磁致伸缩材料的应用

我国研制的一种新型轴向扭矩传感器。 特点：非接触检测、高灵敏度、耐用及小型化等。 用途：电动助力转向器。
3、磁场探测领域
利用磁致伸缩材料的正效应，可制成多种测量磁场强 度的磁强计。
国防科技大学的刘吉延等采用超磁致伸缩薄膜制成的 光纤磁场传感器，采用了磁控溅射工艺，由计算机进行 控制，在裸光纤表面镀制均匀的TbDyFe超磁致伸缩薄膜。 新型的磁—光类型传感器比传统的磁—电类型传感器 灵敏度更大。 用途：地质探矿、生物工程、军事制导等领域。
我国大连理工大学研制，将GMM进行叠片放置减少 涡流损耗，通过冷却水消除温度对GMM性能的影响， 其拉伸强度比普通的更大，性能指标已达国际领先水 平。
5、动力输出领域
利用GMM高能量密度，可制作大功率微型马达动力输出 装置。与传统的电磁马达或压电超声波马达相比，体积小 输出力大、控制精度高。 目前的微型马达：步进式和椭圆模态驱动式马达。
1.外套 2.出水管 3.弹簧 4.输出轴5. 导向块 6.导磁体 7.超磁致伸缩棒 8. 水箱 9.永磁体 10.导向块 11.进水管 12.导磁体 13.螺钉 14.底盖 15.传感 器 16.线圈 17.骨架 18.电阻应变片 图8 超磁致伸缩微位移执行器 Fig.8 Magnetostrictive small of displacement actuator
超磁致伸缩大功率超声换能器 Fig.2 Giant magnetostrictive high power ultrasonic transducer
2、力传感领域
施加应力
原理：磁致伸缩逆效应。
永磁铁 超磁致伸缩棒
空气隙
轭铁Байду номын сангаас
图3 超磁致伸缩力传感器 Fig.3 Giant magnetostrictive force sensors
稀土超磁致伸缩材料的应用 1、声学应用领域 2、力传感领域
3、磁场探测领域
4、精密控制领域
5、动力输出领域
1、声学应用领域
（1）低频声纳探测系统 国际上使用较多也较为先 进的水声换能器：方环换能 器。
图1 超磁致方环换能器 Fig.1 Giant magnetostrictive ring of transducer
4、精密控制领域
GMM的特点：高响应速度、磁致伸缩灵敏、输出应力大 等。普遍用于航天定位、精密油吸、微机器人等精密控制 领域。 目前为止，GMM在此领域的应用及对它的研究是最广泛、 最前沿的，GMM制备的精密控制器件：薄膜型执行器、纳 米级致动器、微型泵、高速开关等。
（1）新型液位传感器
美国的MTS公司首将磁致伸缩原理用于液体测量技术， 并开发出新型的油罐液体传感器。 特点：非接触高精度地测量液体的液位和界位，多点 测量多参数、寿命长等。
参考文献：
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（4）微位移执行器 可实现亚微米及纳米尺度高精度位置的执行与控制 的器件。优点：大磁致伸缩系数、高磁-机耦合效率、 驱动响应快等，应用前景广阔。
这种执行器涡流比较大， 温度对性能影响较大。
图7 典型的超磁致伸缩微位移执行器 Fig.7 Classic magnetostrictive micro-displacement actuator
优点：比压电陶瓷传感器 的性能更突出，体积轻巧、 抗干扰能力强、过载能力好、 工艺简单、长寿命。 用途：静态力测量、动态 力的测量、重工业、化学化 工、自动化控制系统等领域。
图4 超磁致伸缩轴向扭矩传感器 Fig.4 Giant magnetostrictive axial torque sensors
美国的J.M.Vranish 等在尺蠖式马达蠕动 原理的基础上，开发 出了转动式步进马达。
图10 步进马达 Fig. 10 Stepper motor
图11 超磁致伸缩马达定子 Fig.11 Giant magnetostrictive motor stato
椭圆模态运动的GMM马达 工作效率较低下，这是由于 定子运动到椭圆轨道下半部 分时，作空载回程运动，因 而不能推动转子运动所致。 杭州科技大学设计的新型超 磁致伸缩马达解决了这一问 题，该马达的定子由一个环 和两个Terfenol-D线性驱动 器构成。
英国San Technology公 司的Dariusz.A.Bushko和 James.H.Goldie用 Terfenol-D棒制成。在结 合水力和电控装置下，可 实现强力、大行程的水力 驱动，体积小且易控制。 原理：通过线圈驱动GMM棒 发生伸缩推动隔膜运动从 而实现吸排。
（3）高速电磁开关阀
1.调节栓 2.外套 3.骨架 4.线圈 5.超磁致 伸缩棒 6.推杆 7.端盖 8.滚珠a 9.支点 10. 杠杆 11.阀芯 12.滚珠b 13.进液口 14.出液 口 15.钢珠 16.弹簧 17.阀体 图6 电液高速开关阀 Fig.6 Electro-hydraulic of high-speed switching valve
制作人：阮小丽、吴海玲
磁致伸缩材料的分类
传统磁致 伸缩材料 磁致伸缩 材料 磁致伸缩 的金属与 合金 铁氧体磁 致伸缩材 料
稀土超磁 致伸缩材 料
传统磁致伸缩材料
磁致伸缩的金属与合金，如：镍和金煤（Ni） 基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni－Co－Cr合金） 和铁基合金（如 ：F e－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V合金等） 铁氧体磁致伸缩材料，如： N i－Co和 Ni－ Co－Cu铁氧体材料等。 λ（磁致伸缩系数）值（在20—80ppm之间） 过小，没有得到推广应用。
特点：低频中仍具大功率， 因而声信号衰减小，传输距 离远，体积小，耐高压。 用途：海军装备中的声纳 系统。
（2）超声应用系统
用途：破碎、焊接、医疗器 械、分离、清洗等领域。 作用：使化工过程的化学反 应加速、农作物大幅度增产等。 原理：线圈中通入交流电， 产生交变驱动磁场，该磁场使 超磁致伸缩棒频繁伸长、缩短， 随着伸缩棒的伸长及缩短，输 出杆产生超声振动，从而传递 出大功率声能。 图2
稀土超磁致伸缩材料
稀土超磁致伸缩材料，如：（Tb，Dy）Fe2化 合物为基体的合金—Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材 料（下面简称 T b－Dy— Fe材料）的λ达到 1500~2000ppm，比前两类材料的λ大1~2个数量 级。 特点：磁致伸缩应变及推力大、室温下机械能 －电能转换率高、稳定性好和可靠性高等，有电 磁能与机械能或声能转换的功能，因而用途广泛。
1988年由德国柏林大学的 L.Kiesewetter教授利用超磁 致伸缩材料棒作为驱动元件研 制出来的，世界上第一台超磁 致伸缩马达。当线圈通入电流 并且位置发生变化时，超磁致 伸缩棒交替伸缩，像虫子一样 蠕动前进，故称之为尺蠖式马 达。
图9 尺蠖式马达 Fig.9 Canker worm-type motor
一般的GMM液位传感器，主要由保护套管、波导管、 浮子和测量头组成。 原理：移动的磁浮子在波导管中就会产生轴向磁 场，而脉冲发生电路产生脉冲，当此脉冲沿铜丝遇到 轴向磁场时就形成螺旋形磁场，由于GMM的维德曼效 应存在，波导管即产生波导扭曲，同时也产生一个应 变脉冲的超声波信号，超声波即被接收转换成为电脉 冲输送出去。
（2）高压薄膜泵 属微型泵系列产品，主要用来精密控制吸排油（水） 量的大小。特点：体积小、功率大。
1.外壳 2.线圈 3.预压弹簧 4. 工作腔 5.高压输入阀6.低压输 入阀 7.隔膜 8.GMM棒 9.永磁体 图5 高压薄膜泵 Fig.5 Membrane pump with high pressure
用途：航天航空数字伺服系统的核心元件，高频快速 控制领域中的重要部件。 特点：由GMM制作的新型电液高速开关阀，可在频率 大于1KHz的高频状态下稳定安全地工作，比PZT高速开 关阀快响应速度更快、漂移更小、输出位移更大、更耐 高温。
北京航天航空大学自主研 制的新型电液高速开关阀。 原理：线圈通电时产生驱 动磁场，从而使超磁致伸缩 棒伸长，推动推杆，推杆顶 压滚珠a，从而推动杠杆工作， 杠杆通过滚珠b克服预压弹簧 阻力而推动阀芯移动，从而 使进出液口相通。