基于PXI-4220的磁致伸缩性能测量系统

项目背景

磁致伸缩效应是指磁性材料在外加磁场作用下发生尺寸变化的现象，是磁性材料的重要物理特性之一。磁致伸缩材料在传感器、致动器和能量收集器等器件中具有重要的应用价值。小尺寸磁性样品的磁致伸缩性能测量需要高精度的应变测量系统和可控的磁场环境。

基于PXI-4220数据采集卡和LabVIEW开发的磁致伸缩性能测量系统为小尺寸磁性材料的磁致伸缩特性研究提供了自动化的测量平台。PXI-4220集成了惠斯通电桥调理电路，可以直接连接应变片测量微小应变信号。LabVIEW控制可编程电源产生扫描磁场，同步采集应变数据，实现磁致伸缩曲线的全自动测量。

系统硬件设计

系统硬件由NI PXI-4220双通道数据采集卡（安装在PXI-1042Q机箱中）、KEPCO BOP 72-6D可编程双极性电源、GMW 5043-76mm电磁铁、RS Pro应变片和定制铜质样品夹具组成。PXI-4220内置半桥I型惠斯通电桥调理电路，为应变片提供激励电压并放大应变信号。

KEPCO BOP 72-6D可编程电源可输出±72V电压和±6A电流，通过GPIB接口接收LabVIEW的控制指令，产生扫描磁场所需的锯齿波、三角波或正弦波电流波形。GMW电磁铁在电流驱动下产生最高1T的可调磁场。应变片粘贴在样品表面，通过铜质夹具的电连接接入PXI-4220的电桥电路。

软件系统设计

LabVIEW软件通过GPIB指令控制KEPCO电源输出扫描电流，同时以PXI-4220采集应变片的应变信号。软件支持多种扫描波形（锯齿波、三角波和正弦波）和扫描速率设置，用户可以根据样品特性选择合适的测量参数。采集到的应变信号经过巴特沃斯低通滤波器进行数字滤波，消除电源噪声和电磁干扰。

测量数据自动保存为Excel或TXT格式文件，包含磁场强度、应变值和测量时间等完整信息。软件界面以磁致伸缩曲线图实时显示应变随磁场变化的趋势，用户可以观察磁致伸缩回线的形成过程。系统还支持不同角度下的磁致伸缩测量，样品夹具上配置了角度指示标尺。

系统应用效果

利用该系统对CoFe2O4陶瓷样品进行了磁致伸缩性能测量。测量结果清晰显示了磁致伸缩随磁场变化的迟滞回线特征，饱和磁致伸缩系数约为200-300×10⁻⁶，与参考文献的报道数据一致，验证了系统的测量准确性。

系统的自动扫描测量功能实现了完整的磁致伸缩回线测量，包括磁化过程和退磁过程的应变变化。系统支持任意波形的电流扫描模式，可以灵活设置磁场扫描范围、扫描速率和采样点数。该系统的成功应用为小尺寸磁性材料的磁致伸缩性能研究提供了高效的自动化测量工具。

PXI-4220数据采集卡是系统测量的核心硬件，提供双通道同步采集和内置的惠斯通电桥调理电路。电桥电路支持四分之一桥、半桥和全桥三种配置方式，满足不同类型应变测量的需求。内置的激励电压源为应变片提供稳定的桥压，可编程增益放大器将微弱的应变信号放大到适合ADC采集的电压范围。

系统的磁场控制功能通过GPIB指令精确控制KEPCO电源的输出电流。LabVIEW生成任意波形数据序列，通过GPIB总线将波形数据下载到KEPCO电源的波形存储器中，电源根据波形数据输出对应的电流到电磁铁。系统支持电流波形的实时更新和序列输出，实现复杂的磁场扫描模式。

系统的数据采集与磁场扫描同步通过LabVIEW的定时循环实现精确同步。数据采集循环与磁场控制循环以相同的更新速率运行，确保每个磁场值对应准确的应变测量值。采集完成后系统自动生成磁致伸缩-磁场强度关系曲线，用户可以对曲线进行局部放大和游标测量。

PXI-4220的24位Δ-Σ ADC提供了高分辨率的应变信号数字化能力。高分辨率ADC确保了微小应变信号的精确量化，配合可编程增益放大器（增益1至1000倍可调）可以测量低至微应变级的磁致伸缩形变。PXI-4220内置的抗混叠滤波器确保了采样信号的带宽满足奈奎斯特定理的要求。

系统的样品安装夹具采用紫铜材料制作，具有良好的导热性能和机械加工性能。夹具设计为可拆卸结构，可以方便地更换不同尺寸和形状的样品座，适应不同尺寸磁性样品的测量需求。夹具上配置了角度刻度盘，用于测量磁致伸缩与磁场方向夹角的关系。

该系统在磁性材料研究中具有广泛的应用前景。系统可以测量铁磁材料、铁氧体材料和磁致伸缩合金等多种磁性材料的磁致伸缩性能，为新型磁致伸缩材料的开发和性能优化提供准确的测量数据。系统的全自动测量功能显著提高了磁致伸缩性能评价的效率。

系统的GPIB通信控制模块实现了对KEPCO可编程电源的精确控制。LabVIEW通过VISA GPIB函数库发送SCPI指令设置电源的输出模式和电流值。系统支持的扫描波形包括：锯齿波用于磁滞回线测量、三角波用于对称扫描测量、正弦波用于交流磁化率测量。每种波形对应的扫描参数可在LabVIEW界面中灵活配置。

该磁致伸缩测量系统在材料科学研究中具有重要的应用价值。系统的高精度应变测量能力使其可以检测到微小样品的微弱磁致伸缩信号，为新型磁致伸缩材料的开发和性能评价提供可靠的测试数据。系统的自动测量功能显著简化了磁致伸缩特性的测量流程。

该系统的高精度应变测量能力得益于PXI-4220的24位ADC和高增益信号调理电路。系统可以检测低至1微应变级的磁致伸缩形变信号，满足小尺寸样品（最小5mm×5mm）的磁致伸缩性能测量需求。系统还支持变温条件下的磁致伸缩测量，可配合温控台研究温度对磁致伸缩性能的影响。

LabVIEW的数据处理模块对采集的应变信号进行滑动平均滤波和基线校正处理。滑动平均滤波消除高频噪声干扰，基线校正消除应变片零点漂移的影响。处理后的数据以磁致伸缩曲线图展示，用户可以观察磁致伸缩随磁场变化的完整过程。曲线图支持局部放大和数据点游标读取功能。

该磁致伸缩测量系统的成功开发为小尺寸磁性材料的磁致伸缩性能研究提供了可靠的测量工具。系统的高精度和全自动化特点使其在材料科学研究中具有重要的应用价值。系统的设计思路对于其他材料物理性能的自动化测量系统开发也具有参考意义。