磁致伸縮材料是指磁致伸縮系數(shù)值較大的材料。用于傳感器的磁致伸縮材料，除了要求由較高的磁致伸縮系數(shù)值之外，還要求有高的磁場靈敏度；主要采用非晶磁致伸縮材料，磁致伸縮型傳感器是利用材料的磁致伸縮逆效應(yīng)做成的。本文是：磁性傳感器的現(xiàn)狀和未來的第二部分。
1、利用Wiedemann逆效應(yīng)的磁場-電流傳感器
1.1魏德曼效應(yīng)和傳感器原理
魏德曼效應(yīng)是一種磁力學(xué)效應(yīng)：將各向同性磁致伸縮磁鐵圓筒置于與其軸平行的均勻磁場中，將一根導(dǎo)線沿其軸傳入該圓筒中，通以直流電流，產(chǎn)生環(huán)形磁場。結(jié)果，在磁性體中行程螺形磁場，圓筒體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。
本傳感器利用逆魏德曼效應(yīng)：先將非晶線扭轉(zhuǎn)，由逆魏德曼效應(yīng)在非晶線中產(chǎn)生螺形各向異性。若給此非晶線通入交流電流，當(dāng)電流方向改變時，由交流電流產(chǎn)生的元周磁場也反向。而且對于此元周磁場的某一確定的臨界值，磁化狀態(tài)也換向。如果在此非晶線上繞上檢測線圈，則磁化強(qiáng)度的縱向分量的換向，會在檢測線圈中產(chǎn)生電壓。他是沿時間軸周期性的一系列窄的開關(guān)峰。外加直流磁場對此波形的額影響只是改變這些峰的時間對稱性，由此產(chǎn)生二號諧波信號。檢測這個二次諧波信號幅度就可知道外場的大小。
1.2傳感器的構(gòu)成和性能
非晶線用水中淬火法制作。尺寸為φ125μmX12CM將其中的一根通以500mA電流退火1min，非晶線扭轉(zhuǎn)52.36弧度/米厚固定，繞于非晶線上的檢測線圈為2000匝，交流勵磁電流為25-80mA，頻率為40-5000Hz；外加磁場為0-56A/m用HP35660A動態(tài)信號分析儀測量其輸出。結(jié)果如下：
1）經(jīng)退火的非晶線的二次諧波信號幅度大于淬火態(tài)非晶線，尤其是在基頻較高時兩者的二次諧波信號輸出曲線明顯的分離。
2）曲線上均由連個可用于檢測磁場的線性區(qū)，一個在0-16A/m之間，另一個在16-40A/m之間。但在此兩區(qū)域內(nèi)，傳感器靈敏度不相同，前者高于后者。
3）采用較高的勵磁電流可得到較高的二次諧波輸出，以采用40-80mA為宜。
4）退火非晶線具有較高的靈敏度，在工作區(qū)內(nèi)，基頻為4kHz時靈敏度大25mV。
本磁場傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，工作頻率和勵磁電流較低。
2、裸線管式扭矩傳感器
扭矩傳感器以轉(zhuǎn)軸為對象，它應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
1）傳感器與轉(zhuǎn)軸不接觸，安裝維修方便
2）輸出不受軸轉(zhuǎn)動影響，即軸靜止、低速、高速轉(zhuǎn)動時均可檢測；
3）可檢測瞬時扭矩。螺線管式扭矩傳感器利用逆磁致伸縮效應(yīng)檢測扭矩，具備上述特點(diǎn)。而且靈敏度高、易于小型化，是現(xiàn)在研究的主流。
傳遞大扭矩的軸，通常需進(jìn)行表面硬化處理，這種熱處理會大大影響轉(zhuǎn)軸本身的磁致伸縮效應(yīng)。因此，用螺線管直接檢測轉(zhuǎn)軸的扭矩是困難的。為了克服這種磁性和機(jī)械強(qiáng)度之間的兼容性不足，在轉(zhuǎn)軸表面粘貼與軸承45°角的八字形布置的Fe基非晶薄帶，利用非晶薄帶的磁致伸縮逆效應(yīng)檢測扭矩，已處于使用階段。
2.1原理和結(jié)構(gòu)
轉(zhuǎn)軸在扭矩T的作用下，在于軸向成±45°的方向上產(chǎn)生主應(yīng)力，再由磁致伸縮逆效應(yīng)在主應(yīng)力方向感生出各種異性，非晶薄帶的磁化率隨之變化。因此只要測的磁導(dǎo)率的變化也就知道了。
2.2影響性能的因素
薄帶的彎曲應(yīng)力感省的的大小可由薄帶的初始曲率控制，kb是決定動態(tài)范圍和靈敏度的重要參數(shù)，kb越小，靈敏度越高。初始曲率是將薄帶置于直徑為D的圓柱體表面（薄帶軸向與圓柱體軸向成45°角）一起進(jìn)行退火設(shè)定的。
更加巧妙-的利用kb還能提供對靈敏度隨溫度變化的自動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，即隨著溫度的提高，適當(dāng)?shù)臏p小Kb，就能補(bǔ)償隨溫度升高而下降的靈敏度（靈敏度下降的原因是應(yīng)力-磁轉(zhuǎn)換效率隨溫度升高而下降）。方法之一是使用熱處理后冷卻時產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
這類扭矩傳感器，對于非磁性軸已實(shí)際應(yīng)用，目前需要的軸長是軸徑的三倍，因此，需要進(jìn)一步縮短軸長。這就首先要求縮短薄帶占得軸向長度。而不降低靈敏度。方法之一是將八字形粘貼的伯帶改成倒V字形粘貼，前者是分離開的，后者則靠攏在一起，靈敏度可提高。
磁致伸縮材料除扎鐵和爆貼非晶薄帶外，還可用電鍍法、濺射法、線爆噴涂法等工藝形成八字形的薄膜（主要使用坡莫合金）。
3．非晶機(jī)械應(yīng)力傳感器
在許多情況下需要大量的應(yīng)力傳感器來顯示應(yīng)力分布，E．Hristofoi'ou(5)提出一種小型靈敏價廉的傳感器，用比較簡單的電路構(gòu)成大的陣列 主要利用超聲波傳輸效應(yīng)。
5．1原理
用磁致伸縮材料做的超聲延遲線的一端有一個讀出線圈。磁致伸縮材料是非晶臺金Metglas26 05 SC薄帶，寬度是lm1 有一勵磁導(dǎo)線在P點(diǎn)與延遲線垂直相交，間隙通常小于11m．其中通以固定輻度(L=1420A )的電流脒沖(持續(xù)時間約2 s)。此電流產(chǎn)-生的脈沖磁場在延遲線P點(diǎn)處影戒一應(yīng)力脈沖，它以聲速傳播到檢測線圈處，并由手磁致伸縮逆效應(yīng)在檢測線圈中產(chǎn)生脈沖電壓一(如圖4(6))。 的幅度隨在P點(diǎn)進(jìn)入延遲線的脈沖磁通的幅度變化， 即取決于L和勵磁線與延遲線間的耦臺度。本傳感器的應(yīng)力傳感功能正是通過改變這一耦臺度達(dá)到的，其方法有下列兩種。j．2 兩種結(jié)梅_種方法是采用一塊高磁導(dǎo)率的無源磁芯，在機(jī)械應(yīng)力作用下磁芯與導(dǎo)線間距離改變，如強(qiáng)4(c)所示，這會改變進(jìn)入延遲線脈沖磁通的比例太小(即耦合度)。因此，實(shí)質(zhì)上這是一個位移傳感器。但是由于位移量非常小，借助予適當(dāng)?shù)娜嵝耘浼?compli—aat mountings)，它也可以作應(yīng)力傳感器，躅4(c)是一種變型。無磁芯時， 由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，輸出為零；在有磁芯時，它對靠近它的那根勵磁線進(jìn)入非晶延遲線的脈沖磁通的增強(qiáng)作用要大些，從而破壞了對稱性．有輸出電壓。而且當(dāng)d越小時．電壓脈沖幅
度越大。但在口=0．5—2．0mm盼范圍內(nèi)。當(dāng)高磁導(dǎo)率磁芯上不加張應(yīng)力時，對延遲線來說，它是一個磁阻很低的分支路．這時輸出電壓很??；當(dāng)磁芯上加上張應(yīng)力時，其磁導(dǎo)率降低，分路作用大大降低，輸出電壓 變大。因此輸出電壓受應(yīng)力控制。在應(yīng)力為0—7ON／mm。的范圍內(nèi)， 。·～應(yīng)力曲線的線性相當(dāng)好．適用于作傳感器。
此外，根據(jù)上述原理．在延遲線上的不同位置，可有很多的平行的勵磁線與它相交，構(gòu)成一維的序列。備勵磁線可同時勵磁，結(jié)果在檢測線圈中得到一串電壓脈沖，而且按它們到達(dá)的時間可進(jìn)行鑒別。這樣的結(jié)構(gòu)還可擴(kuò)展成二維的陣列，其中有多根平行的延遲線，每根延遲線有各自的檢測線圈．并共用一組勵磁線。這種應(yīng)力傳感器已用于研究運(yùn)動員步法用的走道(walkway for gait studies)。預(yù)期的應(yīng)用有監(jiān)測作用于人體(躺著或坐著)上的壓力用的軟墊和機(jī)構(gòu)手的‘觸覺表面。二維陣列還可用于測量界面上的壓力或剪切力的分布。
5．5 男一種應(yīng)力傳感囂
利用Fe基磁致伸縮非晶薄帶或線材具有良好的超聲波傳輸特性，采用差動線圈構(gòu)成簡單的壓力傳感器。線圈1和線圈2產(chǎn)生超聲波，傳輸?shù)骄€圈3處。當(dāng)壓力尸不存在時，兩超聲波在線圈3處相互抵消 當(dāng)通過孔A加上壓力尸時，該處產(chǎn)生應(yīng)力感生各向異性，引起兩超聲波不平衡。寬為10ram的薄帶，用1 50kH z正弦場激勵時輸出電壓 與靜水壓尸的關(guān)系。此外，利用非晶材料的超聲波傳輸效應(yīng)還可構(gòu)成脈沖序列振蕩型距離傳感器，檢測范圍為l0ftm~1200ram，非線性度和磁滯低于0．5嘶滿刻度。Goto等人研制了霜凍傳感器和接觸傳感器，當(dāng)霜凝結(jié)在非晶帶上或手指接觸薄帶時， 由于感生各向異性，超聲波傳輸強(qiáng)度迅速衰減：而任何維滴都不影響傳輸強(qiáng)度．霜凍傳感器甩于電冰箱、冷藏箱．
4． 非晶大巴克豪森效應(yīng)距離傳感器
磁性距離傳感器在機(jī)電和醫(yī)療領(lǐng)域的需求在擴(kuò)大，數(shù)字式距離傳感器中，磁記錄式磁足具有高的精度，可用于數(shù)控領(lǐng)域；模擬型距離傳感器適合于要求快速影應(yīng)、操作簡易的領(lǐng)域，如超聲波傳輸效應(yīng)型傳感器。但是由于超聲波傳輸速度者快(4—5kin／s)，因此，距離檢測精度低，而且有反射波不易除去。這里介紹一種利用非晶磁致伸縮線大巴克豪森效應(yīng)的新型距離傳感器。
4．1曩理和結(jié)構(gòu)
在形成反向疇并長大所需的磁場(反向疇形成場)H 比180。疇壁矯頑力日。大的磁性體中，當(dāng)外場一達(dá)到日 時，磁矩就一致地反轉(zhuǎn)，使疇壁有一大幅度的移動，這就是大巴克豪森效應(yīng)。這樣的磁性體的磁滯回線是蜂腰形的． 在畸壁矯頑力日 的軟磁材料中，要得到這樣的磁化特性 必須用一些方法來提高反向疇的形成場日*。在非晶臺金中，日。很小，用感生各向異性的方法可將日 提高到， 。以上，從而獲得在低磁場中一致反轉(zhuǎn)的高靈敏度大巴克豪森效應(yīng)元件，用于距離傳感器，旋轉(zhuǎn)編碼器、方位傳感器等。
用于距離傳感器的非晶線中必須只有一個疇壁，在外場( > )作用下作等速壁移。由于疇壁很?。ㄟ^檢測線圈的時間很短，可獲得尖銳的脈沖電壓。為了確保只有一個疇壁， 必須小于 。這個的疇壁來自非晶線一端的另一個線圈所產(chǎn)生的反向疇。由于非晶沒有晶界．這是不難做到的。
非晶線置于細(xì)玻璃管中。為了在整個線材長度內(nèi)使勵磁場 均勻，勵磁線圈也遍及線材全長。其左端另設(shè)一個形成反向疇的線圈，它產(chǎn)生的磁場> 。用間距為 的兩個檢測線圈(以左邊一個為坐標(biāo)原點(diǎn))，檢測疇壁通過對的電壓脈沖，時間差的 ， 由f可確定 值。這種傳感器具有波形失真小，無反射波，沒有距離造成的衰減等優(yōu)點(diǎn)。
4．2性能
自由狀態(tài)下的 0 m非晶線的f一 曲線硝有上凸．線性不夠好；們0 m非晶線的一 曲線線性較好．個別位置有些彎曲，非線性度為一2嘶／滿、刻度。加扭力后就可將勵磁場 值設(shè)定在比 高得多的值，從而改善疇壁傳輸特性。給 3O m和 0 m非晶線分別加上Ⅳ=l 1和21tur~$／m的扭應(yīng)力，分別設(shè)定在5A／m和72A／m．f— 曲線表明，在O~lO00mm的范圍內(nèi)，線性有明顯改進(jìn)。對于 Op．m非晶線．個別位置的曲也消失了．非線性小于0．7嘶／滿刻度。疇壁傳輸速度為300~400m／s．比超聲波(磁致伸縮波)傳輸速度低一個數(shù)量級．有利于提高檢測精度。
5． 其它磁致伸縮型非晶磁傳感器(7)
5．1非昌大巴競豪森效應(yīng)磁場傳感器
利用非品線場大巴克豪森效應(yīng)，對8A／m的弱磁場也能感生出在別的磁性材料中不能得到的尖銳的高次諧波電 壓脈沖。用120F．m鑄態(tài)線．長10cm， 夾子透明封條之間 與物品相毒，在美國已用作店鋪防盜傳感簽條(tag)，1991年已達(dá)數(shù)千萬根，是傳感器素材中產(chǎn)量的。利用大巴克豪森效應(yīng) 用 30 m， 長10ram的拉制非晶線做成傳感器頭，與旋轉(zhuǎn)充磁體配臺可制成高靈敏度、高應(yīng)管速度型脈沖方式轉(zhuǎn)速傳感器， 已有實(shí)際應(yīng)用。5．2 Tablet(圖形轅入裝置)它是一種用永磁體控制非晶線中磁致伸縮渡(超聲波)傳輸強(qiáng)度的一種傳感器。在Fe基非晶線中超聲波傳輸比在薄帶中平穩(wěn)，因此．采用非晶線材。
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