磁致伸缩型非晶磁性传感器

磁致伸缩型非晶磁性传感器
作者：吴安国



       磁致伸缩材料是指磁致伸缩系数值较大的材料。用于传感器的磁致伸缩材料，除了要求有较高的外，还要求有高的磁场灵敏度：用于高频时还要求有高的电阻率 因此．主要采用非晶磁致伸缩材料。例如在旋转液体中快淬制得的淬火态非晶F e—Si—B的扎为3 2xl0一，非晶Co—Si-B的 ．为一3×1 0～ 磁致伸缩型抟感器是利用材料的磁致伸绵遵效应做成的。本文是 磁性传感器的现状和未来的第二部分 。

1．利用Wiedemann逆效应的磁场～ 电流传感器

1．1威镶曼(Wiedemann)效应和传摩普原理

       威德曼效应是一种磁力学效应：将各向同性磁致伸缩磁体圆筒鬣于与其轴平行的均匀磁场中，将一根导线沿其轴穿入该圆筒中．通以直流电流，产生环形磁坜。结果，在磁性体中形成螺形磁场，圆筒体产生扭转变形。本传感器利用逆威德曼效应：先将非晶线扭转．由逆威德曼效应在非晶线中产生螺形各向异性 若给此非晶线通入交流电流，当电流声向(Sense)改变时．由交流电流产生的圆周磁场也反向。而 对于此圆周磁场的某一确定的临界值，磁化状态也换向如果在此非晶线上绕上检测线圈，则磁化强度的纵向分量的换向，台在检测线圈中感生电压 它是沿时间轴周期性的一系列窄的开关蜂。外加直流磁场H。 (待测磁场)对此波形的影响只是改变这些峰的时间对称性，由此产生二号谐波信号．如图l所示。检测这个二次谐波信号幅度就可知道外场的大小。

1．2传癌嚣的构成和性艟

       非品线标称成分是Fe ， Si ， B用水中淬火法鲥作。尺寸为卡125V,m×1 2c Jm将其中的一根通以500mA电流退火1121in。非晶线扭转52．36弧度／米后同定(注：原文疑有误．若为8转／米，应为50．26弧度／米)；绕于非晶线上的检测线圈为2000匝，交流励磁电流为2 5~80mA (均方根值)．频率(基频)为40~5000Hz 外加磁场为0"<-56A／m用HP35660A动态信号分析仪测量其输出结果如下 ．

1)经退火的非晶线的=次谐波信号幅度大于淬火态非晶线．尤其是在基频较高时(1^v 5kLIz)两者的二次谐波信号。输出E 一日 曲线明显地分离 

2）两个可用于检测磁场的线性区(工作区)：一个在0—1 sA／m之间，另一个在I6—4oA／m之间 但在此两区域内，传感器灵敏度不相同，前者高于后者 3)采用较高的励磁电流可得到较高的二次谐波输出，以采用40—80mA为宜 4)退火非晶线具有较高的灵敏度，在第一工作区内，基频为4kHz时灵敏度达25mV ，(A／m)一。本磁场特感器的优点是结构简单，灵敏度高，工作频率和励磁电流较低。

2，螺线管式扭矩

       传感嚣(2—4]、扭矩传感器以转轴为对象，它应具有下特点；

1)传感器与转轴不接触，安装维修方便；

2)输出不受轴转动的影响． 即轴静止．低速、高速转动时均可检测；

3)可检测瞬时扭矩。螺线管式扭矩传感器利用逆磁致伸缩效应检测扭矩，具备上述特点，而且灵敏度高、易于小型化，是现在研究的主流。

       传递大扭矩的轴．通常需进行表面硬化处理．这种热处理会大大影响转轴本身的磁致伸缩效应。固此，用螺线管直接检测转轴的扭矩是困难的。为了克服这种磁性和机械强度之间的兼容性不足在转轴表面粘贴与轴成45。角的八字形布置的Fe基非晶薄带 利用非晶薄带的磁致伸缩逆效应检测扭矩， 已处于实用阶段。

2．1厩理和结构

       转轴在扭矩 的作用下．在与轴向成±45‘的方向上产生主应力±d．再由磁致伸缩逆效应在主应力方向感生出各向异性 ，非晶薄带的磁化率随 变化。因此 只要测得磁导率的变化也就知道 。假设非晶薄带是扁平的椭球悻．其长轴方向是主应力的拉伸方向，该方向的退磁园子为Nz：其短轴方向的退磁因子为Ⅳr。又设在与长轴方向成a角的方向有单轴各向异性— ，它是未加扭矩时就存在的，由薄带粘贴于转轴上时的弯血应力产生。

        其中长螺线管是威磁线圈；两个短螺线管是检测线圈 其电感值之燕正比于所受的扭矩71。 5所起的作用是 6越小，灵敏度就越大。另一种传感器电路原理与双磁芯多谐振荡器桥路(MVB)相同(参阅第一部分第二节)，其直流输出电压与扭矩71成正比，而且没有磁滞。

2．2影响性能的田蠢

       薄带的弯曲应力感生的的大小可由薄带的栅始曲率口控制，是决定动态范围和灵敏度的重要参数，越小，灵敏度越高，初始曲率D是将薄带置于直径为D的圆柱体表面(薄带轴向与圆柱体轴向成45’角)一起进行退火设定的。更加巧妙地利用 还能提供对灵敏度随温度变化的自动朴偿机构，即随着温度的提高，适当地减小 ，就能补偿随温度升高而下降的灵敏度(灵敏度下降的原因是应力一磁转换效率随温度升高而下降)。方法之一是使用热膨胀率不同的薄带和转轴． 利用热处理后冷却时产生的热应力，例如．将热胀率为11．7×l0 ／℃的Fe—Ni系非晶薄带Metglas 2826MB． 粘接(或爆接)于热胀率为9 x l0 ／℃的钛钢轴上 经3OO13x lOmin+350℃ ×lOmin热处理后，在25一l20℃的温度范围内，灵敏度变化为一2．7×10 ／满刻度(对于d=2G1m的轴， =300N1 )；而用热胀率为7．9×1 0 ／℃的Fe系非晶薄带和钛钢轴(这时热应力为压应力)，在一3O～+120℃的范围内， 灵敏度变化为+2．5×1n ／满刻度(对于d=3 5mm ．T=200N111) 。这类扭矩传惑器．对于非磁性轴已实际应用， 目前需要的轴长是轴径的三倍．因此，需要进一步缩短轴长。这就首先要求缩短薄带占的轴向长度，而不降低灵敏度。方法之一是将八字形粘贴的薄带改成倒V字形粘贴，前者是分离开的．后者则靠拢在一起，灵敏度可提高20×10一。磁致伸缩材料隐粘贴和爆贴非晶薄带外，还可用电镀法，溅射法、线爆喷涂法等工艺形成八字形的薄膜(主要是用坡莫☆金)。，

3．非晶机械应力

       传感器(4-5]在许多情况下需要大量的应力传感器来显示应力分布，E．H ristofoi'ou(5)提出一种小型灵敏价廉的传感器，用比较简单的电路构成大的阵列 主要利用超声波传输效应。

3.1原理

       用磁致伸缩材料做的超声延迟线的一端有一个读出线圈。磁致伸缩材料是非晶台金Metglas26 05 SC薄带，宽度是lm1 有一励磁导线在P点与延迟线垂直相交，间隙通常小于11m．其中通以固定辐度(L=1420A )的电流脒冲(持续时间约2 s)。此电流产-生的脉冲磁场在延迟线P点处影戒一应力脉冲，它以声速传播到检测线圈处，并由手磁致伸缩逆效应在检测线圈中产生脉冲电压一。 的幅度随在P点进入延迟线的脉冲磁通的幅度变化， 即取决于L和励磁线与延迟线间的耦台度。本传感器的应力传感功能正是通过改变这一耦台度达

3.2 两种结梅

        一种方法是采用一块高磁导率的无源磁芯，在机械应力作用下磁芯与导线间距离改变，这会改变进入延迟线脉冲磁通的比例太小(即耦合度)。因此，实质上这是一个位移传感器。但是由于位移量非常小，借助予适当的柔性配件(compli—aat mountings)，它也可以作应力传感器。无磁芯时， 由于结构上的对称性，输出为零；在有磁芯时，它对靠近它的那根励磁线进入非晶延迟线的脉冲磁通的增强作用要大些，从而破坏了对称性．有输出电压。而且当d越小时．电压脉冲幅度越大。但在口=0．5—2．0mm盼范围内，线性较差另一种方法。当高磁导率磁芯上不加张应力时，对延迟线来说，它是一个磁阻很低的分支路．这时输出电压很小；当磁芯上加上张应力时，其磁导率低，分路作用大大降低，输出电压 变大。因此输出电压受应力控制。在应力为0—7ON／mm。的范围内。应力曲线的线性相当好．适用于作传感器。

        此外，根据上述原理．在延迟线上的不同位置，可有很多的平行的励磁线与它相交，构成一维的序列。备励磁线可同时励磁，结果在检测线圈中得到一串电压脉冲，而且按它们到达的时间可进行鉴别。这样的结构还可扩展成二维的阵列，其中有多根平行的延迟线，每根延迟线有各自的检测线圈．并共用一组励磁线。这种应力传感器已用于研究运动员步法用的走道(walkway for gait studies)。预期的应用有监测作用于人体(躺着或坐着)上的压力用的软垫和机构手的‘触觉表面。二维阵列还可用于测量界面上的压力或剪切力的分布。

3.3男一种应力传感

        利用Fe基磁致伸缩非晶薄带或线材具有良好的超声波传输特性，采用差动线圈构成简单的压力传感器。线圈1和线圈2产生超声波，传输到线圈3处。当压力尸不存在时，两超声波在线圈3处相互抵消 当通过孔A加上压力尸时，该处产生应力感生各向异性，引起两超声波不平衡。

1 此，线圈3中有输出电压。图5(6)表示用宽为10ram的薄带，用1 50kH z正弦场激励时输出电压 与静水压尸的关系。此外，利用非晶材料的超声波传输效应还可构成脉冲序列振荡型距离传感器，检测范围为l0ftm~1200ram，非线性度和磁滞低于0．5嘶满刻度。Goto等人研制了霜冻传感器和接触传感器，当霜凝结在非晶带上或手指接触薄带时， 由于感生各向异性，超声波传输强度迅速衰减：而任何维滴都不影响传输强度．霜冻传感器甩于电冰箱、冷藏箱．
4． 非晶大巴克豪森效应距离传感器(6]磁性距离传感器在机电和医疗领域的需求在扩大，数字式距离传感器中，磁记录式磁足具有高的精度，可用于数控领域；模拟型距离传感器适合于要求快速影应、操作简易的领域，如超声波传输效应型传感器。但是由于超声波传输速度者快(4—5kin／s)，因此，距离检测精度低，而且有反射波不易除去。这里介绍一种利用非晶磁致伸缩线大巴克豪森效应的新型距离传感器。

4．1曩理和结构

        在形成反向畴并长大所需的磁场(反向畴形成场)H 比180。畴壁矫顽力日。大的磁性体中，当外场一达到日 时，磁矩就一致地反转，使畴壁有一大幅度的移动，这就是大巴克豪森效应。这样的磁性体的磁滞回线是蜂腰形的． 在畸壁矫顽力日 的软磁材料中，要得到这样的磁化特性 必须用一些方法来提高反向畴的形成场日*。在非晶台金中，日。很小，用感生各向异性的方法可将日 提高到， 。以上，从而获得在低磁场中一致反转的高灵敏度大巴克豪森效应元件，用于距离传感器，旋转编码器、方位传感器等。用于距离传感器的非晶线中必须只有一个畴壁，在外场( > )作用下作等速壁移。由于畴壁很薄．通过检测线圈的时间很短，可获得尖锐的脉冲电压。为了确保只有一个畴壁， 必须小于 。这个唯一的畴壁来自非晶线一端的另一个线圈所产生的反向畴。由于非晶没有晶界．这是不难做到的。

       非晶线置于细玻璃管中。为了在整个线材长度内使励磁场 均匀，励磁线圈也遍及线材全长。其左端另设一个形成反向畴的线圈，它产生的磁场> 。用间距为 的两个检测线圈(以左边一个为坐标原点)，检测畴壁通过对的电压脉冲，时间差的 ， 由f可确定 值。这种传感器具有波形失真小，无反射波，没有距离造成的衰减等优点。

4．2性能

       自由状态下的 0 m非晶线的f一 曲线硝有上凸．线性不够好；们0 m非晶线的一 曲线线性较好．个别位置有些弯曲，最大非线性度为一2嘶／满、刻度。这是因为+5O m非晶线的 。和H 沿线材轧向分布不均匀。而且 。和 相近． 值不易设定；而 3O m非晶线的 和 *分布较均匀．两

者相差也较大；H ~4A／m，H =40A／i21。

        为了得到更好的线性，必须进一步扩大。和 之差。根据H 。c( ^ o)o．5的关系(式中。是扭应力)，给非晶线加上扭应力就可增大H 当给 3O m非晶线加上N =iituras／m的扭力(Ⅳ=18turns／m时被扭断)时． 增大了近一倍．而 。增大不多，随 变化很小。因此 和 。之差增大。这样，加扭力后就可将励磁场 值设定在比 高得多的值，从而改善畴壁传输特性。如图7所示．给 3O m和 0 m非晶线分别加上Ⅳ=l 1和21tur~$／m的扭应力，分别设定在54A／m和72A／m．f— 曲线表明，在O~lO00mm的范围内，线性有明显改进。对于 Op．m非晶线．个别位置的弩曲也

消失了．非线性小于0．7嘶／满刻度。畴壁传输速度为300~400m／s．比超声波(磁致伸缩波)传输速度低一个数量级．有利于提检测精度。

5． 其它磁致伸缩型非晶磁传感器

5．1非昌大巴竞豪森效应磁场传感器

       利用非品线场大巴克豪森效应，对8A／m的弱磁场也能感生出在别的磁性材料中不能得到的尖锐的高次谐波电 压脉冲。用120F．m铸态线．长10cm， 夹子透明封条之间 与物品相毒，在美国已用作店铺防盗传感签条(tag)，1991年已达数千万根，是传感器素材中产量最大的。

利用大巴克豪森效应 用 30 m， 长10ram的拉制非晶线做成传感器头，与旋转充磁体配台可制成高灵敏度、高应管速度型脉冲方式转速传感器， 已有实际应用。

5．2 Tablet(图形辕入装置)它是一种用永磁体控制非晶线中磁致伸缩渡(超声波)传输强度的一种传感器。在Fe基非晶线中超声波传输比在薄带中平稳，因此．采用非晶线材。





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