【文章內容簡介】 就表現(xiàn)為扭轉現(xiàn)象。這種由B、B共同作用產生的扭轉磁致伸縮現(xiàn)象即為威德曼效應。圖21為通電螺線管，用以在磁性體的軸向上產生穩(wěn)恒磁場。圖21威德曼效應的產生磁致伸縮的逆效應也稱為維拉里效應，他表現(xiàn)為處于外磁場中的鐵磁體，當受到彈性力的作用時，材料內部磁導率、磁化強度等發(fā)生改變的現(xiàn)象。他說明應變可影響磁化，所以有時候也稱為鐵磁體的壓磁現(xiàn)象。[12]磁致伸縮系數時表征材料的磁致伸縮大小的量。如果鐵磁材料沿長度L的方向磁化，產生L的伸長量，則有磁致伸縮系數： (22)其中，為正表示伸長，為負表示縮短。磁致伸縮系數隨外加磁場變化而變化，當材料磁化狀態(tài)達到飽和時，也達到相應的飽和值，此時磁場強度繼續(xù)增加，也不會增加，這時沿外加磁場方向的磁致伸縮系數被稱為飽和磁致伸縮系數，用表示。（4）磁致伸縮波的發(fā)生及傳輸效應：若在細長高磁導率材料的一端發(fā)生磁場變化，則磁致伸縮也會隨時間變化，即發(fā)生磁致伸縮波。該磁致伸縮波在材料中傳輸，也會誘發(fā)磁化隨時間的變化，并傳輸到材料的另一端。 磁致伸縮的產生機制 圖22磁致伸縮模型圖 23形狀效應模型鐵磁體的磁致伸縮同磁晶各向異性的來源一樣，是由于原子或離子的自旋與軌道的耦合作用而產生的。磁致伸縮是由于要滿足能量最小條件的必然結果，可以用兩個簡單模型予以形象說明，如圖2圖23所示。圖22表示兩個小磁針A和B間相互作用。在外磁場中，A和B之間處于能量最小的平衡位置，表示A和B間的平衡距離。如果把磁場H的方向轉動90，則小磁針A和B之間的相互作用能發(fā)生變化，因而能量最小的平衡距離變成了r,rr即為隨著磁化狀態(tài)的能量變化而產生的線磁致伸縮。這說明，各向異性的作用引起了線磁致伸縮。圖23表示自發(fā)磁化時，交換作用能將導致體積磁致伸縮。一個單疇球體由于自發(fā)磁化而具有的退磁場能為NMV/2,其中N是退磁因子，是空氣中的磁導率，M是磁化強度，V是球的體積。為了降低這個退磁能量，球的中V要減小，同時在自發(fā)磁化方向要伸長而變?yōu)闄E球形狀，以便減小退磁因子N，這就是所謂的形狀效應。形狀效應與鐵磁體的形狀有關。與其它磁致伸縮效應相比，它一般是很小的，因為自發(fā)磁化引起的自發(fā)形變，來自交換作用及各向異性，這兩者的作用比靜磁作用大得多。 (a) (b)圖24磁化過程中磁疇轉動并伴隨著自發(fā)形變軸的轉動如果鐵磁體是多疇結構。圖24（a）為H＝0的未磁化狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，各個自發(fā)磁化的磁疇在鐵磁體內混亂排列，相應于自發(fā)磁化的形變在各個方向上都有分布。因而，就整個鐵磁體而言，宏觀上并不顯示在某一方向上的伸長或縮短，相當于未變形前的尺寸。圖24（b）則是在很強的磁場H作用下的磁化狀態(tài)，各個磁疇的取向基本上沿外磁場方向，各個自發(fā)磁化的形變方向也都排列在外磁場方向。因此，鐵磁體在外磁場H的方向上顯示出伸長，而在垂直于外磁場的方向縮短。隨著外磁場增大到某一數值，各個疇完全平行于外磁場方向，鐵磁體將不會再伸長，即達到飽和磁致伸縮狀態(tài)。[13] 磁致伸縮材料的物理特性（1）溫度特性鐵磁性物質有一個磁性轉變溫度，即居里溫度，以T表示。在TC以上，鐵磁性消失，呈現(xiàn)順磁性；此時，其磁化率很小，僅顯示出微弱磁性，磁化率與溫度的關系服從居里——外斯定律，即X=C/(T－T)，其中X為磁化率，C為居里常數，T為鐵磁性物質的順磁居里溫度，T為絕對溫度。在T以下，表現(xiàn)出鐵磁性；此時，其磁化率很大，X的值達10量級，而需要的外加磁場卻很小。可見，居里溫度是鐵磁性物質由鐵磁性轉變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度，是磁致伸縮材料的重要特性之一。（2）機械應力對磁致伸縮的影響當材料不受機械應力時，在各向同性磁致伸縮材料中，飽和磁致伸縮等于原子晶格自發(fā)形變。但當受到與同號的機械應力時(為正，加張應力。反之，加壓應力)，則將減小，并趨于零。如果機械應力的符號與相反，則增大，并趨于3/2，靜態(tài)磁致伸縮曲線接近于與M成正比的曲線。 磁致伸縮扭轉效應磁致伸縮傳感器的應用主要是利用縱向效應和扭轉效應，扭轉效應產生扭轉波。對縱波和扭轉波的特性進行比較，雖然扭轉波回波比較微弱，但是扭轉波有很多優(yōu)點，如扭轉波能以較小的失真和波形偏移沿波導絲傳遞較長的距離，它不易受外部沖擊或振動的干擾。對于波導絲的結構來說，扭轉脈沖可以通過電流脈沖的環(huán)向磁場以及永久磁鐵的軸向磁場相疊加方便得到，而產生一個強的縱向脈沖需要有一個環(huán)繞波導絲的線圈，這樣不如在波導絲外面加一個可動磁鐵實用和方便。如果在圓柱形磁致伸縮材料中，既有沿長度方向的磁感應強度，又有繞軸的環(huán)向磁場，那么合成的磁感應強度將會是螺旋形的，而沿螺旋形的伸縮激發(fā)扭轉波，這就是weidemna效應。本課題所討論的扭轉波正是應用Weidemna效應產生的，其逆效應用來接收扭轉波。圖25波導絲磁場分布示意圖扭轉振動是磁致伸縮效應在波導絲中的技術體現(xiàn)。圖25為磁致伸縮波導絲中的磁場分布示意圖。H為軸向穩(wěn)恒磁場，H為繞軸的環(huán)向交變磁場，合成的磁致伸縮液位傳感器的基本原理場就將是螺旋形的。于是螺旋形的機械應變隨交變磁場H的變化而變化，就成為扭轉振動。扭轉振動起振的微觀解釋是磁疇的結構磁矩在外磁場的作用下一致進動的結果，表現(xiàn)方式為在穩(wěn)恒磁場的恒磁作用下的可逆疇壁位移過程和在交變磁場激勵作用下的可逆磁疇壁扭轉。起振過程為:穩(wěn)恒磁場的恒磁:永久磁鐵所產生的穩(wěn)恒磁場的軸向磁化作用，不但使其作用部分磁疇結構區(qū)別于磁致伸縮波導絲的其他部位，而且使磁疇結構內的磁矩發(fā)生一致進動，引起磁疇體積的變化。磁疇的移動形成了穩(wěn)恒磁場同向的強而有序的磁疇排列，當交變激勵磁場到來時，起振扭轉振動。當永久磁鐵離開后，磁致伸縮波導絲內部的磁化狀態(tài)必須可逆的回到最初的狀態(tài)，無剩磁出現(xiàn)，以便于進行下一次起振?？梢缘贸?，穩(wěn)恒磁場的作用應處于可逆磁化過程中，內部磁疇結構的變化方式應為可逆的磁疇運動。[14]交變磁場的激勵:在測試點上，當出現(xiàn)正交于穩(wěn)恒磁場的脈沖交變磁場時，磁致伸縮波導絲內部各相鄰磁疇的磁化強度，開始做互為反向的一致進動，磁壁受到扭轉力矩的作用，便產生扭轉波。 磁致伸縮液位傳感器的測量機理磁致伸縮液位傳感器是綜合利用浮力效應、磁致伸縮效應、電磁效應、超聲效應等原理進行工作的。如圖26所示，磁致伸縮液位傳感器的系統(tǒng)結構，由測量頭(包括脈沖發(fā)生、回波接收、信號檢測與處理電路)，測量導桿和磁 圖26磁致伸縮液位測量系統(tǒng)結構浮子組成。其中測量頭裝置在油箱之外，波導絲外有不銹鋼或鋁合金的保護套管，插入燃油中直達油箱底部，其末端固定在油箱底部。如圖27測量部件中，測量頭中的脈沖發(fā)生器用于向波導絲發(fā)射電流脈沖，以產生Weidemna效應所需要的環(huán)向磁場。磁浮子內含有永久磁鐵，用以在波導絲周圍產生沿波導絲軸向磁場。圖27磁致伸縮液位測量系統(tǒng)結構圖傳感器工作時，由脈沖發(fā)生電路向磁致伸縮波導絲上加一個電流脈沖，電流脈沖沿磁致伸縮波導線傳播，產生一個垂直與磁致伸縮波導絲軸向的環(huán)向磁場，該磁場將隨電流脈沖以光速沿磁致伸縮導線向前傳播。安裝在浮子中的永久磁場產生軸向穩(wěn)恒磁場時，產生疊加并形成一個螺旋磁場。根據磁致伸縮原理，它將使磁致伸縮波導線產生瞬時扭曲變形，即維拉里(Villari)效應，從而形成扭轉波，該扭轉波以恒定的速度沿磁致伸縮波導線向永久磁鐵的兩個方向傳播，當傳到末端時，被衰減阻尼裝置吸收，防止扭轉波反射對測量形成干擾。而返回的扭轉波被固定在脈沖發(fā)射端的磁致伸縮換能器接受。磁致伸縮換能器如圖28所示由扭轉波接受帶、感應線圈和偏置磁鐵組成。扭轉波沿磁致伸縮波導絲返回后，將拉動扭轉波接受帶使其產生一定的伸縮變形，偏置磁鐵為其提供一個穩(wěn)定的恒磁場。而磁致伸材料在磁場中發(fā)生物理形變時，會在材料內部引起磁場強度變化。因此通過磁致伸換能器的感應線圈的磁通也會發(fā)生變化。圖28磁致伸縮換能器根據法拉第電磁感應定律 (23)式中，n為感應線圈的匝數，B磁感應強度，為磁通量，S為線圈面積。在感應線圈的兩端，將產生一個感應電動勢，并會被傳感器的回波接受電路以脈沖的形式測到。扭轉波在磁致伸縮波導線中的傳播速度為V= (24)式中，G為波導絲的剪切彈性模量，為波導絲密度。對一定的波導絲來說，由于G和均是恒定的，所以傳播速度也是恒定的。扭轉超聲波在磁致伸縮絲中的傳播速度是一個常數，而磁性浮子中的永久磁鐵距離傳感頭的距離是:S=VT=T (25)T=T+T (26)式中T為電流脈沖發(fā)射到檢測到感應電動勢的時間間隔，T為扭轉波產生到檢測到感應電動勢的時間間隔，T為電流脈沖從發(fā)射到傳輸到磁浮子所用的時間，由于發(fā)射的電流脈沖是以光速傳播的，所以電流脈沖從發(fā)射到傳輸到磁浮子所用的時間是可以忽略的。所以可以近似的認為，扭轉波產生到檢測到感應電動勢的時間間隔等于電流脈沖發(fā)射到檢測到感應電動勢的時間間隔。所以只要測出電流脈沖發(fā)射到檢測到感應電動勢的時間間隔，就可以根據公式計算出S的值，再根據L=HS，就可以得到液位值。這個過程是連續(xù)不斷的，所以每當磁鐵運動時，新的位置就被感測出來，其工作波形如圖29所示。圖29工作波形圖由于傳感器通過測量脈沖發(fā)射到產生感應電動勢之間的時間間隔來確定液位的位置，所以時間量的測量精度直接決定著液位測量的精度。時間量的測量要多種方法，采用脈沖計數方法，可以達到很高的準確度，還可以直接輸出數字信號。脈沖電流發(fā)射時，計數器開始計數，返回脈沖經轉換裝置轉化為電脈沖到來時，計數器停止計數。所以計數脈沖頻率越高，這個時間間隔內所計脈沖數越多，一個計數脈沖表示的當量就越小，即分辨率越高。由此可見，只要計數脈沖的頻率足夠高，磁致伸縮液位傳感器的理論分辨力可以達到無窮小，所以傳感器可以達到非常高的準確度。 對測量精度的影響因素及解決措施磁致伸縮液位傳感器采用浮子作為液位感應元件，液位的高精度測量建立在浮子可以準確反應液面位置這一前提此的基礎上，浮子中的永久磁鐵為產生扭轉波的實際位置。事實上，根據阿基米德定律，浮子浸沒在燃油中的體積會隨著燃油密度的變化而變化，即浮子在液體中浸沒的高度會隨著燃油密度的變化而變化，而永磁鐵相對于浮子的相對位置是不變的，所以燃油密度變化會導致永磁鐵與液面之間的 相對位置發(fā)生變化，這必將給液測量精度帶來一定的影響。浮子與液面的關系如圖210所示。設浮子浸入燃油的深度為H，浮子的高度變化為H，浮子排開燃油的體積是V,燃油的密度是，浮子的體積和密度各為V ，利用阿基米德浮力定律，得：gV=gV (27)= (28)=() (29)= (210)V=V+VVV (211) (212)V=（ (213) (214)K= (215)由此可知，如果燃油的 密度的相對密度變化為，則浮子浸入深度H的變化量為K，表示浮子浸入燃油的深度隨密度的增加而減小。圖210浮子與液位關系示意圖在液位不變而燃油密度發(fā)生變化的情況下，浮子浸入燃油的高度H會發(fā)生變化，因此磁致伸縮液位傳感器的讀數會發(fā)生變化，造成測量誤差。浮子浸入燃油的高度H越小，則K值越小，因此在選擇浮子時，可以選擇密度較小的浮子，減小浸入燃油的高度H，從而減小K的值，減小燃油密度的變化對測量精度的影響。 同時,H相同，浮子半徑R不同時，K值也不同，半徑越小，K值越小，因此減小浮子的外徑R也能減小K值，所以要減小浮子外徑。[15] 小結本章介紹了磁致伸縮效應的產生機制，在此基礎上，對磁致伸縮液位傳感器的作用機理進行了闡述，分析了對磁致伸縮液位傳感器的測量精度的影響及減小誤差的措施，重點分析了溫度補償措施。 3 磁致伸縮液位傳感器的結構設計磁致伸縮液位傳感器的機械結構部分由磁致伸縮測量尺、磁致伸縮換能器、磁性浮子、電路板倉盒等組成如圖31所示。圖31磁致伸縮液位傳感器總體結構圖 磁致伸縮材料及選擇要素磁致伸縮液位傳感器是基于維德曼效應和維拉里效應來工作的，磁致伸縮波導絲和扭轉波接收薄帶作為其敏感元件，均為磁致伸縮材料制成，因此磁致伸縮材料的選材和設計是傳感器設計的基礎和關鍵部分。磁致伸縮材料最重要的性能指標就是磁致伸縮系數，常用的具有高磁致伸縮系數的材料有金屬鎳、具有較大的磁致伸縮系數的軟磁合金、非晶態(tài)材料和近些年出現(xiàn)并開始廣泛應用的稀土磁致伸縮材料。金屬鎳的磁致伸縮系數較大且為負，延展性好，易于加工。常溫下，鎳在潮濕空氣中表面形成致密的氧化膜，不但能阻止繼續(xù)被氧化，而且能耐堿、鹽溶液的腐蝕，因此抗腐蝕能力比較強，且耐潮濕，所以金屬鎳在水聲換能器領域中已經被廣泛使用。