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磁学特性测量--磁致伸缩系数(一)

2021-12-30 17:24:57 0 1119

概述

磁致伸缩是指铁磁物质，由于其磁化状态的改变，所引起的线度和体积的变化。磁致伸缩是铁磁物质的一种属性。利用这种属性可把磁能转换成机械能；用来做超声发生器，传动器和传感器等。

原理

磁致伸缩是一种只能在诸如铁镍、钴以及它们的合金这些磁性材料中呈现的现象。磁致伸缩原理是基于这些材料具有一定的磁性。置于磁场中的磁性材料经历分子结构的微观变形，其尺寸发生变化。这是因为其中存在很高数量的单元磁铁，而正是这些极小的单元磁铁形成了磁性材料。而不加外部磁场时，这些微粒也仍在有限区域(Wei β区)内趋向于平行排列。在Wei β区内，所有的单元磁铁都朝向同一个方向。

由于Wei β区是随机分布的，磁体的外部特征初步看来并未显示出磁性。然而，若施加一个外部磁场，这些区域就会整体朝这个磁场的方向翻转，并且彼此平行。因此而产生的磁场的强度则是外部磁场的几百到几千倍。

将一个铁磁杆置于与其纵向方向相平行的磁场中，这个杆的长度将发生改变。但因磁致伸缩效应(焦耳效应)而增加的相对长度实际上很少，大约为10^-6。

碰致伸缩效应是磁性材料的磁性与机械参数的一种相互作用。我们可以通过对特殊金属合金进行适当的选择和处理来优化该效应，并且通过建立外部感应磁场来进行精确的控制。

特点

1.磁致伸缩效应及其逆效应均基于磁-机转化功能，所以磁-机转化的效率决定传感器的性能。

2.一般的铁基非晶材料，如Fe₈₁Ba_13.5Si_3.5C₂的机电耦合系数可以达到0.6，超磁致伸缩材料(GMM)的机电耦合系数更高，这保证了相关传感器的灵敏度与响应速度。另外，相应的应力与扭矩传感器无需引人无线供电与发射模块即可实现无线测试，具有广阔的应用前景。

3.超磁致伸缩材料与形状记忆合金及压电陶瓷的性能对比如表1所示。与其它2种材料相比，超磁致伸缩材料的迟滞最小，可提高传感器的响应速度:其机电耦合系数也最高，可提高传感器的灵敏度;其居里温度仍最高，可使磁性能更稳定。

应用

1.制动器的制造

由表可知，超磁致伸缩材料的延伸率很低而能量密度很高。这说明伸长量相同时，它具有更强的输出力，比压电陶瓷高20倍左右。

2.位移传感器

目前，基于磁致伸缩效应的位移传感器已广泛应用于各行各业，如油箱液位的测量、锅炉水位的监测等。各种形状、抗腐蚀、非接触式的位移传感器层出不穷，而且性能不断得到提升。

3.加速度传感器

基于逆磁致伸缩效应的加速度传感器具有过载能力强、测量范围广、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优异性能，在重工业、化学等工业领域的自动化控制系统中有着广泛的应用前景。

4.压力传感器

5.扭矩传感器

6.它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。

研究应用

1.法国洛林大学的研究小组制造了一种基于表面声波（SAW）设备的多功能传感器。它允许独立测量温度和施加的磁场。多层器件结构的优化导致Love波共振的温度系数频率降低到零。通过施加Co-Fe-B层的磁致伸缩来获得对施加的磁场的灵敏度。通过使用形状各向异性，大大减小了固有磁各向异性随温度的变化。一方面，以Love波共振频率解调该设备所允许我们提取施加的磁场，而与[130–370 K]范围内的温度无关。另一方面，瑞利波或渗漏波对所施加的场较不敏感或不敏感，但具有较高的频率温度系数。因此，以瑞利共振频率解调器件使我们能够独立于磁场提取温度。另外，使用的谐振器几何形状为将来进行无电池化和无线解调提供了可能。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。

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