什么是磁致伸缩效应？磁致伸缩传感器工作原理是什么？有什么应用？

在之前的文章中，我们有提到软磁和硬磁材料。

其实这些材料都属于铁磁材料。

铁磁材料有一个共性，就是可以被磁化。

根据能够被磁化的程度，即磁导率（Permeability）的大小，又可以分为强磁导率材料如坡莫合金和硅钢，和普通磁导率材料如钴钢和铸钢等。

几种铁磁材料的磁导率：之所以使用硅钢片为变压器铁芯，是因为它的饱和磁通密度高，而矫顽力和剩磁通小，也就是磁滞损失小。其中坡莫合金（Permalloy）因为磁导率高，是理想的磁屏蔽材料。图片来源：J.O. Aibangbee1 ands.O. Onohaebi2 ，Ferromagnetic Materials Characteristics: Their Application in Magnetic Coresdesign Using Hysteresis Loop Measurements。

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磁导率

生活中，我们常用磁铁去吸引钉子，螺钉，和细针等物件。

这些东西可以用磁铁吸引，是因为磁铁在它们内部感应（磁化）出磁场，磁铁中的磁场和感应出的磁场相互吸引。

所以，通俗地理解，磁导率可以认为是材料被磁化的难易程度，材料的磁导率越高，就越容易被磁化。

数值上来说，磁导率是感应场与外加磁场强度之比，感应场越强，磁导率越高，吸引力就越强。

空气、木材、塑料，黄铜和钛合金等，属于非磁导材料，外部磁场不会在它们内部感应出磁性，因此它们不会被磁铁吸引。铁、镍、钴、钆、硅钢等是磁导材料，当暴露于外部磁场时，可以在其中感应出磁场，所以它们能被吸引。

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磁畴

为什么有些材料容易导磁，有些不容易导磁？

这要从微观结构说起。

从微观上来看，铁磁材料内部有很多磁畴。

磁畴示意图，及其在外磁场作用下的对齐变化。

磁畴可以理解为，在铁磁材料内部，有许多微小的椭圆形永磁体。

当材料没有被磁化时，磁畴是随机排列的。如果材料被磁化，则畴的方向是大致平行于外磁场，因此，材料的整体尺寸会发生变化。

磁致伸缩的基本原理：中间图未加外磁场，磁畴随机排列，材料处于自然长度状态。上图施加垂直方向的外磁场，磁畴也垂直排列，导致材料缩短。而最下面的图中，施加水平方向的外磁场，磁畴也水平排列，导致材料变长。

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磁致伸缩效应

基于磁畴，我们很容易理解磁致伸缩效应（Magnetostrictive Effects）。

A.磁致伸缩效应（焦耳效应）：

几乎所有的铁磁材料，例如铁、镍、钴及其合金，都会因磁化强度的变化而发生尺寸和形状的变化，这种效应称为磁致伸缩效应。

由于此效应是被焦耳发现，所以也叫焦耳效应。

所有铁磁材料都会经历磁致伸缩，例如，当磁致伸缩棒放置在平行于棒长度方向的磁场中时，棒将改变长度。

用于磁致伸缩传感器材料的长度变化非常小，通常在 10^-6m/m的数量级。

由于磁致伸缩传感器不单单利用磁致伸缩效应，还和其他几个相关效应有关，所以这里也顺便说一下。

B. 维拉里效应：

相反，向磁致伸缩材料施加应力，会改变其磁性（磁导率），例如，扭转磁致伸缩元件或磁化导线，会导致磁化强度的变化，这称为维拉里效应。

C．维德曼效应：

由磁致伸缩材料制成的导线，一个重要特性是威德曼效应：当向磁致伸缩导线施加轴向磁场，并且电流通过导线时，导线将在轴向磁场的位置发生扭转。

扭转，是由来自永磁体的轴向磁场与绕磁致伸缩线的周向磁场的相互作用引起的，（通电导线产生绕导线的周向磁场，这个我们在之前的文章《感应电机的原理是什么？它有哪些优缺点？有哪些典型应用？》中也有提到）

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磁致伸缩传感器的工作原理

磁致伸缩传感器，正是基于焦耳、维拉里及维德曼效应工作。

一方面，施加的力或扭矩产生应力，会改变磁致伸缩材料的磁导率，导致其磁化强度发生变化。

另一方面，施加的磁场会改变磁致伸缩材料的磁性状态，从而导致其弹性常数发生变化。

磁致伸缩位置传感器的工作机制：图中显示了一个磁致伸缩位置传感器核心组成。电流脉冲被施加到铁磁电线上，在该电线周围产生圆形磁场。永磁体（矩形或环形）连接到要测量其位置的移动物体。该永磁体的磁场与电流脉冲的磁场相互作用，导致波导以机械脉冲的形式发生弹性变形。该波以声速沿波导双向传播，最终被拾取线圈拾取到。图片来自MTS。

再看一张更细节的图片。

磁致伸缩位置传感器工作原理，图片来自Sensorland。在波导的一端，一小块称为胶带的磁致伸缩材料被焊接到波导上。该磁带穿过一个线圈，并被称为偏置磁体（Bias Magnet）的小型永磁体磁化。当声波沿波导传播至胶带时，由声波引起的应力会在胶带中引起磁导率变化（维拉里效应）。这又导致磁带磁通密度发生变化，因此从线圈感应出输出脉冲（这里用到了法拉第电磁感应，之前我们聊感应电机时，有讲过，感兴趣的朋友可以点此查看）。

在波导的另一端，未使用的脉冲由阻尼模块衰减，以防止对返回/反射脉冲的进一步干扰。

因此，可以通过使用从发射电流脉冲到接收应变脉冲所经过的时间t来准确确定物体的位置：物体的位置 = Vs *t/2，其中VS是波导传播速度。

为了确保输出的准确性，通常在生产的最后阶段，使用激光干涉仪确定或校准波导中的实际传播速度。

磁致伸缩传感器提供绝对位置信息，与增量编码器不同，在断电时无需重新归位。

一款真实的磁致伸缩位置传感器，图片来自Temposonics。

磁致伸缩传感器最大的特点在于，它们还可以将多个位置磁铁与一个波导一起使用，非常适合需要沿同一运动轴的多个组件的位置信息的探测，例如分切机上的刀具，并且可以测量大于 5m的行程范围，分辨率可到 1 mm。

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磁致伸缩传感器的应用

磁致伸缩传感器用于测量液位：永磁体藏在浮漂中，液位变化时，磁体移动，波导在不同的位置激发并传播，最终被传感器中的探测器探测到。

磁致伸缩传感器用于测量：（a）压力：结构主要由上下刚性板，和围绕铁芯的激发线圈及探测线圈组成，当外力作用在刚性板上时，会改变磁致伸缩铁芯的应变，进而改变探测线圈中的磁导率和磁通密度，由电磁感应效应得知会在探测线圈中感应出变化的电流。（b）振动：振动力作用于磁弹带上，引起应变，磁芯在带中的磁化率发生变化，并在线圈中感应出波动的电流。

磁致伸缩传感器用于测量钻头扭矩：钻头外有3个线圈，励磁线圈围绕钻头的内侧，包围柄部（圆柱状没有切削凹槽）和凹槽部。两个感应线圈，一个位于凹槽上方，一个位于柄部上方，反向串联连接，以测量磁导率。与凹槽相比，柄部的磁导率对扭矩变化敏感度较低，两个线圈的输出电压差与施加的扭矩成比例变化。图片来自：Overview of Magnetostrictive Sensor Technology.Frederick T. Calkins, Alison B. Flatau and Marcelo J. Dapino。

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