【正文】 因此測(cè)量精度極高。如此高的測(cè)量精度在當(dāng)今液位測(cè)量中是獨(dú)一無二的，而其他類型的傳感器很難達(dá)到此精度。因?yàn)榇胖律炜s液位計(jì)中的電子部件可以探測(cè)到由同一發(fā)射脈沖產(chǎn)生的連續(xù)磁波，所以在同一探測(cè)桿上可配裝2個(gè)甚至多個(gè)磁浮子。若將多個(gè)溫度傳感器埋入磁致伸縮液位計(jì)的傳感桿內(nèi)，則在可測(cè)量液位的同時(shí)還能得到介質(zhì)的多點(diǎn)溫度及液面下的平均溫度。且用磁致伸縮液位計(jì)測(cè)量時(shí)無需人工開啟罐蓋，避免了人工測(cè)量帶來的不安全隱患。因此，它具有工作可靠性高、故障低、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，適合各種惡劣環(huán)境。（6）便于自動(dòng)化管理：磁致伸縮液位計(jì)一般輸出信號(hào)接口采用4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或RS485數(shù)字信號(hào)接口，可直接接入PLC、DCS系統(tǒng)或其他計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，便于微機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。其中長(zhǎng)度的變化稱為線性磁致伸縮，體積的變化稱為體積磁致伸縮。在單晶中，線性磁致伸縮是各向異性的。體積磁致伸縮較線磁致伸縮微弱得多，且用途少，因此通常所說的磁致伸縮都是指線磁致伸縮。通常用磁場(chǎng)下伸長(zhǎng)量與原長(zhǎng)度之比來確定磁致伸縮的大小，定義為磁致伸縮系數(shù)。其中順磁體和抗磁體材料的磁致應(yīng)變通常很小，例如 Pb 在 1T 下僅有 108的磁致伸縮。在這之后漫長(zhǎng)的一個(gè)多世紀(jì)中，所得到的材料的磁致伸縮系數(shù)只有 106至 105量級(jí)，只有 Ni 和 Co 的多晶磁致伸縮材料被用于超聲波器件(它的磁致伸縮僅為 40ppm ( lppm=106))。當(dāng) Legvoldl, Clarkt、和 Rhyne 等人致力于稀土材料的磁致伸縮效應(yīng)的研究以來，磁致伸縮材料的研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但由于稀土的居里溫度很低，使得它們無法在室溫附近使用。經(jīng)過幾十年人們對(duì)于稀土大磁致伸縮材料的探索和研究，到目前為止，人們獲得室溫的大磁致伸縮材料主要是立方 Laves 相(LP)稀土金屬間化合物 RFe2，前三位排列是 TbFe2, SmFe2和 DyFe2，相應(yīng)的磁致伸縮系數(shù)大約分別為 10 103和 103。 磁致伸縮液位傳感器國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀二十一世紀(jì)已經(jīng)進(jìn)入以知識(shí)經(jīng)濟(jì)為特征的信息時(shí)代。與此相適應(yīng)的新一代工業(yè)過程檢測(cè)儀表將朝著數(shù)字化、智能化和微型化的方向發(fā)展。磁致伸縮液位傳感器就是近二十年來在國(guó)內(nèi)外液位測(cè)量領(lǐng)域涌現(xiàn)出的新一代液位測(cè)量產(chǎn)品。傳感器輸出信號(hào)為絕對(duì)數(shù)值，所以假使電源中斷重接也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)接收構(gòu)成問題，更無須重新調(diào)整零位。由于傳感元件都是非接觸的，所以就算感測(cè)過程是不斷重復(fù)的，也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損。例如，在部分儲(chǔ)油罐中，罐內(nèi)除了儲(chǔ)存有油外，還含有水或其它雜質(zhì)。液位與界位之差即為油層厚度。在油罐油量檢測(cè)中采用雙浮子結(jié)構(gòu)，在測(cè)量液位的同時(shí)也測(cè)量出了油水分界面，這樣便可以精確的計(jì)算出油量，這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是其它液位傳感器所不能比擬的。許多場(chǎng)合下都要求傳感器能經(jīng)受油漬、灰塵、化學(xué)溶液、高溫、高壓等的考驗(yàn)，要能準(zhǔn)確、穩(wěn)定地傳遞所測(cè)量的物理量。如薄鋼板加工的鋼板厚度控制。數(shù)控機(jī)床上的位移量控制。江河大壩、橋梁的偏移量測(cè)量等等。在國(guó)外，磁致伸縮液位傳感器以美國(guó)MTS公司和美國(guó) Schaevitz 公司的產(chǎn)品為典型代表，早己經(jīng)成功地將磁致伸縮技術(shù)批量地應(yīng)用在了位移、液位測(cè)量領(lǐng)域。根據(jù)美國(guó)太空總署NASA的測(cè)定，磁致伸縮液位傳感器的敏感組件之平均無故障時(shí)間(MTBF)為23年。美國(guó)MTS公司的Temposonies及L系列磁致伸縮液位傳感器的輸出分辨率讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為5m，最高可以達(dá)2m。因此，新一代的Temposonies系列的精度及功能己幾乎接近光學(xué)尺，而其承受強(qiáng)力沖擊、振蕩及污染環(huán)境的能力則比光學(xué)尺強(qiáng)上好幾倍。磁致伸縮液位傳感器在上個(gè)世紀(jì)80年代進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，其典型產(chǎn)品為美國(guó)MTS公司和美國(guó)Schaevitz公司的產(chǎn)品，主要應(yīng)用于進(jìn)口生產(chǎn)線設(shè)備的配套。90年中期，廣東康宇測(cè)控儀器儀表工程有限公司從美國(guó)Schaevitz公司引進(jìn)全套技術(shù)和生產(chǎn)線，生產(chǎn)磁致伸縮液位/位移傳感器，絕大多數(shù)產(chǎn)品返銷美國(guó)市場(chǎng)，隨著近幾年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量的迅速增長(zhǎng)，該產(chǎn)品已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國(guó)外市場(chǎng)的需求量。 國(guó)內(nèi)磁致伸縮液位傳感器存在的問題雖然國(guó)內(nèi)某些科研單位和生產(chǎn)企業(yè)早在20世紀(jì)90年代初便積極開展對(duì)磁致伸縮液位傳感器的研究和試制工作，多數(shù)產(chǎn)品現(xiàn)今還處于試用性階段。而MTS公司的測(cè)量精度能達(dá)到2到5m。在油罐油量測(cè)量系統(tǒng)中，如此大的誤差是無法用來進(jìn)行計(jì)量的。而對(duì)于承擔(dān)著貿(mào)易結(jié)算作用的貿(mào)易油罐來講，是無法用它來做計(jì)量的。因此，從測(cè)量原理入手，研制高精度、低成本、高可靠性的磁致伸縮液位傳感器，不僅研究意義重大，而且市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。當(dāng)一個(gè)電激勵(lì)在波導(dǎo)管中傳播，當(dāng)磁場(chǎng)使波導(dǎo)管發(fā)生變形時(shí)，激勵(lì)將以波的形式沿波導(dǎo)管返回，可以通過測(cè)量這一回波的時(shí)間，從而測(cè)量磁場(chǎng)到波導(dǎo)管頭的距離，利用這一方法也能測(cè)量相對(duì)位移量，并將所測(cè)量的距離，以4到20mA的電流輸出，電流輸出是以百分比的形式輸出（最大量程輸出20mA，最小量程輸出4mA）。隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化程度與國(guó)際接軌，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)位移傳感器的要求越來高，對(duì)位移測(cè)量提出了新的要求，不但要求位移傳感器兼有非接觸、大量程、高分辨率、高精度、高可靠性及使用方便等性能，而且還應(yīng)具有適應(yīng)惡劣工況（如粉塵污染、振動(dòng)沖擊）和特殊環(huán)境(如火力電站鍋爐汽包液位、軍用與高溫高壓水位等)的能力。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有生產(chǎn)的磁致伸縮材料及位移傳感器的基礎(chǔ)研究和運(yùn)用性能研究均只涉及到常溫的性能方向，對(duì)磁致伸縮材料及位移傳感器的室溫至高溫特別是高溫的性能研究無文獻(xiàn)報(bào)道；此外，對(duì)磁致伸縮位移傳感器的在惡劣過程環(huán)境下（抗振動(dòng)、抗沖擊、高溫、高壓等）的可靠性尚未見報(bào)道。本文研制的磁致伸縮位移傳感器，其原理就是基于磁效應(yīng)和表面彈性波效應(yīng)的一種較新型的位移傳感器，它能用于位移、速度和加速度等的線性測(cè)量。因此，不僅可廣泛用于機(jī)械、礦山、輕工業(yè)等行業(yè)，尤其見長(zhǎng)的是它可應(yīng)用在工況惡劣(如火力電站鍋爐汽包液位等)的場(chǎng)合，有巨大的應(yīng)用開發(fā)潛力和市場(chǎng)前景,并會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。轉(zhuǎn)換成電磁能（或電磁信息），它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料。低頻大功率是聲納用和水聲對(duì)抗用發(fā)射水聲換能器今后的發(fā)展方向。發(fā)展磁致伸縮材料對(duì)發(fā)展聲納技術(shù)、水聲對(duì)抗技術(shù)、海洋開發(fā)與探測(cè)技術(shù)將起到關(guān)鍵性作用。本課題是利用磁致伸縮的原理用于大型罐體中的液位，用于石油、化工等應(yīng)用領(lǐng)域；也能用于機(jī)械加工行業(yè)。A）最大量程設(shè)置鍵；B）最小量程設(shè)置鍵（5）編寫相應(yīng)的軟件；（6）分析系統(tǒng)誤差的原因；本章中介紹了現(xiàn)有各種液位測(cè)量傳感器的原理和它們的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)磁致伸縮油位傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于課題進(jìn)行了總結(jié)，分析后期進(jìn)展要考慮的問題。 磁致伸縮效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理 磁致伸縮效應(yīng)磁性材料在外磁場(chǎng)的作用下，其長(zhǎng)度尺寸及體積大小均發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮現(xiàn)象有三種表現(xiàn)形式: (1)沿著外磁場(chǎng)方向尺寸大小的相對(duì)變化，稱為縱向磁致伸縮。 (3)鐵磁體被磁化時(shí)其體積大小的相對(duì)變化，稱為體積磁致伸縮。體積磁致伸縮，只有在鐵磁體磁化達(dá)到飽和以后的順磁過程中，才能明顯地表現(xiàn)出來，體積磁致伸縮比線性磁致伸縮要弱得多。其中縱向磁致伸縮效應(yīng)是主要的，也是應(yīng)用最廣泛的，因此，一般所說的磁致伸縮都是指縱向磁致伸縮。(2)維拉里(Villari)效應(yīng):在一定磁場(chǎng)中，給磁性體施加外力作用，則其磁化強(qiáng)度將發(fā)生變化，即逆磁致伸縮現(xiàn)象，可用于制作磁致伸縮傳感器。威德曼效應(yīng)是磁致伸縮正效應(yīng)的一個(gè)特例。環(huán)向磁場(chǎng)B和軸向磁場(chǎng)B相互迭加，合成一個(gè)螺旋形的磁場(chǎng)B: B=+ （21）沿的方向產(chǎn)生的縱向磁致伸縮就表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。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)。他說明應(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。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。（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。 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。圖22表示兩個(gè)小磁針A和B間相互作用。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。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。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)。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，來自交換作用及各向異性，這兩者的作用比靜磁作用大得多。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。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。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)。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。可見，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。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。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。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。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)。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)。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。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程和在交變磁場(chǎng)激勵(lì)作用下的可逆磁疇壁扭轉(zhuǎn)。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)到來時(shí)，起振扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。可以得出，穩(wěn)恒磁場(chǎng)的作用應(yīng)處于可逆磁化過程中，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)。 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。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。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)。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)。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。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)。因此通過磁致伸換能器的感應(yīng)線圈的磁通也會(huì)發(fā)生變化。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。對(duì)一定的波導(dǎo)絲來說，由于G和均是恒定的，所以傳播速度也是恒定的。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。這個(gè)過程是連續(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，其工作波形如圖29所示。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)。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。 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。浮子與液面的關(guān)系如圖210所示。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。 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。 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、電路板倉盒等組成如圖31所示。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)并開始廣泛應(yīng)用的稀土磁致伸縮材料。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。軟磁合金具有高的磁導(dǎo)率，具有低的矯頑力，高的飽和磁通密度和高的飽和磁化強(qiáng)度，而且磁損耗也低。鐵鎳系合金磁致伸縮性質(zhì)較廣，合金的磁致伸縮系數(shù)根據(jù)鐵、鎳成分的變化而變化。含鎳量在40%到50%的合金，動(dòng)態(tài)磁致伸縮性能較好:為正磁致伸縮，合金的機(jī)電禍合系數(shù)較大，電阻率較高，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度很低，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高。鐵鉆合金的飽和磁化強(qiáng)度和居里溫度很高，磁致伸縮系數(shù)也隨著鐵、鉆比例的變化而變化，含鉆50%的鐵鉆合金具有良好的動(dòng)態(tài)磁致伸縮特性，飽和磁致伸縮系數(shù)可以達(dá)到+70*10，但是材料價(jià)格較高、質(zhì)脆、不易加工。非晶態(tài)合金飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率高、硬度高、電阻率高、矯頑力和