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    磁致伸縮傳感器技術應用的發展

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-11-20 10:13

      

           自從焦耳在 1842 年發現磁致伸縮效應以來 ,它一直是磁彈性領域中一個令人感興趣的研究課題。所謂磁致伸縮效應可定義為任何材料由于其磁狀態的變化而產生其在形狀和尺寸上變化的現象 ,反過來 ,幾乎所有的磁致伸縮材料受到應力作用時都會產生磁化狀態的變化 ,這種現象就是所謂的逆磁致伸縮效應。由于磁致伸縮材料在磁場作用下 ,其長度發生變化 ,可發生位移而做功或在交變磁場作用下發生反復伸張與縮短 ,產生振動和聲波 ,從而可以將電磁能 (或電磁信息) 轉換成機械能或聲能 (或機械位移信息和聲信息) ,相反也可以將機械能或聲能(或機械位移信息和聲信息) 轉換成電磁能 (或電磁信息) 。因此磁致伸縮在所有的磁性材料中起著重要的作用 ,被廣泛用于磁致伸縮元器件的開發。
           磁致伸縮的第一項技術應用即振蕩器、扭矩儀出現于 1930 年以前 ;20 世紀 40 年代 Ni 和 Co 的多晶磁致伸縮材料進入應用 ;50 年代前蘇聯利用 Fe -13 %Al 合金開發了 Fe - 13 %Al 聲發射器 ;60 年代開發的高磁致和高電聲轉換效率的鐵氧體材料被廣泛應用于超聲焊接、超聲凈化、濾波裝置和延遲線 ; 70 年代 ,Clark 發現了稀土 - 鐵系化合物 ,與傳統的磁致伸縮材料和壓電陶瓷相比 ,這種材料具有高磁致伸縮應變及推力大、能量轉換效率高、穩定性好和可靠性高等特點 ,因此一經出現 ,立即受到各國專家的高度關注。到 20 世紀 80 年代中后期 ,美國、日本、中國等國家先后對這種材料的性能、成份摻雜、相結構、磁結構等進行了充分的研究 ,使得磁致伸縮技術進入了一個新的發展時期 ,并在此基礎上開發了大量的實用性器件。
    1  磁致伸縮傳感器的應用領域
           利用材料的磁致伸縮效應來測量某些非電量始于 19 世紀、發展于 20 世紀后期 ,其應用領域包括力學傳感器領域、磁學領域、聲學領域、微位移領域、醫學領域及材料領域等。
    1. 1  力學傳感器領域
           利用材料的逆磁致伸縮效應可以開發多種力學傳感器 ,用于扭矩、殘余應力、振動及加速度等力學量的檢測 ,這也是目前磁致伸縮技術應用較成熟的領域。
    1. 1. 1  扭矩傳感器
           目前在工業上常用的三種磁致伸縮扭矩傳感器是 :非晶態合金扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器和傳感器軸。
           日本學者 Yamasaki ,Mohri 和其同事們發明了將磁致伸縮材料直接應用到軸體表面上 ,以解決軸材料本身磁性不足的問題 。他們采用線爆噴射工藝將鎳、鐵 - 鎳和鐵 - 鈷 - 鎳高磁致伸縮非晶態合金材料粘附到軸體表面上形成與軸線成 45°和- 45°的兩組斜條形細薄層。利用這種斜條形膜構成雙磁芯多諧振蕩器橋路 ,構成扭矩傳感器系統。 Sasada 等人發明通過等離子噴涂技術而在軸體表面獲得 < 300μm 鎳層的非晶態合金傳感器系統。實驗證實這種傳感器幾乎與旋轉頻率無關 ,與傳統金屬電阻薄膜制成的扭矩計相比 ,其靈敏度提高 10 倍之多。
           利用這種原理 ,Ohzeki 等人成功地開發出一種用于銑床切削力自動監測的扭矩傳感器,可有效地防止刀具斷裂 ,并提高工件加工質量。Nishlbe 等人開發了用于監測汽車發動機不點火的微型扭矩傳感器 ,此種傳感器在監測精度上明顯優于轉速檢測方法。Sasada 等人開發了一種利用軸材料本身的磁特性進行扭矩在線檢測的傳感器系統 ,實現了鉆頭上工作扭矩的在線檢測 ,同時他還發明了用磁頭和鍍鎳磁致伸縮棒制成的可測瞬時扭矩的非接觸扭矩傳感器 ,其精度可達3. 5 mV/ N·m ,這些扭矩傳感器已廣泛應用于軸承、感應電機等超微型扭矩檢測中。
           美國和日本科學家利用 Tb2Dy2Fe 材料制作電磁致傳感器用于汽車轉向系統和驅動軸代替液壓系統 ,可以節省 5 %的燃油消耗。據美國一資料統計 ,僅此磁電轉向系統每年可為全美個人汽車節省燃油37 億加侖。(注 :1 美加侖 = 3. 785 41 L)目前 ,非晶態合金扭矩傳感器還在不斷的發展和完善之中。同軸線圈式扭矩傳感器已經形成了系列化的實用產品 ,可以測量 0~105 N·m 的動態扭矩。而磁頭型傳感器還存在零點漂移、溫度漂移及間隙補償等問題需要進行進一步的探索。
    磁致伸縮位移傳感器
    1. 1. 2  力、應力及應變檢測傳感器
           力和應力傳感器廣泛應用于諸如車輛主懸掛裝置、發動機底座、主振動控制 ,橋梁負載監測、加工控制、建筑抗震災害及構件殘余應力的檢測和有效控制中。利用眾多磁致伸縮材料的磁導率靈敏于應力這一特性 , Kleinke 和 Uras 發明的一種力傳感器是利用磁路中電阻抗的變化隨應力變化的原理來測量力或應力。它采用了兩個磁致伸縮彈性組件并用鋼性的端面塊固定在適當的位置 ,這種傳感器已用于自動卸料系統來實現料位的在線監測和實時控制。我國清華大學學者謝大吉等人采用四極磁探頭對工程鋼門樓主桁架和超高壓厚壁鋼管大變形殘余應力進行實測 ,取得了很好的效果。美國海軍表面武器研究中心的 Wun2Fogle 和同事們研制出了用非晶態合金薄帶制成的應變計 ,這種磁致伸縮應變計與傳統的半導體應變計相比具有更大的動態范圍 ,更高的靈敏度 ,可測應變量最小可達 3 ×10 - 10 ,在 0. 05 Hz 下有低至 10 - 9的分辨力。
    1. 1. 3  防振、防噪傳感器
           此類傳感器廣泛應用于機器人及測震領域 ,如日本明治大學的學者研究了一種超磁致伸縮防震裝置用于原子能發電所的配電管系統 ,在此基礎上還開發了用于建筑施工的防震裝置 。美國利用稀土超磁致伸縮材料制成反噪聲與噪聲、反拔振動與振動傳感控制系統可使運載工具的噪聲降低到20 dB以下 ,使振動減少到令人舒適的程度。國外還成功地利用 Terfenol2Dyaqr 制成了測地震波的裝置。
    1. 2  磁場傳感器
           目前商業用磁場傳感器的結構形式多種多樣(包括依賴于材料本身的磁致伸縮特性的傳感器) ,這在很大程度上是由于需要不同的傳感器來檢測不同強度和不同頻率的磁場。最常用的結構是使用磁致伸縮材料覆蓋光纖 ,而有些其它的磁場傳感器則是基于單片集成電路的 Terfenol2Dyaqr 試件。目前基于磁致伸縮延遲線技術的磁場傳感器也已通過實驗認證。
           第一臺磁強計是由 Chung 等人研制的 ,它是利用 Terfenol2Dyaqr (簡稱 T2D) 試件桿將磁場轉換成可以測量的物理量。T2D 桿在一個交流磁場中產生應變 ,這種位移應變可用一標定過的激光干涉儀精確地測量并輸出一個與磁場有關的信號。偏置于 T2D 試件的直流磁場用于優化帶有磁場信息的輸出應變 ,它可輸出高達 10 ×10 - 6的值。
           基于磁致伸縮效應的光纖傳感器也是目前世界各國研發的熱點。1979 年 , Yariv 和 Winsor 提出了這種傳感器的通用的結構 ,它是用磁致伸縮薄膜覆蓋于光纖表面。磁場引起磁致伸縮層產生變形 ,使得光纖產生應變 ,而這會引起激光的光信道長度產生變化 ,借助干涉儀可測量相位變化。美國學者Mermelstein 通過實驗發現這種傳感器的分辨力范圍在 DC 和低頻 (低于 1 Hz) 下大約是 3 ×10 - 11Oe。
           我國武漢理工大學李強領導的科研組也成功地開發出了磁場光纖傳感器原型。目前該傳感器動態范圍可達 102~10 - 2 Gs ,靈敏度為 10 - 3~10 - 4 Gs ,可用于高電壓、大電流檢測以及自導武器引線和地震與地質勘探等尖端領域。美國海軍研究所的 Bueholtz等人也開發出了一種采用合金玻璃制成的磁場傳感器。
    1. 3  材料特性傳感器
           該傳感器是一種非接觸磁致伸縮傳感器 ,它使用目標材料本身的磁致伸縮特性來激勵能夠被測量或監測的彈性波從而獲得目標的特征。這個系統可以直接用于由磁致縮材料制成的目標或者非磁致伸縮試件 ,但后者的表面需要粘貼一層高磁致伸縮材料。
           纏繞目標的發射線圈 (由脈沖生成器、電荷放大器和偏置磁鐵組成) 通過磁致伸縮激勵生成機械波 ,和發射線成一定距離的接收線圈 (由信號前置放大器、數據采集硬件和永磁鐵) 測得由于磁致伸縮波而產生的信號。材料外在幾何形狀的改變和內部結構缺陷將改變信號 ,而這些信號可以反映材料的特性、識別腐蝕的產生或測量內應力 ,像蝕損斑、壁厚變薄、裂紋等均可檢測到。實驗表明 ,波形的衰減隨著腐蝕的程度而增大。這種方法已被成功地應用于識別導線束、加強肋 (包括埋置于水泥中的加強肋) 、水管和其它一些適用非無損檢測技術的腐蝕檢測。 May 和 Claus 開發了一種與磁致伸縮組件耦合的在線光纖傳感器一直用于合成樹脂特性的檢測 ,這種光纖傳感器的光纖表面涂有一層磁致伸縮材料 ,目前這種傳感器已用于醫學治療中。
    1. 4  位移和運動傳感器
    1. 4. 1  位移傳感器
           基于磁致伸縮效應的微位移傳感器已廣泛應用于機器人、超精密 (準確度達 10 - 9 m) 機加工機床、紅外線電子束、激光束掃描控制、照相機快門、精密流量控制和原子力顯微鏡等領域。
           英美合資的 Lucas 公司開發了一種非常簡便的位置傳感器 ,通過將一永久磁鐵連接到浮于流體中的設備上來測量液位 ;法國 Equipiel 公司已開發了一種 Captosonic 位置傳感器 ,可測量高達 50 m 的距離而精度達 ±1 mm。美國海軍表面武器研究中心應用 Metglas2605SC 開發的磁致伸縮應變計用于微位移檢測 ,與傳統的半導體應變計相比具有更大的動態范圍、更高的靈敏度。武漢理工大學李強等人也開發了利用 Tb0. 23Dy0. 73 Fe1. 95大單晶制成的微米級位移傳感器 ,用于微加工和原子蝕刻等領域。在我國還有一些學者將此種傳感器用于液壓缸位移的測量。
           目前最通用的位移傳感器是基于磁致伸縮波導器。這個系統是檢測與所測目標相連的永久磁鐵的位置 ,它可以自由地沿著磁致伸縮波導器的長度方向移動。它是利用 Widemann效應 ,通過測量由于在波導器中應變脈沖所起的磁導率的變化而測量出聲波 ,從而確定目標的位置。
           另外磁致伸縮延遲線 ( MDL ) 用于測量位移的一項創新性的應用 , 它是利用 MDL 、垂直導體( PCC) 和一軟磁有源鐵芯 (AC) 共同構成測量系統。已有報導 ,使用 24μm 厚的玻璃鋼 2605C 非晶合金薄帶作為 MDL 可以達到 10 mV/μm 的靈敏度。若干個 AC - PCC 組件和一個 MDL 可用來構成一個組合的陣列。Hritoforom 和 Reilly 在有關文獻中討論了這種新穎的傳感器系統以及多種 AC - PCC -MDL 的結構形式 ,目前這種新型傳感器已用于運動員步伐分析、測量界面壓力和剪應力分布。美國學者 Clark 還研制出了可變延遲線 ,利用磁致伸縮效應所產生的表面彈性波制成智能觸覺器、濾波器、陣列數字轉換器等。
    1. 4. 2  速度傳感器
           Fenn 和 Gerver 研制一種基于偏置 T2D 作動器的永久磁鐵速度傳感器。此傳感器被連接到使T2D 磁芯產生應變的運動目標上。磁感應強度 B 的變化借助于方程 (1) 和 (2) 所示關系同 T2D 鐵芯中的應變ε產生聯系。由法拉第 - 楞次定律 (方程 3) ,在纏繞的檢測線圈中將感應到與 T2D線圈中的磁感應強度 B 的時間變化率成比例的電壓。這樣傳感器的輸出電壓就是一個與連接目標的速度成比例的信號。
    1. 5  聲頻和超聲傳感器
           磁致伸縮技術在聲頻和超聲方面具有廣泛的應用前景 ,目前世界各國利用稀士超磁致伸縮材料開發一系列的水聲換能器和電聲換能器用于軍事和民用領域。
           美國、法國等西方發達國家已開發出低頻 (頻率為 10 ~ 2 000 Hz) 、大功率 (聲源級約 220 dB) 的聲納用和水聲對抗用水聲換能器用于海軍 , 因為低頻可以打破敵方艦艇的隱身技術 , 而大功率則可以探測更遠距離的目標; 日本則用稀士超磁致伸縮材料制成海洋聲學斷層分析系統 (OA T) 及海洋氣候分析系統(ATOC) ,用于測量海水的溫度和海流的分布圖。
           利用稀士超磁致伸縮材料及其化合物的彈性模量隨磁場的改變變化極大的特點 ,日本人研制出了用于電器的小型揚聲器、用于醫學的超聲全息照相、超聲體外排石及心音脈博傳感器。
    2  結束語
           自從磁傳感器作為一種獨立產品進入應用以來 ,基于磁致伸縮效應的傳感器的應用領域也在不斷的拓展。已從傳統的力學、磁學領域擴展到聲學、生物醫學等新型應用領域 ,其傳感器除由最初的應力、應變、磁場傳感器擴展到水聲換能器、電聲換能器、磁彈性延遲線數字化儀、磁聲鍵盤系統、生物機械傳感器、呼吸傳感器和軟熱治療系統等。從以上可以看出 ,磁致伸縮技術具有非常廣泛的應用前景。
    然而應該看到 ,磁致伸縮傳感器技術的應用及發展目前還存在著一些不足 ,表現在 :
    (1) 磁致伸縮傳感器技術的應用發展及其性能的改善取決于敏感材料。因為在各種傳感器中 ,敏感組件是關鍵 ,而敏感組件的基礎是敏感材料。而目前新型磁致伸縮材料的開發速度已阻礙了應用領域的擴展 ;
    (2) 在某些應用領域 ,磁致伸縮傳感器較之其它類型還存在明顯的不足 ,如 T2D 與同一時期誕生的大電致伸縮傳感器相比 ,在微位移領域中存在著準確度低、響應差、發熱伸長、分辨力不高等缺點。
           因此 ,從今后發展來看 ,不斷開發新型功能材料 ,特別是稀士超磁致伸縮材料 ,以期制造更多更新的傳感器件 ,使其應用領域從宏觀、微觀向納米尺度、原子尺度擴展 ,從傳統的應用領域向其它新型技術領域擴展 ;對現有的稀士超磁致伸縮材料進行成份的調整、摻雜研究、相結構、磁結構轉換或將磁致伸縮材料和其它材料如壓電材料的優異性能進行有機融合 ,以期改善現有傳感器件的性能 ;將是今后磁致伸縮傳感器技術發展的方向。


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