稀土超磁致伸缩震源的设计

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第8章超磁致伸缩材料及其智能化应用-石雅莹

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7
第8章超磁致伸缩材料及其智能化应用
立方晶系和六方晶系对称的磁致伸缩模式
4
第8章超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.1.2磁致伸缩系数
◆磁致伸缩效应的大小用磁致伸缩系数表示。
线磁致伸缩系数，以表示。 l / l
体积磁致伸缩系数，以表示。 /
S11 S22 S33
◆沿不同方向测量出的不同。有纵向磁致伸缩系数和横向磁致伸缩系数
• 4)非晶RFe2化合物的磁晶各向异性
成分为RFe2的溅射非晶态合金在结构和磁性方面与晶态合金不同。其居里温度在室温以下直到400 K。这些合金最突出的特点是在低温时矫顽力大。这是由于磁晶各向异性大和没有晶体结构两个因素共同造成的。在4K时，由非晶TbFe2计算的最大磁能积为2.35EA／m，这与钐钴合金测得的最大值差不多。虽然内禀磁晶各向异性可以持续到室温，但热能太高以至于无法阻止磁化反转。因此，室温下矫顽力只有7.96 kA／m。
8.2.3稀土超磁致伸缩材料制备和组织结构
•
Terfenol-D材料的性能与其制备工艺、成分和微观结
构密切相关。不同制备工艺得到的材料的性能可以相差甚
远。
• 超磁致伸缩材料Terfenol-D主要有两种成分，即 Tb0.27Dy0.73Fex

稀土超磁致微致动器驱动电源实验研究

ｂｓｄｏｎａｙｉｆｔｅｄｖｎｈａａｔｒｏｉｎｔｍａ￣ｅｏｔｉｔｖｍａｅｉｌａｄｔｅｄｖｎｐｗｅｆｇａｔｍａｎｔｓｒｅｉｅａｔａｏａｅｎａｌｓｓｏｈｒｉｇｃｒｃｅｆｇａｉ／ｔｓｒｃｉｅｔｒｎｈｒｉｇｏｒｏｉａｉｎｇｅｏｔｉｔｃｕｔｒ，ｖ
中图分类号：Ｎ８Ｔ２４２Ｔ７；Ｐ７．文献标识码：Ａ文章编号：０ — ５１１２０ — ０６０１１４５（３）６０４ — ４０２０
ＴｈｔｄｎＤｒｖｎｏｒｏａｔＭａｎｔｓｒｔｅＡｃｕｔｒｅＳｕｙｏｉｉｇＰｗｅｆＧｉｎｇｅｏｔｉｉｔａｏｃｖ
＝
０８０～１６×１Ｉ）优点，此引入超磁致． ×１～．０３等因
伸缩材料后的微致动器具有结构简单、体积小的优
点，在振动控制、定位、动器、感器、门控将微振传阀
制、机械传动机构及声纳系统等领域有着广阔的应
用前景。
稀土超磁致微致动器是一种把电磁能转化为机
图１微致动器结构原理图
１端盖；．出杆；．圈骨架；．．２输３线４励磁线圈、
偏置线圈；．却水出口；．座；．５冷６底７螺母；．压弹簧；８预
械能的能量转换器，定其能量大小的是驱动电流决的大小，而且其静态和动态使用特性也取决于电源的性能。因此，动电源技术是超磁致伸缩致动器驱

超磁致伸缩驱动器原理分析及实验研究

磁致伸缩现象是指铁磁体在外磁场中磁化时，
移域、微动力（薄膜材料）和力学传感领域都有良好
其长度及体积均发生变化，掉外磁场后，又恢去其
复原来的尺寸。磁致伸缩材料是实现电磁能一机
向：控制技术与自动化。Ｅｍｉｓｌｅ０＠１３ｅｍｏ车辆 — ａｌｏｉｒ７６．ｏ：ｄ０
图１所示。驱动器中的隔板沿轴向把驱动器分为两
１期１
席建敏，：等超磁致伸缩驱动器原理分析及实验研究
表２驱动器主要设计参数
超磁致伸缩微位移驱动器工作原理为：磁致超
伸缩驱动器是利用ＧＭ棒在外部磁场发生变化Ｍ
时，发生相应伸缩变形的规律设计制作的，构如结
第一作者简介：建敏（９４）男，席１８一，福建人，硕士研究生，研究方
于智能材料的一种，被视为２世纪提高军工与高新ｌ
技术的战略性功能材料 … 。应用超磁致伸缩材料开发的产品已被证明其
文依据超磁致伸缩材料特性，研究超磁致伸缩致动器的位移输出特性，示超磁致伸缩致动器在不同揭
输出特性之间的变化关系。通过已有设备构建实验平台，在不同的条件下对驱动器输出特性进行实验，实验结果与理论分析
一
致，示了输入与输出的特性，揭为驱动器的优化奠定了基础。

稀土元素应用

磁性
恸
顺磁性 χm=10-6 ~10-5 磁性
4、抗磁性物质、抗磁性物质不存在未成对电子 → 磁不物物
抗磁性 χm= -10-5 ~-10-6 磁磁性磁场
性子
5、反铁磁性物质、 FeO， FeF3 ， NiF3 ，， NiO， MnO ，各种锰盐，各种锰盐以及部分铁氧体 ZnFe2O4 等，它们相邻原子的磁矩反向平行，原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，而且彼此的强度相等，没有磁性。没有磁性。
磁场
亚铁磁性 χm= 10-2 ~106 磁矩的排列与磁性的关系
3、顺磁性物质、顺磁性物质存在未成对电子存在未成对电子 → 永久磁矩。La，Pr，MnAl，，，， FeSO4·7H2O， Gd2O3 … ，惣 Ni 。磁性磁性顺磁性 (Tc)。。
磁矩磁场
在 Fe, Co,
稀土超磁致伸缩材料的应用
稀土超磁致伸缩材料的电—机械能转换功能远优于其他材料：它的应变值最高，能量密度最大，响应快，精度高，可靠性高而运转能力大，可用于小型和微型大功率精密控制换能器，如大功率发射型声纳，大功率超声换能器，微型大功率低频电声设备，精密定位系统，传感器等，在军事，航天航空、海洋、地质、石油、化工、制造自动化、计算机、光通讯等领域已经获得应用。如：
稀土超磁致伸缩材料制动器声信号发生器电—机换能器传感器和电子器件
稀土磁致冷材料和磁蓄冷材料
磁制冷材料的特征值
磁体的磁性（自旋）熵SM
特征值
磁体的晶格体系熵SL
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作品申报书(范例)

作品申报书（范例）磁致伸缩系数并实时生成磁致伸缩曲线。

该仪器具有较高测量精度，不仅适用于科研工作中的磁性测量，还可以应用于高校理工类学生的物理实验教学。

3当前国内外同类课题研究水平概述精确测量磁致伸缩材料的磁致伸缩特性中的磁致伸缩系数是最基础也是最重要的工作。

磁致伸缩材料的磁致伸缩系数是衡量材料本身性质的一项重要指标，目前测量磁致伸缩系数的方法主要有迈克尔逊测量法、光杠杆和机械杠杆组合测量法等。

利用这些方法所制作的实验仪器比较多，应用于精确测量磁致伸缩材料的磁致伸缩特性的测定仪多为磁致伸缩系数测量仪和弱磁滞回线测量仪，其国内外应用研究情况如下:国外稀土磁致伸缩材料的应用现状磁致伸缩材料在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。

稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景，例如用该材料可制造超大功率超声换能器。

过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造，它仅能制造小功率（＜）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（6〜25kw）的超声波换能器。

超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。

此研究有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20%〜100 %，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。

将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度20dB以下）。

反应堆用磁致伸缩材料设计

伸缩棒位计设计寿命为数十年，就要求反应堆棒位计这工作，且具有高可靠性、高的测量精度。磁致伸缩材料在热中子和快中子流辐照下，工其
系合金中选择作为反应堆用磁致用的伸缩材料，并且
积较大（４８０ｃ，到中子的辐照时容易产３． ×１ｍ）遭
文章编号：０１９３（０７０ —６４０１０－７１２０）５０９ —２
１引言
磁致伸缩现象［（效应）铁磁性物质在外磁场１或］是
作用下，其长度或体积均发生变化，掉外磁场后，去又
１ｃ，到中子的辐照时容易产生放射性同位０ｍ）遭
由于磁致伸缩材料在磁场作用下，长度发生变其
化，发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复可
伸张与缩短，而产生振动或声波，种材料可将电磁从这能转换成机械能或声能，反也可以将机械能转换成相电磁能，它是重要的能量与信息转换功能材料。
致伸缩材料，并对反应堆用磁致伸缩材料做了详尽的
设计；特别是对磁致伸缩材料的抗辐照性能、致伸缩磁
性能及高温性能做了详尽地分析。关键词：磁致伸缩；辐照效应；反应堆中图分类号：Ｔ３Ｂ４文献标识码：Ａ
有关。所以，必须选择中子俘获截面积小的，产生不不

基于磁致伸缩逆效应的超磁致伸缩力传感器

感器。但由于缺乏相应的设计理论分析，而制约了其发展。在分析了磁致伸缩逆效应的基础上，出了超磁致伸缩力从给
传感器的设计原理，计了设超磁致伸缩力传感器的结构，并采用数值计算方法对其磁场进行了算。计算结果与实验结计
果的比较表明：者符合较好，二设计的超磁致伸缩力传感器方案是可行的，对其今后进行深入应用研究和优化设计具有重
ｈｅｅｎｇｍｎｗｌａｅｄｇｓｅｅｆｒｅｓｓｒｓｆｓｌ，ｈｈｉｉｏｔｔｏｏｔｚｔａｇｅｓｉｔｙｗｒｉａｒｅｅｔｅ，ｄｔｅｉｈｍｒｆｃｎｏａｉｅｗｉｐｒｎｐｉｉｅｇｔａｎｔｔｔｅｅｅｌｎｈｓｎｃｏｏｅｉｅｂｃｓｍａｔｍｅｈｉｍｎｏｒｖｉ
Ｂｔｔｐｌａｏｅｅｏｍｎｓｌｉｄ，ｅａｓｆａｋｎｆｏｒｓｎｉｇｄｓｇｈｏｙＢａｅｎｔｅａａｓｓｏｅｉｖｒｅｍａｌ — ｕｓａｐｉｔｎｄｖｌｐｅｔｉｉｔｂｃｕｅｏｃｉｇｏｒｅｐｄｎｅｉｎｔｅｒ，ｓｄｏｌｉｆｔｎｅｓｇｅｉｃｉｍｅｌｃｏｈｎｙｈｌ
ｔｔｔｅｆｃ，ｅｇｒｃｌｆｅｇｔａｅｓｉｖｒｅｓａｇｅ．ｈａｔａｎｔｔｔｅｆｃｅｓｒｓｕｔｅｈｄｏｒｖｅｔｄｓｐｎｉｅｏｔａｇｔｔｔｅｆｃｓｏｗｓｉｎＴｅｇｇｅｓｉｒｓｏｔｃｒａｓｉｅｉｉｉｐｒｉｍｎｏｒｉｏｅｎｒｖｎｈｎｉｍｎｏｒｉｏｅｎｖｒｕ

磁性液体磁致伸缩效应的理论分析与实验分析

磁性液体磁致伸缩效应的理论分析与实验研究摘要固体的铁磁性材料在磁场作用下具有磁致伸缩效应。

梯度磁场可以改变具有磁化特性的磁性液体的视密度和内压强，进而改变磁性液体的体积，导致磁性液体发生磁致伸缩效应。

本文分析了磁性液体产生磁致伸缩效应的基本原理，推导了磁性液体磁致伸缩应变量的理论计算表达式；分析了单个载流圆线圈的磁场特性，在此基础上分析了多个同轴线圈产生的磁场，并计算了线圈的结构参数，完成了最终线圈结构的选取；设计了实验装置系统，包括线圈骨架尺寸，导线直径以及总匝数等；最后利用毛细管放大原理的测量装置测量了磁性液体的磁致伸缩微位移量，分析了实验结果，实验效果较好。

实验结果与理论进行比较，分析了实验误差产生的原因。

最终得出，磁性液体在变化的梯度磁场作用下具有磁致伸缩效应，其磁致伸缩的微位移量与输入的电流大小有较好的线性关系，扩大了磁性液体的应用研究范围，具有重要的理论与实际意义。

关键词：磁性液体，磁致伸缩，梯度磁场ITHEORETICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTALSTUDY ON MAGNETOSTRICTIVE EFFECTOF MAGNETIC LIQUIDABSTRACTThe solid ferromagnetic material has magnetostrictive effect in the magnetic field. The volume of the magnetic fluid can be changed in the external gradient magnetic field because of its apparent density and the internal pressure intensity were changed. So, the magnetic liquid magnetostrictive effect is produced.In this paper, the magnetostrictive effect theory of magnetic fluid was analyzed. Theoretical calculation expression of magnetostrictive strain was derived. The magnetic field which was generated by the plurality of coaxial coils was analyzed on the basis of a single coil magnetic field. The parameters of the coil were calculated. Experiment installation was designed, including the size of the coil bobbins, diameter of wire, and the total number of turns. Micro displacement of magnetostrictive effect was measured by the capillary tube amplification principle. The experimental results compared with theoretical. Experiments prove that the effect is better. Finally it shows that the magnetostrictive effect of magnetic fluid will be produced in the variable gradient magnetic field. The amount of magnetostrictive micro-displacement and the input current has a good linear relationship. It has important significance to expanding the range of applied research of magnetic fluid.KEY WORDS: magnetic fluid, magnetostrictive, gradient magnetic fieldII目录第一章绪论 (1)§1-1 磁致伸缩材料概述 (1)1-1-1 磁致伸缩材料的发展历程 (1)1-1-2 磁致伸缩材料的应用 (2)§1-2 磁性液体的特性及应用 (3)§1-3 磁性液体磁致伸缩效应的研究现状及意义 (5)§1-4 论文主要研究内容 (5)第二章磁性液体磁致伸缩效应的理论分析 (7)§2-1 磁性液体的磁学特性与流体力学特性 (7)2-1-1 磁性液体的磁学特性 (7)2-1-2 磁性液体的流体力学特性 (8)§2-2 磁性液体磁致伸缩应变量计算式的推导 (10)§2-3 磁性液体磁致伸缩效应理论分析 (12)§2-4 本章小结 (13)第三章梯度磁场装置的设计 (14)§3-1 梯度磁场线圈设计基本原理 (14)3-1-1 单个载流圆线圈产生的磁场 (14)3-1-2 Maxwell线圈产生的磁场 (16)3-1-3 多个同轴线圈产生的磁场 (17)§3-2 线圈参数的计算以及最终结构的选取 (19)3-2-1 线圈参数的计算 (19)3-2-2 线圈结构的选取 (22)3-2-3 仿真结果与分析 (23)§3-3 实验系统设计 (27)3-3-1 线圈设计 (28)3-3-2 磁性液体的选取 (30)§3-4 本章小结 (31)第四章磁性液体磁致伸缩应变量的实验测量及结果分析 (32)§4-1 实验测量原理介绍 (32)§4-2 磁性液体磁致伸缩应变量的测量与结果分析 (33)4-2-1 实验装置搭建 (33)4-2-2 实验测试及结果分析 (34)4-2-3 引起实验误差的因素分析 (37)4-2-4 实验改进方案 (37)§4-3 本章小结 (38)III第五章全文总结 (39)参考文献 (40)致谢 (42)IV1第一章绪论§1-1 磁致伸缩材料概述铁磁体在外磁场中磁化时，其长度和体积均发生变化，这个现象称为磁致伸缩效应，它首先是焦耳（J.P.Joule ）在1842年发现的，故亦称焦耳效应 [1]。

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１．２稀土超磁致伸缩材料的优点传统声波发生器多采用压电陶瓷材料，单稀土超磁，具有下列优点：１）与普通致伸缩材料相比，磁致伸缩性要高出１Ｏ倍。
２）仅在使用较弱磁场时就可以具备较大变形，杜绝
了使用高电压（ｍｍ）
＜Ｏ．５Ｏ．５１～１．Ｏ８
一
弹性模量；密度；
一
排绕系数
１．１１．０５
叠绕系数
一
１１５１１５
泊松比：Ｒ（ｎ）一低阶频率方程的根。在选定了系统的工作频率后，根据式（３）计算出板的厚度。板的材料与外部框架的材料都取为４５号钢，这样
４）本体材料能够承受较大压力，可以在特定环境执
行工作任务。５）电、动能转换率高。６）传输巨大的单位体积的能量。７）响应速度快。８）无时效、无疲劳、无过热失效问题。
选用漆包线直径为ｄｒ，求出线圈单位长度上的匝数ｎ和单位厚度上的匝数ｎ２
３）稀土棒的直径与线圈的内径尽可能接近，有利于
充分利用磁场能。
２．１．２激励线圈的设计激发线圈一般采用漆包线为材料，遵循在最小体积下
获得最多缠绕圈数为原则。超磁致伸缩换能器激励线圈的具体设计步骤如下。
３）可以产生较大的机械能。
１０
ｎｚ＝一
ｋＩｄｒ
ｌ【）
ｎ＝一
．
２结构设计
超磁致伸缩换能器由以下几部分构成：稀土致伸缩棒、
（２）
式中：
分别为线圈的排绕系数和叠绕系数，它们的数值随导线直径不同而改变，如表１所示。
、一
表１导线直径不同的和值
稀土超磁致伸缩震源的设计
Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒａｒｅ — －ｅａｒｔｈｇｉａｎｔ－・ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｓｏｕｒｃｅ
漆首栋周炜（江西省建筑科学研究院，江西南昌３３００４６）
颈紧螺栓
配置
图１超磁致伸缩换能器结构示意图
某些晶体物质和陶瓷材料在外力或其他外部能量作用下产生变形，在这些物质的表面会产生电荷，这种现象被
称之为压电效应，也可称之为电致伸缩效应。这种现象在工程应用中十分广泛，可以制造出各种换能器和传感器，比如各种速度计、加速度计、超声波换能器、声音存储设
中图分类号：ＴＦ８文献标识码：Ｂ文章编号：１００３ — ８９６５（２０１７）０５ — ００６９ — ０２
在建筑工程无损检测中，利用声波测试是一种很常见
的方法，但受限于传统声波换能器的影响，大部分声波换
ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｒａｒｅ — ｅａｒｔｈｉａｇｎｔｍａｎｅｇｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｓｏｕｒｃｅｆｒｏｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｉｒｃｕｉｔｔＷＯａｓｐｅｃｔｓ，ｗｈｉｃｈａｓａｎｅｗｔｙｐｅｓｏｕｒｃｅｗｉｌｌｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｅｎｉｎｇｅｅｒｉｎｇｔｅｓｉｔｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｒｅｅａｔｒｈ；ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔＯｓｔｉｒｃｔｉｖｅ；ｓｏｕｒｃｅｄｅｓｉｎ；ｎｇｏｎｄｅｓｔｒｕｃｉｔｖｅｔｅｓｔｉｎｇ
漆包线圈、张紧螺杆、碟簧、配重、发射头、外壳、如图
１所示：
能器产生的声波频率单一，穿透性比较差。在此本文介绍
一
种可以发射超磁多波，具有多种频率，且穿透性较强的
稀土超磁致伸缩换能器，以满足建筑工程中的无损检测要
求。
１设计原理
１．１磁致伸缩效应
备等。
２．１超磁致伸缩换能器的结构设计
通过精确的设计和合理的阻抗匹配，可使换能器产生
较大震动，制造出较大功率声能。
２．１．１线圈骨架的设计，线圈骨架设计的基本要求是：１）必须使用非导磁材料。
２）稀土致伸缩棒的长度须短于线圈长度，有利于磁场对稀土棒的覆盖。
摘要：本文基于稀土超磁致伸缩声波换能器与传统声波换能器的优点，从结构和电路两个方面进行介绍稀土超磁致
伸缩震源的设计，作为一种新型震源必将在工程检测中发挥重要作用。
关键词：稀土；超磁致伸缩；震源设计；无损检测
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｒａｒｅ —ｅａｒｔｈｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｄｖｅａｃｏｕｓｉｃｔｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｃｏｕｓｔｉｃ