3.6 压磁式传感器与磁致伸缩执行器
压磁式传感器又称磁弹性式传感器，是利用铁磁材料的逆磁致伸缩效应工作的传感器。这种传感器具有输出功率大，抗干扰性能好，过载能力强，适宜在恶劣环境中长期可靠地运行等优点。但是测量精度一般（通常低于1%F.S），频响较低（一般不高于1～2kHz）。因此常用于冶金、矿山、运输等工业部门作为测力和称重传感器。近年来，这种传感器在温度测量、扭矩的非接触测量和应力无损检测方面也获得了应用，在生物医学领域正受到重视。限于篇幅，本节将着重介绍压磁式测力传感器，并简要介绍利用（正）磁致伸缩效应制成的几种磁致伸缩执行器。这种应用随着稀土超磁致伸缩材料的出现得到长足发展，并具有强劲的发展势头。
3.6.1 磁致伸缩效应与压磁效应
铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为磁致伸缩效应。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，称为磁致伸缩系数，用λs表示，即
λs＝（Δl/l）s (3-73)
式中，Δl/l——伸缩比。
在一定的磁场范围内，一些材料（如Fe）的λs为正值，称为正磁致伸缩；反之，一些材料（如Ni）的λs为负值，称为负磁致伸缩。测试表明，物体磁化时，不但磁化方向上会伸长（或缩短），在偏离磁化方向的其他方向上也同时伸长（或缩短），只是随着偏离角度的增大其伸长（或缩短）比逐渐减小，直到接近垂直于磁化方向反而要缩短（或伸长）。铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁化时导致物质的晶格结构改变，使原子间距发生变化而产生的现象。
铁磁物体被磁化时如果受到限制而不能伸缩，内部会产生应力。如果在它外部施力，也会产生应力。当铁磁物体因磁化而引起伸缩（且不管何种原因）产生应力σ时，其内部必然存在磁弹性能Eσ。分析表明，Eσ与λsσ成正比，且同磁化方向与应力方向之间的夹角有关。由于Eσ的存在，将使铁磁材料的磁化方向发生变化。对于正磁致伸缩材料，如果存在拉应力，将使磁化方向转向拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增大。反之，压应力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。对于负磁致伸缩材料，情况正好相反。
这种被磁化的铁磁材料在应力影响下形成磁弹性能，使磁化强度矢量重新取向，从而改变应力方向的磁导率的现象，称为逆磁致伸缩效应，或称压磁效应与磁弹性效应。
铁磁材料的相对导磁率变化与应力σ之间的关系为
式中，μ——铁磁材料的磁导率；
Bs——饱和磁感应强度。
从式（3-74）可知，用于压磁式传感器的铁磁材料要求能承受大的应力、磁导率高、饱和磁感应强度小。常用的材料是硅钢片与铁镍软磁合金，由于后者价贵且性能不够稳定，目前大都采用硅钢片。
3.6.2 压磁式传感器
1.压磁式传感器的工作原理
压磁式测力传感器的压磁元件由具有正磁致伸缩特性的硅钢片粘叠而成。如图3-52所示，硅钢片上冲有四个对称的孔，孔1、2的连线与孔3、4相互垂直［图（a）］。孔1、2间绕有激磁绕组W12，孔3、4间绕有测量绕组W34，外力F与绕组W12、W34所在平面成45°角。当激磁绕组W12通过一定的交变电流时，铁心中就产生磁场H，方向如图（b）所示。设将孔间区域分成A、B、C、D四部分。在无外力作用时，A、B、C、D四部分的磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，合成磁场强度H平行于测量绕组W34的平面。在磁场作用下，导磁体沿H方向磁化，磁通密度B与H取向相同。由于测量绕组无磁通通过，故不产生感应电势。
图3-52 压磁式测力传感器的工作原理
若对压磁元件施加压力F，如图（c）所示，A、B区域将产生很大的压应力σ，而C、D区域基本上仍处于自由状态。对于正磁致伸缩材料，压应力σ使其磁化方向转向垂直于压力的方向。因此，A、B区的磁导率μ下降，磁阻增大，而与应力垂直方向的μ上升，磁阻减小。磁通密度B偏向水平方向，与测量绕组W34交链，W34中将产生感应电势e。F值越大，W34交链的磁通越多，e值就越大。经变换处理后，即能用电流或电压来表示被测力F的大小。
2.压磁式测力传感器的结构
压磁式测力传感器的核心部件是压磁元件。组成压磁元件的铁心有四孔圆弧形、六孔圆弧形、“中”字形和“田”字形等多种，可按测力大小、输出特性的要求和灵敏度等选用。为扩大测力范围，可以将几个冲片联成多联冲片。
此外，还有“Ⅱ”字形与横“曰”字形冲片，常用于测定或控制拉力或压力，以及无损检测残余应力。所有铁心都由冲片叠合而成，以减小涡流损耗。
图3-53 压磁式测力传感器的结构
为了保证良好的重复性和长期稳定性，传感器必须有合理的机械结构。图3-53所示为一种典型的压磁式测力传感器的结构。它主要由压磁元件1、弹性体2和传力元件（钢球）3构成。弹性体一般由弹簧钢制成，它基本不吸收力，从而保证在长期使用过程中压磁元件受力作用点位置不变。为此，弹性体与压磁元件的接合面应有一定的平面度和表面粗糙度要求，并保证给压磁元件施加一定的预压力（常取额定载荷的10%～20%）。传力件3能保证被测力垂直集中地作用于传感器。
大吨位的压磁式测力传感器，因体积过大，制成整体的弹性体有困难，一般采用有一定硬度、强度、平面度与表面粗糙度的上、下盖板结构。作用力通过盖板作用于压磁元件，从而使传感器受力均匀且保持力作用点的位置不变。详细介绍请参阅文献［17］和有关手册。
3.测量电路
压磁式传感器的输出信号较大，一般不需要放大。所以测量电路主要由激磁电源、滤波电路、相敏整流和显示器等组成，基本电路如图3-54所示。
交流电流的频率按传感器响应速度的要求选择。提高激磁频率对改善传感器的性能有利，但受铁心损耗的限制。一般测量可用工频电源，并采用铁磁谐振稳压；响应速度较高时，可选用变频电源，以选择最佳频率。为了保证测量精度，应采取交流稳压措施；要求高时可选择稳频恒流电源，以减小激磁电流波动对传感器线性度和灵敏度的影响。
图3-54 压磁式传感器的电路原理框图
加入滤波电路也可以提高测量精度。传感器前的滤波器用于保证激磁电源频率的单一性；传感器后的匹配滤波电路由匹配变压器与滤波器组成，其中滤波器用来消除传感器输出的高次谐波（主要是三次谐波）。加入匹配变压器的作用是使传感器的输出阻抗与后级电路的输入阻抗相匹配，保证输出功率最大，同时也可将信号电压升高，以满足整流、滤波所需。
滤除谐波的信号再经相敏整流、滤波后送入模拟或数字仪表显示或记录。如果需要，也可在电路中增加放大电路和运算电路（例如和差运算）；或输出控制信号、报警信号以满足监控的需要。
由于铁磁材料的磁化特性随温度而变，压磁式传感器通常要进行温度补偿。最常用的方法是将工作传感器与不受载荷作用的补偿传感器构成差动回路。
3.6.3 磁致伸缩执行器
图3-55 磁致伸缩执行器的结构原理
1.结构和工作原理
磁致伸缩执行器的基本工作原理是，通过改变磁场的大小使磁致伸缩材料产生应变，从而产生力或位移。图3-55为磁致伸缩执行器的结构原理图。当线圈内通以交变电流时，就在磁致伸缩棒的轴向产生交变磁场，使之产生轴向应变。图中永磁体用来提供偏磁场，其作用是使磁致伸缩材料工作于线性区，并消除动态应用时的倍频现象。永磁体也可用通以直流电流的线圈来代替。弹簧用来提供预应力，可以提高磁致伸缩材料在低磁场下的磁致伸缩应变量。对于脆性的稀土超磁致伸缩材料，由于其抗拉强度差，通过预加应力还可以防止材料在工作时受到拉应力而损坏。
2.磁致伸缩执行器的应用
二十世纪五六十年代，已经利用金属镍的磁致伸缩效应实现超声波加工，用来对脆性材料进行加工，例如在玻璃上加工特殊形状的孔等。但由于材料性能的限制，应用没有得到显著发展。近年来，随着稀土超磁致伸缩材料的出现，用它制造的执行器得到了广泛应用。
超磁致伸缩执行器首先在军事上得到重视，用这种材料制成的声换能器，尺寸和重量仅为压电换能器的1/2，驱动电压降为数十伏，并可在1kHz以下的低频范围使用。采用这种换能器的声纳，水下探测距离可达数千千米。
用超磁致伸缩材料制造的微位移执行器，已成功地应用在燃料喷射阀、液压伺服阀和精密车床的微进给机构中，它们具有响应速度快、输出力大，可在低磁场、低电压下工作的优点。
利用超磁致伸缩材料还可以制成新型直线步进马达，工作时超磁致伸缩材料交替伸缩，像虫子一样蠕动前进，最大驱动力可达1000N，最小微位移值1～2μm，并且不会产生反冲。此外，利用超磁致伸缩材料和压电陶瓷开发的混合型线性马达也已问世。
在磁致伸缩执行器家族中还有一种新型执行器值得一提，它就是薄膜型超磁致伸缩执行器。这种执行器具有下列优势:（1）可利用外加磁场进行非接触驱动和远程控制；（2）将正、负磁致伸缩材料相配合，能增加力和位移的输出；（3）具有良好的软磁性能，异向性不明显，能在室温和低磁场条件下产生很大的磁致伸缩应变；（4）制造工艺比体状超磁致伸缩执行器简单，能与IC工艺兼容，因而易于微型化、集成化和提高性价比。目前已利用这种技术制成微型泵、微型阀、线性超声马达、微行走机构等。
图3-56是薄膜型磁致伸缩微阀门示意图。图（a）和（b）分别是阀门关闭和开启的情况，图（c）是A-A剖面。阀门关闭时，通道口与镀有磁致伸缩薄膜的基片紧紧贴合，液体在通道的上下两腔体中同时存在，但不能外流。当有外加磁场H时，磁致伸缩薄膜变形使基片下凹，通道口与基片间产生缝隙，液体便从上腔经出口流出。
图3-56 薄膜型磁致伸缩微阀门
（a）关阀；（b）开阀；（c）A-A截面图
图3-57表示一种非接触驱动的微型行走机械。在厚7.5μm的聚酰亚胺基片上下表面各镀一层具有正负磁致伸缩效应的超磁致伸缩薄膜，厚1μm。基片的两端是可倾斜的腿，用来支撑和行走。利用外加磁场与行走机械共振，可以大幅度地提高行走速度。当外磁场为4×104A/m、激励频率为70Hz时，其前行速度可达65mm/s。
图3-57 微型行走机械示意图
习题与思考题
3-1 比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同之处。
3-2 为什么设计电感式传感器时应尽量减小铁损？试述减小铁损的方法。
3-3 用变磁阻式传感器进行测量时，在什么情况下应采用与校正时相同的电缆？为什么？
3-4 变间隙式、变截面式和螺管式三种电感式传感器各适用于什么场合？它们各有什么优缺点？
3-5 螺管式电感传感器做成细长形有什么好处？欲扩大螺管式电感传感器的线性范围，可以采取哪些措施？
3-6 差动式电感传感器测量电路为什么经常采用相敏检波（或差动整流）电路？试分析其原理。
3-7 试述电感传感器产生零位电压的原因和减小零位电压的措施。
3-8 试分析影响电感传感器精度的因素。
3-9 试述造成自感式传感器和差动变压器温度误差的原因及其减小措施。
3-10 差动变压器式传感器采用恒流激磁有什么好处？
3-11 电源频率波动对电感式传感器的灵敏度有何影响？如何确定传感器的电源频率？
3-12 试从电涡流式传感器的基本原理简要说明它的各种应用。
3-13 用反射式电涡流传感器测量位移（或振幅）时对被测体要考虑哪些因素？为什么？
3-14 比较恒频调幅式、变频调幅式和调频式三种测量电路的优缺点，并指出它们的应用场合。
3-15 反射式电涡流传感器探头线圈为什么通常做成扁平型？
图P3-1
3-16 试从压磁式传感器的工作原理和结构特点出发分析其应用场合。
3-17 若差动式自感传感器的两个线圈的有效电阻不等（R1≠R2），则在机械零位时存在零位电压（U0≠0）。试用矢量图分析能否用调整衔铁位置的方式使U0＝0？（设传感器接入图P3-1电桥）。
3-18 试计算图P3-2所示差动变压器式传感器接入桥式电路（顺接法）时的空载输出电压Uo；已知初级线圈激磁电流为I1，电源角频率为ω，初、次级线圈间的互感为Ma、Mb，两个次级线圈完全相同。又若同一差动变压器式传感器接成图（b）所示反串电路（对接法），问两种方法中哪一种灵敏度高？高几倍？［提示:1）将图（a）次级简化为图（c）等效电路（根据已知条件Za＝Zb）；2）求出图（b）空载输出电压，与图（c）计算结果比较。］
图P3-2
图P3-3
3-19 试推导图P3-3所示差动型电感传感器电桥的输出特性Uo＝f（ΔL），已知电源角频率为ω，Z1，Z2为传感器两线圈的阻抗，零位时Z1＝Z2＝Z＝r＋jωL。又若以变间隙式传感器接入该电桥，求灵敏度表达式
（本题均用有效值表示）
3-20 自感式传感器接入图3-16电路。试绘出各环节输出电信号的波形，并说明各环节的功能。
3-21 有一差动式自感传感器，零位时Z10＝Z20＝R0＋jωL0，R0＝20Ω，L0＝3mH。将它接入图3-9（a）所示电桥:若E＝4V、f＝3kHz，求四臂交流电桥匹配电阻R1、R2的最佳值，并说明理由；又若ΔZ＝6Ω时，电桥输出电压为多大？
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