磁致伸缩传感器技术应用的发展

磁致伸缩传感器技术应用的发展
作者：文西芹；宁晓明；张永忠；刘成文





       自从焦耳在 1842 年发现磁致伸缩效应以来 ,它一直是磁弹性领域中一个令人感兴趣的研究课题。所谓磁致伸缩效应可定义为任何材料由于其磁状态的变化而产生其在形状和尺寸上变化的现象 ,反过来 ,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 ,这种现象就是所谓的逆磁致伸缩效应。由于磁致伸缩材料在磁场作用下 ,其长度发生变化 ,可发生位移而做功或在交变磁场作用下发生反复伸张与缩短 ,产生振动和声波 ,从而可以将电磁能 (或电磁信息) 转换成机械能或声能 (或机械位移信息和声信息) ,相反也可以将机械能或声能(或机械位移信息和声信息) 转换成电磁能 (或电磁信息) 。因此磁致伸缩在所有的磁性材料中起着重要的作用 ,被广泛用于磁致伸缩元器件的开发。

       磁致伸缩的第一项技术应用即振荡器、扭矩仪出现于 1930 年以前 ;20 世纪 40 年代 Ni 和 Co 的多晶磁致伸缩材料进入应用 ;50 年代前苏联利用 Fe -13 %Al 合金开发了 Fe - 13 %Al 声发射器 ;60 年代开发的高磁致和高电声转换效率的铁氧体材料被广泛应用于超声焊接、超声净化、滤波装置和延迟线 ; 70 年代 ,Clark 发现了稀土 - 铁系化合物 ,与传统的磁致伸缩材料和压电陶瓷相比 ,这种材料具有高磁致伸缩应变及推力大、能量转换效率高、稳定性好和可靠性高等特点 ,因此一经出现 ,立即受到各国专家的高度关注。到 20 世纪 80 年代中后期 ,美国、日本、中国等国家先后对这种材料的性能、成份掺杂、相结构、磁结构等进行了充分的研究 ,使得磁致伸缩技术进入了一个新的发展时期 ,并在此基础上开发了大量的实用性器件。

1 　磁致伸缩传感器的应用领域

       利用材料的磁致伸缩效应来测量某些非电量始于 19 世纪、发展于 20 世纪后期 ,其应用领域包括力学传感器领域、磁学领域、声学领域、微位移领域、医学领域及材料领域等。

1. 1 　力学传感器领域

       利用材料的逆磁致伸缩效应可以开发多种力学传感器 ,用于扭矩、残余应力、振动及加速度等力学量的检测 ,这也是目前磁致伸缩技术应用较成熟的领域。

1. 1. 1 　扭矩传感器

       目前在工业上常用的三种磁致伸缩扭矩传感器是 :非晶态合金扭矩传感器、非接触式扭矩传感器和传感器轴。

       日本学者 Yamasaki ,Mohri 和其同事们发明了将磁致伸缩材料直接应用到轴体表面上 ,以解决轴材料本身磁性不足的问题 。他们采用线爆喷射工艺将镍、铁 - 镍和铁 - 钴 - 镍高磁致伸缩非晶态合金材料粘附到轴体表面上形成与轴线成 45°和- 45°的两组斜条形细薄层。利用这种斜条形膜构成双磁芯多谐振荡器桥路 ,构成扭矩传感器系统。 Sasada 等人发明通过等离子喷涂技术而在轴体表面获得 < 300μm 镍层的非晶态合金传感器系统。实验证实这种传感器几乎与旋转频率无关 ,与传统金属电阻薄膜制成的扭矩计相比 ,其灵敏度提高 10 倍之多。

       利用这种原理 ,Ohzeki 等人成功地开发出一种用于铣床切削力自动监测的扭矩传感器,可有效地防止刀具断裂 ,并提高工件加工质量。Nishlbe 等人开发了用于监测汽车发动机不点火的微型扭矩传感器 ,此种传感器在监测精度上明显优于转速检测方法。Sasada 等人开发了一种利用轴材料本身的磁特性进行扭矩在线检测的传感器系统 ,实现了钻头上工作扭矩的在线检测 ,同时他还发明了用磁头和镀镍磁致伸缩棒制成的可测瞬时扭矩的非接触扭矩传感器 ,其精度可达3. 5 mV/ N·m ,这些扭矩传感器已广泛应用于轴承、感应电机等超微型扭矩检测中。

       美国和日本科学家利用 Tb2Dy2Fe 材料制作电磁致传感器用于汽车转向系统和驱动轴代替液压系统 ,可以节省 5 %的燃油消耗。据美国一资料统计 ,仅此磁电转向系统每年可为全美个人汽车节省燃油37 亿加仑。(注 :1 美加仑 = 3. 785 41 L)目前 ,非晶态合金扭矩传感器还在不断的发展和完善之中。同轴线圈式扭矩传感器已经形成了系列化的实用产品 ,可以测量 0～105 N·m 的动态扭矩。而磁头型传感器还存在零点漂移、温度漂移及间隙补偿等问题需要进行进一步的探索。

1. 1. 2 　力、应力及应变检测传感器
       力和应力传感器广泛应用于诸如车辆主悬挂装置、发动机底座、主振动控制 ,桥梁负载监测、加工控制、建筑抗震灾害及构件残余应力的检测和有效控制中。利用众多磁致伸缩材料的磁导率灵敏于应力这一特性 , Kleinke 和 Uras 发明的一种力传感器是利用磁路中电阻抗的变化随应力变化的原理来测量力或应力。它采用了两个磁致伸缩弹性组件并用钢性的端面块固定在适当的位置 ,这种传感器已用于自动卸料系统来实现料位的在线监测和实时控制。我国清华大学学者谢大吉等人采用四极磁探头对工程钢门楼主桁架和超高压厚壁钢管大变形残余应力进行实测 ,取得了很好的效果。美国海军表面武器研究中心的 Wun2Fogle 和同事们研制出了用非晶态合金薄带制成的应变计 ,这种磁致伸缩应变计与传统的半导体应变计相比具有更大的动态范围 ,更高的灵敏度 ,可测应变量最小可达 3 ×10 - 10 ,在 0. 05 Hz 下有低至 10 - 9的分辨力。

1. 1. 3 　防振、防噪传感器

       此类传感器广泛应用于机器人及测震领域 ,如日本明治大学的学者研究了一种超磁致伸缩防震装置用于原子能发电所的配电管系统 ,在此基础上还开发了用于建筑施工的防震装置 。美国利用稀土超磁致伸缩材料制成反噪声与噪声、反拔振动与振动传感控制系统可使运载工具的噪声降低到20 dB以下 ,使振动减少到令人舒适的程度。国外还成功地利用 Terfenol2Dyaqr 制成了测地震波的装置。

1. 2 　磁场传感器

       目前商业用磁场传感器的结构形式多种多样(包括依赖于材料本身的磁致伸缩特性的传感器) ,这在很大程度上是由于需要不同的传感器来检测不同强度和不同频率的磁场。最常用的结构是使用磁致伸缩材料覆盖光纤 ,而有些其它的磁场传感器则是基于单片集成电路的 Terfenol2Dyaqr 试件。目前基于磁致伸缩延迟线技术的磁场传感器也已通过实验认证。

       第一台磁强计是由 Chung 等人研制的 ,它是利用 Terfenol2Dyaqr (简称 T2D) 试件杆将磁场转换成可以测量的物理量。T2D 杆在一个交流磁场中产生应变 ,这种位移应变可用一标定过的激光干涉仪精确地测量并输出一个与磁场有关的信号。偏置于 T2D 试件的直流磁场用于优化带有磁场信息的输出应变 ,它可输出高达 10 ×10 - 6的值。

       基于磁致伸缩效应的光纤传感器也是目前世界各国研发的热点。1979 年 , Yariv 和 Winsor 提出了这种传感器的通用的结构 ,它是用磁致伸缩薄膜覆盖于光纤表面。磁场引起磁致伸缩层产生变形 ,使得光纤产生应变 ,而这会引起激光的光信道长度产生变化 ,借助干涉仪可测量相位变化。美国学者Mermelstein 通过实验发现这种传感器的分辨力范围在 DC 和低频 (低于 1 Hz) 下大约是 3 ×10 - 11Oe。

       我国武汉理工大学李强领导的科研组也成功地开发出了磁场光纤传感器原型。目前该传感器动态范围可达 102～10 - 2 Gs ,灵敏度为 10 - 3～10 - 4 Gs ,可用于高电压、大电流检测以及自导武器引线和地震与地质勘探等尖端领域。美国海军研究所的 Bueholtz等人也开发出了一种采用合金玻璃制成的磁场传感器。

1. 3 　材料特性传感器

       该传感器是一种非接触磁致伸缩传感器 ,它使用目标材料本身的磁致伸缩特性来激励能够被测量或监测的弹性波从而获得目标的特征。这个系统可以直接用于由磁致缩材料制成的目标或者非磁致伸缩试件 ,但后者的表面需要粘贴一层高磁致伸缩材料。

       缠绕目标的发射线圈 (由脉冲生成器、电荷放大器和偏置磁铁组成) 通过磁致伸缩激励生成机械波 ,和发射线成一定距离的接收线圈 (由信号前置放大器、数据采集硬件和永磁铁) 测得由于磁致伸缩波而产生的信号。材料外在几何形状的改变和内部结构缺陷将改变信号 ,而这些信号可以反映材料的特性、识别腐蚀的产生或测量内应力 ,像蚀损斑、壁厚变薄、裂纹等均可检测到。实验表明 ,波形的衰减随着腐蚀的程度而增大。这种方法已被成功地应用于识别导线束、加强肋 (包括埋置于水泥中的加强肋) 、水管和其它一些适用非无损检测技术的腐蚀检测。 May 和 Claus 开发了一种与磁致伸缩组件耦合的在线光纤传感器一直用于合成树脂特性的检测 ,这种光纤传感器的光纤表面涂有一层磁致伸缩材料 ,目前这种传感器已用于医学治疗中。

1. 4 　位移和运动传感器

1. 4. 1 　位移传感器

       基于磁致伸缩效应的微位移传感器已广泛应用于机器人、超精密 (准确度达 10 - 9 m) 机加工机床、红外线电子束、激光束扫描控制、照相机快门、精密流量控制和原子力显微镜等领域。

       英美合资的 Lucas 公司开发了一种非常简便的位置传感器 ,通过将一永久磁铁连接到浮于流体中的设备上来测量液位 ;法国 Equipiel 公司已开发了一种 Captosonic 位置传感器 ,可测量高达 50 m 的距离而精度达 ±1 mm。美国海军表面武器研究中心应用 Metglas2605SC 开发的磁致伸缩应变计用于微位移检测 ,与传统的半导体应变计相比具有更大的动态范围、更高的灵敏度。武汉理工大学李强等人也开发了利用 Tb0. 23Dy0. 73 Fe1. 95大单晶制成的微米级位移传感器 ,用于微加工和原子蚀刻等领域。在我国还有一些学者将此种传感器用于液压缸位移的测量。

       目前最通用的位移传感器是基于磁致伸缩波导器。这个系统是检测与所测目标相连的永久磁铁的位置 ,它可以自由地沿着磁致伸缩波导器的长度方向移动。它是利用 Widemann效应 ,通过测量由于在波导器中应变脉冲所起的磁导率的变化而测量出声波 ,从而确定目标的位置。

       另外磁致伸缩延迟线 ( MDL ) 用于测量位移的一项创新性的应用 , 它是利用 MDL 、垂直导体( PCC) 和一软磁有源铁芯 (AC) 共同构成测量系统。已有报导 ,使用 24μm 厚的玻璃钢 2605C 非晶合金薄带作为 MDL 可以达到 10 mV/μm 的灵敏度。若干个 AC - PCC 组件和一个 MDL 可用来构成一个组合的阵列。Hritoforom 和 Reilly 在有关文献中讨论了这种新颖的传感器系统以及多种 AC - PCC -MDL 的结构形式 ,目前这种新型传感器已用于运动员步伐分析、测量界面压力和剪应力分布。美国学者 Clark 还研制出了可变延迟线 ,利用磁致伸缩效应所产生的表面弹性波制成智能触觉器、滤波器、阵列数字转换器等。

1. 4. 2 　速度传感器

       Fenn 和 Gerver 研制一种基于偏置 T2D 作动器的永久磁铁速度传感器。此传感器被连接到使T2D 磁芯产生应变的运动目标上。磁感应强度 B 的变化借助于方程 (1) 和 (2) 所示关系同 T2D 铁芯中的应变ε产生联系。由法拉第 - 楞次定律 (方程 3) ,在缠绕的检测线圈中将感应到与 T2D线圈中的磁感应强度 B 的时间变化率成比例的电压。这样传感器的输出电压就是一个与连接目标的速度成比例的信号。

1. 5 　声频和超声传感器

       磁致伸缩技术在声频和超声方面具有广泛的应用前景 ,目前世界各国利用稀士超磁致伸缩材料开发一系列的水声换能器和电声换能器用于军事和民用领域。

       美国、法国等西方发达国家已开发出低频 (频率为 10 ～ 2 000 Hz) 、大功率 (声源级约 220 dB) 的声纳用和水声对抗用水声换能器用于海军 , 因为低频可以打破敌方舰艇的隐身技术 , 而大功率则可以探测更远距离的目标; 日本则用稀士超磁致伸缩材料制成海洋声学断层分析系统 (OA T) 及海洋气候分析系统(ATOC) ,用于测量海水的温度和海流的分布图。

       利用稀士超磁致伸缩材料及其化合物的弹性模量随磁场的改变变化极大的特点 ,日本人研制出了用于电器的小型扬声器、用于医学的超声全息照相、超声体外排石及心音脉博传感器。

2 　结束语

       自从磁传感器作为一种独立产品进入应用以来 ,基于磁致伸缩效应的传感器的应用领域也在不断的拓展。已从传统的力学、磁学领域扩展到声学、生物医学等新型应用领域 ,其传感器除由最初的应力、应变、磁场传感器扩展到水声换能器、电声换能器、磁弹性延迟线数字化仪、磁声键盘系统、生物机械传感器、呼吸传感器和软热治疗系统等。从以上可以看出 ,磁致伸缩技术具有非常广泛的应用前景。

然而应该看到 ,磁致伸缩传感器技术的应用及发展目前还存在着一些不足 ,表现在 :

(1) 磁致伸缩传感器技术的应用发展及其性能的改善取决于敏感材料。因为在各种传感器中 ,敏感组件是关键 ,而敏感组件的基础是敏感材料。而目前新型磁致伸缩材料的开发速度已阻碍了应用领域的扩展 ;

(2) 在某些应用领域 ,磁致伸缩传感器较之其它类型还存在明显的不足 ,如 T2D 与同一时期诞生的大电致伸缩传感器相比 ,在微位移领域中存在着准确度低、响应差、发热伸长、分辨力不高等缺点。

       因此 ,从今后发展来看 ,不断开发新型功能材料 ,特别是稀士超磁致伸缩材料 ,以期制造更多更新的传感器件 ,使其应用领域从宏观、微观向纳米尺度、原子尺度扩展 ,从传统的应用领域向其它新型技术领域扩展 ;对现有的稀士超磁致伸缩材料进行成份的调整、掺杂研究、相结构、磁结构转换或将磁致伸缩材料和其它材料如压电材料的优异性能进行有机融合 ,以期改善现有传感器件的性能 ;将是今后磁致伸缩传感器技术发展的方向。






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