【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 就表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這種由B、B共同作用產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)磁致伸縮現(xiàn)象即為威德曼效應(yīng)。圖21為通電螺線管，用以在磁性體的軸向上產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)。圖21威德曼效應(yīng)的產(chǎn)生磁致伸縮的逆效應(yīng)也稱為維拉里效應(yīng)，他表現(xiàn)為處于外磁場(chǎng)中的鐵磁體，當(dāng)受到彈性力的作用時(shí)，材料內(nèi)部磁導(dǎo)率、磁化強(qiáng)度等發(fā)生改變的現(xiàn)象。他說(shuō)明應(yīng)變可影響磁化，所以有時(shí)候也稱為鐵磁體的壓磁現(xiàn)象。[12]磁致伸縮系數(shù)時(shí)表征材料的磁致伸縮大小的量。如果鐵磁材料沿長(zhǎng)度L的方向磁化，產(chǎn)生L的伸長(zhǎng)量，則有磁致伸縮系數(shù)： (22)其中，為正表示伸長(zhǎng)，為負(fù)表示縮短。磁致伸縮系數(shù)隨外加磁場(chǎng)變化而變化，當(dāng)材料磁化狀態(tài)達(dá)到飽和時(shí)，也達(dá)到相應(yīng)的飽和值，此時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增加，也不會(huì)增加，這時(shí)沿外加磁場(chǎng)方向的磁致伸縮系數(shù)被稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，用表示。（4）磁致伸縮波的發(fā)生及傳輸效應(yīng)：若在細(xì)長(zhǎng)高磁導(dǎo)率材料的一端發(fā)生磁場(chǎng)變化，則磁致伸縮也會(huì)隨時(shí)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(huì)誘發(fā)磁化隨時(shí)間的變化，并傳輸?shù)讲牧系牧硪欢恕? 磁致伸縮的產(chǎn)生機(jī)制 圖22磁致伸縮模型圖 23形狀效應(yīng)模型鐵磁體的磁致伸縮同磁晶各向異性的來(lái)源一樣，是由于原子或離子的自旋與軌道的耦合作用而產(chǎn)生的。磁致伸縮是由于要滿足能量最小條件的必然結(jié)果，可以用兩個(gè)簡(jiǎn)單模型予以形象說(shuō)明，如圖2圖23所示。圖22表示兩個(gè)小磁針A和B間相互作用。在外磁場(chǎng)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(chǎng)H的方向轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎn)生的線磁致伸縮。這說(shuō)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(shí)，交換作用能將導(dǎo)致體積磁致伸縮。一個(gè)單疇球體由于自發(fā)磁化而具有的退磁場(chǎng)能為NMV/2,其中N是退磁因子，是空氣中的磁導(dǎo)率，M是磁化強(qiáng)度，V是球的體積。為了降低這個(gè)退磁能量，球的中V要減小，同時(shí)在自發(fā)磁化方向要伸長(zhǎng)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(yīng)。形狀效應(yīng)與鐵磁體的形狀有關(guān)。與其它磁致伸縮效應(yīng)相比，它一般是很小的，因?yàn)樽园l(fā)磁化引起的自發(fā)形變，來(lái)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(guò)程中磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)并伴隨著自發(fā)形變軸的轉(zhuǎn)動(dòng)如果鐵磁體是多疇結(jié)構(gòu)。圖24（a）為H＝0的未磁化狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，各個(gè)自發(fā)磁化的磁疇在鐵磁體內(nèi)混亂排列，相應(yīng)于自發(fā)磁化的形變?cè)诟鱾€(gè)方向上都有分布。因而，就整個(gè)鐵磁體而言，宏觀上并不顯示在某一方向上的伸長(zhǎng)或縮短，相當(dāng)于未變形前的尺寸。圖24（b）則是在很強(qiáng)的磁場(chǎng)H作用下的磁化狀態(tài)，各個(gè)磁疇的取向基本上沿外磁場(chǎng)方向，各個(gè)自發(fā)磁化的形變方向也都排列在外磁場(chǎng)方向。因此，鐵磁體在外磁場(chǎng)H的方向上顯示出伸長(zhǎng)，而在垂直于外磁場(chǎng)的方向縮短。隨著外磁場(chǎng)增大到某一數(shù)值，各個(gè)疇完全平行于外磁場(chǎng)方向，鐵磁體將不會(huì)再伸長(zhǎng)，即達(dá)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(zhì)有一個(gè)磁性轉(zhuǎn)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(shí)，其磁化率很小，僅顯示出微弱磁性，磁化率與溫度的關(guān)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(shù)，T為鐵磁性物質(zhì)的順磁居里溫度，T為絕對(duì)溫度。在T以下，表現(xiàn)出鐵磁性；此時(shí)，其磁化率很大，X的值達(dá)10量級(jí)，而需要的外加磁場(chǎng)卻很小?？梢?jiàn)，居里溫度是鐵磁性物質(zhì)由鐵磁性轉(zhuǎn)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(jī)械應(yīng)力對(duì)磁致伸縮的影響當(dāng)材料不受機(jī)械應(yīng)力時(shí)，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(dāng)受到與同號(hào)的機(jī)械應(yīng)力時(shí)(為正，加張應(yīng)力。反之，加壓應(yīng)力)，則將減小，并趨于零。如果機(jī)械應(yīng)力的符號(hào)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(zhuǎn)效應(yīng)磁致伸縮傳感器的應(yīng)用主要是利用縱向效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。對(duì)縱波和扭轉(zhuǎn)波的特性進(jìn)行比較，雖然扭轉(zhuǎn)波回波比較微弱，但是扭轉(zhuǎn)波有很多優(yōu)點(diǎn)，如扭轉(zhuǎn)波能以較小的失真和波形偏移沿波導(dǎo)絲傳遞較長(zhǎng)的距離，它不易受外部沖擊或振動(dòng)的干擾。對(duì)于波導(dǎo)絲的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，扭轉(zhuǎn)脈沖可以通過(guò)電流脈沖的環(huán)向磁場(chǎng)以及永久磁鐵的軸向磁場(chǎng)相疊加方便得到，而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的縱向脈沖需要有一個(gè)環(huán)繞波導(dǎo)絲的線圈，這樣不如在波導(dǎo)絲外面加一個(gè)可動(dòng)磁鐵實(shí)用和方便。如果在圓柱形磁致伸縮材料中，既有沿長(zhǎng)度方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，又有繞軸的環(huán)向磁場(chǎng)，那么合成的磁感應(yīng)強(qiáng)度將會(huì)是螺旋形的，而沿螺旋形的伸縮激發(fā)扭轉(zhuǎn)波，這就是weidemna效應(yīng)。本課題所討論的扭轉(zhuǎn)波正是應(yīng)用Weidemna效應(yīng)產(chǎn)生的，其逆效應(yīng)用來(lái)接收扭轉(zhuǎn)波。圖25波導(dǎo)絲磁場(chǎng)分布示意圖扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是磁致伸縮效應(yīng)在波導(dǎo)絲中的技術(shù)體現(xiàn)。圖25為磁致伸縮波導(dǎo)絲中的磁場(chǎng)分布示意圖。H為軸向穩(wěn)恒磁場(chǎng)，H為繞軸的環(huán)向交變磁場(chǎng)，合成的磁致伸縮液位傳感器的基本原理場(chǎng)就將是螺旋形的。于是螺旋形的機(jī)械應(yīng)變隨交變磁場(chǎng)H的變化而變化，就成為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)起振的微觀解釋是磁疇的結(jié)構(gòu)磁矩在外磁場(chǎng)的作用下一致進(jìn)動(dòng)的結(jié)果，表現(xiàn)方式為在穩(wěn)恒磁場(chǎng)的恒磁作用下的可逆疇壁位移過(guò)程和在交變磁場(chǎng)激勵(lì)作用下的可逆磁疇壁扭轉(zhuǎn)。起振過(guò)程為:穩(wěn)恒磁場(chǎng)的恒磁:永久磁鐵所產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場(chǎng)的軸向磁化作用，不但使其作用部分磁疇結(jié)構(gòu)區(qū)別于磁致伸縮波導(dǎo)絲的其他部位，而且使磁疇結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁矩發(fā)生一致進(jìn)動(dòng)，引起磁疇體積的變化。磁疇的移動(dòng)形成了穩(wěn)恒磁場(chǎng)同向的強(qiáng)而有序的磁疇排列，當(dāng)交變激勵(lì)磁場(chǎng)到來(lái)時(shí)，起振扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。當(dāng)永久磁鐵離開(kāi)后，磁致伸縮波導(dǎo)絲內(nèi)部的磁化狀態(tài)必須可逆的回到最初的狀態(tài)，無(wú)剩磁出現(xiàn)，以便于進(jìn)行下一次起振?？梢缘贸?，穩(wěn)恒磁場(chǎng)的作用應(yīng)處于可逆磁化過(guò)程中，內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)的變化方式應(yīng)為可逆的磁疇運(yùn)動(dòng)。[14]交變磁場(chǎng)的激勵(lì):在測(cè)試點(diǎn)上，當(dāng)出現(xiàn)正交于穩(wěn)恒磁場(chǎng)的脈沖交變磁場(chǎng)時(shí)，磁致伸縮波導(dǎo)絲內(nèi)部各相鄰磁疇的磁化強(qiáng)度，開(kāi)始做互為反向的一致進(jìn)動(dòng)，磁壁受到扭轉(zhuǎn)力矩的作用，便產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。 磁致伸縮液位傳感器的測(cè)量機(jī)理磁致伸縮液位傳感器是綜合利用浮力效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、電磁效應(yīng)、超聲效應(yīng)等原理進(jìn)行工作的。如圖26所示，磁致伸縮液位傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由測(cè)量頭(包括脈沖發(fā)生、回波接收、信號(hào)檢測(cè)與處理電路)，測(cè)量導(dǎo)桿和磁 圖26磁致伸縮液位測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)浮子組成。其中測(cè)量頭裝置在油箱之外，波導(dǎo)絲外有不銹鋼或鋁合金的保護(hù)套管，插入燃油中直達(dá)油箱底部，其末端固定在油箱底部。如圖27測(cè)量部件中，測(cè)量頭中的脈沖發(fā)生器用于向波導(dǎo)絲發(fā)射電流脈沖，以產(chǎn)生Weidemna效應(yīng)所需要的環(huán)向磁場(chǎng)。磁浮子內(nèi)含有永久磁鐵，用以在波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生沿波導(dǎo)絲軸向磁場(chǎng)。圖27磁致伸縮液位測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳感器工作時(shí)，由脈沖發(fā)生電路向磁致伸縮波導(dǎo)絲上加一個(gè)電流脈沖，電流脈沖沿磁致伸縮波導(dǎo)線傳播，產(chǎn)生一個(gè)垂直與磁致伸縮波導(dǎo)絲軸向的環(huán)向磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將隨電流脈沖以光速沿磁致伸縮導(dǎo)線向前傳播。安裝在浮子中的永久磁場(chǎng)產(chǎn)生軸向穩(wěn)恒磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生疊加并形成一個(gè)螺旋磁場(chǎng)。根據(jù)磁致伸縮原理，它將使磁致伸縮波導(dǎo)線產(chǎn)生瞬時(shí)扭曲變形，即維拉里(Villari)效應(yīng)，從而形成扭轉(zhuǎn)波，該扭轉(zhuǎn)波以恒定的速度沿磁致伸縮波導(dǎo)線向永久磁鐵的兩個(gè)方向傳播，當(dāng)傳到末端時(shí)，被衰減阻尼裝置吸收，防止扭轉(zhuǎn)波反射對(duì)測(cè)量形成干擾。而返回的扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)波接受帶、感應(yīng)線圈和偏置磁鐵組成。扭轉(zhuǎn)波沿磁致伸縮波導(dǎo)絲返回后，將拉動(dòng)扭轉(zhuǎn)波接受帶使其產(chǎn)生一定的伸縮變形，偏置磁鐵為其提供一個(gè)穩(wěn)定的恒磁場(chǎng)。而磁致伸材料在磁場(chǎng)中發(fā)生物理形變時(shí)，會(huì)在材料內(nèi)部引起磁場(chǎng)強(qiáng)度變化。因此通過(guò)磁致伸換能器的感應(yīng)線圈的磁通也會(huì)發(fā)生變化。圖28磁致伸縮換能器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律 (23)式中，n為感應(yīng)線圈的匝數(shù)，B磁感應(yīng)強(qiáng)度，為磁通量，S為線圈面積。在感應(yīng)線圈的兩端，將產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并會(huì)被傳感器的回波接受電路以脈沖的形式測(cè)到。扭轉(zhuǎn)波在磁致伸縮波導(dǎo)線中的傳播速度為V= (24)式中，G為波導(dǎo)絲的剪切彈性模量，為波導(dǎo)絲密度。對(duì)一定的波導(dǎo)絲來(lái)說(shuō)，由于G和均是恒定的，所以傳播速度也是恒定的。扭轉(zhuǎn)超聲波在磁致伸縮絲中的傳播速度是一個(gè)常數(shù)，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(cè)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間間隔，T為扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生到檢測(cè)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間間隔，T為電流脈沖從發(fā)射到傳輸?shù)酱鸥∽铀玫臅r(shí)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?shù)酱鸥∽铀玫臅r(shí)間是可以忽略的。所以可以近似的認(rèn)為，扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生到檢測(cè)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間間隔等于電流脈沖發(fā)射到檢測(cè)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間間隔。所以只要測(cè)出電流脈沖發(fā)射到檢測(cè)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間間隔，就可以根據(jù)公式計(jì)算出S的值，再根據(jù)L=HS，就可以得到液位值。這個(gè)過(guò)程是連續(xù)不斷的，所以每當(dāng)磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，新的位置就被感測(cè)出來(lái)，其工作波形如圖29所示。圖29工作波形圖由于傳感器通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)射到產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的時(shí)間間隔來(lái)確定液位的位置，所以時(shí)間量的測(cè)量精度直接決定著液位測(cè)量的精度。時(shí)間量的測(cè)量要多種方法，采用脈沖計(jì)數(shù)方法，可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確度，還可以直接輸出數(shù)字信號(hào)。脈沖電流發(fā)射時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，返回脈沖經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為電脈沖到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。所以計(jì)數(shù)脈沖頻率越高，這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)所計(jì)脈沖數(shù)越多，一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖表示的當(dāng)量就越小，即分辨率越高。由此可見(jiàn)，只要計(jì)數(shù)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(dá)到無(wú)窮小，所以傳感器可以達(dá)到非常高的準(zhǔn)確度。 對(duì)測(cè)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(yīng)元件，液位的高精度測(cè)量建立在浮子可以準(zhǔn)確反應(yīng)液面位置這一前提此的基礎(chǔ)上，浮子中的永久磁鐵為產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波的實(shí)際位置。事實(shí)上，根據(jù)阿基米德定律，浮子浸沒(méi)在燃油中的體積會(huì)隨著燃油密度的變化而變化，即浮子在液體中浸沒(méi)的高度會(huì)隨著燃油密度的變化而變化，而永磁鐵相對(duì)于浮子的相對(duì)位置是不變的，所以燃油密度變化會(huì)導(dǎo)致永磁鐵與液面之間的 相對(duì)位置發(fā)生變化，這必將給液測(cè)量精度帶來(lái)一定的影響。浮子與液面的關(guān)系如圖210所示。設(shè)浮子浸入燃油的深度為H，浮子的高度變化為H，浮子排開(kāi)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(duì)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(guān)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(huì)發(fā)生變化，因此磁致伸縮液位傳感器的讀數(shù)會(huì)發(fā)生變化，造成測(cè)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(shí)，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(duì)測(cè)量精度的影響。 同時(shí),H相同，浮子半徑R不同時(shí)，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(jié)本章介紹了磁致伸縮效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，對(duì)磁致伸縮液位傳感器的作用機(jī)理進(jìn)行了闡述，分析了對(duì)磁致伸縮液位傳感器的測(cè)量精度的影響及減小誤差的措施，重點(diǎn)分析了溫度補(bǔ)償措施。 3 磁致伸縮液位傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)磁致伸縮液位傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由磁致伸縮測(cè)量尺、磁致伸縮換能器、磁性浮子、電路板倉(cāng)盒等組成如圖31所示。圖31磁致伸縮液位傳感器總體結(jié)構(gòu)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(yīng)和維拉里效應(yīng)來(lái)工作的，磁致伸縮波導(dǎo)絲和扭轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)是傳感器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵部分。磁致伸縮材料最重要的性能指標(biāo)就是磁致伸縮系數(shù)，常用的具有高磁致伸縮系數(shù)的材料有金屬鎳、具有較大的磁致伸縮系數(shù)的軟磁合金、非晶態(tài)材料和近些年出現(xiàn)并開(kāi)始廣泛應(yīng)用的稀土磁致伸縮材料。金屬鎳的磁致伸縮系數(shù)較大且為負(fù)，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(qiáng)，且耐潮濕，所以金屬鎳在水聲換能器領(lǐng)域中已經(jīng)被廣泛使用。