测量磁致伸缩系数的方法及应用

当铁磁体或亚铁磁体的磁化状态改变时会伴随有尺寸变化，这种现象称为磁致伸缩现象。其中尺寸变化比较大的是线性磁致伸缩。线性磁致伸缩系数λ代表磁体的相对线度变化量Δl/l，伸长时λ>0，缩短时λ<0，单晶体的λ是各向异性的，而多晶体的λ是各向同性的。测量线性磁致伸缩的方法主要有电容法、光干涉法和应变电阻法。

1.电容法

平行板电容器的一个极板是固定的，另一个可移动的极板与试样一端连接。试样的另一端固定。当试样在磁场中磁化产生磁致伸缩时，平行板电容器的电容大小随之变化，用精密交流电桥测量出该电容的变化，根据平行板电容器的参数可推算出试样的磁致伸缩系数。也可以将该平行板电容器与电感线圈并联构成一个振荡器的振荡回路，当试样发生磁致伸缩时，由于电容的变化，引起振荡器振荡频率的变化，用频率计测出频率变化，可以推算出试样的磁致伸缩系数，其灵敏度为10^-7。

2.光干涉法

从一个点光源发出的两束光在空间某点发生的干涉与这两束光的光程差有关，如光程差是由于铁磁试样的磁致伸缩产生的，则可以利用光的干涉现象来确定磁致伸缩系数。最简单的光干涉仪器为迈克尔逊干涉仪，结构如图8-11所示。

图8-11 迈克尔逊干涉仪

G₁、G₂为两块相同的玻璃片，G₁上镀有一层半透膜。M₁、M₂为平面镜，M1固定，M₂贴在一端固定的被测试样的自由端上。S为光源，其光波波长为λ₀。V为目镜。光束①、②的光程差Δl使目镜中的干涉条纹移动，用下式计算光程差：

Δl=nλ₀/2

式中 Δl——光程差，单位为mm；

n——干涉条纹移动的数目；

λ₀——光波波长，单位为mm。

如果Δl是由试样磁致伸缩引起的，则磁致伸缩系数λ为：

λ=Δl/l=nλ₀/2l （8-17）

式中 l——试样的长度，单位为mm。

3.应变电阻法

应变电阻是将长度变化转换为电阻变化的敏感元件，通过测量电阻变化而测定λ。线型应变电阻是由对形变和成分敏感的康铜线（直径为0.03～0.05mm）盘成，并粘在两层绝缘性能很好的纸片之间制成的，形状如图8-12所示。

应变电阻R的相对变化与长度l的相对变化成正比，表达式为：

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式中 R——应变电阻的阻值，单位为Ω；

ΔR——应变电阻阻值的变化量，单位为Ω；

S——应变电阻的灵敏系数，一般在2.0左右；

l——应变电阻的长度，单位为mm；

Δl——应变电阻的长度变化量，单位为mm。

磁致伸缩系数的数量级为10^-7～10^-5，因此也是这个数量级。测量电阻通常用惠斯顿电桥，其原理比较简单，但要求有较高的灵敏度及稳定性。电桥的结构如图8-13所示。

图8-12 应变电阻

图8-13 惠斯顿电桥

R_x为贴在样品上的张力计，R₁、R₂、R₃为同样的张力计，贴在与样品热膨胀系数相近的非磁性材料上，与样品一起置于磁场中。其目的是消除由于温度变化产生的附加电阻、附加热电动势及磁电阻效应的影响。r是并联在R₁上调节电桥平衡的精密电阻箱。电桥用直流电源供电，指零仪表可用光电放大式的检流计或采用调制型放大器。根据电桥的平衡条件，可以得到由于磁致伸缩而引起的张力计的电阻变化为：

式中 ΔR_x——样品上张力计的电阻变化量，单位为Ω；

R_x0——未加磁场时样品上张力计的电阻，单位为Ω；

R₁——贴在与样品热膨胀系数相近的非磁性材料上张力计的电阻，单位为Ω；

r——施加磁场电桥平衡时精密电阻箱的阻值，单位为Ω；

Δr——精密电阻箱阻值的变化量，单位为Ω；

r₀——未加磁场电桥平衡时精密电阻箱的阻值，单位为Ω。