《磁致伸缩工作原理.docxVIP

Temposonics磁致伸缩位置传感器的基本物理原理工业测量技术对于传感器的耐用性和测量精度有非常高的要求。磁致伸缩原理在严格的智能应用程序中有了日益广泛的应用，而这引起了人们对于该基本物理原理的疑问。非接触式磁致伸缩绝对线性位移传感器在历史上，磁致伸缩长度测量系统的基本原理要追溯到上个世纪。这里提到的测量方法已在工业应用中的高精度传感器中实现。而电磁学的研究则揭示了该测量方法在一定程度上所应用到的一些物理现象。原理磁致伸缩是一种只能在诸如铁、镍、钴以及它们的合金这些磁性材料中呈现的现象。磁致伸缩原理是基于这些材料具有一定的磁性。置于磁场中的磁性材料经历分子结构的微观变形，其尺寸发生变化。这是因为其中存在很高数量的单元磁铁，而正是这些极小的单元磁铁形成了磁性材料。而不加外部磁场时，这些微粒也仍在有限区域（Wei ? 区）内趋向于平行排列。在Wei ? 区内，所有的单元磁铁都朝向同一个方向。由于Wei ? 区是随机分布的，磁体的外部特征初步看来并未显示出磁性。然而，若施加一个外部磁场，这些区域就会整体朝这个磁场的方向翻转，并且彼此平行。因此而产生的磁场的强度则是外部磁场的几百到几千倍。将一个铁磁杆置于与其纵向方向相平行的磁场中，这个杆的长度将发生改变。但因磁致伸缩效应（焦耳效应）而增加的相对长度实际上很少，大约为10-6（图1）。磁致伸缩效应是磁性材料的磁性与机械参数的一种相互作用。我们可以通过对特殊金属合金进行适当的选择和处理来优化该效应，并且通过建立外部感应磁场来进行精确的控制。另一种应用于工业产品的磁致伸缩效应叫做维德曼效应。维德曼效应描述了细长铁磁杆处于纵向的外部磁场中时所发生的机械变形。当有电流通过这个杆，便产生了一个同轴磁场。MTS传感器的杆状传感元件中，部分纵向磁场是由位置磁铁产生的。当有电流通过，该传感元件会发生部分变形（图2）。此外，MTS测量方法还应用了另一种磁致伸缩效应（维拉利效应）。这种效应和纵向磁性（例如铁磁杆的导磁率）的改变有关，而这可能是由纵向变形引起的。根据归纳法，磁场中的这种导磁率变化可以被转变为电子信号并且用于电子信号的调节。应用将以上所叙述的基本物理原理应用于可靠的测量系统，则其传感器结构原理图见图3。这样，包含五个主要部分的MTS传感器就形成了：? 传感元件（波导管）? 传感器电子线路? 定位永磁体? 压力脉冲变频系统? 波导管末端的阻尼系统的核心部分是磁性传感元件，通常叫做波导管，它是扭转超声波到脉冲变频器间的导体。为了便于测量，在波导管周围有可移动的永磁体来标记位置。这个固连在位置测量对象上的位置磁铁，在波导管中会产生纵向磁场。该系统的一个重要特点就是，其与定位磁铁以及传感元件（波导管）的非接触性：非接触式测量确保了传感器整个寿命中的无磨损操作。实际测量中，则是由传感器电子线路通过波导管来发出很短的电流脉冲。当电流脉冲通过波导管的时候，会在波导管周围的径向上产生第二个磁场（图3）。在位置磁铁区域，磁致伸缩波导管发生弹性变形（维德曼效应）。根据电流脉冲的时间曲线，这是一个高度动态的过程，在永磁体的有效场中会产生扭转波。这种冲击声波沿着波导管进行传播直至其下端，在下端处声波已被完全吸收，也就是说，任何对于信号测量的干扰都已被安全消除。扭转波的探测是在一个特殊的脉冲变频系统（这个系统位于波导管的上端）中进行的：磁致伸缩金属条与波导管、电感式检测器线圈以及另一个固定的永磁体相连接。在扭转脉冲变频器中，根据维拉利原理，超声波会引起金属条导磁率的变化。永磁场发生时间的变化在感测线圈中感生出电流信号，而这个电流信号是由传感器电子线路来处理的。扭转超声波以恒定的速度沿着波导管进行传播。超声波的位置则是根据测量其传播时间来精确测定的，这是因为，磁体位置是反馈电子信号（在扭转变频器中被探测到的超声波）的电流脉冲发出与到达之间的时间函数。虽然这种位移测量原理看起来很复杂，但是知晓其特点有助于了解MTS传感器所具有的显赫优点：例如，运行时间测定的极度精确性和磁致伸缩金属的长期稳定性。并且根据我们MTS工程师的专业技能，传感器是特殊设计的，因此，其工作原理是不受外部因素（例如机械振动）所影响的。所有的这些特点都已结合进精密MTS位置传感器，因此该传感器具有很高的测量复现性和可靠性。若要使得磁致伸缩测量原理能够在工作于恶劣工业环境中的长度测量系统中实现，则需要制造商有很强的能力。总之，经过数十年在磁致伸缩金属和材料技术上的加强，MTS工程师在基本物理原理方面有着渊博的知识，他们非常善于用这些知识来快速处理测量数据。例如，MTS进行了一项比较研究，该研究旨在弄清扭转超声波在多种应力脉冲变频系统（如图4所示）中转变为电子测量信号的过程。这项研究标明，如图4所示的第三种传感元件对于物理核心技术的使用需要达到最高效率，