磁致伸縮效應(yīng)的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

(上海柴油機股份有限公司，上海 200438)

0引言

傳感器作為監(jiān)測診斷與智能控制系統(tǒng)中的核心部件，其性能直接決定測試結(jié)果的好壞，影響最后的診斷結(jié)論，所以任何傳感器首先需要滿足靈敏度與線性度的要求。另外，一旦傳感器的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，工作條件惡劣，其穩(wěn)定性就會有所降低，容易發(fā)生故障；此時，便于拆裝的傳感器可以縮短維修期、降低經(jīng)濟損失。因此，現(xiàn)階段的傳感器都朝著結(jié)構(gòu)簡單、無線測試的方向發(fā)展[1]。磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)可以實現(xiàn)磁能與機械能的相互轉(zhuǎn)換。目前，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)已經(jīng)利用這一效應(yīng)制作出各種功能的傳感器且用于工業(yè)在內(nèi)的很多科學(xué)領(lǐng)域。此類傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、實時感知、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，已在位移測量、加速度測量、索力測量、扭矩測量等方面得到廣泛應(yīng)用[2]。本文綜述磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)產(chǎn)生的機理與主要特點，重點闡述相關(guān)傳感器的結(jié)構(gòu)與原理，并分析其未來的發(fā)展趨勢。

1 磁致伸縮效應(yīng)機理與特點

對磁致伸縮材料施加磁場后，材料內(nèi)部原來呈雜亂無章排列的磁分子就會沿著磁場方向重新排列，導(dǎo)致材料的長度或體積發(fā)生變化，此為磁致伸縮效應(yīng)，主要用于位移的測量及制動器的制造。當(dāng)對磁致伸縮材料施加應(yīng)力后，材料的長度會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，其內(nèi)磁分子重新排列，導(dǎo)致材料的磁導(dǎo)率發(fā)生改變，此為逆效應(yīng)，主要用于應(yīng)力與加速度的測量[3]。

磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)均基于磁-機轉(zhuǎn)化功能，所以磁-機轉(zhuǎn)化的效率決定傳感器的性能。一般的鐵基非晶材料，如Fe81B13.5Si3.5C2的機電耦合系數(shù)可以達(dá)到0.6，超磁致伸縮材料(GMM)的機電耦合系數(shù)更高，這保證了相關(guān)傳感器的靈敏度與響應(yīng)速度。另外，相應(yīng)的應(yīng)力與扭矩傳感器無需引入無線供電與發(fā)射模塊即可實現(xiàn)無線測試，具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。超磁致伸縮材料與形狀記憶合金及壓電陶瓷的性能對比如表1所示。與其它2種材料相比，超磁致伸縮材料的遲滯最小，可提高傳感器的響應(yīng)速度；其機電耦合系數(shù)也最高，可提高傳感器的靈敏度；其居里溫度仍最高，可使磁性能更穩(wěn)定。

表1 各種材料性能對比

2 磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用

2.1 制動器制造

由表1可知，超磁致伸縮材料的延伸率很低而能量密度很高。這說明伸長量相同時，它具有更強的輸出力，比壓電陶瓷高20倍左右。其相對磁致伸縮系數(shù)高達(dá)0.001 6(一般金屬的磁致伸縮系數(shù)級別為10-7)，響應(yīng)速度可以達(dá)到納秒級別，而且驅(qū)動方便，所以它被廣泛應(yīng)用于制造各種制動器。如電液控制系統(tǒng)中的電液伺服閥、柴油機高壓共軌系統(tǒng)中的電磁閥、永磁偏置驅(qū)動器等[4]。制動器的基本原理如圖1所示：鋱鏑鐵超磁致伸縮棒材(Terfenol-D)上纏繞線圈，然后通入直流電；由于超磁致伸縮棒材的伸縮量與電流強度成線性關(guān)系，可通過電流強度控制頂桿的位置，從而到達(dá)控制流量、液位等參數(shù)的目的。

圖2為柴油機的高壓燃油共軌系統(tǒng)。在圖示系統(tǒng)中，電磁閥的性能決定彈簧預(yù)緊力的大小，進(jìn)而決定回油孔的流通面積，最終影響增壓效果。目前，普遍使用的電磁閥為電磁鐵吸合式閥。由于銜鐵存在慣性作用，鐵芯磁導(dǎo)率較低，而且受加工工藝限制，它的性能很難再次得到較大的提升。國外曾經(jīng)開發(fā)出基于壓電陶瓷磁致伸縮效應(yīng)的電磁閥，但是無法大量投入使用。因為它需要數(shù)百伏的驅(qū)動電壓，而且性能不穩(wěn)定。由于超磁致伸縮材料具有高磁致伸縮系數(shù)與超強的輸出力，而且驅(qū)動方便、響應(yīng)快，為電磁閥的改進(jìn)提供了方向。海軍工程大學(xué)已研發(fā)出相應(yīng)的電磁閥樣機[5]。

圖1 超磁致伸縮制動器

圖2 高壓燃油共軌系統(tǒng)

目前，超磁致伸縮制動器的模型已趨近于成熟，其力學(xué)模型可簡化為擋板-彈簧-載荷的單自由度模型，如圖3所示。圖1中的底座等效于圖3中的擋板，圖1中Terfenol-D棒的運動等效于圖3左邊彈簧的位移，圖1中頂桿的運動等效為圖3中間彈簧的位移，由頂桿控制的閥門的運動可視為圖3中右邊彈簧的位移；其中左邊彈簧的彈性系數(shù)由激勵源與超磁致伸縮材料共同決定。由于超磁致伸縮材料還存在磁滯效應(yīng)，需要引入磁滯模型。磁滯模型主要包含下列4種：Preisach 模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)磁滯模型、J-A模型和自由能模型。前2種模型基于磁滯理論，后2種模型基于磁疇理論。通常，將力學(xué)模型與磁滯模型在ANSYS軟件中進(jìn)行耦合后，即可得到與實際基本符合的制動器模型[6]。

圖3 超磁致伸縮制動器等效力學(xué)模型

2.2 位移傳感器

目前，基于磁致伸縮效應(yīng)的位移傳感器已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如油箱液位的測量、鍋爐水位的監(jiān)測等。各種形狀、抗腐蝕、非接觸式的位移傳感器層出不窮，而且性能不斷得到提升。其中，美國MTS公司生產(chǎn)的Temposonic系列與L系列位移傳感器遙遙領(lǐng)先[7]。其線性誤差低于0.05%，遲滯小于0.001%，可在高溫、高壓環(huán)境下持續(xù)工作；Temposonic III型的輸出分辨率可達(dá)2 μm?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移傳感器的工作原理如圖4所示。傳感器發(fā)出的電流脈沖信號沿超磁致伸縮波導(dǎo)絲向下進(jìn)行傳遞，其產(chǎn)生的環(huán)形磁場與磁鐵的固定磁場合成后形成一個螺旋磁場。超磁致伸縮波導(dǎo)絲在螺旋磁場的作用下產(chǎn)生一個瞬時扭轉(zhuǎn)脈沖，通過提取發(fā)射脈沖與扭轉(zhuǎn)脈沖之間的時間差即可確定目標(biāo)的位移。由于該類型位移傳感器的輸出信號不需要放大，直接表示目標(biāo)的絕對位置，所以不存在零點漂移，有效地避免了浮標(biāo)、電容等液位傳感器中零點漂移帶來的系統(tǒng)誤差。另外，超磁致伸縮材料比半導(dǎo)體液位計有更寬的動態(tài)響應(yīng)范圍及更高的靈敏度。

圖4 磁致伸縮位移傳感器

尿素作為一種腐蝕性較強的液體，是柴油機處理尾氣時不可或缺的原料，所以尿素液位是柴油機后處理系統(tǒng)中很重要的變量，其精度與響應(yīng)速度直接影響著選擇性催化還原(SCR)的效率。由于電容的電極易被腐蝕，所以在現(xiàn)階段，尿素液位基本上采用浮標(biāo)測量。由于浮標(biāo)存在機械慣性與機械摩擦，難以短時間內(nèi)穩(wěn)定，且靜態(tài)誤差無法消除，所以尿素噴射難以較好地實現(xiàn)反饋控制。另外，在醫(yī)學(xué)與化工等領(lǐng)域，也涉及到腐蝕性液體液位的測量。超磁致伸縮材料一般是由合金添加微量稀土元素形成，可顯著改善合金的抗高溫氧化及耐腐蝕性能。可以預(yù)見，基于磁致伸縮效應(yīng)的位移傳感器將來會是這些領(lǐng)域一個很好的選擇。

2.3 加速度傳感器

基于逆磁致伸縮效應(yīng)的加速度傳感器具有過載能力強、測量范圍廣、能在惡劣環(huán)境下工作、壽命長等一系列優(yōu)異性能，在重工業(yè)、化學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域的自動化控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景[8]。1997 年，英國學(xué)者制造出基于非晶態(tài)合金刺探性效應(yīng)的加速度傳感器。該傳感器具備1個勵磁線圈與1個測量線圈。在勵磁線圈中通入交流電(交流電產(chǎn)生的磁場強度應(yīng)處于材料的磁導(dǎo)率(B-H)特性線性段內(nèi))，當(dāng)非晶薄帶未受到外力時，測量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓僅與磁路中的磁感應(yīng)強度對時間的變化率(dB/dt)成正比；一旦非晶薄帶受到外力后，其磁導(dǎo)率隨之發(fā)生改變，將導(dǎo)致測量線圈中感應(yīng)電壓的幅值隨著非晶薄帶的受力情況而發(fā)生相應(yīng)變化。又因為非晶薄帶所受到的外力與振動塊(激勵源)的加速度間存在著對應(yīng)關(guān)系，所以感應(yīng)電壓的幅值變化反映了振動塊加速度的變化。隨著超磁致伸縮材料及高靈敏度磁場計的問世，逆磁致伸縮加速度傳感器的結(jié)構(gòu)得到簡化，如圖5所示。用磁性能極高且穩(wěn)定的永磁體代替交變電磁場作為激勵源，用比非晶態(tài)合金的磁致伸縮系數(shù)高100倍左右的超磁致伸縮棒材作為傳感器的敏感材料，用磁場計直接測量磁隙處磁場的變化，這些改進(jìn)措施使得傳感器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，靈敏度及線性度均得以提高。

目前，汽車、卡車及工程機械均將車體的振動作為車身性能的一項重要指標(biāo)?，F(xiàn)階段，測量振動應(yīng)用最廣泛的是基于LMS的整套加速度傳感器系統(tǒng)。這種加速度傳感器一般通過膠合或磁座固定在車身或輪轂上。當(dāng)振動較強時，例如測量大型柴油機振動時，會引發(fā)傳感器松動甚至脫落，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確；而且加速度傳感器需要引入無線設(shè)備發(fā)射、接受信號，易造成信號干擾。逆磁致伸縮加速度傳感器能彌補上述缺陷。瑞士的ABB公司已經(jīng)在汽車上了進(jìn)行相關(guān)試驗，試驗結(jié)果表明逆磁致伸縮加速度傳感器能對振動信號進(jìn)行精確測量。

2.4 壓力傳感器

逆磁致伸縮壓力傳感器已廣泛應(yīng)用于機床及自動化加工等領(lǐng)域。它既能避免普通彈性元件無法提供電輸出的問題，又能避免壓阻、壓電材料需要布置外圍引線的問題[9]。ABB公司生產(chǎn)的PFCL、PFTL和PFEA系列壓力傳感器處于世界領(lǐng)先水平，測量精度可以達(dá)到0.01 N，且動、靜態(tài)的壓力或張力均可測量。逆磁致伸縮壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)無壓力時，激勵線圈產(chǎn)生的磁場呈點電荷狀分布；在壓力作用下，磁致伸縮材料內(nèi)部磁分子重新排列，導(dǎo)致磁場重新分布。這一變化導(dǎo)致檢測線圈的感應(yīng)電壓變化，感應(yīng)電壓與負(fù)荷成正比，從而反映出壓力的變化。

圖5 逆磁致伸縮加速度傳感器結(jié)構(gòu)及其等效模型

圖6 逆磁致伸縮壓力傳感器及等效模型

2.5 扭矩傳感器

輪機、電站等大型柴油機的軸功率需要進(jìn)行實時監(jiān)測，以維持船-機-槳的平衡或電網(wǎng)的平衡。由于轉(zhuǎn)速易獲得，所以如何簡單、精確、快速獲得扭矩信號成為軸功率計算的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段，一般采用應(yīng)變片或相位差式儀器進(jìn)行測量。應(yīng)變片的粘貼要求較高，且只能單次使用，而且電池供電有限，需經(jīng)常更換，還需引入無線模塊。相位差式測量對儀器的安裝及信號的獲取均有嚴(yán)格的要求，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易拆裝。逆磁致伸縮扭矩傳感器便應(yīng)運而生。

雖然逆磁致伸縮扭矩傳感器一直被研究，例如上世紀(jì)，日本九州大學(xué)、韓國科學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)研究所磁學(xué)實驗室及美國麻省磁彈型器件公司相繼對它進(jìn)行研究，但進(jìn)展很小。瑞典研制出的ASEA型測功儀和俄羅斯研制出的LI-M磁彈型測功儀，其測量誤差均在1%左右，安裝尺寸在120 mm以內(nèi)，但僅用于軍事。隨著非晶態(tài)合金及超磁致伸縮材料的出現(xiàn)，磁彈式測量法取得很大進(jìn)展。瑞士ABB公司新研制出的Torductor-S型扭矩傳感器已應(yīng)用于測量汽車扭矩[10]。

逆磁致伸縮扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)簡化示意如圖7所示。在軸承上粘貼或噴涂一圈磁致伸縮材料，當(dāng)磁致伸縮材料未受到扭矩作用時，其內(nèi)部磁分子的排列雜亂無章，如圖8所示；當(dāng)磁致伸縮材料受到扭矩作用時，磁致伸縮材料受到45°方向的主壓應(yīng)力與-45°方向的主拉應(yīng)力作用，其內(nèi)部磁分子呈有序排列(如圖9所示)，從而造成磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率發(fā)生改變；沿壓力方向磁導(dǎo)率降低、沿拉力方向磁導(dǎo)率增加，于是組成了一個全橋磁路，這些變化以感應(yīng)電壓的形式表現(xiàn)出來；由于感應(yīng)電壓與扭矩之間存在對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可以得到扭矩值。其等效磁路如圖10所示。

圖7 逆磁致伸縮扭矩傳感器結(jié)構(gòu)簡化示意

相較于應(yīng)變片，逆磁致伸縮扭矩傳感器的電源直接選用電網(wǎng)中的電，而且無需引入無線模塊；相較于相位差式測量，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。

圖8 磁致伸縮材料未受扭矩時磁分子排列

圖9 磁致伸縮材料受扭矩時磁分子排列

圖10 等效磁路

3 發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段，在制動器領(lǐng)域中，基于磁致伸縮效應(yīng)的電液伺服閥或電磁閥的位移輸出量還較小，只能用于對小流量的控制，所以需要在閥體積不變的情況下植入位移放大機構(gòu)，但必須同時保證閥門的動態(tài)特性。為了驅(qū)動頂桿，纏繞在GMM棒上的線圈一般較細(xì)而且較多，當(dāng)激勵源(電壓或電流)一旦過大時，會造成溫度驟升，所以需要引入溫度補償或冷卻系統(tǒng)。另外，溫度、壓力等因素對磁場的影響規(guī)律復(fù)雜，不是單一的線性關(guān)系，所以需要對磁滯模型進(jìn)行修正。

對于磁致伸縮位移傳感器，最關(guān)鍵的部分就是產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)脈沖信號的波導(dǎo)絲及接收扭轉(zhuǎn)脈沖信號的電子模塊，它們必須承受外界較強的振蕩與沖擊。因此，需要研發(fā)出彈性更高、成分更均勻的波導(dǎo)絲，從而提高傳感器的靈敏度。另外，位移傳感器是通過提取2個信號的時間差得到的，所以對傳感器要有更好的封裝技術(shù)用于屏蔽外界噪聲及強磁場的干擾。

逆磁致伸縮加速度傳感器目前仍處于實驗室研究階段，存在的問題是成本過高及動態(tài)響應(yīng)效果不佳[11]。

逆磁致伸縮壓力傳感器已產(chǎn)品化，在工程機械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，且技術(shù)相對成熟。

影響逆磁致伸縮扭矩傳感器性能的主要因素有2個：一是超磁致伸縮材料目前無法壓制成薄帶，而且相關(guān)的噴涂技術(shù)不成熟，所以無法使用超磁致伸縮材料作為傳感器的敏感材料，一為磁致伸縮材料的線性段較窄，需要通過退火、加入微量元素等手段拓寬其線性段。

4 結(jié)論

磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)由于能在機械能與磁能間實現(xiàn)可逆、迅速的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)快，無線發(fā)射、穩(wěn)定性好等特點，在未來的測量領(lǐng)域?qū)玫綇V泛的應(yīng)用。但是基于現(xiàn)在的材料及工藝，在磁致伸縮效應(yīng)的發(fā)展過程中，還需要進(jìn)一步對其技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行細(xì)致研究，為磁致伸縮的未來發(fā)展提供可靠保障。