磁致伸縮型磁傳感器除了采用非晶材質(zhì)伸縮材料外，還有利用待測(cè)物本身（例如鋼軸）的磁致伸縮效應(yīng)和采用其它磁致伸縮材料制作的。本文介紹幾種這樣的磁傳感器，作為“磁性傳感器的現(xiàn)狀與未來(lái)”的第三部分。
1、磁頭型扭矩傳感器
1.1原理與結(jié)構(gòu)
磁頭式扭矩傳感器的原理與螺線管式扭矩傳感器基本相同，不同之處是利用鋼軸本身的磁致伸縮效應(yīng)和利用裝有U型磁芯的檢測(cè)線圈（磁頭）進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)磁鋼軸收到扭矩作用時(shí)，在與軸向成±45°方向呈現(xiàn)各向異性，其差與所受扭矩成正比。利用兩磁頭和兩電阻構(gòu)成的橋路，可非接觸式地（磁芯端面距軸表面約1mm）檢測(cè)這一差值，也就測(cè)出了扭矩。
這種方式因利用鋼軸本身的逆磁致伸縮效應(yīng)，所以，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)力-磁性轉(zhuǎn)換效率不高；而且由于軸圓周方向的不均勻性，必然引起零點(diǎn)和靈敏度隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。因此，精度（尤其是瞬間扭矩應(yīng)答性）等方面不如螺線管式的好。如果能改進(jìn)這些性能，適用性還是很大的。
上述圓周方向的不均勻性有：1）磁性的不均勻性，他引起的零點(diǎn)變動(dòng)稱為固有變動(dòng)；2）伴隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸-磁頭間隙的變動(dòng)，他引起的零點(diǎn)變動(dòng)稱為外因性變動(dòng)除去。
1.2性能的改進(jìn)
1）靈敏度對(duì)空隙變化的自補(bǔ)償
檢測(cè)磁頭與軸表面間的空隙變大時(shí)靈敏度下降。但是，在磁頭（包括軸）品質(zhì)因數(shù)大于10時(shí)，用電路可進(jìn)行自補(bǔ)償，在橋路中LC諧振產(chǎn)生正弦波電流，靈敏度成正比，滿足共振條件時(shí)電流。因此，如果預(yù)先將驅(qū)動(dòng)頻率定的高些，當(dāng)空隙變大時(shí)，滿足共振條件，靈敏度就得到了補(bǔ)償。
2）用正交震動(dòng)法降低磁滯
軸表面的90°疇壁的釘扎，使輸出具有磁滯現(xiàn)象。如果降低這種釘扎效應(yīng)，就可降低磁滯。長(zhǎng)野等人提出疊加振幅較大的交淹磁場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)90°疇壁。他是用另外兩個(gè)磁頭（其兩極連線方向與檢測(cè)磁頭兩極連線方向互相正交）產(chǎn)生正交的交流磁場(chǎng)來(lái)振動(dòng)90°疇壁。
對(duì)于φ25.4mm的S45C碳鋼軸，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)勵(lì)磁電流為10kHz、100mA，正交震動(dòng)場(chǎng)電流為1kHz、800mA時(shí)，曲線磁致基本消失，而且靈敏度和輸出電壓大幅度的增大。
3）涂覆均勻的磁致伸縮層
由于鋼軸磁性的不均勻性，使磁頭式轉(zhuǎn)矩傳感器的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性差。為了改進(jìn)這一缺點(diǎn)，可在軸表面用電鍍和等離子噴涂法涂覆磁性均勻的磁致伸縮層。例如，對(duì)φ12mm的S45C鋼軸噴涂300μm厚的Ni層，瞬間扭矩的檢測(cè)精度由原來(lái)的±16%/全刻度（全刻度為20Nm）變?yōu)?plusmn;4%/全刻度，有了大的改進(jìn)。如果將檢測(cè)磁頭設(shè)置在軸的兩側(cè)進(jìn)行平均化，精度可改進(jìn)到1.3%/全刻度。
4）勵(lì)磁場(chǎng)效果
增大勵(lì)磁場(chǎng)有利于提高靈敏度和線性，周向輸出偏移減小。因?yàn)檫@時(shí)磁化狀態(tài)主要由勵(lì)磁場(chǎng)決定，磁致伸縮只起次要作用。磁化過(guò)程除壁移外，還有轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，疇壁釘扎幾率減小。在勵(lì)磁頻率為20kHz，勵(lì)磁電流為400mA時(shí)，靈敏度為0.37mV/Nm，磁致為0.3%，周相輸出偏移為0.9%全刻度。
2、磁各向異性應(yīng)力傳感器
磁各項(xiàng)異性應(yīng)力傳感器是根據(jù)在磁體上加應(yīng)力時(shí)，由于磁致伸縮逆效應(yīng)形成的磁各向異性來(lái)檢測(cè)應(yīng)力大小和方向的應(yīng)力傳感器。他能非接觸式測(cè)的檢測(cè)磁鐵內(nèi)部一定深度的應(yīng)力，適用于鋼鐵構(gòu)件。鋼軌等的應(yīng)力檢測(cè)。例如鋼軌焊接和熱脹冷縮引起的應(yīng)力分布。
2.1原理和結(jié)構(gòu)
它由2個(gè)U型坡莫合金磁芯勾陳，其中一個(gè)是勵(lì)磁磁芯，其兩極面四E1、E2；另一個(gè)是檢測(cè)磁芯，兩極面是D1/D2.E1~E2連線和D1-D2連線互相垂直。磁芯極面與被測(cè)體之間有一定的空隙。在兩磁芯的腿部繞上勵(lì)磁線圈和檢測(cè)線圈。
2.2磁滯問(wèn)題
在樣品未經(jīng)退磁時(shí)，輸出電壓應(yīng)力特性曲線出線磁致現(xiàn)象，而且改變勵(lì)磁電流和勵(lì)磁頻率均不能改善磁致。要消除磁致，必須采用交流退磁法；在樣品反面安裝退磁用的電磁鐵，退磁磁通的流向與應(yīng)力方向垂直。用民用電源通過(guò)調(diào)壓器加上為50V的交流電壓，在10秒鐘內(nèi)將交流電壓從50V將為零。
3 線爆噴涂膜轉(zhuǎn)矩傳感器(7)
在采用非晶磁致伸縮材料傲的轉(zhuǎn)矩傳感器中．非品薄帶用牯接劑粘貼在軸的外周表面， 由轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力通過(guò)粘接劑傳遞給非晶薄帶．因此傳感器的可靠性取決于牯接劑的附著力。近年，對(duì)在惡劣環(huán)境下也能使用的傳感器的需求日益迫?。@樣的傳感器不用粘接劑。因此需要開(kāi)發(fā)一種附著力強(qiáng)的高磁致伸縮膜，線爆噴涂膜就是其中之一，它利用對(duì)基板的投錨效應(yīng)可獲得高粘附力，可達(dá)26kg／mm ．
3．1線爆賾涂膜的制作
線爆噴潦法采用通常的高壓充放電裝置．基本電路 充電電容器電容20F．充電電壓30k~。待噴涂的線材接于兩接點(diǎn)之間，在放電所產(chǎn)生的脈沖大電流下瞬間熔化，其內(nèi)部氣化為爆發(fā)氣體． 以1 000m／s的速度使線材外周的熔化部分變?yōu)?數(shù)p,m的微粒，以霧狀噴涂在基板上．由于
這種高速高溫微粒的投錨效應(yīng)，在基板和膜之間形成數(shù) m的擴(kuò)散固溶層．具有強(qiáng)的牯附力。
為了得到牯附力強(qiáng)的膜，又要有較高的效率，需要調(diào)整單位體積線材的投入能量．使線材的氣化部分和變成微粒的部分有一適當(dāng)?shù)谋壤?duì)于Fe、Ni線材而言，噴涂條件為：線徑r=0．6m121．線長(zhǎng)?一30mm，放電能量5．8kJ(充電電壓24kV)．線材與基板闊距I2171m。
5．2線爆噴涂膜轉(zhuǎn)矩傳感器
由于這種制膜方法基板幾乎不受熱影響，因此可用通常的乙烯樹(shù)脂膠帶作掩模在軸上用此膠t廿形成斜條形掩模后，軸與線材垂直放置．將軸每次轉(zhuǎn)過(guò)45。，從8個(gè)方向反復(fù)噴涂8次就可到得斜條形膜。若要形成合金膜，可將組成元素交替噴涂 噴涂后進(jìn)行熱處理， 真空度為0．1Pa， Ni膜500℃ ×3h，Ni-Fe膜l O0 0℃ ×lh．
利用這種斜條形膜構(gòu)成雙磁芯多諧振蕩器橋路(MVB，就可制成轉(zhuǎn)矩傳感器。該膜的電感困轉(zhuǎn)矩。而變化，使電橋不平衡而產(chǎn)生輸出電壓 ?？色@得沒(méi)有磁滯，線性良好的 —a特性 當(dāng)電源電壓E。=7．5V時(shí)，NiyFe膜和Ni膜制作的傳感器的靈敏度分別是1 l mV／／,g·112和5．5mV／kg·m．只有用非晶薄帶的。徂由于 —d特性的線性很好，可進(jìn)行充分的電補(bǔ)償。
4 巨磁致伸縮傳動(dòng)器(8)
4．1巨磁致伸縮材料
巨磁致伸縮材料還應(yīng)具備其它的特點(diǎn)：I)選擇不同的材料， 可得到正負(fù)磁致伸縮：2)居里點(diǎn)高，磁致伸縮量的溫度特性可調(diào)：3)可低電壓驅(qū)動(dòng)(低磁場(chǎng)下可獲得太的磁致伸縮)；4)^～／-／曲線磁滯小，可調(diào)整；5)答速度快；6)臨界頻率(渦流急增時(shí)的頻率)可用小直徑棒或疊層化來(lái)提高；7)可進(jìn)行非接觸式驅(qū)動(dòng)。
4、2巨磁致伸縮傳動(dòng)器
巨磁致伸縮材料主要用于傳動(dòng)器。前面所講的大部分磁致律縮型傳感器都是利用磁致伸縮逆效應(yīng)。而傳動(dòng)器則是利用在預(yù)壓縮應(yīng)力下的磁致伸縮(正)效應(yīng)，即在磁場(chǎng)下長(zhǎng)度的伸縮。一般說(shuō)來(lái)，：飽和磁致伸縮系數(shù)^s隨預(yù)匪縮應(yīng)力增犬而增大，而且在某一磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)^~H曲線直線上升，這個(gè)線性區(qū)就是工作醫(yī)。調(diào)節(jié)預(yù)壓縮應(yīng)力和偏磁場(chǎng)可找出佳工作狀態(tài)， 一般分剮為1 25k~f／cm。和I6kA／m。
典型的磁致伸縮傳動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。中心的磁致伸縮材料( 6)(S0mm)的下端用夾具固定，上端通過(guò)伸縮傳遞軸和彈簧給磁致伸縮材料加上預(yù)壓縮應(yīng)力。磁致伸縮材料的周圍是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的線圈和冷卻線圈用的銅水管。偏場(chǎng)用的永磁體設(shè)置在稍離磁致伸縮材料兩端的地方。外嗣是磁軛(碳鋼)它與永磁體、磁致伸縮材料一起構(gòu)成封閉磁路，以防漏磁。伸縮傳遞軸等其它零件均是非磁性不銹鋼制成。
在驅(qū)動(dòng)場(chǎng)(伸縮量)一定的情況下，傳動(dòng)器可用作開(kāi)關(guān)式傳動(dòng)器；當(dāng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)可調(diào)時(shí)，可用作定位用傳動(dòng)器；當(dāng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)為正弦波磁場(chǎng)時(shí)，可激勵(lì)振蕩，用于音響和勵(lì)振器。
4．5巨磁致伸縮傳動(dòng)器在微型機(jī)虢中的應(yīng)用
巨磁致伸縮傳動(dòng)器的主要元件是磁致伸縮材料、線圈和磁軛。材料的小型化可提高頻率特性，其臨界頻率fc=2p／~ D。，D是直徑，。當(dāng)D從10ram降為Il~lgl時(shí)， ，c從0．7kHZ增至6．8kHz?，F(xiàn)在可達(dá)到的最小尺寸是：圓柱 1 x 5mm：長(zhǎng)方柱0．5xI x5ram；圓筒 6X 4X 5mm。線圈尺寸最小為 1．0X1．5mm (有繞線架)和 0 8X 0．5 XI．3mm(無(wú)繞線架)。但是，另一方面，小型化也會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)場(chǎng)(電流)變小和伸縮量變小的問(wèn)題。因此，有時(shí)僅將磁致伸縮材料小型化，同時(shí)還在研究將材料薄膜化、一疊層化。檢查非磁性管道的微型機(jī)械正在研制中，它能在 6mm阿管道中以0．5mm／s的速度移動(dòng)。另外，掃描隧道顯微鏡用的精密定位傳動(dòng)器已接近實(shí)用水平。
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