基于双压电悬臂梁的交变梯度磁力计设计

磁性材料是重要的基础功能材料，广泛应用于电子信息、新能源汽车、医疗和环保等领域。目前常用的磁性测量设备中，发展较好的有振动样品磁强计（VSM）、交变梯度磁力计（AGM）以及超导量子干涉仪（SQUID）等。其中，SQUID灵敏度最高，AGM的灵敏度低于SQUID，但SQUID采购及维护成本高。VSM结构相对简单，但VSM一般适用于块状固体测量（大质量），对于薄膜类或小质量样品的测量，灵敏度不足。AGM在兼顾灵敏度的同时，又可用于微量样品的测量。对于AGM而言，以探头为核心的悬臂梁系统是其重要组成部分，悬臂梁系统的优劣直接影响到AGM的性能。

据麦姆斯咨询报道，为了减少机械结构及环境扰动对AGM精密测量的影响，郑州大学的研究人员开发了一种抵抗强振动干扰的采用双压电悬臂梁结构的AGM。通过施加一定频率及振幅的外部激励对双压电悬臂梁结构的抗干扰能力进行测试，结果表明双压电悬臂梁结构能有效减少机械以及环境扰动的干扰。所研制的AGM在强振动环境中的材料磁特性评估方面具有一定的应用前景。相关研究成果已发表于《仪表技术与传感器》期刊。

这项研究提出的AGM由压电悬臂系统、磁场发生系统以及信号检测系统构成，如图1所示。其中，磁场发生系统由直流电磁铁、梯度线圈、信号发生器、直流电源供应器和切极箱构成；信号检测系统由锁相放大器和测控软件构成；压电悬臂系统由压电双晶片、悬臂、XYZ-3轴微动平台以及支撑装置构成。图2为双压电悬臂梁示意图，2片压电双晶片并排固定于悬臂同侧。通过XYZ-3轴微动平台的调节，可以使样品与梯度线圈、电磁铁精准的位于同一轴心，从而增强信号强度，减少测量误差。图3为基于双压电悬臂梁的AGM样机。

图1 本研究提出的AGM系统构成示意图

图2 AGM双压电悬臂梁结构图

图3 AGM样机

研究人员通过施加外部激励评估了双压电悬臂梁抵抗环境干扰的能力，结果表明，当外部激励振幅为12 μm、以165 Hz的频率（共振频率）平行于压电双晶片振动方向施加时，双压电悬臂梁与单压电悬臂梁相比，输出电压的相对标准误差降低了53.16%，能够有效减少来自环境以及机械振动的扰动。使用SQUID对仪器进行了校正，仪器灵敏度达到了7 × 10⁻⁹ A·m²。采用仪器对体积浓度为2%的Fe3O4磁性纳米颗粒进行测试，饱和磁矩为2 × 10⁻⁶ A·m²。

图4 压电悬臂梁在不同频率下的响应曲线

图5 校正后的AGM与SQUID对比图

图6 外加磁场强度为4000 ~ 6000 Oe时的磁矩值

这项研究所开发的交变梯度磁力计为强振动干扰环境下的材料磁特性研究提供了一种新的可能，具有一定的应用前景。

审核编辑：汤梓红