磁致伸缩效应的研究现状及其应用

(上海柴油机股份有限公司，上海 200438)

0引言

传感器作为监测诊断与智能控制系统中的核心部件，其性能直接决定测试结果的好坏，影响最后的诊断结论，所以任何传感器首先需要满足灵敏度与线性度的要求。另外，一旦传感器的结构过于复杂，工作条件恶劣，其稳定性就会有所降低，容易发生故障；此时，便于拆装的传感器可以缩短维修期、降低经济损失。因此，现阶段的传感器都朝着结构简单、无线测试的方向发展[1]。磁致伸缩效应及其逆效应可以实现磁能与机械能的相互转换。目前，国内外许多研究机构已经利用这一效应制作出各种功能的传感器且用于工业在内的很多科学领域。此类传感器由于具有结构简单、实时感知、响应快、稳定性高等优点，已在位移测量、加速度测量、索力测量、扭矩测量等方面得到广泛应用[2]。本文综述磁致伸缩效应及其逆效应产生的机理与主要特点，重点阐述相关传感器的结构与原理，并分析其未来的发展趋势。

1 磁致伸缩效应机理与特点

对磁致伸缩材料施加磁场后，材料内部原来呈杂乱无章排列的磁分子就会沿着磁场方向重新排列，导致材料的长度或体积发生变化，此为磁致伸缩效应，主要用于位移的测量及制动器的制造。当对磁致伸缩材料施加应力后，材料的长度会产生相应的变化，其内磁分子重新排列，导致材料的磁导率发生改变，此为逆效应，主要用于应力与加速度的测量[3]。

磁致伸缩效应及其逆效应均基于磁-机转化功能，所以磁-机转化的效率决定传感器的性能。一般的铁基非晶材料，如Fe81B13.5Si3.5C2的机电耦合系数可以达到0.6，超磁致伸缩材料(GMM)的机电耦合系数更高，这保证了相关传感器的灵敏度与响应速度。另外，相应的应力与扭矩传感器无需引入无线供电与发射模块即可实现无线测试，具有广阔的应用前景[4]。超磁致伸缩材料与形状记忆合金及压电陶瓷的性能对比如表1所示。与其它2种材料相比，超磁致伸缩材料的迟滞最小，可提高传感器的响应速度；其机电耦合系数也最高，可提高传感器的灵敏度；其居里温度仍最高，可使磁性能更稳定。

表1 各种材料性能对比

2 磁致伸缩效应的应用

2.1 制动器制造

由表1可知，超磁致伸缩材料的延伸率很低而能量密度很高。这说明伸长量相同时，它具有更强的输出力，比压电陶瓷高20倍左右。其相对磁致伸缩系数高达0.001 6(一般金属的磁致伸缩系数级别为10-7)，响应速度可以达到纳秒级别，而且驱动方便，所以它被广泛应用于制造各种制动器。如电液控制系统中的电液伺服阀、柴油机高压共轨系统中的电磁阀、永磁偏置驱动器等[4]。制动器的基本原理如图1所示：铽镝铁超磁致伸缩棒材(Terfenol-D)上缠绕线圈，然后通入直流电；由于超磁致伸缩棒材的伸缩量与电流强度成线性关系，可通过电流强度控制顶杆的位置，从而到达控制流量、液位等参数的目的。

图2为柴油机的高压燃油共轨系统。在图示系统中，电磁阀的性能决定弹簧预紧力的大小，进而决定回油孔的流通面积，最终影响增压效果。目前，普遍使用的电磁阀为电磁铁吸合式阀。由于衔铁存在惯性作用，铁芯磁导率较低，而且受加工工艺限制，它的性能很难再次得到较大的提升。国外曾经开发出基于压电陶瓷磁致伸缩效应的电磁阀，但是无法大量投入使用。因为它需要数百伏的驱动电压，而且性能不稳定。由于超磁致伸缩材料具有高磁致伸缩系数与超强的输出力，而且驱动方便、响应快，为电磁阀的改进提供了方向。海军工程大学已研发出相应的电磁阀样机[5]。

图1 超磁致伸缩制动器

图2 高压燃油共轨系统

目前，超磁致伸缩制动器的模型已趋近于成熟，其力学模型可简化为挡板-弹簧-载荷的单自由度模型，如图3所示。图1中的底座等效于图3中的挡板，图1中Terfenol-D棒的运动等效于图3左边弹簧的位移，图1中顶杆的运动等效为图3中间弹簧的位移，由顶杆控制的阀门的运动可视为图3中右边弹簧的位移；其中左边弹簧的弹性系数由激励源与超磁致伸缩材料共同决定。由于超磁致伸缩材料还存在磁滞效应，需要引入磁滞模型。磁滞模型主要包含下列4种：Preisach 模型、神经网络磁滞模型、J-A模型和自由能模型。前2种模型基于磁滞理论，后2种模型基于磁畴理论。通常，将力学模型与磁滞模型在ANSYS软件中进行耦合后，即可得到与实际基本符合的制动器模型[6]。

图3 超磁致伸缩制动器等效力学模型

2.2 位移传感器

目前，基于磁致伸缩效应的位移传感器已广泛应用于各行各业，如油箱液位的测量、锅炉水位的监测等。各种形状、抗腐蚀、非接触式的位移传感器层出不穷，而且性能不断得到提升。其中，美国MTS公司生产的Temposonic系列与L系列位移传感器遥遥领先[7]。其线性误差低于0.05%，迟滞小于0.001%，可在高温、高压环境下持续工作；Temposonic III型的输出分辨率可达2 μm。基于磁致伸缩效应的位移传感器的工作原理如图4所示。传感器发出的电流脉冲信号沿超磁致伸缩波导丝向下进行传递，其产生的环形磁场与磁铁的固定磁场合成后形成一个螺旋磁场。超磁致伸缩波导丝在螺旋磁场的作用下产生一个瞬时扭转脉冲，通过提取发射脉冲与扭转脉冲之间的时间差即可确定目标的位移。由于该类型位移传感器的输出信号不需要放大，直接表示目标的绝对位置，所以不存在零点漂移，有效地避免了浮标、电容等液位传感器中零点漂移带来的系统误差。另外，超磁致伸缩材料比半导体液位计有更宽的动态响应范围及更高的灵敏度。

图4 磁致伸缩位移传感器

尿素作为一种腐蚀性较强的液体，是柴油机处理尾气时不可或缺的原料，所以尿素液位是柴油机后处理系统中很重要的变量，其精度与响应速度直接影响着选择性催化还原(SCR)的效率。由于电容的电极易被腐蚀，所以在现阶段，尿素液位基本上采用浮标测量。由于浮标存在机械惯性与机械摩擦，难以短时间内稳定，且静态误差无法消除，所以尿素喷射难以较好地实现反馈控制。另外，在医学与化工等领域，也涉及到腐蚀性液体液位的测量。超磁致伸缩材料一般是由合金添加微量稀土元素形成，可显著改善合金的抗高温氧化及耐腐蚀性能。可以预见，基于磁致伸缩效应的位移传感器将来会是这些领域一个很好的选择。

2.3 加速度传感器

基于逆磁致伸缩效应的加速度传感器具有过载能力强、测量范围广、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优异性能，在重工业、化学等工业领域的自动化控制系统中有着广泛的应用前景[8]。1997 年，英国学者制造出基于非晶态合金刺探性效应的加速度传感器。该传感器具备1个励磁线圈与1个测量线圈。在励磁线圈中通入交流电(交流电产生的磁场强度应处于材料的磁导率(B-H)特性线性段内)，当非晶薄带未受到外力时，测量线圈中产生的感应电压仅与磁路中的磁感应强度对时间的变化率(dB/dt)成正比；一旦非晶薄带受到外力后，其磁导率随之发生改变，将导致测量线圈中感应电压的幅值随着非晶薄带的受力情况而发生相应变化。又因为非晶薄带所受到的外力与振动块(激励源)的加速度间存在着对应关系，所以感应电压的幅值变化反映了振动块加速度的变化。随着超磁致伸缩材料及高灵敏度磁场计的问世，逆磁致伸缩加速度传感器的结构得到简化，如图5所示。用磁性能极高且稳定的永磁体代替交变电磁场作为激励源，用比非晶态合金的磁致伸缩系数高100倍左右的超磁致伸缩棒材作为传感器的敏感材料，用磁场计直接测量磁隙处磁场的变化，这些改进措施使得传感器结构简单、操作方便，灵敏度及线性度均得以提高。

目前，汽车、卡车及工程机械均将车体的振动作为车身性能的一项重要指标。现阶段，测量振动应用最广泛的是基于LMS的整套加速度传感器系统。这种加速度传感器一般通过胶合或磁座固定在车身或轮毂上。当振动较强时，例如测量大型柴油机振动时，会引发传感器松动甚至脱落，导致测量不准确；而且加速度传感器需要引入无线设备发射、接受信号，易造成信号干扰。逆磁致伸缩加速度传感器能弥补上述缺陷。瑞士的ABB公司已经在汽车上了进行相关试验，试验结果表明逆磁致伸缩加速度传感器能对振动信号进行精确测量。

2.4 压力传感器

逆磁致伸缩压力传感器已广泛应用于机床及自动化加工等领域。它既能避免普通弹性元件无法提供电输出的问题，又能避免压阻、压电材料需要布置外围引线的问题[9]。ABB公司生产的PFCL、PFTL和PFEA系列压力传感器处于世界领先水平，测量精度可以达到0.01 N，且动、静态的压力或张力均可测量。逆磁致伸缩压力传感器的结构如图6所示。当无压力时，激励线圈产生的磁场呈点电荷状分布；在压力作用下，磁致伸缩材料内部磁分子重新排列，导致磁场重新分布。这一变化导致检测线圈的感应电压变化，感应电压与负荷成正比，从而反映出压力的变化。

图5 逆磁致伸缩加速度传感器结构及其等效模型

图6 逆磁致伸缩压力传感器及等效模型

2.5 扭矩传感器

轮机、电站等大型柴油机的轴功率需要进行实时监测，以维持船-机-桨的平衡或电网的平衡。由于转速易获得，所以如何简单、精确、快速获得扭矩信号成为轴功率计算的关键。现阶段，一般采用应变片或相位差式仪器进行测量。应变片的粘贴要求较高，且只能单次使用，而且电池供电有限，需经常更换，还需引入无线模块。相位差式测量对仪器的安装及信号的获取均有严格的要求，而且结构复杂，不易拆装。逆磁致伸缩扭矩传感器便应运而生。

虽然逆磁致伸缩扭矩传感器一直被研究，例如上世纪，日本九州大学、韩国科学与标准研究所磁学实验室及美国麻省磁弹型器件公司相继对它进行研究，但进展很小。瑞典研制出的ASEA型测功仪和俄罗斯研制出的LI-M磁弹型测功仪，其测量误差均在1%左右，安装尺寸在120 mm以内，但仅用于军事。随着非晶态合金及超磁致伸缩材料的出现，磁弹式测量法取得很大进展。瑞士ABB公司新研制出的Torductor-S型扭矩传感器已应用于测量汽车扭矩[10]。

逆磁致伸缩扭矩传感器的结构简化示意如图7所示。在轴承上粘贴或喷涂一圈磁致伸缩材料，当磁致伸缩材料未受到扭矩作用时，其内部磁分子的排列杂乱无章，如图8所示；当磁致伸缩材料受到扭矩作用时，磁致伸缩材料受到45°方向的主压应力与-45°方向的主拉应力作用，其内部磁分子呈有序排列(如图9所示)，从而造成磁致伸缩材料的磁导率发生改变；沿压力方向磁导率降低、沿拉力方向磁导率增加，于是组成了一个全桥磁路，这些变化以感应电压的形式表现出来；由于感应电压与扭矩之间存在对应关系，进而可以得到扭矩值。其等效磁路如图10所示。

图7 逆磁致伸缩扭矩传感器结构简化示意

相较于应变片，逆磁致伸缩扭矩传感器的电源直接选用电网中的电，而且无需引入无线模块；相较于相位差式测量，结构简单，易于操作。

图8 磁致伸缩材料未受扭矩时磁分子排列

图9 磁致伸缩材料受扭矩时磁分子排列

图10 等效磁路

3 发展趋势

现阶段，在制动器领域中，基于磁致伸缩效应的电液伺服阀或电磁阀的位移输出量还较小，只能用于对小流量的控制，所以需要在阀体积不变的情况下植入位移放大机构，但必须同时保证阀门的动态特性。为了驱动顶杆，缠绕在GMM棒上的线圈一般较细而且较多，当激励源(电压或电流)一旦过大时，会造成温度骤升，所以需要引入温度补偿或冷却系统。另外，温度、压力等因素对磁场的影响规律复杂，不是单一的线性关系，所以需要对磁滞模型进行修正。

对于磁致伸缩位移传感器，最关键的部分就是产生扭转脉冲信号的波导丝及接收扭转脉冲信号的电子模块，它们必须承受外界较强的振荡与冲击。因此，需要研发出弹性更高、成分更均匀的波导丝，从而提高传感器的灵敏度。另外，位移传感器是通过提取2个信号的时间差得到的，所以对传感器要有更好的封装技术用于屏蔽外界噪声及强磁场的干扰。

逆磁致伸缩加速度传感器目前仍处于实验室研究阶段，存在的问题是成本过高及动态响应效果不佳[11]。

逆磁致伸缩压力传感器已产品化，在工程机械等领域得到广泛应用，且技术相对成熟。

影响逆磁致伸缩扭矩传感器性能的主要因素有2个：一是超磁致伸缩材料目前无法压制成薄带，而且相关的喷涂技术不成熟，所以无法使用超磁致伸缩材料作为传感器的敏感材料，一为磁致伸缩材料的线性段较窄，需要通过退火、加入微量元素等手段拓宽其线性段。

4 结论

磁致伸缩效应及其逆效应由于能在机械能与磁能间实现可逆、迅速的转换，具有响应快，无线发射、稳定性好等特点，在未来的测量领域将会得到广泛的应用。但是基于现在的材料及工艺，在磁致伸缩效应的发展过程中，还需要进一步对其技术与应用进行细致研究，为磁致伸缩的未来发展提供可靠保障。