基于非晶态合金的逆磁致伸缩效应应变计的研究

　　0　引言

　　对机械设备运行工况监测和故障诊断的重要手段是进行应力在线检测。基于铁磁材料受到应力作用时呈现出磁各向异性原理的磁测法,可以实现对传动轴扭矩、大型工件和压力容器的工作应力的非接触检测,是一种快捷、方便的应力检测方法。但由于铁磁材料的磁特性比较复杂,这种应力检测法的准确性和灵敏度还比较低。

　　近年来国内外将非晶态合金应用于各类传感器的研制和开发,取得了突出进展[1,2]。实验表明:这种材料在高频交变磁场作用下,可显示出巨磁电阻抗效应及显著的逆磁致伸缩效应。本文对基于非晶态合金的逆磁致应变计进行研究,以寻求一种更可靠、更灵敏的应力检测方法。

　　1　逆磁致应变计的基本原理

　　磁测应力法的基本原理是基于铁磁材料的逆磁致伸缩效应。实际上由于磁致效应及其逆效应的存在,使材料中原本互相独立的两个子系统———磁系统和机械弹性系统发生了关联,即磁系统和弹性系统发生了能量交换[3]。更具体地讲,如果通过改变磁感应强度B和磁场强度H以增加材料的磁能,那么所增加的磁能中,就有一部分会转变成弹性能,使材料的应力σ和应变ε发生变化;反之,如果通过改变σ和ε以增加材料的弹性能,那么所增加的弹性能中也有一部分会转变成材料的磁能。在一定的热力学条件下,这种双向转换的效率相等,可以用机电耦合系数(又称磁弹性耦合系数)k来度量这一转换效率:

　　Fe基非晶态合金大多具有很高的机电转换效率,经过适当的退火处理,其机电耦合系数可进一步提高。如Fe28Si10B12非晶合金经磁场退火处理,其机电耦合系数可达0·75。而普通碳素钢的机电耦合系数比较低,通常为0·15~0·30[1]。

　　根据不同的测试方法,k能表达成不同的形式。对于磁测法,可用灵敏度km表示[4]:

　　经同等条件的对比测量,本试验采用的TM—M型的Fe基非晶合金贴片的磁测灵敏度平均值(mV/με)为被测母材———碳素钢磁测灵敏度平均值的1~2倍,也就是说,能够获得较高的磁测电压输出,这一点对传感器的敏感材料非常重要。另一方面,非晶态合金可有效降低“力-磁”行为各向异性的影响,由此表明其更适合应用于工作应力的检测。

　　采用Fe基非晶态合金片制作的磁致应变片,使用前要经过磁化退火处理,其目的一是可获得较高的机电耦合系数以提高磁致应变片的灵敏度,二是使应变片具有磁各向异性。经磁化退火处理后,应变片各磁畴磁矩与其纵轴垂直,见图1。

　　图中F为加在应变片上的外力,H1为磁化退火磁场方向,H为纵向磁场方向,θ为磁矩方向与应变片纵轴的夹角。当H =0,磁矩垂直于纵向磁场;当H≠0,磁矩开始转向H方向,应变片变长.根据铁磁学原理,这一过程实际上是畴转磁化过程。而在此过程中,由于应变片内应力各向异性很强,而磁晶各向异性很弱,即λSσ K1(λS为材料的饱和磁致伸缩系数,K1为磁各向异性),则磁弹性能就构成了畴转磁化过程的主要阻力。而畴转磁化的动力是外磁场能,平衡时二者应该相等。