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1、非晶态合金传感器非晶态合金传感器n非晶态合金是由冷却速度高达10K/s的快速冷凝技术得到的一种亚稳态材料。1969年Pond R.J等制备出一定长度的连续非晶合金带，从此引起研发热潮。n作为新型软磁材料，非晶合金具有传感器设计所需要的许多特性：磁-机、磁-电、热-磁、热-机、热-电和磁-光等，可用于磁场、位移、电流、应力、应变和扭矩等物理量的测量。n独特的性能特性使国内外学者在非晶合金传感器方面进行了大量研究。以非晶态合金为敏感材料的传感器技术已广泛用于多个领域，解决特殊、复杂、高精度、条件恶劣下的测试问题。概述概述1.1.非晶态合金概述非晶态合金概述 三大类三大类固体：晶体、非晶体和准晶体。
2、晶体晶体：构成固体的原子、分子在微米级以上排列有序称长程序。晶体既有短程序又有长程序。有单晶、多晶和微晶体之分。非晶体非晶体：相对晶态而言。原子排列无长程序，但在原子间距数量级(10-10m)范围内排列有序称短程序，即近邻原子的数目和种类、近邻原子的间距及近邻原子配置的几何方向(键角)都有与晶体同样的规律。如：玻璃、塑料、橡胶、石蜡等。准晶体准晶体：既不同于晶体又不同于非晶体的固体。非晶体的显著特点是原子在空间的排列无周期性。非晶态与晶态之间无绝对界限，可从缺陷密度上定性地说明两者的相互关系，但不能把描述和研究晶体的概念和理论直接用于非晶态固体，需新的描述方法和理论，当前还处初创阶段。非晶体具
3、有一些有别于晶体的奇异宏观特性。非晶态合金材质均匀，机械、电磁学性能优良，非常适用于新型传感器或用它改善传感器性能。非晶态金属与晶态金属的关系非晶体的参量：紧邻原子间距、配位数、紧邻原子间的夹角、紧邻原子的类型。非晶体的结构：刚球无规密堆（金属和合金）、连续无规网络（共价结合键非晶固体）。非晶体的制备：非晶体的制备：2.2.非晶态合金的基本性能非晶态合金的基本性能 2 21 1 非晶态合金的力学性能非晶态合金的力学性能材料的力学性能材料的力学性能指其在各种不同工作条件下，从开始受力到破坏的全部过程中所表现的力学特性。其中最主要的参数是断裂强度、屈服强度、弹性模量和密度。非晶合金微观结构独特，在
4、宏观上呈各向同性，没有晶态合金中常见的晶界、缺陷等局部不均匀，使其力学性能明显有别于晶态合金。a)密密度度与与体体积积：密度比晶态小12%；同一非晶态合金试件，其密度在淬火态和退火态略有不同，一般经充分的退火处理，其体积缩小0.5%，密度相应增加约0.5%。b)弹性模量弹性模量：呈各向同性，比晶态低，可通过控制合金成分调节模量大小，在一定温度范围内保持恒定。非晶态合金的具体弹性特征：弹性模量比同成分晶态合金的低或低于该合金晶化处理后的值。杨氏模量E和切变模量G一般低2040%。体积模量K约低57%。K/G值一般比晶态合金高10%。c)强度和硬度强度和硬度：强度高，硬度高。d)韧性和脆性韧性和脆
5、性：韧性很好，有的可达弯曲180o不断裂。但Fe基非晶态合金对退火条件很敏感，有时有易碎倾向。2 22 2非晶态合金的磁学性能非晶态合金的磁学性能1）与晶态无大的区别，导磁率较大、损耗较小。2）居里温度较低，可在一定范围内调整。3）磁致伸缩铁磁材料磁化时其几何形状、体积大小发生微小变化的现象。前者称形变磁致伸缩，后者称体积磁致伸缩。形变磁致伸缩由纵向磁致伸缩和横向磁致伸缩构成（两者分别指试件平行和垂直于磁化方向的磁致伸缩）。一般试件沿磁化方向伸长则往往伴有垂直方向上的缩短；反之亦然。非晶合金的磁致伸缩在本质上与相应的晶态并无特殊之处。4）磁各向异性理想非晶合金是均匀的各向同性体，宏观上无磁各向
6、异性。实际上无论是淬态的非晶合金还是加工处理后的非晶合金，都有一定的磁各向异性。起因各异。5）非晶合金的技术磁性技术磁性指非晶合金在技术磁化时所表现出来的磁特性。技术磁化是经外磁场作用，把材料自发磁化形成的各磁畴的磁化方向转向或接近外磁场方向，也即使这些磁畴通过畴壁移动和转动完成磁化。技术磁性主要包括娇顽力、剩磁化、损耗、磁导率等。它们往往对非晶合金装置性能有更直接的影响。2.3 2.3电学性能电学性能 与晶态金属比，非晶金属导电性能有许多特点：电阻率较高，室温下约为晶态的24倍；电阻率的温度系数小，可随成分改变符号；电阻率随温度变化而不同，常在低温区出现一个不同于晶态合金的电阻极小值；在室温
7、附近随温度呈线性变化。电阻率和电阻温度系数都可通过控制合金成分和材料处理加以调节。2 24 4化学性能化学性能 主要为耐腐蚀性、触媒作用和储氢作用。不少非晶合金的赖腐蚀性很好，远超不锈钢。3.3.非晶态合金的敏感功能非晶态合金的敏感功能 敏感功能指敏感材料把被测量按一定规律变换成某种更便于利用和处理的信号的能力。其中更便于利用和处理的形式多为电量，但不尽然。非晶合金基本上属物理敏感材料，其完成信息转换所利用的规律多与物理现象有关，典型物理量包括机械量、电学量、磁学量、热学量和光学量等。对于目前实用的非晶合金，机、电和磁三者间的互相转换和影响是其敏感功能的核心。它对其他类型的物理量的敏感能力相对
8、较差。右图为非晶合金的敏感功能，图中粗箭头所示为其主要敏感功能。若以非晶合金的磁效应和磁能为核心，则磁学量与其它量之间的影响和转化所导致的各种现象构成所谓磁效应。磁效应的两方面含义：一是磁场作用所引起的非晶合金的力、电学等特性变化；二是机、电、热等物理量所引起的非晶合金的某些磁特性的改变。3.1非晶合金的磁非晶合金的磁/机变换功能机变换功能磁-机变换功能主要指将机械量转换成磁学量功能，包括磁场对机械性能的影响。这里机械量包括力学和声学量。磁弹性效应磁弹性效应是非晶合金实现磁机转换的核心。典型磁弹性效应有磁致伸缩（正）效应与逆磁致伸缩效应、Wiedemann效应和逆Wiedemann效应和大E效
9、应和大G效应。正、逆磁致伸缩效应存在使非晶合金材料中原本互相独立的磁系统和机械系统发生关联。例如，反映材料应力/应变关系的E不仅取决于应力/应变关系，还与材料磁化状态有关；相应的,材料磁导率不仅取决于其磁化强度与磁场的关系，还与试件受力状态有关。正、逆磁致伸缩效应的本质是使材料的磁系统和弹性系统发生能量交换。具体讲，通过改变B和H增加材料的磁能，则所增的磁能中，有部分会转变成弹性能，使材料发生形变；反之，如果改变和增加材料的弹性能，则所增弹性能中有部分会转变成材料磁能。一定的热力学条件下，这种双向转换的效率相等，可用机电耦合系数(磁弹性耦合系数)度量。一般材料的弹性越好，磁导率越高，磁致伸缩效
10、应越大，其机电转换效率越高。此外，机电耦合系数大小还与材料自身磁化状态有关。Fe基非晶合金薄带大多有高弹性、高磁导率和高磁致伸缩特性，因而机电转换效率很高。经适当退火处理，机电耦合系数还可提高。磁致伸缩效应多用于超声波发生元件，或与其它物理效应组合起来用于物理量检测。除磁场外，可用非晶合金磁致伸缩效应检测的其他物理量有温度、距离、物位等。利用非晶合金逆磁致伸缩效应可测的物理量涵盖磁场、应力/应变、扭矩、冲击、声音、压力、加速度。应用这种效应时，非晶合金大多以某个线圈的磁芯的形以某个线圈的磁芯的形式出现式出现。在适当结构下，非晶合金磁芯直接感受被测量，通过逆磁致伸缩放应把被测量影响转换成电感线圈
11、中某个电特性的变化、供后续专用电路检出。除上述有源传感器外，利用非晶合金的逆磁致伸缩效应，可制成检测冲击、振动的无源传感器。3.2非晶合金的磁非晶合金的磁-电变换功能与应用电变换功能与应用此功能主要是将磁场变化转换成电量。根据不同的转换途径，其中主要物理效应包括电磁感应效应、霍耳效应、磁阻效应以及磁化曲线的非线性等。1）电磁感应效应）电磁感应效应电磁感应泛指物质的电和磁相互感应的现象，它们构成磁性材料应用的基础。如法拉第电磁感应定律。直接利用电磁感应定律和非晶软磁合金，可制成测转速、微小交变电流等物理量的无源传感器，其中漏电保护器中的电流互感器是我国目前非晶合金材料应用的一个重点。2）霍尔效应
12、和磁阻效应）霍尔效应和磁阻效应对通电的物质施加磁场，会使该物质的电位差发生变比，这是磁场电效应。对非晶合金，有实用价值的磁场电效应主要是霍耳效应和磁阻效应。造成磁场电效应的磁场实际上是物质内部的磁场。它既包括有效磁场H，也包括磁化强度M的作用。对铁磁材科，将与磁场H有关的效应称为正常效应正常效应(这部分效应在非铁磁材料中也能见)，把与磁化强度M有关的效应称为反常效应反常效应。即非晶合金的霍耳效应和磁阻效应都有正、反常效应之分。非晶合金的霍尔系数比晶态的大，在居里温度Tc以下，非晶合金的霍尔系数几乎不受温度影响霍尔系数几乎不受温度影响。和其他铁磁材料一样，非晶合金的磁阻效应也可分成正常效应、反常
13、效应和强制效应。虽然非晶合金的磁阻效应的绝对值并非很大。非晶合金还具有的其他优良特性，如电阻率温度系数小、耐辐射等。因此，比其他敏感材料更能胜任某些更能胜任某些特殊环境下的检测任务特殊环境下的检测任务。例如非晶合金的磁阻效应可用来制造小的磁场传感器。磁阻效应允许制造两端敏感元件，这对于制造高密度的磁场传感器阵列更有利。3）磁化曲线的可饱和特性）磁化曲线的可饱和特性非晶合金的非线性磁化曲线与磁化时的许多外界因素密切相关。同样励磁条件下，外界因素影响使磁化曲线变化。这也能成为许多传感器的基础。例如，外磁场为零时，对非晶合金作对称交流磁化，其磁化曲线关于原点对称。一旦有外界偏置磁场，会使磁滞回线发生
14、位移，从而引发一系列现象，如感应电压的正、负峰值失衡，过零时间不等，非线性调制使输出产生谐波等等。利用这些可制成磁场传惑器、磁通门场强计、防盗标签系统。机械应力作用使迟滞回线的形状改变，通过测量这些变化即可检测应力。如果利用最大磁感应强度与应力的关系，可制成力/应力传感器。3.3非晶态合金的其他变换功能非晶态合金的其他变换功能这里的变换功能主要涉及非晶合金的机-电、热-磁、热-机方面的关系。这些变换功能虽不像磁-机、磁-电变换功能那样突出，但在适当场合，它们亦能发挥积极功效，需要善加利用。1)机机-电变换电变换非晶合金的机-电变换功能主要通过电阻形变效应实现。为提高测量准确性，要求形变材料的电
15、阻温度系数值越低越好，而非晶合金的电阻率不仅高，且温度系数小，因此成为优质形变材料。除形变效应外，非晶合金的电阻率还与压力有关，据此能制成直接测量压力的传感器。2）热变换功能）热变换功能温度变化影响非晶合金的许多性质，因此非晶合金可通过多途径检测温度变化。这些途径主要涉及热-磁变换、热-机变换和热-电变换。尽管非晶合金的电阻温度系数比晶态合金低，不利于测温，但非晶合金的其他理化性能好，仍可成为某些特殊环境下的温敏材料。例如，Pdusimch非晶合金有很强的耐辐射性能，在低温下有较大的电阻温度系数。可用作核动力火箭发动机上的温度传感器，其测温范围可达4.2300K。像晶态金属、半导体等温敏材料,
16、受高剂量核辐射后其电阻变化都很大，从而导致较大的测量误差。除电阻温度效应外非晶合金的热电势也可利用。4.4.非晶态合金传感器示例非晶态合金传感器示例4.1脉冲感应型磁场传感器脉冲感应型磁场传感器 利用磁化曲线的非线性区，被测外磁场Hex使工作点偏移，通过测工作点的位置来测量被测磁场。1）工作原理）工作原理法拉第电磁感应定律和非晶合金材料磁化强度M与磁场强度H之间的非线性关系。传感器探头基本结构如图，L为感应线圈、N匝,非晶合金磁芯的平均截面积为A。不考虑磁芯形状、退磁因子影响，即假设其内部磁场强度和外部磁场强度相同都是H，当线圈通重复脉冲电流时，非晶合金磁芯磁化，在断开电流(即对于脉冲电流下降
17、沿)的瞬间，L两端产生感应电压。感应电压大小：式中：为磁芯磁通量，B=0(M+H)为磁感应强度，0为磁性常数，M为磁芯磁化强度。H由脉冲电流产生的He和被测磁场Hd两部分组成。一般He不仅比Hd大得多，且变化速度也快得多。所以dHe/dtdHd/dt。因此：此外，对一定的电路结构，可认为在每次断开电流的瞬间dHe/dt为常数，这样感应电压Vi只取决于dM/dH。从非晶磁性合金的基本性能可知，这种材料在微观结构上虽与相应的晶态合金不同，但其磁化特性与一般磁型材料大同小异，服从铁磁材料的一般磁化规律，具有铁磁材料典型的非线性的磁化特性。2 2）基本组成单元）基本组成单元 三个基本单元：脉冲电流源、
18、带非晶磁性合金磁心的线圈、感应电压检出器。脉冲电流源向线圈：提供一个受控脉冲电流，对非晶合金磁芯进行周期性磁化。非晶合金磁芯：敏感器件，一方面感受被测磁场变化，将此变化调制到磁化状态上去；另一方面由电磁感应效应，把被测磁场变化转换为感应电压或其他电量。感应电压检出器：把线圈产生的感应电压峰值取出，向外输出。实用中，零场电压Vi0视为无效成分。若过高，会造成信号处理困难，需减小它对传感器输出的影响。常用空间抵消法和时间抵消法。因此有两种典型结构。（1）双线圈单向励磁式）双线圈单向励磁式空间抵消法空间抵消法双线圈单向励磁式脉冲感应型磁场传感器：探头由两平行反向放置的线圈组成，它们均有自己的励磁电路
19、和感应电压检出电路。时钟电路产生时基，由脉冲形成电路转换成一串重复频率高、占空比很小的窄脉冲，去控制一对脉冲电流源，给这两个线圈进行单向励磁，峰值检出电路将线圈上的感应电压检测出来并保存，供后面运算电路进行抵消处理。假设两个线圈的零场感应电压为：Vi1=Vi0+Vi和Vi2=Vi0-Vi，则：Vi1-Vi2=2Vi。（2）单线圈双向励磁式）单线圈双向励磁式仅用一个线圈，但有两个极性相反的感应电压检出器。脉冲电流源在时钟控制下，对线圈交替进行对称的双向励磁，感应电压检出器则把相邻两个不同极性的感应电压保存下来供后面作抵消运算。4.2 4.2 非晶合金位移传感器位移传感器 原理如图所示，在非晶合金
20、丝上绕两组线圈，将线圈与桥式电路连接。V1,V2为快速开关管,E为直流电源，RL为调零电阻。非晶合金丝长54mm，直径120m磁致伸缩系数为零。两线圈间距大于10mm，因此两线圈可视为独立磁化的线圈。在非晶合金丝下方放一永久磁铁、这时磁铁产生的磁场仅加于线圈2，线圈1为参考。由于振荡桥路的两个感应线圈不平衡，在RL上产生直流输出电压。随磁铁位置的上、下移动，加在线圈2上的磁场变化，输出电压相应变化。n4.3 4.3 平均温度传感器平均温度传感器 一般常见的温度传感器如热电偶、热敏电阻等，测量的是其放置点的温度。若要测某一空间范围的温度，就需测此范围内若干点的温度状况。中间的平均温度是对温度分布
21、一定程度的度量。利用饱和磁致伸缩系数高的非晶态合金带的超声波传播速度与空间温度的关系，可制成平均温度敏感元件、构成平均温度传感器如图。在实测中，为避免因带弯曲等原因造成的误差,常把两线圈放在同一位置或以同一线圈兼做驱动与检出两用，如图所示。由驱动电流脉冲产生的超声脉冲在带中分别向左右传播，从两端反射返回的输出就是A、B。若两线圈恰在带中间，波形A、B重叠，接着两个反射波继续传播到另一端再反射，并再次相遇时，就叠加产生了c那样较大的输出。达到c的时间、即波在带上传播一个往返的时间。这里的关键是测量脉冲传播时间。n4.4 4.4 非接触式扭矩传感器非接触式扭矩传感器工程中用于传动轴的扭矩传感器应满
22、足下列基本条件：(1)非接触式，易于安装，允许轴自由旋转(2)输出稳定，不受轴旋转影响，无论轴的转速如何，都能保证测量结果稳定，并且允许把轴固定，进行静扭矩标定(3)能检出瞬时扭矩，以提高系统的整体性能(4)灵敏度高，动态范围宽，能满足特定应用需要(5)温度稳定性好原理上，工程测量传动轴扭矩的方法大致分两类：以传动轴的扭转角为基本检测量和以传动轴的主应力(应变)为基本检测量。测扭转角较难，基于主应力的扭矩测量是当前主流。传动轴的主应力(应变)可用电阻应变计或逆磁致伸缩效应来检测。两者相比，逆磁致伸缩效应检测应力灵敏度更高，以磁场为媒介，可更方便的实现传动轴扭矩的非接触检测，这种方法成为当前扭矩
23、传感器研发的主流。以同轴线圈式扭矩传感器为例，说明非晶态合金扭矩传感器的原理、结构和检测方法。1）扭矩传感器基本原理）扭矩传感器基本原理机械传动轴多用钢材制成。在其加工过程中，为使传动轴满足大扭矩传递要求，通常都对轴体进行表面硬化热处理。这样处理后的传动轴，表面残留有明显的压缩应力，且轴体本身的磁学特性也会劣化，因此仅凭同轴线圈来检测扭矩所引起的轴体磁导率变化很困难。为了在不损害传动轴机械特性的前提下，强化传动轴的磁致伸缩效应，可设法在传动轴的表面附着一层具有明显磁致伸缩效应的非晶合金材料，如Fe基非晶态合金薄带、薄膜、细丝等等。下图给出的方案采用一组“八”字形非晶态合金薄片，这些Fe基非合金
24、片两两成对，其方向分别与传动轴的轴线成45，分别感受扭矩在轴体表面生成的两个方向的主应力(应变)2）结构要点）结构要点根据线圈形式不同，非接触式扭矩传感器的结构可分两大类，即同轴线圈式和正交磁头式。同轴线圈式的典型结构如上图所示。此结构中，激励线圈和检测线圈沿轴体的轴向分布，且三者的轴线重合。这种结构不仅可最大限度地消除偏心等原因所引起的测量误差，还能提高传感器的频响。正交磁头式结构如右图所示，此结构中，激励线圈和检线圈被封装成一个磁头，磁头垂直安放于某个贴近轴体表面的地方。由于磁头在结构上可与轴体分离，因此安装较方便。n3）检测电路及其性能）检测电路及其性能非晶合金扭矩传感器的检测电路一般为
25、差动式，用一对次级线圈分别检测扭矩对两组非晶合金磁芯磁性的影响，并用这两个次级线圈的感应电压差作输出。结构上，扭矩传感器电路分为激励和同步解调两部分。右图是一扭矩传感器的电路框图，其激励部分由振荡器和压/流变换器组成，同步解调部分由电子积分器、采样/保持放大器，电压比较器和多谐振荡器组成。传感器线圈及磁芯可视为一个变压器，变压器的次级线圈反相连接。该传感器实际上检测的是外加扭矩T引起的非晶合金磁芯最大磁感应强度Bmax的变化。4.5PositionmeasuringsystemforapplicationsinfieldsportsnMagnetostrictive(amorphousFeSi
26、Bwires)delayline(MDL)techniquenNoloadnoclosedelectricloopineachindivindualpairofconductors,withload,thereisaclosedelectricloopandconsequentcurrenttoflowthroughtheloop.Thistransientcurrentinducesanalmostinstantvoltagespikeatthesearchcoil,alsoinducesatransientmagneticfieldattheintersectionoftheconduct
27、orloopandtheMDL.ThetransientmagneticfieldgeneratesanelasticmicrostrainattheintersectionwhichisdetectedaspulsedvoltageoutputatthesearchcoilwithadelaytimeTequaltotheratioofthelengthoftheMDLbetweencoilandpressedconductoroverthelongitudinalsoundvelocityoftheMDL.Providedthatonlytheshortestdelaytimeismeas
28、ured,thetimedelayislinearlyproportionaltotheobtainedjumpandgivenbytheformula:L=T/V+L0whereListhejumpperformance,Tthedelaytime,VthelongitudinalsoundvelocityoftheMDLandL0theoffsetdistancebetweensearchcoilandlongjumpstartingpoint.InordertomeasurethedelaytimeTanddisplayL;theoutputofthecoilisconnectedwit
29、hamicroprocessorcontrolledcircuit,whichcountsthedelaytimeTusinganoscillatoranddigitalgatetechnology.n4.6 4.6 非晶丝汽车轮胎传感器非晶丝汽车轮胎传感器德国、西班牙和卢森堡三国联合开发的非晶丝汽车轮胎传感器，利用非晶丝的GMI效应和SAW技术实现对运行中的轮胎状态遥感监测。其中关键器件是检测轮胎磨损和胎压状态的传感器，其原理如下图所示。非晶丝元件作为外部负载耦合到SAW收发器件上，由磁场或应力引起非晶丝阻抗变化，改变SAW的共振频率，由此构成无线无源式磁敏或力敏传感器。如果在橡胶轮胎中分散加入磁性粒子，并在轮胎内表面安装SAW磁敏传感器，随着轮胎的磨损，SAW磁敏传感器能够感测到磁场减弱，实现对轮胎磨损状态的监测。若在轮胎内表安装SAW力敏传感器，轮胎的形变对非晶丝产生应力，力敏传感器可实现对胎压的监测。（a）具有非晶丝负载的声表波收发器示意图（b）轮胎磨损检测示意图附表：非晶丝磁敏和力敏传感器应用领域附表：非晶丝磁敏和力敏传感器应用领域