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焦耳在1842年發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮效應(yīng)，它一直是磁彈性領(lǐng)域中一個令人感興趣的研究課題。所謂磁致伸縮效應(yīng)是指任何材料由于其磁狀態(tài)的變化而產(chǎn)生其在形狀和尺寸上變化的現(xiàn)象。反過來，幾乎所有的磁致伸縮材料受到應(yīng)力作用時都會產(chǎn)生磁化狀態(tài)的變化，這種現(xiàn)象就是所謂的逆磁致伸縮效應(yīng)。由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用下發(fā)生反復(fù)伸張與縮短,產(chǎn)生振動和聲波，從而可以將電磁能(或電磁信息)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能(或機(jī)械位移信息和聲信息)，相反也可以將機(jī)械能或聲能(或機(jī)械位移信息和聲信息)轉(zhuǎn)換成電磁能(或電磁信息)。因此磁致伸縮在所有的磁性材料中起著重要的作用,被廣泛用于磁致伸縮元器件的開發(fā)。

磁致伸縮的第一項技術(shù)應(yīng)用即振蕩器、扭矩儀出現(xiàn)于1930年以前；20世紀(jì)40年代Ni和Co的多晶磁致伸縮材料進(jìn)入應(yīng)用；50年代前蘇聯(lián)利用Fe-13%Al合金開發(fā)了Fe-13%Al聲發(fā)射器；60年代開發(fā)的高磁致和高電聲轉(zhuǎn)換效率的鐵氧體材料被廣泛應(yīng)用于超聲焊接、超聲凈化、濾波裝置和延遲線；70年代，Clark發(fā)現(xiàn)了稀土-鐵系化合物，與傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和壓電陶瓷相比，這種材料具有高磁致伸縮應(yīng)變及推力大、能量轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好和可靠性高等特點 ,因此一經(jīng)出現(xiàn)，立即受到各國專家的高度關(guān)注。到20世紀(jì)80年代中后期，美國、日本、中國等國家先后對這種材料的性能、成份摻雜、相結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了充分的研究，使得磁致伸縮技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了大量的實用性器件。 

1、磁致伸縮傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

利用材料的磁致伸縮效應(yīng)來測量某些非電量始于19世紀(jì)、發(fā)展于20世紀(jì)后期，其應(yīng)用領(lǐng)域包括力學(xué)傳感器領(lǐng)域、磁學(xué)領(lǐng)域、聲學(xué)領(lǐng)域、微位移領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及材料領(lǐng)域等。

1.1 力學(xué)傳感器領(lǐng)域

利用材料的逆磁致伸縮效應(yīng)可以開發(fā)多種力學(xué)傳感器，用于扭矩、殘余應(yīng)力、振動及加速度等力學(xué)量的檢測，這也是目前磁致伸縮技術(shù)應(yīng)用較成熟的領(lǐng)域。

① 扭矩傳感器

目前在工業(yè)上常用的三種磁致伸縮扭矩傳感器是：非晶態(tài)合金扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器和傳感器軸。日本學(xué)者Yamasaki，Mohri和其同事們發(fā)明了將磁致伸縮材料直接應(yīng)用到軸體表面上，以解決軸材料本身磁性不足的問題。他們采用線爆噴射工藝將鎳、鐵-鎳和鐵-鈷-鎳高磁致伸縮非晶態(tài)合金材料粘附到軸體表面上形成與軸線成45和-45的兩組斜條形細(xì)薄層。利用這種斜條形膜構(gòu)成雙磁芯多諧振蕩器橋路，構(gòu)成扭矩傳感器系統(tǒng)。Sasada等人發(fā)明通過等離子噴涂技術(shù)而在軸體表面獲得<300μm鎳層的非晶態(tài)合金傳感器系統(tǒng)。實驗證實這種傳感器幾乎與旋轉(zhuǎn)頻率無關(guān)，與傳統(tǒng)金屬電阻薄膜制成的扭矩計相比，其靈敏度提高10倍之多。

利用這種原理，Ohzeki等人成功地開發(fā)出一種用于銑床切削力自動監(jiān)測的扭矩傳感器，可有效地防止刀具斷裂，并提高工件加工質(zhì)量。Nishlbe等人開發(fā)了用于監(jiān)測汽車發(fā)動機(jī)不點火的微型扭矩傳感器，此種傳感器在監(jiān)測精度上明顯優(yōu)于轉(zhuǎn)速檢測方法。Sasada等人開發(fā)了一種利用軸材料本身的磁特性進(jìn)行扭矩在線檢測的傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)了鉆頭上工作扭矩的在線檢測，同時他還發(fā)明了用磁頭和鍍鎳磁致伸縮棒制成的可測瞬時扭矩的非接觸扭矩傳感器，其精度可達(dá)3.5mV/N·m，這些扭矩傳感器已廣泛應(yīng)用于軸承、感應(yīng)電機(jī)等超微型扭矩檢測中。

美國和日本科學(xué)家利用Tb2Dy2Fe材料制作電磁致傳感器用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和驅(qū)動軸代替液壓系統(tǒng)，可以節(jié)省5%的燃油消耗。據(jù)美國一資料統(tǒng)計，僅此磁電轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年可為全美個人汽車節(jié)省燃油37億加侖。(注:1美加侖=3.78541L)目前,非晶態(tài)合金扭矩傳感器還在不斷的發(fā)展和完善之中。同軸線圈式扭矩傳感器已經(jīng)形成了系列化的實用產(chǎn)品，可以測量0～105N·m的動態(tài)扭矩。而磁頭型傳感器還存在零點漂移、溫度漂移及間隙補(bǔ)償?shù)葐栴}需要進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

② 力、應(yīng)力及應(yīng)變檢測傳感器
力和應(yīng)力傳感器廣泛應(yīng)用于諸如車輛主懸掛裝置、發(fā)動機(jī)底座、主振動控制，橋梁負(fù)載監(jiān)測、加工控制、建筑抗震災(zāi)害及構(gòu)件殘余應(yīng)力的檢測和有效控制中。利用眾多磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率靈敏于應(yīng)力這一特性，Kleinke和Uras發(fā)明的一種力傳感器是利用磁路中電阻抗的變化隨應(yīng)力變化的原理來測量力或應(yīng)力。它采用了兩個磁致伸縮彈性組件并用鋼性的端面塊固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，這種傳感器已用于自動卸料系統(tǒng)來實現(xiàn)料位的在線監(jiān)測和實時控制。我國清華大學(xué)學(xué)者謝大吉等人采用四極磁探頭對工程鋼門樓主桁架和超高壓厚壁鋼管大變形殘余應(yīng)力進(jìn)行實測，取得了很好的效果。美國海軍表面武器研究中心的Wun2Fogle和同事們研制出了用非晶態(tài)合金薄帶制成的應(yīng)變計，這種磁致伸縮應(yīng)變計與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體應(yīng)變計相比具有更大的動態(tài)范圍，更高的靈敏度，可測應(yīng)變量最小可達(dá)3×10-10,在0.05Hz下有低至10-9的分辨力。

③ 防振、防噪傳感器

此類傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人及測震領(lǐng)域，如日本明治大學(xué)的學(xué)者研究了一種超磁致伸縮防震裝置用于原子能發(fā)電所的配電管系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上還開發(fā)了用于建筑施工的防震裝置。美國利用稀土超磁致伸縮材料制成反噪聲與噪聲、反拔振動與振動傳感控制系統(tǒng)可使運載工具的噪聲降低到20dB以下，使振動減少到令人舒適的程度。國外還成功地利用Terfenol2Dyaqr制成了測地震波的裝置。

1.2 磁場傳感器

目前商業(yè)用磁場傳感器的結(jié)構(gòu)形式多種多樣(包括依賴于材料本身的磁致伸縮特性的傳感器)，這在很大程度上是由于需要不同的傳感器來檢測不同強(qiáng)度和不同頻率的磁場。最常用的結(jié)構(gòu)是使用磁致伸縮材料覆蓋光纖，而有些其它的磁場傳感器則是基于單片集成電路的 Terfenol2Dyaqr試件。目前基于磁致伸縮延遲線技術(shù)的磁場傳感器也已通過實驗認(rèn)證。

第一臺磁強(qiáng)計是由Chung等人研制的，它是利用Terfenol2Dyaqr(簡稱T2D) 試件桿將磁場轉(zhuǎn)換成可以測量的物理量。T2D桿在一個交流磁場中產(chǎn)生應(yīng)變 ,這種位移應(yīng)變可用一標(biāo)定過的激光干涉儀精確地測量并輸出一個與磁場有關(guān)的信號。偏置于T2D試件的直流磁場用于優(yōu)化帶有磁場信息的輸出應(yīng)變，它可輸出高達(dá)10×10-6的值。

基于磁致伸縮效應(yīng)的光纖傳感器也是目前世界各國研發(fā)的熱點。1979年,Yariv和Winsor提出了這種傳感器的通用的結(jié)構(gòu)，它是用磁致伸縮薄膜覆蓋于光纖表面。磁場引起磁致伸縮層產(chǎn)生變形，使得光纖產(chǎn)生應(yīng)變，而這會引起激光的光信道長度產(chǎn)生變化，借助干涉儀可測量相位變化。美國學(xué)者M(jìn)ermelstein 通過實驗發(fā)現(xiàn)這種傳感器的分辨力范圍在DC和低頻(低于1Hz)下大約是3×10-11Oe。

我國武漢理工大學(xué)李強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)的科研組也成功地開發(fā)出了磁場光纖傳感器原型。目前該傳感器動態(tài)范圍可達(dá)102～10-2Gs,靈敏度為10-3～10-4Gs，可用于高電壓、大電流檢測以及自導(dǎo)武器引線和地震與地質(zhì)勘探等尖端領(lǐng)域。美國海軍研究所的Bueholtz等人也開發(fā)出了一種采用合金玻璃制成的磁場傳感器。

1.3 材料特性傳感器

該傳感器是一種非接觸磁致伸縮傳感器，它使用目標(biāo)材料本身的磁致伸縮特性來激勵能夠被測量或監(jiān)測的彈性波從而獲得目標(biāo)的特征。這個系統(tǒng)可以直接用于由磁致縮材料制成的目標(biāo)或者非磁致伸縮試件，但后者的表面需要粘貼一層高磁致伸縮材料。

纏繞目標(biāo)的發(fā)射線圈(由脈沖生成器、電荷放大器和偏置磁鐵組成) 通過磁致伸縮激勵生成機(jī)械波，和發(fā)射線成一定距離的接收線圈 (由信號前置放大器、數(shù)據(jù)采集硬件和永磁鐵)測得由于磁致伸縮波而產(chǎn)生的信號。材料外在幾何形狀的改變和內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷將改變信號，而這些信號可以反映材料的特性、識別腐蝕的產(chǎn)生或測量內(nèi)應(yīng)力，像蝕損斑、壁厚變薄、裂紋等均可檢測到。實驗表明 ,波形的衰減隨著腐蝕的程度而增大。這種方法已被成功地應(yīng)用于識別導(dǎo)線束、加強(qiáng)肋(包括埋置于水泥中的加強(qiáng)肋) 、水管和其它一些適用非無損檢測技術(shù)的腐蝕檢測。May和Claus開發(fā)了一種與磁致伸縮組件耦合的在線光纖傳感器一直用于合成樹脂特性的檢測，這種光纖傳感器的光纖表面涂有一層磁致伸縮材料，目前這種傳感器已用于醫(yī)學(xué)治療中。

1.4 位移和運動傳感器

① 位移傳感器

基于磁致伸縮效應(yīng)的微位移傳感器已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、超精密 (準(zhǔn)確度達(dá)10-9m)機(jī)加工機(jī)床、紅外線電子束、激光束掃描控制、照相機(jī)快門、精密流量控制和原子力顯微鏡等領(lǐng)域。

英美合資的Lucas公司開發(fā)了一種非常簡便的位置傳感器，通過將一永久磁鐵連接到浮于流體中的設(shè)備上來測量液位；法國Equipiel公司已開發(fā)了一種Captosonic位置傳感器，可測量高達(dá)50m的距離而精度達(dá)±1mm。美國海軍表面武器研究中心應(yīng)用Metglas2605SC開發(fā)的磁致伸縮應(yīng)變計用于微位移檢測，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體應(yīng)變計相比具有更大的動態(tài)范圍、更高的靈敏度。武漢理工大學(xué)李強(qiáng)等人也開發(fā)了利用Tb0.23Dy0.73Fe1.95大單晶制成的微米級位移傳感器，用于微加工和原子蝕刻等領(lǐng)域。在我國還有一些學(xué)者將此種傳感器用于液壓缸位移的測量。

目前最通用的位移傳感器是基于磁致伸縮波導(dǎo)器。這個系統(tǒng)是檢測與所測目標(biāo)相連的永久磁鐵的位置，它可以自由地沿著磁致伸縮波導(dǎo)器的長度方向移動。它是利用Widemann效應(yīng)，通過測量由于在波導(dǎo)器中應(yīng)變脈沖所起的磁導(dǎo)率的變化而測量出聲波，從而確定目標(biāo)的位置。

另外磁致伸縮延遲線(MDL)用于測量位移的一項創(chuàng)新性的應(yīng)用，它是利用MDL、垂直導(dǎo)體(PCC)和一軟磁有源鐵芯(AC)共同構(gòu)成測量系統(tǒng)。已有報導(dǎo)，使用24μm厚的玻璃鋼2605C非晶合金薄帶作為MDL可以達(dá)到10mV/μm 的靈敏度。若干個AC-PCC組件和一個MDL可用來構(gòu)成一個組合的陣列。Hritoforom和Reilly在有關(guān)文獻(xiàn)中討論了這種新穎的傳感器系統(tǒng)以及多種AC-PCC-MDL的結(jié)構(gòu)形式，目前這種新型傳感器已用于運動員步伐分析、測量界面壓力和剪應(yīng)力分布。美國學(xué)者Clark還研制出了可變延遲線，利用磁致伸縮效應(yīng)所產(chǎn)生的表面彈性波制成智能觸覺器、濾波器、陣列數(shù)字轉(zhuǎn)換器等。

② 速度傳感器

Fenn和Gerver研制一種基于偏置T2D作動器的永久磁鐵速度傳感器。此傳感器被連接到使T2D磁芯產(chǎn)生應(yīng)變的運動目標(biāo)上。磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的變化借助于方程(1)和(2)所示關(guān)系同T2D鐵芯中的應(yīng)變ε產(chǎn)生聯(lián)系。由法拉第-楞次定律(方程3)，在纏繞的檢測線圈中將感應(yīng)到與 T2D線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的時間變化率成比例的電壓。這樣傳感器的輸出電壓就是一個與連接目標(biāo)的速度成比例的信號。

1.5 聲頻和超聲傳感器

磁致伸縮技術(shù)在聲頻和超聲方面具有廣泛的應(yīng)用前景，目前世界各國利用稀士超磁致伸縮材料開發(fā)一系列的水聲換能器和電聲換能器用于軍事和民用領(lǐng)域。

美國、法國等西方發(fā)達(dá)國家已開發(fā)出低頻(頻率為10～2000Hz)、大功率(聲源級約220dB)的聲納用和水聲對抗用水聲換能器用于海軍， 因為低頻可以打破敵方艦艇的隱身技術(shù)，而大功率則可以探測更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)；日本則用稀士超磁致伸縮材料制成海洋聲學(xué)斷層分析系統(tǒng)(OAT)及海洋氣候分析系統(tǒng)(ATOC)，用于測量海水的溫度和海流的分布圖。

利用稀士超磁致伸縮材料及其化合物的彈性模量隨磁場的改變變化極大的特點，日本人研制出了用于電器的小型揚聲器、用于醫(yī)學(xué)的超聲全息照相、超聲體外排石及心音脈博傳感器。

2、結(jié) 論

自從磁傳感器作為一種獨立產(chǎn)品進(jìn)入應(yīng)用以來，基于磁致伸縮效應(yīng)的傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的拓展。已從傳統(tǒng)的力學(xué)、磁學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等新型應(yīng)用領(lǐng)域，其傳感器除由最初的應(yīng)力、應(yīng)變、磁場傳感器擴(kuò)展到水聲換能器、電聲換能器、磁彈性延遲線數(shù)字化儀、磁聲鍵盤系統(tǒng)、生物機(jī)械傳感器、呼吸傳感器和軟熱治療系統(tǒng)等。從以上可以看出，磁致伸縮技術(shù)具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

磁致伸縮傳感器技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展目前還存在著一些不足，表現(xiàn)在：①磁致伸縮傳感器技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及其性能的改善取決于敏感材料。因為在各種傳感器中，敏感組件是關(guān)鍵，而敏感組件的基礎(chǔ)是敏感材料。而目前新型磁致伸縮材料的開發(fā)速度已阻礙了應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展；②在某些應(yīng)用領(lǐng)域，磁致伸縮傳感器較之其它類型還存在明顯的不足，如T2D與同一時期誕生的大電致伸縮傳感器相比 ,在微位移領(lǐng)域中存在著準(zhǔn)確度低、響應(yīng)差、發(fā)熱伸長、分辨力不高等缺點。因此，從今后發(fā)展來看，不斷開發(fā)新型功能材料，特別是稀士超磁致伸縮材料，以期制造更多更新的傳感器件，使其應(yīng)用領(lǐng)域從宏觀、微觀向納米尺度、原子尺度擴(kuò)展，從傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域向其它新型技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展；對現(xiàn)有的稀士超磁致伸縮材料進(jìn)行成份的調(diào)整、摻雜研究、相結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換或?qū)⒋胖律炜s材料和其它材料如壓電材料的優(yōu)異性能進(jìn)行有機(jī)融合，以期改善現(xiàn)有傳感器件的性能，將是今后磁致伸縮傳感器技術(shù)發(fā)展的方向。