磁致伸缩位移传感器的原理及应用场合

之前，给大家介绍了有关磁致伸缩位移传感器的特点，现在给大家总结下它的原理及一些常用的行业领域。

磁致伸缩位移传感器的定义

磁致伸缩位移传感器

磁致伸缩位移传感器位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，磁致伸缩位移传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。

磁致伸缩位移传感器的原理

是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。

磁致伸缩位移传感器的应用场合

1、电子产业及汽车行业

时代在发展，人们对汽车与电子产品的依赖程度越来越高。磁致伸缩位移传感器用于电子产业及汽车行业流水线的在线检测，可大大提升设备的自动化程度与生产效率，是自动化流水作业不可缺少的一个环节。传感器还用于各类汽车零部件、电子元器件的尺寸测量与组装定位，提升加工产品的品质。

2、制药设备与石化产业

制药行业以及石化行业等特殊场合，要求使用的位移传感器必须具备防爆、防腐蚀等特性。防爆型磁致伸缩位移传感器有本安、隔爆及本安隔爆三种类型，可用于易燃易爆场合的位移、液位测量。防腐蚀型磁致伸缩位移传感器因为外部聚四氟乙烯防护层的保护，可用于酸、碱、盐等腐蚀性介质的测量与控制。

3、 橡塑机械、压铸机械

塑胶产业与五金铸造产业是我国的经济支柱产业，其生产的制品遍布日用消费品及汽车、工业设备、农业机械、科研仪器等零部件。位移传感器应用于注塑机、橡胶机、压铸机等数控机械，实现位移测量与位置定位，传感器质量直接决定了数控机械的控制效果。橡塑机械、压铸机械等常用电阻式直线位移传感器，不过随着设备性能的不断提升，市场对抗震性能、抗干扰性能以及使用寿命更佳的磁致伸缩位移传感器需求在不断增加，逐渐替代电阻式直线位移传感器成为一种趋势。

4、食品机械

食品行业对于清洁度的要求远远高于其他行业，用自动化程度较高的数控机械替代传统的半自动机械或者手工机械已经成为必然的趋势。位移传感器可实现食品机械的自动化作业以及在线检测。另外食品行业加工环境通常比较潮湿，现场应用对于磁致伸缩位移传感器的防护性能通常要求相对较高。

5、电力设备

磁致伸缩位移传感器可用于电力行业闸门控制与轮机控制。常用电阻式直线位移传感器、LVDT位移传感器等，其中LVDT位移传感器因为检测精度高、防护性能好、使用寿命长等优点成为部分电力部门的标准配件。轮机的偏心、涨差、转速等在线检测常用电涡流位移传感器。水电行业水库液位监测常用拉绳位移传感器、磁致伸缩位移传感器等。

6、纺织机械

电阻式直线位移传感器、磁致伸缩位移传感器、LVDT位移传感器、角度传感器等用于纺织机械，可实现设备的位移测量（包括线位移与角位移）与精密控制。电阻式直线位移传感器因为制造成本等因素，是性价比不错的传感器，在纺织机械大量应用。LVDT位移传感器因为防护等级高、抗干扰性能强、使用寿命长，也逐渐替代电阻式直线位移传感器成为热销产品。

7、液压机械

液压机械因为功率大、控制精度高在自动化控制系统广泛应用。位移传感器可实现对液压机械液压油缸的位置测量与精确反馈，常用产品为电位计原理直线位移传感器、拉绳位移传感器或者磁致伸缩位移传感器。其中磁致伸缩位移传感器具有较好的抗震性能和较长的使用寿命，内置安装型磁致伸缩位移传感器还能够承受液压缸内较高的压力，安装使用更加便捷。部分液压机械液压缸行程较大，刚性推杆对于安装的平行度要求也非常高，电位计原理直线位移传感器或者磁致伸缩位移传感器生产制造较为困难，可采用拉绳位移传感器很好地解决此类问题。

8、医疗设备

现代医疗设备对于传感器的尺寸及性能要求比较苛刻，位移传感器主要应用于X光机、全自动手术台、螺旋CT或者双源CT等中、小型设备，实现位移精确测量与位置定位。拉绳位移传感器安装尺寸较小，特别适用于此类设备的测量需求。多台拉绳位移传感器还可以实现平台或者立柱多维度精密移动。

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学术简报︱扭转力作用下Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的输出特性

省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学）的研究人员李媛媛、王博文、黄文美、李云开，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文，为提高磁致伸缩位移传感器的测量精度，需要从理论和实验上分析传感器的输出特性。

针对扭转力作用下波导丝发生磁化状态的改变进而影响传感器的输出特性这一问题，基于材料力学求解扭转应力，并从磁畴角度分析扭转力对魏德曼效应的影响，结合Fe-Ga合金的非线性本构模型和磁致伸缩逆效应等建立磁致伸缩位移传感器的输出电压模型，计算不同螺旋磁场和扭转力下的输出电压。搭建预加扭转应力下输出电压的测试平台，从理论和实验上确定输出电压随扭转应力的增大呈非线性减小的变化规律。

研究还表明：在同一磁场下，正向扭转应力导致的电压降小于反向扭转应力导致的电压降，提高偏置磁场或激励磁场可以从一定程度上抵消扭转应力对电压的影响。研究可为设计大量程高精度的位移传感器提供理论依据与指导。

铁镓合金在低磁场下能够产生较大的磁致伸缩应变，同时具有应力灵敏度高、抗拉能力强、材料成本较低和易于制备等优点，因此广泛应用于传感器、换能器、制动器、汽车、机器人等领域。

在精密位移测量方面，基于魏德曼效应和磁致伸缩逆效应的Fe-Ga磁致伸缩位移传感器，以其测量精度高、可靠性高、使用寿命长等优点，广泛应用于机床位移控制、液面高度和界面测量等领域。特别是由于磁铁和传感器无需直接接触，该种传感器在易燃易爆、腐蚀、辐射等恶劣环境下有着不可替代的应用价值。

磁致伸缩位移传感器以线圈为检测装置，其输出量为电压信号，对电压信号进行分析处理从而获得应力波的传播时间，由于应力波的传播速度一定，检测位移通过应力波的波速乘以应力波的传播时间即可求得。

有学者对磁致伸缩位移传感器的精度进行了分析，发现输出电压的峰值越大，根据阈值法或峰值法确定的应力波传播时间越精确，传感器的测量精度越高。为研制更符合测量需求的磁致伸缩位移传感器，有必要对磁致伸缩位移传感器的输出特性进行深入的研究。

已有一些文献对磁致伸缩位移传感器的输出特性进行研究，有学者采用波导丝所受的扭矩描述波导丝的角应变，根据磁机械耦合原理得到磁感应强度的表达式，进而建立起激励磁场、偏置磁场和材料特性与输出电压的关系。

有学者发现波导丝的磁致伸缩是影响魏德曼效应的重要因素。有学者基于魏德曼效应得到了含有磁致伸缩系数的输出电压模型，建立起磁致伸缩与输出电压的函数关系。有学者提出磁致伸缩导波位置传感器的电磁感应信号来源于磁畴的自由旋转和应力波的偏心运动。

随后，有学者对应力波在波导丝中的衰减特性进行了研究，提出衰减系数测试方法，并讨论了波导丝的线径、应力波的频率等对衰减系数的影响。有学者考虑应力波衰减特性，建立了传感器输出电压随应力波传播距离变化的数学模型，并通过实验验证了该模型，结果表明输出电压随传播距离的增大呈指数衰减。

以上研究均未涉及外加应力对传感器输出特性的影响，实际上，应力可以使磁性材料产生应变，从而改变传感器的输出特性。有学者根据位移传感器的输出电压与螺旋磁场的函数关系，进一步通过分析有效场、应力场和磁化强度的关系，得到应力和磁场共同作用下的输出电压模型。但该模型只适用于分析轴向应力对输出电压的影响，对于在波导丝安装过程中极容易受到的扭转力问题并不适用，扭转应力对输出电压的影响尚未可知。

本文基于材料力学对波导丝所受扭转应力进行分析和计算，并从磁畴角度研究了扭转力对魏德曼效应的影响，结合Fe-Ga合金的非线性本构模型和磁致伸缩逆效应等推导了磁致伸缩位移传感器的输出电压模型。搭建预加扭转力下Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的输出电压测试平台，通过模型计算和实验验证，得到了扭转应力对传感器输出特性的影响规律。该模型可用于预测传感器的输出电压，并为传感器的设计优化提供指导。

图1 传感器工作原理图

图6 传感器测试平台

结论

考虑丝状Fe-Ga合金在磁致伸缩位移传感器的安装过程中极易受到预加扭转力的作用，在扭转力和螺旋磁场共同作用下波导丝的磁化状态发生改变，对输出电压产生影响。为了确定预加扭转力对传感器输出信号的影响，建立了传感器输出电压在预加扭转应力作用下的输出电压模型，确定了输出电压随扭转应力的增大呈非线性减小的变化规律，发展了磁致伸缩位移传感器的理论。设计了预加扭转应力下输出电压的测试实验，从实验和理论上验证了输出电压模型的准确性，表明该模型可以描述传感器在扭转应力下的输出电压特性。

研究表明：同一螺旋磁场下，正向扭转应力导致的电压降小于反向扭转应力导致的电压降；同一扭转应力下，偏置磁场增大或者激励磁场增大都会使传感器输出电压升高。研究结果可为磁致伸缩位移传感器的优化设计提供理论指导。

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