.一個(gè)蘋(píng)果，分成兩份，一人一半。一個(gè)想法，分享一次，一人一份。關(guān)注我，一起學(xué)習(xí)科普知識(shí)。當(dāng)然，偶爾也分享一下個(gè)人生活，讀書(shū)筆記等。

　　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：之所以使用硅鋼片為變壓器鐵芯，是因?yàn)樗娘柡痛磐芏雀?，而矯頑力和剩磁通小，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，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：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(chēng)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(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致磁化強(qiáng)度的變化，這稱(chēng)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(xiàn)，一個(gè)重要特性是威德曼效應(yīng)：當(dāng)向磁致伸縮導(dǎo)線(xiàn)施加軸向磁場(chǎng)，并且電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)的周向磁場(chǎng)的相互作用引起的，(通電導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生繞導(dǎo)線(xiàn)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：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(xiàn)上，在該電線(xiàn)周?chē)a(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(xiàn)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，圖片來(lái)自Sensorland。在波導(dǎo)的一端，一小塊稱(chēng)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(xiàn)圈，并被稱(chēng)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(xiàn)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，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：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：(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(xiàn)圈及探測(cè)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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：鉆頭外有3個(gè)線(xiàn)圈，勵(lì)磁線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。