磁性材料是重要的基礎功能材料，廣泛應用于電子信息、新能源汽車、醫療和環保等領域。目前常用的磁性測量設備中，發展較好的有振動樣品磁強計（VSM）、交變梯度磁力計（AGM）以及超導量子干涉儀（SQUID）等。其中，SQUID靈敏度最高，AGM的靈敏度低于SQUID，但SQUID采購及維護成本高。VSM結構相對簡單，但VSM一般適用于塊狀固體測量（大質量），對于薄膜類或小質量樣品的測量，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是其重要組成部分，懸臂梁系統的優劣直接影響到AGM的性能。

據麥姆斯咨詢報道，為了減少機械結構及環境擾動對AGM精密測量的影響，鄭州大學的研究人員開發了一種抵抗強振動干擾的采用雙壓電懸臂梁結構的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構的抗干擾能力進行測試，結果表明雙壓電懸臂梁結構能有效減少機械以及環境擾動的干擾。所研制的AGM在強振動環境中的材料磁特性評估方面具有一定的應用前景。相關研究成果已發表于《儀表技術與傳感器》期刊。

這項研究提出的AGM由壓電懸臂系統、磁場發生系統以及信號檢測系統構成，如圖1所示。其中，磁場發生系統由直流電磁鐵、梯度線圈、信號發生器、直流電源供應器和切極箱構成；信號檢測系統由鎖相放大器和測控軟件構成；壓電懸臂系統由壓電雙晶片、懸臂、XYZ-3軸微動平臺以及支撐裝置構成。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。通過XYZ-3軸微動平臺的調節，可以使樣品與梯度線圈、電磁鐵精準的位于同一軸心，從而增強信號強度，減少測量誤差。圖3為基于雙壓電懸臂梁的AGM樣機。

圖1 本研究提出的AGM系統構成示意圖

圖2 AGM雙壓電懸臂梁結構圖

圖3 AGM樣機

研究人員通過施加外部激勵評估了雙壓電懸臂梁抵抗環境干擾的能力，結果表明，當外部激勵振幅為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，輸出電壓的相對標準誤差降低了53.16%，能夠有效減少來自環境以及機械振動的擾動。使用SQUID對儀器進行了校正，儀器靈敏度達到了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曲線

圖5 校正后的AGM與SQUID對比圖

圖6 外加磁場強度為4000 ~ 6000 Oe時的磁矩值

這項研究所開發的交變梯度磁力計為強振動干擾環境下的材料磁特性研究提供了一種新的可能，具有一定的應用前景。

審核編輯：湯梓紅