135]
进一步的，在本发明实施例二中，在所述干涉条纹涌动饱和时，其对应的所述磁致伸缩系数为饱和磁致伸缩系数。
[0136]
进一步的，在本发明实施例二中，还使用python程序计算磁感应强度与磁致伸缩系数的对应关系并进行拟合；记录电流数值后，需要进行霍尔定标获得电流数值与磁感应强度的关系，其算法如下，
[0137]
参照图12所示，对于有限长直螺线管2而言，取所述螺线管2的长度为2l，平均半径为通过的电流为i时，利用毕奥-萨伐尔定律计算出轴线上磁场强度h的分布情况为，
[0138]
[0139][0140]
则所述螺线管2轴线上磁场强度分布为，
[0141][0142]
在一些实施例中，所述螺线管2的内径为15mm，外径为59mm，长为270mm，所述待测部11的轴向长度为150mm，单位长度匝数为1000匝/m，计算在-75mm至+75mm磁场强度h的平均值为
[0143][0144]
在本发明实施例二中，霍尔效应定标结果为，
[0145]
b＝0.04381i-4
×
10-5
[0146]
在一些实施例中，进行霍尔效应定标时，需要利用霍尔元件伸入通电螺线管2内，观察到励磁电压逐渐增大，直至找到一段数值不变的位置，记录此时的励磁电压，根据霍尔元件灵敏度计算出磁感应强度。改变通电螺线管2的电流，重复实验记录至少20组数据，再利用最小二乘法拟合出电流强度与磁感应强度的线性关系
[0147]
在一些实施例中，所述螺线管2设置不同时所述霍尔效应定标的结果也不同；但定标结果表达式中的截距远小于定标出的磁感应强度，可以忽略。利用该定标结果，将记录的电流数值依次转化为磁感应强度数据，数据单位由ma转化为mt，并将计算结果按照精度要求保留一定有效位数；参照表1所示，为本发明一种实施例中的定标结果。
[0148][0149]
表1
[0150]
根据所述步长n、所述修正系数k
′
、入射光波长λ、待测部11形变前延伸长度l处理获得磁致伸缩系数α；获得霍尔效应定标结果后，将磁感应强度数据b与磁致伸缩系数α进行拟合。参照图13所示，为一种利用python内的plt库绘制图像，其中该库的安装方式为，
[0151]
pip install matplotlib
[0152]
程序内置最小二乘法与拉格朗日插值法用于简单拟合数据，前者用于线性拟合，后者用于曲线拟合，python所用库的下载方式为，
[0153]
pip install opencv-python
[0154]
pip install pygame
[0155]
在一些实施例中，所述待测部11设置为铁镍合金，其形变前的延伸长度为150mm，参照表2所示，为磁感应强度b与磁致伸缩系数α的实验数据，
[0156]
b/mtδkα/10-6
0.004811.960.009623.930.014735.890.019547.860.023859.820.0291611.790.0339713.750.0387815.71
[0157]
表2
[0158]
进一步的，参照图14所示，为表2所示实验数据绘制的拟合图像，在磁饱和前磁致伸缩系数随磁感应强度的增加而线性增大，磁饱和后磁致伸缩系数趋于平缓基本不变。
[0159]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种磁致伸缩系数测量装置，其特征在于，包括，可变磁场，需要测量磁致伸缩系数的目标件设置于所述可变磁场内；所述可变磁场被配置为磁感应强度能够变化，且所述目标件在所述可变磁场中因磁致伸缩效应而形变；成像组件，其包括光学装置和光源；所述目标件连接所述光学装置一侧，所述光源垂直入射所述光学装置的另一侧，并使所述光学装置产生牛顿环干涉条纹；所述光学装置包括平凸透镜和平面玻璃，所述目标件的形变量变化时，其抵接所述平面玻璃使光程差变化，所述干涉条纹外涌或内陷；相机，所述相机、所述光学装置和所述目标件依次设置、且具有相同的轴线；所述相机用于采集所述干涉条纹；处理器，其连接所述相机，根据所述干涉条纹的变化数据处理得到不同磁感应强度对应的所述磁致伸缩系数，及饱和磁致伸缩系数。2.根据权利要求1所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于：所述可变磁场被配置为螺线管，所述螺线管设置为卷绕呈筒状结构的导线，所述螺线管的筒状结构内设置有能够穿设所述目标件的轴向空腔；所述螺线管的两端均连接至电源。3.根据权利要求2所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于：所述目标件竖直设置，其延伸方向上远离所述光学装置的一侧端部设有调节螺丝，所述调节螺丝用于调节所述目标件的竖向高度。4.根据权利要求1所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于：所述光源包括，光源控制器，其用于发射光线；半反半透镜，其设置于所述光源控制器发射光线的光路上，所述发射光线入射所述半反半透镜，并产生能够垂直入射所述光学装置的反射光。5.根据权利要求1或4所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于：所述目标件连接所述平面玻璃厚度方向的第一侧表面，所述平面玻璃在厚度方向上的第二侧表面接触所述平凸透镜的外凸表面的中心，所述光源垂直入射所述平凸透镜的水平表面。6.一种磁致伸缩系数测量方法，基于如权利要求1～5中任意一项所述的磁致伸缩系数测量装置，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤，步骤1：调节所述光源使其垂直入射所述光学装置，调节所述平凸透镜的外凸表面的中心与所述平面玻璃的第二侧表面的距离为h0，并使所述干涉条纹图像清晰；步骤2：将所述目标件置于所述可变磁场中；步骤3：调节所述可变磁场的磁感应强度，所述目标件因磁致伸缩效应形变，抵接所述平面玻璃移动，使所述光学装置内的所述距离h0变化为h；所述干涉条纹产生外涌或内陷的吞吐变化；步骤4：设置数据记录的步长为n，其中，n为正整数；所述干涉条纹每吞吐n条圆环，对应记录一次磁感应强度；直至调节所述可变磁场的磁感应强度使所述干涉条纹的吞吐呈饱和状态；步骤5：根据所述光源的波长λ和所述干涉条纹的总吞吐数量n计算每一磁感应强度对应的磁致伸缩系数及饱和磁致伸缩系数，并进行拟合。7.根据权利要求6所述的磁致伸缩系数测量方法，其特征在于：所述目标件包括待测部和固定部，所述固定部位于所述待测部延伸方向的两端，所述固定部设置为非铁磁性材料，
所述待测部能够因磁致伸缩效应形变。8.根据权利要求7所述的磁致伸缩系数测量方法，其特征在于：所述目标件在置于所述可变磁场前，进行退磁处理。9.根据权利要求7所述的磁致伸缩系数测量方法，其特征在于：所述光源的入射角设置为0
°
时，照射于所述平凸透镜和所述平面玻璃的光程差的计算公式为，其中，δ为光程差，h为所述平面玻璃的第二侧表面与所述平凸透镜的凸面中心的距离，λ为所述光源的入射光线波长；所述干涉条纹相消的条件为，其中，k为所述光学装置对应的常数系数；选取所述干涉条纹的暗纹的吞吐量作为观测量时，推导得到，选取所述干涉条纹的暗纹的吞吐量作为观测量时，推导得到，其中，δh为所述待测部因磁致伸缩效应形变后所述距离h的变化量，δk为所述光学装置的距离h改变后而的常数系数变化量；所述干涉条纹每吞吐n条圆环时，记录一次数据，所述待测部的形变量计算公式为，其中，δl为所述待测部的形变量；n为所述干涉条纹的总吞吐数量，总吞吐数量n的计算公式为，n＝i*n+k
′
其中，i为当前总吞吐数量对应记录数据的总次数，k
′
为修正常数；当所述干涉条纹涌出n条圆环时，根据磁致伸缩系数的定义，所述待测部对应的磁致伸缩系数计算公式为，其中，α为磁致伸缩系数，l为所述待测部形变前的延伸长度。10.根据权利要求6所述的磁致伸缩系数测量方法，其特征在于：步骤1中，h0<100λ。

技术总结
本发明涉及一种磁致伸缩系数测量装置及测量方法，其包括可变磁场、成像组件、相机及处理器；目标件设置于所述可变磁场内因磁致伸缩效应而形变，所述目标件连接所述光学装置一侧，所述光源垂直入射所述光学装置的另一侧，并使所述光学装置产生牛顿环干涉条纹；所述目标件的形变量变化时，所述干涉条纹外涌或内陷；所述相机用于采集所述干涉条纹，所述处理器连接所述相机，处理得到磁致伸缩系数；本发明利用光学干涉法测出波长量级的微小长度变化，精度高准确性好，实现装置的智能化和测量的实时性；结构简单，成本较低，具有良好的可重复性和可推广性；可视化程度高、便于观察，对磁致伸缩效应具有良好的展示效果。致伸缩效应具有良好的展示效果。致伸缩效应具有良好的展示效果。


技术研发人员：孙宝印 徐傅 杨俊义 徐亚东 周坤 刘波
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/23