学术简报︱扭转力作用下Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的输出特性
省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学）的研究人员李媛媛、王博文、黄文美、李云开，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文，为提高磁致伸缩位移传感器的测量精度，需要从理论和实验上分析传感器的输出特性。
针对扭转力作用下波导丝发生磁化状态的改变进而影响传感器的输出特性这一问题，基于材料力学求解扭转应力，并从磁畴角度分析扭转力对魏德曼效应的影响，结合Fe-Ga合金的非线性本构模型和磁致伸缩逆效应等建立磁致伸缩位移传感器的输出电压模型，计算不同螺旋磁场和扭转力下的输出电压。搭建预加扭转应力下输出电压的测试平台，从理论和实验上确定输出电压随扭转应力的增大呈非线性减小的变化规律。
研究还表明：在同一磁场下，正向扭转应力导致的电压降小于反向扭转应力导致的电压降，提高偏置磁场或激励磁场可以从一定程度上抵消扭转应力对电压的影响。研究可为设计大量程高精度的位移传感器提供理论依据与指导。
铁镓合金在低磁场下能够产生较大的磁致伸缩应变，同时具有应力灵敏度高、抗拉能力强、材料成本较低和易于制备等优点，因此广泛应用于传感器、换能器、制动器、汽车、机器人等领域。
在精密位移测量方面，基于魏德曼效应和磁致伸缩逆效应的Fe-Ga磁致伸缩位移传感器，以其测量精度高、可靠性高、使用寿命长等优点，广泛应用于机床位移控制、液面高度和界面测量等领域。特别是由于磁铁和传感器无需直接接触，该种传感器在易燃易爆、腐蚀、辐射等恶劣环境下有着不可替代的应用价值。
磁致伸缩位移传感器以线圈为检测装置，其输出量为电压信号，对电压信号进行分析处理从而获得应力波的传播时间，由于应力波的传播速度一定，检测位移通过应力波的波速乘以应力波的传播时间即可求得。
有学者对磁致伸缩位移传感器的精度进行了分析，发现输出电压的峰值越大，根据阈值法或峰值法确定的应力波传播时间越精确，传感器的测量精度越高。为研制更符合测量需求的磁致伸缩位移传感器，有必要对磁致伸缩位移传感器的输出特性进行深入的研究。
已有一些文献对磁致伸缩位移传感器的输出特性进行研究，有学者采用波导丝所受的扭矩描述波导丝的角应变，根据磁机械耦合原理得到磁感应强度的表达式，进而建立起激励磁场、偏置磁场和材料特性与输出电压的关系。
有学者发现波导丝的磁致伸缩是影响魏德曼效应的重要因素。有学者基于魏德曼效应得到了含有磁致伸缩系数的输出电压模型，建立起磁致伸缩与输出电压的函数关系。有学者提出磁致伸缩导波位置传感器的电磁感应信号来源于磁畴的自由旋转和应力波的偏心运动。
随后，有学者对应力波在波导丝中的衰减特性进行了研究，提出衰减系数测试方法，并讨论了波导丝的线径、应力波的频率等对衰减系数的影响。有学者考虑应力波衰减特性，建立了传感器输出电压随应力波传播距离变化的数学模型，并通过实验验证了该模型，结果表明输出电压随传播距离的增大呈指数衰减。
以上研究均未涉及外加应力对传感器输出特性的影响，实际上，应力可以使磁性材料产生应变，从而改变传感器的输出特性。有学者根据位移传感器的输出电压与螺旋磁场的函数关系，进一步通过分析有效场、应力场和磁化强度的关系，得到应力和磁场共同作用下的输出电压模型。但该模型只适用于分析轴向应力对输出电压的影响，对于在波导丝安装过程中极容易受到的扭转力问题并不适用，扭转应力对输出电压的影响尚未可知。
本文基于材料力学对波导丝所受扭转应力进行分析和计算，并从磁畴角度研究了扭转力对魏德曼效应的影响，结合Fe-Ga合金的非线性本构模型和磁致伸缩逆效应等推导了磁致伸缩位移传感器的输出电压模型。搭建预加扭转力下Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的输出电压测试平台，通过模型计算和实验验证，得到了扭转应力对传感器输出特性的影响规律。该模型可用于预测传感器的输出电压，并为传感器的设计优化提供指导。
图1 传感器工作原理图
图6 传感器测试平台
考虑丝状Fe-Ga合金在磁致伸缩位移传感器的安装过程中极易受到预加扭转力的作用，在扭转力和螺旋磁场共同作用下波导丝的磁化状态发生改变，对输出电压产生影响。为了确定预加扭转力对传感器输出信号的影响，建立了传感器输出电压在预加扭转应力作用下的输出电压模型，确定了输出电压随扭转应力的增大呈非线性减小的变化规律，发展了磁致伸缩位移传感器的理论。设计了预加扭转应力下输出电压的测试实验，从实验和理论上验证了输出电压模型的准确性，表明该模型可以描述传感器在扭转应力下的输出电压特性。
研究表明：同一螺旋磁场下，正向扭转应力导致的电压降小于反向扭转应力导致的电压降；同一扭转应力下，偏置磁场增大或者激励磁场增大都会使传感器输出电压升高。研究结果可为磁致伸缩位移传感器的优化设计提供理论指导。