卧式力磁耦合机械加载与测量系统技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料磁参数及其特性测量

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：方岱宁，冯雪，万永平，裴永茂，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]