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CENTRALSOUTHUNIVERSITY现代传感器技术学生姓名学号指导老师刘少强学院信息科学与工程学院专业班级磁致伸缩效应在传感器中的应用1磁致伸缩效应在传感器中的应用摘要：传感器是人类感觉器官的延伸，是人类日常生活、生产过程、科学实验、军事活动等必不可少的组成部分。而传感器的工作原理是基于各种物理的、化学的、生物的效应和现象；具有这种功能的材料谓之“功能材料”或“敏感材料”。本文从实验室项目出发，通过对磁致伸缩效应及磁致伸缩材料有关资料的学习，介绍了磁致伸缩效应的原理及其在传感器设计中的应用。关键词：传感器、磁致伸缩Abstract:Thesensorisanextensionofhumansensoryorgans,itplaysanimportantroleinourdailylife,productionprocesses,scientificexperimentsandmilitaryactivities.Theworkingprincipleofsensorisbasedonavarietyofphysical,chemical,biologicaleffectsorphenomena;materialwiththisfeaturecalled“functionalmaterial”or“sensitivematerials”.Staringfromthelaboratoryproject,throughthestudyofmagnetostrictiveeffectandmagnetostrictivematerials,theprincipleofmagnetostrictiveeffectanditsapplicationinsensordesignwereintroducedinthisarticle.KEYWORDS:sensor，magnetostrictiveeffect1引言磁致伸缩效应是1842年由著名的物理学家:JamesPrescottJoule发现的，目前磁致伸缩效应被广泛应用于位移传感器的设计中，基于磁致伸缩效应的位移传感器具有可靠性强、精度高、量程大、安装、维护简便、便于系统自动化工作等显著优点。另外随着科技的发展，磁致伸缩效应也逐渐应用于其他传感器的设计。2磁致伸缩理论铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小变变化，这种现象称为磁致伸缩效应[1](magnetostrictiveeffect)。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，称为磁致伸缩系数。磁致伸缩效应有三种表现形式：①沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为纵向磁致伸缩;②垂直十外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为横向磁致伸缩;③磁体磁化状态改变时材料体积发生膨胀或者收缩，称为体积磁致伸缩。纵向磁致伸缩和横向磁致伸缩统称为线磁致伸缩，即当磁体磁化时，伴有晶磁致伸缩效应在传感器中的应用2格的自发变形，也就是沿磁化方向伸长或缩短。一般铁磁性物质发生线磁致伸缩时变化的数量级为10-5~10-6。体积磁致伸缩一般很小，实际用途也很少，在测量研究中很少考虑。在磁化过程中，磁体沿磁化方向单位长度发生的长度变化称为线磁致伸缩系数，用λ表示，表达式为：λ=∆L/L(2-1)式中，∆L为材料长度变化量，L为材料原始长度。λ的符号为正时，表示随着磁场强度的增强材料的长度是伸长的，称为正磁致伸缩，如铁的磁致伸缩就是属于这一类；反之，λ的符号为负时，表示随着磁场强度的增强材料的长度是缩短的，称为负磁致伸缩，如镍的磁致伸缩属于这一类。磁致伸缩现象的产生是由于铁磁或亚铁磁材料在居里点以下发生自发磁化，形成大量的磁畴，在每个磁畴内,晶格都发生形变,其磁化强度的方向是自发形变的一个主轴。在未加外磁场时，磁畴的磁化方向是随机取向的，总磁矩为零，无宏观效应，如图1（a）。外加磁场后，材料内部随机取向磁畴发生偏转,使各个磁畴的磁化方向与外磁场方向一致,于是产生宏观磁致伸缩,如图1（b），如果晶体沿自发磁化方向是伸长变形，则材料在外加磁场方向将伸长，则材料在外加磁场方向将缩短。（a）(b)图1磁致伸缩机理3磁致伸缩材料磁致伸缩效应的物质基础是磁致伸缩材料，自从发现磁致伸缩现象后，人们就一直希望利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备，为此发展了一系列磁致伸缩材料，大致上主要有以下三大类[2]:第一类：磁致伸缩的金属与合金，如镍基合金(Ni,Ni-Co,Ni-Co-Cr)和铁基合磁致伸缩效应在传感器中的应用3金(如Fe-Ni,Fe-Al,Fe-Co-V等)。第二类：铁氧体磁致伸缩材料，如Co铁氧体、Ni-Co铁氧体、Ni-Co-Cu铁氧体材料等。上述两种称为传统磁致伸缩材料，由于其磁致伸缩系数((20~80ppm)过小，它们没有得到推广应用。第三类：以Tb-Dy-Fe材料为代表的稀土金属间化合物超磁致伸缩材料，其中Tb0.3Dy0.7Fe1.95材料磁致伸缩系数达到1500~2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧化磁致伸缩材料大1~2个数量级。4磁致伸缩效应在位移传感器中的应用4.1位移传感器位移就是位置的移动。在几何学中，物体(或质点)的位置通常用其在选定的参照物坐标系上所处的坐标来描述。所谓位移传感器，是利用各种元器件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物距离的设备。4.2磁致伸缩位移传感器常用的位移传感器有浮子式、电阻式、电容式、电感式、光栅式、超声波、雷达式等，近年来，基于磁致伸缩效应的的位移传感器不断涌现，在磁致伸缩位移传感器研究这方面，美国位居各国之首，尤以美国MTS公司最为著名。4.2.1磁致位移传感器结构一般来讲，磁致位移位移传感器分为两部分，一部分是套有活动磁铁的测量杆；另一部分是位于测量杆上端的测量电路。一般的磁致位移传感器的结构如图2所示。图中主要包括以下几部分：波导丝、保护套管、移动磁铁、电路板部分。测量管是整个传感器的核心传感部分，这一部分又包括：偏置磁铁、波导丝、保护套管、末端衰减阻尼装置、非接触磁环、转换器输出。测量电量波导套管磁铁波导丝电脉冲图2磁致伸缩位移传感器结构图磁致伸缩效应在传感器中的应用44.2.2磁致位移传感器的工作原理磁致位移传感器工作时，传感头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号，根据电磁场理论，此电脉冲同时伴随一个环型磁场以光速沿磁致伸缩波导丝向下传递。当该环形磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时,将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。当磁致伸缩材料所处的磁场发生变化时,磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会跟着发生变化。因此当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时，磁致伸缩波导丝会产生伸缩变形，而沿螺旋形磁场的伸缩将导致波导丝产生扭曲形变，从而激发扭转波。该扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到信号检测系统中的感应线圈时，将转换成横向应力。根据发射脉冲与回波信号的时间差计算活动磁铁的位置，从而得到目标位置的位移量。5磁致伸缩效应在其他传感器中的应用5.1逆磁致伸缩效应磁致伸缩效应的另一种形式为逆磁致伸缩效应，所谓逆磁致伸缩效应指的是铁磁材料受到应力作用时呈现出磁各向异性。通俗的来讲，几乎所有的磁致伸缩材料受到应力作用时都会产生磁化状态的变化即逆磁致伸缩效应。5.2逆磁致伸缩效应在传感器中的应用基于逆磁致伸缩效应的传感器的设计中，目前研究较多的是应力传感器。常用的应力传感器应用较多的有电阻式应力传感器和压电式应力传感器。电阻式压力传感器在测试应用时必须将应变片粘贴在被测试件上或者传感器的弹性元件上，因此，粘合剂的性能将直接影响应变计的工作特性，容易产生测量误差。此外，电阻式压力传感器主要用于静力和低频动态力的测量。压电式压力传感器主要用于动态力的测量，因其测量信号随时间衰减的很快，不宜用于静态力的测量。另外，压电材料的抗压强度只有4MPa，所以用压电材料制作的应力传感器量程较小，使用范围受到限制。针对上述两种应力传感器的不足，文献[3]应用逆磁致伸缩效应设计了一种新型的应力传感器。其主视图如图3所示。磁致伸缩效应在传感器中的应用5图3、逆磁致伸缩效应应力传感器主视图1、底面螺钉2、底座3、下导磁板4、螺钉5、永磁棒6、超磁致伸缩棒7、外罩8、上导磁板9、承载块101112、螺钉组合13、感应线圈14、霍尔元件上述应力传感工作原理为：当向超磁致伸缩材料(超磁致伸缩棒)上施加压应力时，它的磁特性(磁导率)会立即发生变化，导致所述磁结构中的磁场分布发生变化，根据该变化即可确定出所施加应力的大小。如果测定的应力为静态力，则可通过在磁结构的空气隙处安装霍尔元件14监测该处的磁感应强度(如图1所示)，从而得知施加在超磁致伸缩材料上的压应力；如果测定的应力为动态力，则可在磁结构的某处，如超磁致伸缩棒6上绕上感应线圈13取得检测信号(如图3所示)，得知施加的动态压应力。除了应力传感器设计中应用磁致伸缩效应外，在其他传感器的设计中，如生物传感器[4]、光纤传感器[5]的设计中也逐渐看到了磁致伸缩效应的身影。6结论随着各种新型磁致伸缩材料的出现及磁致伸缩效应具有非接触式测量、高精度等特点，磁致伸缩效应在各种传感器的应用设计中将越来越广泛。参考文献[1]刘少强，张靖.传感器设计与应用实例[M].北京：中国电力出版社,2008[2]张艳龙.磁致伸缩材料Fe-Ca合金的研究[D]:[硕士学位论文].兰州：兰州理工大学，2009[3]河北工业大学.一种超磁致伸缩压力传感器及该传感器组合[P].中国：ZL200720097362.2，2009[4]高先娟，张玉军，甄瑞艳.磁致伸缩效应在生物传感器中的应用[J].化学工磁致伸缩效应在传感器中的应用6程与装备，2009，5：57~59[5]王宁波，崔艳.基于磁致伸缩的光纤传感器技术[J].兰州大学学报，2008，44：191~195