.一個蘋果，分成兩份，一人一半。一個想法，分享一次，一人一份。關注我，一起學習科普知識。當然，偶爾也分享一下個人生活，讀書筆記等。

　　在之前的文章中，我們有提到軟磁和硬磁材料。

　　其實這些材料都屬于鐵磁材料。

　　鐵磁材料有一個共性，就是可以被磁化。

　　根據能夠被磁化的程度，即磁導率(Permeability)的大小，又可以分為強磁導率材料如坡莫合金和硅鋼，和普通磁導率材料如鈷鋼和鑄鋼等。

　　幾種鐵磁材料的磁導率：之所以使用硅鋼片為變壓器鐵芯，是因為它的飽和磁通密度高，而矯頑力和剩磁通小，也就是磁滯損失小。其中坡莫合金(Permalloy)因為磁導率高，是理想的磁屏蔽材料。圖片來源：J.O. Aibangbee1 ands.O. Onohaebi2 ，Ferromagnetic Materials Characteristics: Their Application in Magnetic Coresdesign Using Hysteresis Loop Measurements。

　　01

　　磁導率

　　生活中，我們常用磁鐵去吸引釘子，螺釘，和細針等物件。

　　這些東西可以用磁鐵吸引，是因為磁鐵在它們內部感應(磁化)出磁場，磁鐵中的磁場和感應出的磁場相互吸引。

　　所以，通俗地理解，磁導率可以認為是材料被磁化的難易程度，材料的磁導率越高，就越容易被磁化。

　　數值上來說，磁導率是感應場與外加磁場強度之比，感應場越強，磁導率越高，吸引力就越強。

　　空氣、木材、塑料，黃銅和鈦合金等，屬于非磁導材料，外部磁場不會在它們內部感應出磁性，因此它們不會被磁鐵吸引。鐵、鎳、鈷、釓、硅鋼等是磁導材料，當暴露于外部磁場時，可以在其中感應出磁場，所以它們能被吸引。

　　02

　　磁疇

　　為什么有些材料容易導磁，有些不容易導磁?

　　這要從微觀結構說起。

　　從微觀上來看，鐵磁材料內部有很多磁疇。

　　磁疇示意圖，及其在外磁場作用下的對齊變化。

　　磁疇可以理解為，在鐵磁材料內部，有許多微小的橢圓形永磁體。

　　當材料沒有被磁化時，磁疇是隨機排列的。如果材料被磁化，則疇的方向是大致平行于外磁場，因此，材料的整體尺寸會發生變化。

　　磁致伸縮的基本原理：中間圖未加外磁場，磁疇隨機排列，材料處于自然長度狀態。上圖施加垂直方向的外磁場，磁疇也垂直排列，導致材料縮短。而最下面的圖中，施加水平方向的外磁場，磁疇也水平排列，導致材料變長。

　　03

　　磁致伸縮效應

　　基于磁疇，我們很容易理解磁致伸縮效應(Magnetostrictive Effects)。

　　A.磁致伸縮效應(焦耳效應)：

　　幾乎所有的鐵磁材料，例如鐵、鎳、鈷及其合金，都會因磁化強度的變化而發生尺寸和形狀的變化，這種效應稱為磁致伸縮效應。

　　由于此效應是被焦耳發現，所以也叫焦耳效應。

　　所有鐵磁材料都會經歷磁致伸縮，例如，當磁致伸縮棒放置在平行于棒長度方向的磁場中時，棒將改變長度。

　　用于磁致伸縮傳感器材料的長度變化非常小，通常在 10-6m/m的數量級。

　　由于磁致伸縮傳感器不單單利用磁致伸縮效應，還和其他幾個相關效應有關，所以這里也順便說一下。

　　B. 維拉里效應：

　　相反，向磁致伸縮材料施加應力，會改變其磁性(磁導率)，例如，扭轉磁致伸縮元件或磁化導線，會導致磁化強度的變化，這稱為維拉里效應。

　　C.維德曼效應：

　　由磁致伸縮材料制成的導線，一個重要特性是威德曼效應：當向磁致伸縮導線施加軸向磁場，并且電流通過導線時，導線將在軸向磁場的位置發生扭轉。

　　扭轉，是由來自永磁體的軸向磁場與繞磁致伸縮線的周向磁場的相互作用引起的，(通電導線產生繞導線的周向磁場，這個我們在之前的文章《感應電機的原理是什么?它有哪些優缺點?有哪些典型應用?》中也有提到)

　　04

　　磁致伸縮傳感器的工作原理

　　磁致伸縮傳感器，正是基于焦耳、維拉里及維德曼效應工作。

　　一方面，施加的力或扭矩產生應力，會改變磁致伸縮材料的磁導率，導致其磁化強度發生變化。

　　另一方面，施加的磁場會改變磁致伸縮材料的磁性狀態，從而導致其彈性常數發生變化。

　　磁致伸縮位置傳感器的工作機制：圖中顯示了一個磁致伸縮位置傳感器核心組成。電流脈沖被施加到鐵磁電線上，在該電線周圍產生圓形磁場。永磁體(矩形或環形)連接到要測量其位置的移動物體。該永磁體的磁場與電流脈沖的磁場相互作用，導致波導以機械脈沖的形式發生彈性變形。該波以聲速沿波導雙向傳播，最終被拾取線圈拾取到。圖片來自MTS。

　　再看一張更細節的圖片。

　　磁致伸縮位置傳感器工作原理，圖片來自Sensorland。在波導的一端，一小塊稱為膠帶的磁致伸縮材料被焊接到波導上。該磁帶穿過一個線圈，并被稱為偏置磁體(Bias Magnet)的小型永磁體磁化。當聲波沿波導傳播至膠帶時，由聲波引起的應力會在膠帶中引起磁導率變化(維拉里效應)。這又導致磁帶磁通密度發生變化，因此從線圈感應出輸出脈沖(這里用到了法拉第電磁感應，之前我們聊感應電機時，有講過，感興趣的朋友可以點此查看)。

　　在波導的另一端，未使用的脈沖由阻尼模塊衰減，以防止對返回/反射脈沖的進一步干擾。

　　因此，可以通過使用從發射電流脈沖到接收應變脈沖所經過的時間t來準確確定物體的位置：物體的位置 = Vs *t/2，其中VS是波導傳播速度。

　　為了確保輸出的準確性，通常在生產的最后階段，使用激光干涉儀確定或校準波導中的實際傳播速度。

　　磁致伸縮傳感器提供絕對位置信息，與增量編碼器不同，在斷電時無需重新歸位。

　　一款真實的磁致伸縮位置傳感器，圖片來自Temposonics。

　　磁致伸縮傳感器最大的特點在于，它們還可以將多個位置磁鐵與一個波導一起使用，非常適合需要沿同一運動軸的多個組件的位置信息的探測，例如分切機上的刀具，并且可以測量大于 5m的行程范圍，分辨率可到 1 mm。

　　05磁致伸縮傳感器的應用

　　磁致伸縮傳感器用于測量液位：永磁體藏在浮漂中，液位變化時，磁體移動，波導在不同的位置激發并傳播，最終被傳感器中的探測器探測到。

　　磁致伸縮傳感器用于測量：(a)壓力：結構主要由上下剛性板，和圍繞鐵芯的激發線圈及探測線圈組成，當外力作用在剛性板上時，會改變磁致伸縮鐵芯的應變，進而改變探測線圈中的磁導率和磁通密度，由電磁感應效應得知會在探測線圈中感應出變化的電流。(b)振動：振動力作用于磁彈帶上，引起應變，磁芯在帶中的磁化率發生變化，并在線圈中感應出波動的電流。

　　磁致伸縮傳感器用于測量鉆頭扭矩：鉆頭外有3個線圈，勵磁線圈圍繞鉆頭的內側，包圍柄部(圓柱狀沒有切削凹槽)和凹槽部。兩個感應線圈，一個位于凹槽上方，一個位于柄部上方，反向串聯連接，以測量磁導率。與凹槽相比，柄部的磁導率對扭矩變化敏感度較低，兩個線圈的輸出電壓差與施加的扭矩成比例變化。圖片來自：Overview of Magnetostrictive Sensor Technology.Frederick T. Calkins, Alison B. Flatau and Marcelo J. Dapino。