[发明专利]一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置及其方法，适用于测量样品的磁致伸缩，尤其适用于横截面积较小的棒状样品的磁致伸缩。

背景技术

在外磁场的作用下，铁磁材料的尺度会发生变化，这种现象称为磁致伸缩现象。磁致伸缩材料是重要的能量与信息转换功能材料，磁致伸缩系数无疑是最关键的一个磁学参数，由于磁致伸缩系数的量级较小，在10^-3-10^-7范围，因此实现准确测量是一个技术难题。

根据现有的技术条件，磁致伸缩系数的测量方法有小角转动法，应变电阻法，光学法，隧道探头法和电容法。小角转动法适用于测量带状或丝状材料的磁致伸缩系数，其原理是在不同张力的作用下通过调节直流偏场的大小以使偏转角保持恒定，因此可调节的因素比较多，张力大小，直流偏场以及偏转角都会影响最终的测量结果，但目前带状或丝状材料的磁致伸缩系数测量仍以小角转动法为主。应变电阻法适用于测量薄膜材料或不规则小样品的磁致伸缩系数，其原理是把作为桥臂的电阻应变片贴在待测样品上，将样品长度的变化转化为电阻的变化进行测量．由于测量过程中样品温度、磁电阻效应等因素的影响，电路中会出现较严重的漂移现象，导致测量难以准确进行，但应变电阻法测量环节中样品制备较为简单，不需要特殊的设计结构，因此应用较为普遍。光学法也适用于测量块体样品的磁致伸缩系数，通过激光器光路检测样品自由端长度的变化量，测量精度高，但激光设备较昂贵，制造成本高。隧道探头法是最新发展的一种磁致伸缩测量方法，用于测量丝状样品的磁致伸缩系数。电容法是根据平行板电容的原理，在外加磁场下，通过测量被测样品与传感器极板之间的电容变化，平板电容器的电容与两极板的间距成反比关系，间接测量样品的伸长或缩短量。

其中，电容法比小角转动法和应变电阻法具有更高的测量精度，原理简单。万红等（万红，邱佚，谢海涛，斯永敏，扬德明，《电容位移法精确测量磁性薄膜的磁致伸缩系数》，功能材料，2002，vol.33，第262-264页）利用该原理测量了薄膜样品的磁致伸缩系数，但没有直接测量到薄膜样品的弯曲变形和外加磁场的关系，而是在两者之间通过电容位移测量仪间接找对应关系，这无疑就增加了测量不确定性。B.Kundys等（B.Kundys,Yu.Bukhantsev,and S.Vasiliev et al.，Threeterminal capacitance technique for magnetostriction and thermal expansion measurements,Review of Scientific Instruments，2004，vol.75，2192-2196.）利用电容法测量样品的磁致伸缩系数，被测样品一端固定，一端通过杠杆与可移动电极相连，与固定电极形成一组电容，为单通道测量方法。因为磁致伸缩系数的数量级很小，在10^-3-10^-7范围，因此固定样品或与杠杆连接环节带来的机械误差会对测量结果造成影响。以上这些因素对测量样品的磁致伸缩特性带来了不利影响，影响了测量的准确性。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置，其结构设计简单，灵敏度高，精度稳定性好，成本低，可实现不接触式测量样品磁致伸缩系数。

本发明的另一个目的是提供一种使用上述装置测量磁致伸缩的方法。

本发明的理论依据是平行板电容的电容与极板间距离的关系满足：

C=ϵ·Sd+C0]]>

其中ε为介质介电常数，S为极板面积，d为极板间距离，C₀为偏离电容。根据公式，电容和极板间距离成反比。