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什么是磁致伸縮效應(yīng)?磁致伸縮傳感器工作原理是什么?有什么應(yīng)用?

時(shí)間:2022-08-22 15:43:42來(lái)源:羅羅日記

導(dǎo)語(yǔ):?鐵磁材料有一個(gè)共性,就是可以被磁化。根據(jù)能夠被磁化的程度,即磁導(dǎo)率(Permeability)的大小,又可以分為強(qiáng)磁導(dǎo)率材料如坡莫合金和硅鋼,和普通磁導(dǎo)率材料如鈷鋼和鑄鋼等。

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  在之前的文章中,我們有提到軟磁和硬磁材料。

  其實(shí)這些材料都屬于鐵磁材料。

  鐵磁材料有一個(gè)共性,就是可以被磁化。

  根據(jù)能夠被磁化的程度,即磁導(dǎo)率(Permeability)的大小,又可以分為強(qiáng)磁導(dǎo)率材料如坡莫合金和硅鋼,和普通磁導(dǎo)率材料如鈷鋼和鑄鋼等。

  

幾種鐵磁材料的磁導(dǎo)率1.png

  

幾種鐵磁材料的磁導(dǎo)率2.png

  幾種鐵磁材料的磁導(dǎo)率:之所以使用硅鋼片為變壓器鐵芯,是因?yàn)樗娘柡痛磐芏雀撸C頑力和剩磁通小,也就是磁滯損失小。其中坡莫合金(Permalloy)因?yàn)榇艑?dǎo)率高,是理想的磁屏蔽材料。圖片來(lái)源:J.O. Aibangbee1 ands.O. Onohaebi2 ,F(xiàn)erromagnetic Materials Characteristics: Their Application in Magnetic Coresdesign Using Hysteresis Loop Measurements。

  01

  磁導(dǎo)率

  生活中,我們常用磁鐵去吸引釘子,螺釘,和細(xì)針等物件。

  這些東西可以用磁鐵吸引,是因?yàn)榇盆F在它們內(nèi)部感應(yīng)(磁化)出磁場(chǎng),磁鐵中的磁場(chǎng)和感應(yīng)出的磁場(chǎng)相互吸引。

  所以,通俗地理解,磁導(dǎo)率可以認(rèn)為是材料被磁化的難易程度,材料的磁導(dǎo)率越高,就越容易被磁化。

  數(shù)值上來(lái)說(shuō),磁導(dǎo)率是感應(yīng)場(chǎng)與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度之比,感應(yīng)場(chǎng)越強(qiáng),磁導(dǎo)率越高,吸引力就越強(qiáng)。

  空氣、木材、塑料,黃銅和鈦合金等,屬于非磁導(dǎo)材料,外部磁場(chǎng)不會(huì)在它們內(nèi)部感應(yīng)出磁性,因此它們不會(huì)被磁鐵吸引。鐵、鎳、鈷、釓、硅鋼等是磁導(dǎo)材料,當(dāng)暴露于外部磁場(chǎng)時(shí),可以在其中感應(yīng)出磁場(chǎng),所以它們能被吸引。

  02

  磁疇

  為什么有些材料容易導(dǎo)磁,有些不容易導(dǎo)磁?

  這要從微觀結(jié)構(gòu)說(shuō)起。

  從微觀上來(lái)看,鐵磁材料內(nèi)部有很多磁疇。

  

磁疇示意圖.gif

  磁疇示意圖,及其在外磁場(chǎng)作用下的對(duì)齊變化。

  磁疇可以理解為,在鐵磁材料內(nèi)部,有許多微小的橢圓形永磁體。

  當(dāng)材料沒(méi)有被磁化時(shí),磁疇是隨機(jī)排列的。如果材料被磁化,則疇的方向是大致平行于外磁場(chǎng),因此,材料的整體尺寸會(huì)發(fā)生變化。

  

磁致伸縮的基本原理.png

  磁致伸縮的基本原理:中間圖未加外磁場(chǎng),磁疇隨機(jī)排列,材料處于自然長(zhǎng)度狀態(tài)。上圖施加垂直方向的外磁場(chǎng),磁疇也垂直排列,導(dǎo)致材料縮短。而最下面的圖中,施加水平方向的外磁場(chǎng),磁疇也水平排列,導(dǎo)致材料變長(zhǎng)。

  03

  磁致伸縮效應(yīng)

  基于磁疇,我們很容易理解磁致伸縮效應(yīng)(Magnetostrictive Effects)。

  A.磁致伸縮效應(yīng)(焦耳效應(yīng)):

  幾乎所有的鐵磁材料,例如鐵、鎳、鈷及其合金,都會(huì)因磁化強(qiáng)度的變化而發(fā)生尺寸和形狀的變化,這種效應(yīng)稱為磁致伸縮效應(yīng)。

  由于此效應(yīng)是被焦耳發(fā)現(xiàn),所以也叫焦耳效應(yīng)。

  所有鐵磁材料都會(huì)經(jīng)歷磁致伸縮,例如,當(dāng)磁致伸縮棒放置在平行于棒長(zhǎng)度方向的磁場(chǎng)中時(shí),棒將改變長(zhǎng)度。

  用于磁致伸縮傳感器材料的長(zhǎng)度變化非常小,通常在 10-6m/m的數(shù)量級(jí)。

  由于磁致伸縮傳感器不單單利用磁致伸縮效應(yīng),還和其他幾個(gè)相關(guān)效應(yīng)有關(guān),所以這里也順便說(shuō)一下。

  B. 維拉里效應(yīng):

  相反,向磁致伸縮材料施加應(yīng)力,會(huì)改變其磁性(磁導(dǎo)率),例如,扭轉(zhuǎn)磁致伸縮元件或磁化導(dǎo)線,會(huì)導(dǎo)致磁化強(qiáng)度的變化,這稱為維拉里效應(yīng)。

  C.維德曼效應(yīng):

  由磁致伸縮材料制成的導(dǎo)線,一個(gè)重要特性是威德曼效應(yīng):當(dāng)向磁致伸縮導(dǎo)線施加軸向磁場(chǎng),并且電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí),導(dǎo)線將在軸向磁場(chǎng)的位置發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

  扭轉(zhuǎn),是由來(lái)自永磁體的軸向磁場(chǎng)與繞磁致伸縮線的周向磁場(chǎng)的相互作用引起的,(通電導(dǎo)線產(chǎn)生繞導(dǎo)線的周向磁場(chǎng),這個(gè)我們?cè)谥暗奈恼隆陡袘?yīng)電機(jī)的原理是什么?它有哪些優(yōu)缺點(diǎn)?有哪些典型應(yīng)用?》中也有提到)

  04

  磁致伸縮傳感器的工作原理

  磁致伸縮傳感器,正是基于焦耳、維拉里及維德曼效應(yīng)工作。

  一方面,施加的力或扭矩產(chǎn)生應(yīng)力,會(huì)改變磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率,導(dǎo)致其磁化強(qiáng)度發(fā)生變化。

  另一方面,施加的磁場(chǎng)會(huì)改變磁致伸縮材料的磁性狀態(tài),從而導(dǎo)致其彈性常數(shù)發(fā)生變化。

  

磁致伸縮位置傳感器的工作機(jī)制.png


  磁致伸縮位置傳感器的工作機(jī)制:圖中顯示了一個(gè)磁致伸縮位置傳感器核心組成。電流脈沖被施加到鐵磁電線上,在該電線周圍產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)。永磁體(矩形或環(huán)形)連接到要測(cè)量其位置的移動(dòng)物體。該永磁體的磁場(chǎng)與電流脈沖的磁場(chǎng)相互作用,導(dǎo)致波導(dǎo)以機(jī)械脈沖的形式發(fā)生彈性變形。該波以聲速沿波導(dǎo)雙向傳播,最終被拾取線圈拾取到。圖片來(lái)自MTS。

  再看一張更細(xì)節(jié)的圖片。

  

磁致伸縮位置傳感器工作原理.png


  磁致伸縮位置傳感器工作原理,圖片來(lái)自Sensorland。在波導(dǎo)的一端,一小塊稱為膠帶的磁致伸縮材料被焊接到波導(dǎo)上。該磁帶穿過(guò)一個(gè)線圈,并被稱為偏置磁體(Bias Magnet)的小型永磁體磁化。當(dāng)聲波沿波導(dǎo)傳播至膠帶時(shí),由聲波引起的應(yīng)力會(huì)在膠帶中引起磁導(dǎo)率變化(維拉里效應(yīng))。這又導(dǎo)致磁帶磁通密度發(fā)生變化,因此從線圈感應(yīng)出輸出脈沖(這里用到了法拉第電磁感應(yīng),之前我們聊感應(yīng)電機(jī)時(shí),有講過(guò),感興趣的朋友可以點(diǎn)此查看)。

  在波導(dǎo)的另一端,未使用的脈沖由阻尼模塊衰減,以防止對(duì)返回/反射脈沖的進(jìn)一步干擾。

  因此,可以通過(guò)使用從發(fā)射電流脈沖到接收應(yīng)變脈沖所經(jīng)過(guò)的時(shí)間t來(lái)準(zhǔn)確確定物體的位置:物體的位置 = Vs *t/2,其中VS是波導(dǎo)傳播速度。

  為了確保輸出的準(zhǔn)確性,通常在生產(chǎn)的最后階段,使用激光干涉儀確定或校準(zhǔn)波導(dǎo)中的實(shí)際傳播速度。

  磁致伸縮傳感器提供絕對(duì)位置信息,與增量編碼器不同,在斷電時(shí)無(wú)需重新歸位。

  

一款真實(shí)的磁致伸縮位置傳感器.png


  一款真實(shí)的磁致伸縮位置傳感器,圖片來(lái)自Temposonics。

  磁致伸縮傳感器最大的特點(diǎn)在于,它們還可以將多個(gè)位置磁鐵與一個(gè)波導(dǎo)一起使用,非常適合需要沿同一運(yùn)動(dòng)軸的多個(gè)組件的位置信息的探測(cè),例如分切機(jī)上的刀具,并且可以測(cè)量大于 5m的行程范圍,分辨率可到 1 mm。

  05磁致伸縮傳感器的應(yīng)用

  

磁致伸縮傳感器用于測(cè)量液位.png

  磁致伸縮傳感器用于測(cè)量液位:永磁體藏在浮漂中,液位變化時(shí),磁體移動(dòng),波導(dǎo)在不同的位置激發(fā)并傳播,最終被傳感器中的探測(cè)器探測(cè)到。

  

磁致伸縮傳感器用于測(cè)量.png

  磁致伸縮傳感器用于測(cè)量:(a)壓力:結(jié)構(gòu)主要由上下剛性板,和圍繞鐵芯的激發(fā)線圈及探測(cè)線圈組成,當(dāng)外力作用在剛性板上時(shí),會(huì)改變磁致伸縮鐵芯的應(yīng)變,進(jìn)而改變探測(cè)線圈中的磁導(dǎo)率和磁通密度,由電磁感應(yīng)效應(yīng)得知會(huì)在探測(cè)線圈中感應(yīng)出變化的電流。(b)振動(dòng):振動(dòng)力作用于磁彈帶上,引起應(yīng)變,磁芯在帶中的磁化率發(fā)生變化,并在線圈中感應(yīng)出波動(dòng)的電流。

  

磁致伸縮傳感器用于測(cè)量鉆頭扭矩.png


  磁致伸縮傳感器用于測(cè)量鉆頭扭矩:鉆頭外有3個(gè)線圈,勵(lì)磁線圈圍繞鉆頭的內(nèi)側(cè),包圍柄部(圓柱狀沒(méi)有切削凹槽)和凹槽部。兩個(gè)感應(yīng)線圈,一個(gè)位于凹槽上方,一個(gè)位于柄部上方,反向串聯(lián)連接,以測(cè)量磁導(dǎo)率。與凹槽相比,柄部的磁導(dǎo)率對(duì)扭矩變化敏感度較低,兩個(gè)線圈的輸出電壓差與施加的扭矩成比例變化。圖片來(lái)自:Overview of Magnetostrictive Sensor Technology.Frederick T. Calkins, Alison B. Flatau and Marcelo J. Dapino。


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