基于雙壓電懸臂梁的交變梯度磁力計設(shè)計

磁性材料是重要的基礎(chǔ)功能材料，廣泛應(yīng)用于電子信息、新能源汽車、醫(yī)療和環(huán)保等領(lǐng)域。目前常用的磁性測量設(shè)備中，發(fā)展較好的有振動樣品磁強(qiáng)計（VSM）、交變梯度磁力計（AGM）以及超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等。其中，SQUID靈敏度最高，AGM的靈敏度低于SQUID，但SQUID采購及維護(hù)成本高。VSM結(jié)構(gòu)相對簡單，但VSM一般適用于塊狀固體測量（大質(zhì)量），對于薄膜類或小質(zhì)量樣品的測量，靈敏度不足。AGM在兼顧靈敏度的同時，又可用于微量樣品的測量。對于AGM而言，以探頭為核心的懸臂梁系統(tǒng)是其重要組成部分，懸臂梁系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到AGM的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了減少機(jī)械結(jié)構(gòu)及環(huán)境擾動對AGM精密測量的影響，鄭州大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種抵抗強(qiáng)振動干擾的采用雙壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的AGM。通過施加一定頻率及振幅的外部激勵對雙壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的抗干擾能力進(jìn)行測試，結(jié)果表明雙壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)能有效減少機(jī)械以及環(huán)境擾動的干擾。所研制的AGM在強(qiáng)振動環(huán)境中的材料磁特性評估方面具有一定的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《儀表技術(shù)與傳感器》期刊。

這項(xiàng)研究提出的AGM由壓電懸臂系統(tǒng)、磁場發(fā)生系統(tǒng)以及信號檢測系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。其中，磁場發(fā)生系統(tǒng)由直流電磁鐵、梯度線圈、信號發(fā)生器、直流電源供應(yīng)器和切極箱構(gòu)成；信號檢測系統(tǒng)由鎖相放大器和測控軟件構(gòu)成；壓電懸臂系統(tǒng)由壓電雙晶片、懸臂、XYZ-3軸微動平臺以及支撐裝置構(gòu)成。圖2為雙壓電懸臂梁示意圖，2片壓電雙晶片并排固定于懸臂同側(cè)。通過XYZ-3軸微動平臺的調(diào)節(jié)，可以使樣品與梯度線圈、電磁鐵精準(zhǔn)的位于同一軸心，從而增強(qiáng)信號強(qiáng)度，減少測量誤差。圖3為基于雙壓電懸臂梁的AGM樣機(jī)。

圖1 本研究提出的AGM系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖2 AGM雙壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)圖

圖3 AGM樣機(jī)

研究人員通過施加外部激勵評估了雙壓電懸臂梁抵抗環(huán)境干擾的能力，結(jié)果表明，當(dāng)外部激勵振幅為12 μm、以165 Hz的頻率（共振頻率）平行于壓電雙晶片振動方向施加時，雙壓電懸臂梁與單壓電懸臂梁相比，輸出電壓的相對標(biāo)準(zhǔn)誤差降低了53.16%，能夠有效減少來自環(huán)境以及機(jī)械振動的擾動。使用SQUID對儀器進(jìn)行了校正，儀器靈敏度達(dá)到了7 × 10?? A·m2。采用儀器對體積濃度為2%的Fe3O4磁性納米顆粒進(jìn)行測試，飽和磁矩為2 × 10?? A·m2。

圖4 壓電懸臂梁在不同頻率下的響應(yīng)曲線

圖5 校正后的AGM與SQUID對比圖

圖6 外加磁場強(qiáng)度為4000 ~ 6000 Oe時的磁矩值

這項(xiàng)研究所開發(fā)的交變梯度磁力計為強(qiáng)振動干擾環(huán)境下的材料磁特性研究提供了一種新的可能，具有一定的應(yīng)用前景。

審核編輯：湯梓紅