(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0引言

傳感器作為監(jiān)測(cè)診斷與智能控制系統(tǒng)中的核心部件，其性能直接決定測(cè)試結(jié)果的好壞，影響最后的診斷結(jié)論，所以任何傳感器首先需要滿(mǎn)足靈敏度與線(xiàn)性度的要求。另外，一旦傳感器的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，工作條件惡劣，其穩(wěn)定性就會(huì)有所降低，容易發(fā)生故障；此時(shí)，便于拆裝的傳感器可以縮短維修期、降低經(jīng)濟(jì)損失。因此，現(xiàn)階段的傳感器都朝著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)線(xiàn)測(cè)試的方向發(fā)展[1]。磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)磁能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。目前，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)利用這一效應(yīng)制作出各種功能的傳感器且用于工業(yè)在內(nèi)的很多科學(xué)領(lǐng)域。此類(lèi)傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)感知、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已在位移測(cè)量、加速度測(cè)量、索力測(cè)量、扭矩測(cè)量等方面得到廣泛應(yīng)用[2]。本文綜述磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理與主要特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述相關(guān)傳感器的結(jié)構(gòu)與原理，并分析其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 磁致伸縮效應(yīng)機(jī)理與特點(diǎn)

對(duì)磁致伸縮材料施加磁場(chǎng)后，材料內(nèi)部原來(lái)呈雜亂無(wú)章排列的磁分子就會(huì)沿著磁場(chǎng)方向重新排列，導(dǎo)致材料的長(zhǎng)度或體積發(fā)生變化，此為磁致伸縮效應(yīng)，主要用于位移的測(cè)量及制動(dòng)器的制造。當(dāng)對(duì)磁致伸縮材料施加應(yīng)力后，材料的長(zhǎng)度會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，其內(nèi)磁分子重新排列，導(dǎo)致材料的磁導(dǎo)率發(fā)生改變，此為逆效應(yīng)，主要用于應(yīng)力與加速度的測(cè)量[3]。

磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)均基于磁-機(jī)轉(zhuǎn)化功能，所以磁-機(jī)轉(zhuǎn)化的效率決定傳感器的性能。一般的鐵基非晶材料，如Fe81B13.5Si3.5C2的機(jī)電耦合系數(shù)可以達(dá)到0.6，超磁致伸縮材料(GMM)的機(jī)電耦合系數(shù)更高，這保證了相關(guān)傳感器的靈敏度與響應(yīng)速度。另外，相應(yīng)的應(yīng)力與扭矩傳感器無(wú)需引入無(wú)線(xiàn)供電與發(fā)射模塊即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)測(cè)試，具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。超磁致伸縮材料與形狀記憶合金及壓電陶瓷的性能對(duì)比如表1所示。與其它2種材料相比，超磁致伸縮材料的遲滯最小，可提高傳感器的響應(yīng)速度；其機(jī)電耦合系數(shù)也最高，可提高傳感器的靈敏度；其居里溫度仍最高，可使磁性能更穩(wěn)定。

表1 各種材料性能對(duì)比

2 磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用

2.1 制動(dòng)器制造

由表1可知，超磁致伸縮材料的延伸率很低而能量密度很高。這說(shuō)明伸長(zhǎng)量相同時(shí)，它具有更強(qiáng)的輸出力，比壓電陶瓷高20倍左右。其相對(duì)磁致伸縮系數(shù)高達(dá)0.001 6(一般金屬的磁致伸縮系數(shù)級(jí)別為10-7)，響應(yīng)速度可以達(dá)到納秒級(jí)別，而且驅(qū)動(dòng)方便，所以它被廣泛應(yīng)用于制造各種制動(dòng)器。如電液控制系統(tǒng)中的電液伺服閥、柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)中的電磁閥、永磁偏置驅(qū)動(dòng)器等[4]。制動(dòng)器的基本原理如圖1所示：鋱鏑鐵超磁致伸縮棒材(Terfenol-D)上纏繞線(xiàn)圈，然后通入直流電；由于超磁致伸縮棒材的伸縮量與電流強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系，可通過(guò)電流強(qiáng)度控制頂桿的位置，從而到達(dá)控制流量、液位等參數(shù)的目的。

圖2為柴油機(jī)的高壓燃油共軌系統(tǒng)。在圖示系統(tǒng)中，電磁閥的性能決定彈簧預(yù)緊力的大小，進(jìn)而決定回油孔的流通面積，最終影響增壓效果。目前，普遍使用的電磁閥為電磁鐵吸合式閥。由于銜鐵存在慣性作用，鐵芯磁導(dǎo)率較低，而且受加工工藝限制，它的性能很難再次得到較大的提升。國(guó)外曾經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于壓電陶瓷磁致伸縮效應(yīng)的電磁閥，但是無(wú)法大量投入使用。因?yàn)樗枰獢?shù)百伏的驅(qū)動(dòng)電壓，而且性能不穩(wěn)定。由于超磁致伸縮材料具有高磁致伸縮系數(shù)與超強(qiáng)的輸出力，而且驅(qū)動(dòng)方便、響應(yīng)快，為電磁閥的改進(jìn)提供了方向。海軍工程大學(xué)已研發(fā)出相應(yīng)的電磁閥樣機(jī)[5]。

圖1 超磁致伸縮制動(dòng)器

圖2 高壓燃油共軌系統(tǒng)

目前，超磁致伸縮制動(dòng)器的模型已趨近于成熟，其力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為擋板-彈簧-載荷的單自由度模型，如圖3所示。圖1中的底座等效于圖3中的擋板，圖1中Terfenol-D棒的運(yùn)動(dòng)等效于圖3左邊彈簧的位移，圖1中頂桿的運(yùn)動(dòng)等效為圖3中間彈簧的位移，由頂桿控制的閥門(mén)的運(yùn)動(dòng)可視為圖3中右邊彈簧的位移；其中左邊彈簧的彈性系數(shù)由激勵(lì)源與超磁致伸縮材料共同決定。由于超磁致伸縮材料還存在磁滯效應(yīng)，需要引入磁滯模型。磁滯模型主要包含下列4種：Preisach 模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)磁滯模型、J-A模型和自由能模型。前2種模型基于磁滯理論，后2種模型基于磁疇理論。通常，將力學(xué)模型與磁滯模型在ANSYS軟件中進(jìn)行耦合后，即可得到與實(shí)際基本符合的制動(dòng)器模型[6]。

圖3 超磁致伸縮制動(dòng)器等效力學(xué)模型

2.2 位移傳感器

目前，基于磁致伸縮效應(yīng)的位移傳感器已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如油箱液位的測(cè)量、鍋爐水位的監(jiān)測(cè)等。各種形狀、抗腐蝕、非接觸式的位移傳感器層出不窮，而且性能不斷得到提升。其中，美國(guó)MTS公司生產(chǎn)的Temposonic系列與L系列位移傳感器遙遙領(lǐng)先[7]。其線(xiàn)性誤差低于0.05%，遲滯小于0.001%，可在高溫、高壓環(huán)境下持續(xù)工作；Temposonic III型的輸出分辨率可達(dá)2 μm?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移傳感器的工作原理如圖4所示。傳感器發(fā)出的電流脈沖信號(hào)沿超磁致伸縮波導(dǎo)絲向下進(jìn)行傳遞，其產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)與磁鐵的固定磁場(chǎng)合成后形成一個(gè)螺旋磁場(chǎng)。超磁致伸縮波導(dǎo)絲在螺旋磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)脈沖，通過(guò)提取發(fā)射脈沖與扭轉(zhuǎn)脈沖之間的時(shí)間差即可確定目標(biāo)的位移。由于該類(lèi)型位移傳感器的輸出信號(hào)不需要放大，直接表示目標(biāo)的絕對(duì)位置，所以不存在零點(diǎn)漂移，有效地避免了浮標(biāo)、電容等液位傳感器中零點(diǎn)漂移帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。另外，超磁致伸縮材料比半導(dǎo)體液位計(jì)有更寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍及更高的靈敏度。

圖4 磁致伸縮位移傳感器

尿素作為一種腐蝕性較強(qiáng)的液體，是柴油機(jī)處理尾氣時(shí)不可或缺的原料，所以尿素液位是柴油機(jī)后處理系統(tǒng)中很重要的變量，其精度與響應(yīng)速度直接影響著選擇性催化還原(SCR)的效率。由于電容的電極易被腐蝕，所以在現(xiàn)階段，尿素液位基本上采用浮標(biāo)測(cè)量。由于浮標(biāo)存在機(jī)械慣性與機(jī)械摩擦，難以短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，且靜態(tài)誤差無(wú)法消除，所以尿素噴射難以較好地實(shí)現(xiàn)反饋控制。另外，在醫(yī)學(xué)與化工等領(lǐng)域，也涉及到腐蝕性液體液位的測(cè)量。超磁致伸縮材料一般是由合金添加微量稀土元素形成，可顯著改善合金的抗高溫氧化及耐腐蝕性能?？梢灶A(yù)見(jiàn)，基于磁致伸縮效應(yīng)的位移傳感器將來(lái)會(huì)是這些領(lǐng)域一個(gè)很好的選擇。

2.3 加速度傳感器

基于逆磁致伸縮效應(yīng)的加速度傳感器具有過(guò)載能力強(qiáng)、測(cè)量范圍廣、能在惡劣環(huán)境下工作、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)異性能，在重工業(yè)、化學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景[8]。1997 年，英國(guó)學(xué)者制造出基于非晶態(tài)合金刺探性效應(yīng)的加速度傳感器。該傳感器具備1個(gè)勵(lì)磁線(xiàn)圈與1個(gè)測(cè)量線(xiàn)圈。在勵(lì)磁線(xiàn)圈中通入交流電(交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)處于材料的磁導(dǎo)率(B-H)特性線(xiàn)性段內(nèi))，當(dāng)非晶薄帶未受到外力時(shí)，測(cè)量線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓僅與磁路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的變化率(dB/dt)成正比；一旦非晶薄帶受到外力后，其磁導(dǎo)率隨之發(fā)生改變，將導(dǎo)致測(cè)量線(xiàn)圈中感應(yīng)電壓的幅值隨著非晶薄帶的受力情況而發(fā)生相應(yīng)變化。又因?yàn)榉蔷П艿降耐饬εc振動(dòng)塊(激勵(lì)源)的加速度間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以感應(yīng)電壓的幅值變化反映了振動(dòng)塊加速度的變化。隨著超磁致伸縮材料及高靈敏度磁場(chǎng)計(jì)的問(wèn)世，逆磁致伸縮加速度傳感器的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，如圖5所示。用磁性能極高且穩(wěn)定的永磁體代替交變電磁場(chǎng)作為激勵(lì)源，用比非晶態(tài)合金的磁致伸縮系數(shù)高100倍左右的超磁致伸縮棒材作為傳感器的敏感材料，用磁場(chǎng)計(jì)直接測(cè)量磁隙處磁場(chǎng)的變化，這些改進(jìn)措施使得傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，靈敏度及線(xiàn)性度均得以提高。

目前，汽車(chē)、卡車(chē)及工程機(jī)械均將車(chē)體的振動(dòng)作為車(chē)身性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)?，F(xiàn)階段，測(cè)量振動(dòng)應(yīng)用最廣泛的是基于LMS的整套加速度傳感器系統(tǒng)。這種加速度傳感器一般通過(guò)膠合或磁座固定在車(chē)身或輪轂上。當(dāng)振動(dòng)較強(qiáng)時(shí)，例如測(cè)量大型柴油機(jī)振動(dòng)時(shí)，會(huì)引發(fā)傳感器松動(dòng)甚至脫落，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確；而且加速度傳感器需要引入無(wú)線(xiàn)設(shè)備發(fā)射、接受信號(hào)，易造成信號(hào)干擾。逆磁致伸縮加速度傳感器能彌補(bǔ)上述缺陷。瑞士的ABB公司已經(jīng)在汽車(chē)上了進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明逆磁致伸縮加速度傳感器能對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量。

2.4 壓力傳感器

逆磁致伸縮壓力傳感器已廣泛應(yīng)用于機(jī)床及自動(dòng)化加工等領(lǐng)域。它既能避免普通彈性元件無(wú)法提供電輸出的問(wèn)題，又能避免壓阻、壓電材料需要布置外圍引線(xiàn)的問(wèn)題[9]。ABB公司生產(chǎn)的PFCL、PFTL和PFEA系列壓力傳感器處于世界領(lǐng)先水平，測(cè)量精度可以達(dá)到0.01 N，且動(dòng)、靜態(tài)的壓力或張力均可測(cè)量。逆磁致伸縮壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)無(wú)壓力時(shí)，激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)呈點(diǎn)電荷狀分布；在壓力作用下，磁致伸縮材料內(nèi)部磁分子重新排列，導(dǎo)致磁場(chǎng)重新分布。這一變化導(dǎo)致檢測(cè)線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓變化，感應(yīng)電壓與負(fù)荷成正比，從而反映出壓力的變化。

圖5 逆磁致伸縮加速度傳感器結(jié)構(gòu)及其等效模型

圖6 逆磁致伸縮壓力傳感器及等效模型

2.5 扭矩傳感器

輪機(jī)、電站等大型柴油機(jī)的軸功率需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以維持船-機(jī)-槳的平衡或電網(wǎng)的平衡。由于轉(zhuǎn)速易獲得，所以如何簡(jiǎn)單、精確、快速獲得扭矩信號(hào)成為軸功率計(jì)算的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段，一般采用應(yīng)變片或相位差式儀器進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)變片的粘貼要求較高，且只能單次使用，而且電池供電有限，需經(jīng)常更換，還需引入無(wú)線(xiàn)模塊。相位差式測(cè)量對(duì)儀器的安裝及信號(hào)的獲取均有嚴(yán)格的要求，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易拆裝。逆磁致伸縮扭矩傳感器便應(yīng)運(yùn)而生。

雖然逆磁致伸縮扭矩傳感器一直被研究，例如上世紀(jì)，日本九州大學(xué)、韓國(guó)科學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)研究所磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室及美國(guó)麻省磁彈型器件公司相繼對(duì)它進(jìn)行研究，但進(jìn)展很小。瑞典研制出的ASEA型測(cè)功儀和俄羅斯研制出的LI-M磁彈型測(cè)功儀，其測(cè)量誤差均在1%左右，安裝尺寸在120 mm以?xún)?nèi)，但僅用于軍事。隨著非晶態(tài)合金及超磁致伸縮材料的出現(xiàn)，磁彈式測(cè)量法取得很大進(jìn)展。瑞士ABB公司新研制出的Torductor-S型扭矩傳感器已應(yīng)用于測(cè)量汽車(chē)扭矩[10]。

逆磁致伸縮扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意如圖7所示。在軸承上粘貼或噴涂一圈磁致伸縮材料，當(dāng)磁致伸縮材料未受到扭矩作用時(shí)，其內(nèi)部磁分子的排列雜亂無(wú)章，如圖8所示；當(dāng)磁致伸縮材料受到扭矩作用時(shí)，磁致伸縮材料受到45°方向的主壓應(yīng)力與-45°方向的主拉應(yīng)力作用，其內(nèi)部磁分子呈有序排列(如圖9所示)，從而造成磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率發(fā)生改變；沿壓力方向磁導(dǎo)率降低、沿拉力方向磁導(dǎo)率增加，于是組成了一個(gè)全橋磁路，這些變化以感應(yīng)電壓的形式表現(xiàn)出來(lái)；由于感應(yīng)電壓與扭矩之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可以得到扭矩值。其等效磁路如圖10所示。

圖7 逆磁致伸縮扭矩傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意

相較于應(yīng)變片，逆磁致伸縮扭矩傳感器的電源直接選用電網(wǎng)中的電，而且無(wú)需引入無(wú)線(xiàn)模塊；相較于相位差式測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作。

圖8 磁致伸縮材料未受扭矩時(shí)磁分子排列

圖9 磁致伸縮材料受扭矩時(shí)磁分子排列

圖10 等效磁路

3 發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段，在制動(dòng)器領(lǐng)域中，基于磁致伸縮效應(yīng)的電液伺服閥或電磁閥的位移輸出量還較小，只能用于對(duì)小流量的控制，所以需要在閥體積不變的情況下植入位移放大機(jī)構(gòu)，但必須同時(shí)保證閥門(mén)的動(dòng)態(tài)特性。為了驅(qū)動(dòng)頂桿，纏繞在GMM棒上的線(xiàn)圈一般較細(xì)而且較多，當(dāng)激勵(lì)源(電壓或電流)一旦過(guò)大時(shí)，會(huì)造成溫度驟升，所以需要引入溫度補(bǔ)償或冷卻系統(tǒng)。另外，溫度、壓力等因素對(duì)磁場(chǎng)的影響規(guī)律復(fù)雜，不是單一的線(xiàn)性關(guān)系，所以需要對(duì)磁滯模型進(jìn)行修正。

對(duì)于磁致伸縮位移傳感器，最關(guān)鍵的部分就是產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)的波導(dǎo)絲及接收扭轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)的電子模塊，它們必須承受外界較強(qiáng)的振蕩與沖擊。因此，需要研發(fā)出彈性更高、成分更均勻的波導(dǎo)絲，從而提高傳感器的靈敏度。另外，位移傳感器是通過(guò)提取2個(gè)信號(hào)的時(shí)間差得到的，所以對(duì)傳感器要有更好的封裝技術(shù)用于屏蔽外界噪聲及強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾。

逆磁致伸縮加速度傳感器目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，存在的問(wèn)題是成本過(guò)高及動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果不佳[11]。

逆磁致伸縮壓力傳感器已產(chǎn)品化，在工程機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，且技術(shù)相對(duì)成熟。

影響逆磁致伸縮扭矩傳感器性能的主要因素有2個(gè)：一是超磁致伸縮材料目前無(wú)法壓制成薄帶，而且相關(guān)的噴涂技術(shù)不成熟，所以無(wú)法使用超磁致伸縮材料作為傳感器的敏感材料，一為磁致伸縮材料的線(xiàn)性段較窄，需要通過(guò)退火、加入微量元素等手段拓寬其線(xiàn)性段。

4 結(jié)論

磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)由于能在機(jī)械能與磁能間實(shí)現(xiàn)可逆、迅速的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)快，無(wú)線(xiàn)發(fā)射、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在未來(lái)的測(cè)量領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的應(yīng)用。但是基于現(xiàn)在的材料及工藝，在磁致伸縮效應(yīng)的發(fā)展過(guò)程中，還需要進(jìn)一步對(duì)其技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行細(xì)致研究，為磁致伸縮的未來(lái)發(fā)展提供可靠保障。