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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一种新型的磁致伸缩力传感器，结构简单，灵敏度高

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的研究人员李云开、王博文、张冰，在2019年第17期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“铁镓合金的压磁效应与力传感器的研究”），基于非线性压磁方程，通过COMSOL有限元仿真平台，分析了片状铁镓合金的压磁效应。仿真研究了不同偏置磁场和不同应力下铁镓合金动态压磁系数的变化。

参考悬臂梁特性，利用铁镓合金设计并制作了一种新型的磁致伸缩力传感器。根据电磁学理论和压磁效应，建立了力传感器的测试模型。搭建磁致伸缩力传感器实验平台，通过实验研究了偏置磁场和力对输出特性的影响。

通过仿真和实验结果可知，偏置磁场强度为4.5 kA/m时，压磁系数最大值为17.5 T/GPa。传感器的测力范围为0~4N，在0~2N内传感器有较高的灵敏度。该传感器具有结构简单，灵敏度高等优点，可满足对力精确感知的要求。

磁致伸缩材料铁镓合金（Galfenol）具有在低磁场下应变高、滞后小和应力灵敏度高等优点。相比于稀土磁致伸缩材料（Terfenol-D）和压电材料，铁镓合金具有脆性小、抗拉强度高等良好的机械性能，可广泛应用于换能器、传感器和振动能量采集器等领域。利用Galfenol的压磁效应可研制磁致伸缩位移传感器、磁致伸缩应变传感器和磁致伸缩压力传感器等。

压磁系数是指单位应力引起磁致伸缩材料磁感应强度的变化量，因而压磁系数与磁致伸缩压力传感器的灵敏度密切相关。

本文基于非线性压磁方程，利用COMSOL有限元仿真软件研究了应力和偏置磁场对压磁效应的影响，分析了压磁系数随应力和偏置磁场的变化规律，得出小应力下最大压磁系数对应的偏置磁场。参考悬臂梁结构特点，应用铁镓合金设计制作了一种新型的力传感器，用于机械手对抓取力的测量。结合非线性本构模型和JA模型，推导了传感器测试力的输出模型。搭建了磁致伸缩力传感器的实验平台，验证了应力和偏置磁场对压磁系数的影响，同时验证了传感器输出模型的有效性。

图7 传感器结构

图8 传感器测试平台

结论

基于非线性压磁方程，采用COMSOL有限元仿真软件对片状铁镓合金悬臂梁进行建模，研究了偏置磁场和应力对压磁系数的影响规律。设计制作了一种新型力传感器，应用电磁学理论、压磁效应，建立了传感器测试力的输出电压模型。计算结果与实验结果基本一致，表明建立的模型可描述力传感器的输出特性。

由仿真和实验结果可知，偏置磁场强度为4.5 kA/m时，压磁系数达到最大值17.5 T/GPa。传感器的测力范围为0~4N，在0~2N范围力具有较高测试灵敏度，在2~4N范围力的测试灵敏度略微低。该传感器具有结构简单、灵敏度高等优点，可满足对力精确感知的要求。

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