电子雕刻机雕刻头的使用及发展
发布：2008-9-6 10:29:08 来源:模具网编辑：佚名
摘要：介绍了电子雕刻机雕刻头的研究现状与发展。目前成熟应用的主要是电磁驱动式的，分为摆动式和直动式，具有雕刻频率高、雕刻质量好的特点；同时介绍了工作原理不同于电磁式雕刻头的电子束雕刻和激光雕刻，尤其激光雕刻，具有强大的发展潜力；以及正在研究和发展的压电陶瓷和超磁致伸缩驱动器，这些功能材料的应用研究为雕刻头的发展提供了很好的参考
方向。
关键词：雕刻头电磁驱动；激光雕刻；电子束雕刻；压电陶瓷；超磁致伸缩驱动器
凹版印刷以其印品墨层厚实、颜色鲜艳、饱和度高、印版耐印力高、印刷速度快等优点在图文出版和包装印刷领域内占据重要的地位。目前，电雕凹版因技术先进、成本低、制版质量高且稳定、适应范围广、利于环保等优点已在凹版制造中占主导地位，一直是近年来的主流雕刻方法。印版的好坏是决定印刷质量的一个关键因素，凹版电子雕刻效率的高低直接影响到整个凹版制版的进程。印版是电雕系统根据数字化的图文信息驱动雕刻头在版辊上雕刻网穴后处理而成，因此，雕刻头的驱动装置在整个制版过程中起着重要作用。从上个世纪60年代开始，此领域的科技人员不断探索，希望能提高电子凹版雕刻的效率及质量，雕刻效率及质量可以从多方面提高，提高电子雕刻机的雕刻频率是一种最有效最直接的途径。德国、美国、瑞土和日本在电子雕刻技术方面处领先地位，我国在这方面的研究基本为空白「5」。文中主要介绍了电子雕刻头的研究现状及发展方向。
1 电子机械雕刻
电子机械雕刻是由电·机械转换器驱动雕刻刀，在滚筒上雕刻出网穴的一种方法，其关键在于电·机械转换器的工作性能。
1．1 常用结构的原理及特点
一般而言，磁钢产生稳恒磁通，控制线圈产生控制磁通，二者差动叠加产生驱动衔铁运动的电磁力，带动衔铁运动。
1．2 转动式电磁铁
结构原理如图1所示「2」，磁钢在气隙中产生稳恒磁场，在控制线圈未加电时，通过装配时的调试，衔铁处于相对平衡位置；当控制线圈加电时，衔铁被极化，产生磁力拉动衔铁转动，图中显示了衔铁的一种极化方式。当控制线圈加以高频变化的电流或电压时，衔铁便产生高频摆动，带动雕刻刀进行雕刻工作。
高刚度的回复弹簧是利用衔铁所在扭杆的弹性扭转来得到，结构简单，高刚度易实现；且带有稳恒磁场调节结构，可以调节电磁铁系统的工作点，使磁钢发挥最好效能；控制线圈只有一个，与采用2个控制线圈的相比，简化了结构，缩小了体积。
Hell公司的电雕机采用的摆动式雕刻头如图2所示，其衔铁结构如图3所示。通过衔铁的摆动带动金刚石雕刻刀在版辊上雕刻凹穴，利用扭杆的扭转变形来实现高刚度回复弹簧的功能，并且其半圆型的一端用来调节扭杆的刚度，输出杆上有阻尼环，用来调节电磁铁系统的输出特性。
1．3 直动式电磁铁「2-3」
结构原理如图4所示，带有雕刻刀的直动轴固定在衔铁上，装配时调节衔铁，使之在磁场
中处于相对平衡状态，当控制线圈未加电时，磁钢的引力不能使衔铁产生动作；当控制线圈加电时，衔铁产生极性，在电磁力的作用下，克服衔铁刚度，运动一定位移。给控制线圈加以高频电压或电流，衔铁产生上下运动，从而带动雕刻刀的垂直运动，完成在版辊上雕刻凹穴的工作。
在此结构中，衔铁的运动是平动，气隙两侧是异名磁极；高刚度回复弹簧通过衔铁的弹性变形得到。
国外某些公司采用该结构原理，也可以达到很高频率。该结构电磁铁结构较复杂，体积也较大，装配调试也有一定的难度。在电子机械雕刻方面，Hell公司雕刻头的雕刻频率由起初的4000Hz发展到如今的12800Hz，MDC公司的VISION3雕刻头达到8100Hz，在网穴深度稍减时可达8600Hz，提高了生产效率，电子雕刻具有雕刻网穴的深度和面积均可变化、重复性强的优点，且雕刻过程中无污染。
2 激光雕刻和电子束雕刻
2．1 激光雕刻「5-8」
20世纪70年代，激光就开始在胶印、凹印制版领域发挥作用，在90年代，国外的公司开始激光直接雕刻的研究。激光直接雕刻铜版，在技术上一直认为是不可行的，但它可以直接雕刻锌。瑞士MDC公司通过制版工艺的改进，实现激光直攘雕刻。先在钢辊上电镀一薄层镍，然后再在其表面镀铜，随后又镀了一层锌。这层锌可吸收激光能量并被蒸发，随之蒸发的还有其下面的铜，便生成了载墨的网穴。雕刻后，像其他雕刻滚筒一样，最终在滚筒上镀一层坚硬的铬。还开发了大约500W功率的YAG激光器，每秒能雕刻7万个网穴。
直接激光雕刻系统主要由3部分组成：高能量的激光；激光传输系统；光学系统，通过调节焦距，来调节单位面积上的能量。激光的原理如图5所示。
激光脉；中的聚焦点直径和入射能量决定网点的几何形状。简单的直接激光雕版系统只能调整能量的大小，而激光聚焦点的直径根据所需的网点预先设置，在雕版过程中不能改变。网点直径由激光聚焦点的直径决定。
先进的SHC(NewSuperHalfautotypiealCell)调整方法使每个激光脉；中的2个参数：能量和聚焦点的直径都可以调整。“先进”意味着每个网点的几何形状——网点的直径和网点的深度可以相互独立，在确保直接激光雕版的精度下任意调整。Hell解决了激光直接雕刻铜版的技术困难，在Drupa2004上展示了所研制的可直接在铜版或铬版上进行雕刻的激光雕刻机样机，给业界带来了巨大反响。
随着激光技术的发展，激光雕刻不仅体现了电子机械雕刻的优点，而且具有许多自身的优点，比如无接触雕刻等，目前该方法制作版辊成本稍高，但其众多优点使其成为雕刻发展的一个方向。
2，2 镀铜凹版的电子束雕刻「1」
如图6所示，采用高能电子束可以对镀铜的凹版滚筒进行雕刻。电子束由热阴极产生，在2．5 -5万V电场的加速下射向滚筒表面。在此过程中、电子束受到电磁场的会聚控制。在小于1的时间内使电子束会聚到网穴所应该达到的直径。电子束按所需网穴深度大小在镀铜层上作用一定时间，以便达到所需深度。每个网穴的雕刻时间不长于6，以此达到巧万个网穴／a的高频率。在滚筒表面上，电子束的动能转化为热能，使铜熔化和汽化，残留在网穴边缘的熔化物被刮刀刮掉。由此可知，电子束凹版雕刻所形成的网穴是开口面积和凹下深度都变化类型的。
由手电子束的能量会与空气中的各种离子碰撞而损失，因此，电子束雕刻必须在真空装置内进行。使用高能电子束发生器和真空仓，造成设备成本高昂，最终导致其难以实用化。由于电子束离子与金属表面的吸附作用，使得所雕刻的网穴偏深，尤其在雕刻中调颜色的网穴时，得不到预期效果「9」。
3正在研究和发展的雕刻头
3，1 压电陶瓷(PZT)
在压电陶瓷两端加以电场，压电陶瓷发生伸长现象，这是压电陶瓷内部的晶体结构变化引起的。利用压电晶体的逆压电效应，实现电机械转换「10」。单片压电陶瓷的伸长量很小，一般要多片叠加成压电陶瓷堆，以满足雕刻位移要求；其输出力很大，可以比电磁力大10倍左右。对压电陶瓷堆力口以高频变化电压时，其伸缩随之变化。理论上可达1—2．5万网穴／s的雕刻频率「4」。
压电晶体会产生较大的滞环，必须设计合适的驱动电路以减小压电晶体的滞环影响kllJ。压电陶瓷9区动器结构如图7所示。
超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，简写为GMM)是一种新型功能材料，具有高刚度、磁滞小、应变大、响应速度快、能量传翰密度高和输出力大等特点「12-13」。
GMM电呻几械转换98常见结构如图8所示，当给线圈提供电流时，在线圈内产生磁场，超磁致伸缩材料便产生长度变化，推动输出件工作，其具体工作情况见文献「13」在电子雕刻中需要高频率，输出力并不需要很大，因此GMM的翰出力大的优点并不适用于此处；GMM的输出是非线形的，受热效应的影响较大，这些都需要进行补偿，特别是高频时必须处理好焦耳热效应和涡流；此外，GMM需专门的驱动装置来提供磁场，材料本身价格也较高「12」。虽然如此，GMM所具有的许多优异性能，仍使其成为高频电斗几械转换器开发的尸个参考方向。
4 结语
电子机械雕刻头主要有摆动式和直动式，其特点是雕刻频率高，雕刻质量好，且已产品化，为许多制版企业应用；激光雕刻，经过多年的发展，在版辊雕刻方面已表现出了优异性能，目前虽然成本较高，但其表现出了强大的发展潜力。在发展电子机械雕刻头方面，压电陶瓷和超磁致伸缩等功能材料是很好的发展方向。(end)
超磁致伸缩执行器 .1 超磁致伸缩材料的介绍 1.1 微机械的发展现状 随着科学技术研究向微小领域的深入，诞生了微W纳米科学与技术（Micro/Nano Science and Technology），以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造自然的一种高新技术。微机械是基于广泛的现代科学技术，并作为整个微/纳米科学技术的重要组成部分的一项崭新研究课题。其必须具备的基本要求是： ⑴体积小，精度高，重量轻； ⑵性能稳定，可靠性高； ⑶能耗低，灵敏度和工作效率高； ⑷多功能和智能化； ⑸适于大批量生产，制造成本低廉。 微机械发展很快，近几年，已成功开发出微驱动器、微传感器、微控制器等，并由这些不同的微机械器件集成许多具有精巧功能的集成机构IM（Integrated Mechansim）。相对完备的微电子机械系统MEMS逐渐形成，整个系统的尺寸可以缩小到几毫米甚至几百微米。如美国贝尔实验室开发出直径为400μm的齿轮，加州大学伯克利分校试制出直径为60μm的静电电机，直径为50μm的旋转关节，以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧，美国斯坦福大学研制出直径20μm，长度150μm 的铰链连杆机构，210μm×100μm的滑块机构，转子直径200μm的静电电机和流量为20ml/min的液体泵，日本东京大学工业研究院研制成1cm3大小的爬坡微型机械装置。 我国许多高校和研究所也取得不少进展。如上海冶金研究所研制出直径为400μm的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机等。这些微型机械不少已有具体的应用。MEMS的研究和开发正得到世界各发达国家的广泛重视，尤其是集微机械、微电子等综合技术为一体的微机器人，由于其在工业、生物医学、军事和科研等领域的广泛应用前景而倍受青睐，随着智能
电子雕刻机雕刻头的使用及发展 发布：2008-9-6 10:29:08 来源:模具网编辑：佚名 摘要：介绍了电子雕刻机雕刻头的研究现状与发展。目前成熟应用的主要是电磁驱动式的，分为摆动式和直动式，具有雕刻频率高、雕刻质量好的特点；同时介绍了工作原理不同于电磁式雕刻头的电子束雕刻和激光雕刻，尤其激光雕刻，具有强大的发展潜力；以及正在研究和发展的压电陶瓷和超磁致伸缩驱动器，这些功能材料的应用研究为雕刻头的发展提供了很好的参考 方向。 关键词：雕刻头电磁驱动；激光雕刻；电子束雕刻；压电陶瓷；超磁致伸缩驱动器 凹版印刷以其印品墨层厚实、颜色鲜艳、饱和度高、印版耐印力高、印刷速度快等优点在图文出版和包装印刷领域内占据重要的地位。目前，电雕凹版因技术先进、成本低、制版质量高且稳定、适应范围广、利于环保等优点已在凹版制造中占主导地位，一直是近年来的主流雕刻方法。印版的好坏是决定印刷质量的一个关键因素，凹版电子雕刻效率的高低直接影响到整个凹版制版的进程。印版是电雕系统根据数字化的图文信息驱动雕刻头在版辊上雕刻网穴后处理而成，因此，雕刻头的驱动装置在整个制版过程中起着重要作用。从上个世纪60年代开始，此领域的科技人员不断探索，希望能提高电子凹版雕刻的效率及质量，雕刻效率及质量可以从多方面提高，提高电子雕刻机的雕刻频率是一种最有效最直接的途径。德国、美国、瑞土和日本在电子雕刻技术方面处领先地位，我国在这方面的研究基本为空白「5」。文中主要介绍了电子雕刻头的研究现状及发展方向。 1 电子机械雕刻 电子机械雕刻是由电·机械转换器驱动雕刻刀，在滚筒上雕刻出网穴的一种方法，其关键在于电·机械转换器的工作性能。 1．1 常用结构的原理及特点 一般而言，磁钢产生稳恒磁通，控制线圈产生控制磁通，二者差动叠加产生驱动衔铁运动的电磁力，带动衔铁运动。 1．2 转动式电磁铁 结构原理如图1所示「2」，磁钢在气隙中产生稳恒磁场，在控制线圈未加电时，通过装配时的调试，衔铁处于相对平衡位置；当控制线圈加电时，衔铁被极化，产生磁力拉动衔铁转动，图中显示了衔铁的一种极化方式。当控制线圈加以高频变化的电流或电压时，衔铁便产生高频摆动，带动雕刻刀进行雕刻工作。
专题综述 文章编号:100320794(2006)0520725203 超磁致伸缩材料的应用现状 方紫剑,王传礼 (安徽理工大学,安徽淮南232001) 摘要:稀土超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料具有应变大、响应速度快等优点。介绍了超磁致伸缩材料(G M M)及基本特性,且较全面地论述了超磁致伸缩材料2类执行器在各领域(特别是在液压元件和微型马达)中的应用及研究现状。 关键词:超磁致伸缩材料;液压元件;微型马达 中图号:TP39文献标识码:A Applications of G iant Magnetostrictive Material FANG Zi-jian,WANG Chu an-li (Anhui University of Science and T echnology,Huainan232001,China) Abstract:The giant magnetostrictive material(G M M)has the advantages of high strain and fast response.The giant magnetostrictive material and its basic characteristics are presented.The current researches on applica2 tions of tw o kinds of G MA in various fields(particularly in the field of hydraulic com ponents and micro-m o2 tors)are com prehensively introduced. K ey w ords:giant magnetostrictive material;hydraulic com ponent;micro-m otor 1 超磁致伸缩材料(G M M)的性能特点 G M M与压电材料(PZT)和传统磁致伸缩材料Ni、C o等相比,具有独特的性能:(1)在室温下的磁致伸缩应变大,是Ni的40～50倍,是PZT的5～8倍;(2)能量密度高,是Ni的400～500倍,是PZT的10～25倍;(3)响应速度快,一般在几十毫秒以下,甚至达到微秒级;(4)输出力大,负载能力强,可达到220～800N;(5)其磁极耦合系数大,电磁能机械能的转换效率高,一般可达72%;(6)居里点温度高,工作性能稳定。此外,声速低,约是Ni的1Π3,PZT的1Π2。鉴于G M M的上述优良特性,这种材料在许多领域中已引起人们的广泛重视。 2 物理效应与应用形式 2.1 超磁致伸缩材料的物理效应 (1)Joule效应 磁性体被外加磁场磁化时,其长度发生变化的现象,可用来制作磁致伸缩转换器。 (2)Villari效应 由于形状变化,致使其磁化强度发生变化的现象,可用于制作磁致伸缩传感器。 (3)ΔE效应 随磁场变化,杨氏模量也发生变化的现象,可用于声延迟线。 (4)Viedemann效应 在磁性体上施加适当的磁场,当有电流通过时磁性体发生扭曲变形的现象,可用于制作扭转马达等。 (5)AntiViedemann效应 当磁致伸缩材料沿轴向发生周向扭曲,同时沿轴向施加磁场,则沿周向出现交变磁化的现象,可用于扭转传感器。 (6)Jum p效应 当超磁致伸缩材料外加预应力时,磁致伸缩呈跃变式变化,磁导率也发生变化。 以上效应是超磁致伸缩材料的应用研究基础,利用这些效应可做成各种器件。 2.2 超磁致伸缩材料在工程中应用的2种形式 按照是否采用基片可将超磁致伸缩执行器 (G MA,G iant Magnetostrictive Actuator)分为2类: (1)直动型 直动型超磁致伸缩执行器一般使用超磁致伸缩棒(例如T erfenol-D),当作用在其上的磁场变化时产生形变,从而推动负载运动。 (2)薄膜型 这类执行器一般是采用在非磁性基片(通常是用一些半导体材料如Si制成)的上、下表面采用闪蒸、离子束溅射、电离镀膜、直流溅射、射频磁控溅射等方法分别镀上具有正(如:TbFe)、负(如:SmFe)磁致伸缩特性的薄膜制成,当在长度方向外加磁场时,产生正磁致伸缩的上表面薄膜伸长,而产生负磁致伸缩的下表面薄膜缩短,从而带动基片发生偏转。 3 两种G MA的应用现状 基于超磁致伸缩材料的微位移执行器具有大位移、强力、响应快、可靠性高、漂移量小、驱动电压低等优点,因而在液压元件、微型马达、声纳换能器等工程领域均显示出良好的应用前景。2种形式的G M M在工程中都有广泛的应用,本文着重介绍了2种形式的G M M在液压元件和微型马达中的应用。 3.1 直动型G MA的应用现状 目前,直动型超磁致伸缩执行器较多应用于微型泵、各种阀门、微型马达、声纳等产品中。 (1)微型泵 瑞典ABB公司用T erfenol-D为驱动元件设计了微型泵;日本用T erfenol-D制成了微型隔膜泵;英国SanT echnology公司的DariuszA.Bushko和James. H.G oldie用T erfenol-D棒制成了微型高压隔膜泵,其结构如图1,结合水力和电控装置,可实现强力、大行程的水力驱动,既可线性输出又可旋转输出,体积小且易于控制,其工作原理通过线圈驱动G M M 第27卷第5期2006年 5月 煤 矿 机 械 C oal Mine Machinery V ol127N o15 M ay.2006
高频驱动超磁致伸缩致动器的磁场设计 超磁致伸缩材料(UMM)主要是指以Fe2化合物为基体的合金。作为高效智能材料的典型代表之一，超磁致伸缩材料有着输出位移大、抗载能力强、磁机转换效率高以及响应速度快等性能优势，但是国内对超磁致伸缩致动器(UMA)的研究仍然存在以下几个方而问题:一是较多地集中在准静态或者低频域的范围内，对高频域内的研究较为薄弱;二是设计过程中，对于超磁致伸缩致动器的磁场多以轴线方向上磁场强度为检验和设计标准，不利于建立精确的三维空间磁场数值计算模型。针对上述问题，本文设计出一款用于高频的超磁致伸缩致动器，在ANSYS平台上建立了精确的励磁线圈空间磁场模型，对磁场均匀性，以及交流驱动磁场与静态偏置磁场进行了仿真与分析。 1.高频驱动的超磁致伸缩致动器设计 高频域下的UMA与工作于静态(准静态)的UMA存在异同。本文参考传统静态超磁致伸缩致动器的设计方法，同时考虑了交流电驱动引起的非线性因素，设计出高频驱动下小物理体积、大能量输出的超磁致伸缩致动器。 在合适的偏置磁场下，可使UMM棒工作于伸缩性能良好的线性区域。此时，当输入为交变磁场时，超磁致伸缩棒将会产生与交变磁场同频率的交变输出位移，使得UMM棒体发生位移振动的运动。偏置磁场下正弦信号、方波信号驱动磁场时UMM的振动输出原理图。 与传统的压电材料相比，超磁致伸缩材料具有优良的磁弹性能，其反应速度快，响应时间极短，可达6 -10 s，而且其能量密度高达14-25 m。为此，在高频率的驱动磁场下，将会产生极快的响应与极高的振动能量输出，充分发挥出超磁致伸缩材料优良的材料性能。 2高频UMA动态磁场有限元分析 2. 1静态驱动磁场分析 通过对激励线圈磁场模型的分析，掌握了螺线管内部磁场分布特性，为驱动线圈设计尺寸的选择与优化提供了理论基础。而在具体器件应用中，磁场的分布情况还与器件结构尺寸、漏磁情况及材料的磁导率有着密切关系，在超磁致伸缩致动器的磁场设计中，需要对这些因素进行综合考虑。如果采用理论磁场计算方案对UMM棒内部磁场进行计算，则必须要而对理论磁场数学建模难度过大的难题，可操作性不强。为此，采用基于场的有限元方法完成对超磁致伸缩致动器磁场的整体设计与分析。UMA的闭合磁路主要由底座、下导磁块、UMM棒、上导磁块、输出轴及壳体组成. 虽然UMM棒体为叠片式结构，但在静态电流驱动时不存在涡流影响，可视UMM棒为轴对称结构，忽略少量的不对称结构影响，UMA可以看作完全轴对称结构，在建模过程中采用轴对称建模方法，只需建立其轴对称截而即可模拟整个UMA的模型，使计算量大大降低。对所建立的模型进行网格划分、加载与求解。 从分析结果可见，驱动线圈所产生的大部分磁力线通过UMM棒，经过上导磁块、输出轴、外壁底座与下导磁块形成闭合回路。虽然输出轴与外壁之间存在少量间隙，但由于空气磁导
超磁致伸缩材料及其应用 周全祥（2009级应用物理学） 摘要：超磁致伸缩材料（GMM）是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。目前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如:主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩目。超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料相比具有更优越的性能。 关键字：超磁致伸缩材料，工作特性，制备工艺，非线性，换能器，制动器Abstract：Giant Magnetostrictive Materlal，GMM in abbreviatory，is one kind of new funetion materials and can give giant magnetostriction strains with temperature indoor and low magnetie field.It has good features such as giants trains，high force，high energy density，high mechanical-magnetic coupling coefficient，mierosecond response and so on.Magnetostrictive materials have an immeasurable applied prospect in smart devices.A considerable coupling effect among mechanical field，magnetic field，thermal field，electrical field is therefore being a relevant concern in the applications of magnetostrietive devices.Motivated by the need to promote a more efficient design process and higher performance achievement of development of materials，devices and system designs.GMM is a kind of new type of functional material，which has been used to design and fabricate many intelligent devices such as active vibration absorbers，linear motors，micro-pumps，micro-valves，and micro- positioners etc. Terfenol-D than piezoceramic material has more superior performance. Key words：giant magnetostrictive material，working chracteristic，preparation technique,nonlinear，transducer，displacement actuator
磁致伸缩位移传感器 一、概述磁致伸缩位移（液位）传感器，通过内部非接触式的测控技术精 确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。 由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损， 可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。 二、工作原理 磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。 由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值，而不是比例的或放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况更无需定期重标。 三、产品特点及应用领域 产品特点 *内部非接触式测量 *性能价格比高 *多种输出方式可供选择 *防浪涌、防射频干扰
磁致伸缩线性位移传感器 一、概述 磁致伸缩线性位移（液位）变送器（简称磁尺），是采用磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移变送器。不但可以测量运动物体的直线位移，同时给出运动物体的位置和速度模拟信号或液位信号，根据输出信号的不同，分为模拟式和数字式两种。灵活的供电方式和极为方便的多种接线方法和多种输出形式可满足各种测量、控制、检测的要求；由于采用非接触测量方式，避免了部件互相接触而造成磨擦或磨损，因此很适合应用于环境恶劣、不需定期维护的系统工程或场合。不仅仅是传感器的性能优良，更重要的是工作寿命长、良好的环境适应性、可靠性、能有效和稳定的工作，与导电橡胶位移传感器、磁栅位移传感器、电阻式位移传感器等产品相比有明显的优势。而且安装、调试方便，再加上有极高的性能价格比；及时周到的售后服务，足可让用户更加放心地使用。 二、工作原理 磁致伸缩线性位移（液位）变送器主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环（浮球）组成。测杆内装有磁致伸缩线（波导丝）。工作时，由电子仓内的电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场。当这个磁场与磁环（浮球）中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，产生扭动脉冲（或称“返回”脉冲）。这一扭动脉冲被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两脉冲起始和返回之间的时间差，即可精确测出被测的位置和位移。 三、安装 安装前注意事项 认真阅读全部安装说明,防止安装的环境温度、冲击、振动及压力超出传感器的允许范围；不可使测杆弯曲；切勿使变送器的电子部件端或最末端承受大的冲击；传感器不可用于有化学反应或其它对传感器有损害的易燃、易爆、腐蚀、蒸气和液体等场合；传感器的电子部件防溅但不可浸没，切不可让液体浸至六方形基座上方。安装完毕，应对测杆进行保护处理。 安装方法 （1）有附件时的安装方法 对测量范围小于是1000mm的传感器，建议选用MK-1安装附件；大于1000mm的，选用MK—2安装附件。 1．用传感器支架将传感器卡住，并用锁紧螺母将支架固定在传感器的螺纹上。 2．将开口磁环用两个防松垫圈#6和两个专用螺钉M3×12固定在磁环支架上，当将磁环装在测杆时，螺钉头部应朝向六方基座侧；磁环应尽量与测杆同心且无接触，但
超磁致伸缩材料及其应用 13新能源（01）班 张梦煌 1305201026 超磁致伸缩材料（GMM）是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。目前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如:主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩目。超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料相比具有更优越的性能。 超磁致伸缩材料(giant magnetostrietive material，简写为GMM)是A.E.Clark 等人于70年代发现的，是一种新型的功能材料，它能有效地实现电能与机械能的相互转换。由于具有应变值大、电能一机械能转换效率高、能量传输密度大、高响应速度等特点，该材料已引起广泛的注意，并逐步开始应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。表1.1给出了电磁场，变形场和温度场之间能量转换的不同效应。形状记忆合金和压电陶瓷都已在航空航天结构中被用于控制和制动。形状记忆合金非常适合用在高冲程量、低带宽的领域中，例如旋翼叶片的飞行追踪。而压电陶瓷适用于低冲程量、高带宽的情形，例如被安置在直升飞机的后缘襟翼上以降低较高的谐波振动。 磁致伸缩材料可以提供机械能和磁能之间的转化，其带宽在30KHz左右，低于电致伸缩材料和压电陶瓷，但高于形状记忆合金。在过去的几年中，能产生大于0.001应变的磁致仲缩材料受到广泛的关注，这主要是因为这种材料非常适合应用在一些需要较大驱动力和较小位移的领域，如可变形表面，主动振动控制和精确制造等等，在商业应用中也可以产生巨大的经济效益。磁致伸缩器件由于其独特的功能优势在许多危险工作条件和高温环境下性能出众，并且能够在低频磁场下调节应力和位移。相对于电致伸缩材料和压电陶瓷，磁致伸缩材料的优势
超声换能器的用途 超声波常用的换能器由振动激励方式区分分为磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器 . 20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。 二、超声换能器 超声诊断仪是依靠超声换能器产生入射超声波（发射波）和接收反射的超声波（回波）的．所以在医用超声诊断仪中超声换能器又称为探头． 超声换能器的机械振荡是由高频电能激励产生的．反射回来的超声能量又通达超声换能器转换为电脉冲．探头能将电能转换为声能，又能将声能转换成电能，故有换能器之称． （一）压电效应 1、正压电效应 在晶体或陶瓷的一定方向上，加上杌械压力，使其变形，晶体或陶瓷的两个受力面上， 产生符号相反的电荷；变形方向相反，两面的电荷极性随之变换．电荷密度同施加的机械力成正比．这种因机械力作用而激起表面的电荷效应，称为正压电效应． ２．逆压电效应 在晶体或陶瓷表面沿轴方向施加电压，在电场作用下引起几何应变，电压方向改变，机械应变方向亦随之改变，形变与电场成比例．这种因电场作用而引起的形变效应，称为逆压电效应．超声诊断仪探头在发射超声波时是逆压电效应．接收超声回波时产生压电效应． （二）压电材料和压电振子 具有压电效应的材料很多，如石英、酒石酸钾钠等晶体，有钛酸钡、钛酸铅、铌酸锂、铌酸钡、钛酸锂、锆钛酸铅等陶瓷都是具有压电效应的材料；压电材料有压电效应就有逆压电效应．自锆钛酸铅问世以来，医用超声换能器所用的压电材料就由锆钛酸铅代替了． 在压电体的正反表面上进行极化，覆盖上一层激励电极后，就成为压电振子，就具有正压电效应和逆压电效应． 换能器的压电振子相当于一个电容（具有容抗作用），在超声发射电路中与线圈形成并联谐振，得到高频激励电压，产生机械振动和超声波．压电换能器上施加的交变电压的频率与换能器的压电振子的固有频率相等时，才能获得最大的机械振动． （三）诊断用超声换能器的基本结构形式 １．基本单元换能器 根据临床诊断的要求，换能器有许多种不同结构形式，而单元换能器是基本的结构．单元换能器它由主体和壳体两部分组成． （１）主体：包括：①压电振子，它是产生压电效应的元件．
超磁致伸缩致动器优化设计与特性测试 崔旭，何忠波，李冬伟，李玉龙，薛光明 （军械工程学院一系，河北石家庄050003） 来稿日期：2012-03-10 基金项目：总装备部“十二五”装备预先研究资助项目（51312060404） 作者简介：崔旭，（1987-），男，硕士研究生，研究方向为车辆机电液控制与自动化技术；何忠波，（1968-），男，副教授，研究方向为车辆机电液控制与自动化技术 1引言 铁磁材料因外磁场作用而磁化时，其长度及体积均发生变化的现象称为磁致伸缩效应。1974年，一些科研人员发现三元稀土合金Tb1-xDyxFe2在时磁致伸缩率达到峰值，因该合金在常温下具有很高的磁致伸缩应变，故被称为超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material ，GMM ），材料具有响应快、应变大、输出力大等优异性能，在主动隔振、精密加工、流体控制等领域具有深远的应用前景[1]。 超磁致伸缩致动器（Giant Magnetostrictive Actuator ，GMA ）是以GMM 为核心的基本机械能输出器件。 在GMA 中，GMM 产生磁致伸缩应变的能量全部来自于线圈的励磁磁场，励磁线圈的电磁转换特性成为评价GMM 器件好坏的重要指标，励磁线圈的体积也是影响GMM 器件整体尺寸的主要因素，同时励磁线圈能耗所转化成的热量也是GMM 器件发热的重要来源之一，但线圈的材料参数、结构参数等多种因素共同影响着磁场强度的分布，所以线圈设计一直是超磁致伸缩器件设计的重点和难点[2] 。 2致动器及线圈基本结构 2.1GMM 基本特性 实践证明，国产超磁致伸缩材料在10MPa 的预压应力下具有较高的电机转换特性， 准8×100mm 的GMM 棒在10MPa 预压应力下的应变曲线，如图1所示。磁场强度为（10～50）kA/m 范围内，磁致伸缩应变与磁场强度基本呈线性关系，且斜率最大。 磁致伸缩应变λ（p p m ） 15001000 500 磁场强度H （kA/m ） 40 80120 160 图1磁致伸缩材料应变曲线Fig.1Strain Curve of GMM 当为GMM 施加连续的交变磁场时，GMM 在正-反磁场作用 摘 要：设计了超磁致伸缩致动器（GMA ），对线圈尺寸及绕线进行了优化设计，并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特 性。 在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA 基本结构，并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响，优化设计了线圈的尺寸；提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响，择优选取了绕线。实验表明GMA 具有较好的静态、动态特性，且GMA 工作特性与设计参数相吻合，证明了线圈优化设计的合理性。 关键词：超磁致伸缩致动器；线圈；优化设计；特性测试中图分类号： TH12；TM923.62文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2013）01-0032-03 Design and Characteristic Test of I Giant Magnetostrictive Actuator CUI Xu ，HE Zhong-bo ，LI Dong-wei ，LI Yu-long ，XUE Guang-ming （NO.1Department ，Ordance Engineering College ，Hebei Shijiazhuang 050003，China ） Abstract ：The designment of giant magnetostrictive actuator and the optimization of its solenoid coil and enameled wire are presented and the static characteristic and dynamic characteristic of GMA is tested here.The structure of GMA is designed based on the analysis of GMM features and the method of producing bias magnetic field is determined.The magnetic field distribution along the axis and electro-magnetic conversion efficiency are studied when the size parameter are varied ，from which the solenoid coil parameter is optimally designed.The model of solenoid coil ’s power consumption is set up to determine the enameled wire parameter.The result of experiment incarnates fine static and dynamic characteristic of GMA and consistency between design parameter and experimental value ， which shows the rationality of the optimal design.Key Words ：Giant Magnetostrictive Actuator ；Solenoid Coil ；Optimal Design ；Test of Characteristic Machinery Design ＆Manufacture 机械设计与制造 第1期2013年1月 32
磁致伸缩位移传感器研究报告 概述 磁致伸缩位移（液位）传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。 由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。 工作原理 磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。 由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标。 技术参数 测量对象:位置、速度（绝对速度），可测量1～2个位置 测量范围:50 mm～8000mm 零点可调范围:100%F.S 输出方式:
超磁致伸缩材料及其应用研究 ＊ 李松涛 孟凡斌 刘何燕 陈贵峰 沈 俊 李养贤 (河北工业大学材料科学与工程学院 天津 300130) 摘 要 稀土超磁致伸缩材料是一种新型稀土功能材料.文章概述了超磁致伸缩材料(GMM )的研究历史;对比了一种实用的超磁致伸缩材料(Terfenol -D )和压电陶瓷材料(PZT )的性能;阐述了超磁致伸缩材料当前在以下两个方面取得的研究进展:(1)关于工艺方法的研究:包括直拉法、区熔法、布里奇曼法和粉末烧结、粘结等方法;(2)关于材料组分的研究:包括对Fe 原子的替代研究以及开发轻稀土超磁致伸缩材料的研究.文章最后叙述了超磁致伸缩材料的应用领域,以及发展我国稀土超磁致伸缩材料的意义.关键词 超磁致伸缩,稀土金属间化合物 Giant magnetostrictive materials and their application LI Song -Tao MENG Fan -Bin LI U He -Yan CHEN Gui -Feng SHEN Jun LI Yang -Xian (Scho o l o f M ate rial Sci enc e &Engi nee rin g ,He bei Uni ver sit y of Tech no lo gy ,Tian jin 300130,C hin a ) Abstract Rar e -earth giant magnetostrictive materials (GMM )are a type of ne w functional mater ials .A br ief de -scription is given of the histor y of giant magnetostrictive materials ;and their char acteristics are compared with those of piezoelectr ic mater ials .Curr ent research developments are descr ibed ,in particular :(1)fabrication technology ,in -cludingthe Czochraski ,FSZ ,Bridgman ,po wder -sintering and powder -bonding methods ;(2)c omposition studies of GMM ,including the substitution for Fe in RFe 2and exploitation of light rare -earth GMM .Applications and the impor -tance of GMM researc h in China are r eviewed . Key words giant magnetostr iction ,rar e -earth -transition inter metallics ＊ 国家自然科学基金(批准号:50271023)和教育部科学重点 (批准号:02017)资助项目 2004-03-23收到初稿,2004-06-07修回 通讯联系人.E -mail :ad mat @js mail .h eb ut .edu .cn 1 磁致伸缩效应简介 1842年,焦耳(Joule )发现沿轴向磁化的铁棒,长度会发生变化,这种现象称为磁致伸缩效应,又称为焦耳效应[1],从广义讲包括顺磁体、抗磁体、铁磁体以及亚铁磁体在内的所有磁性材料都具有磁致伸缩性质.但是顺磁体、抗磁体材料的磁致伸缩值很小,实际应用价值不大;而对于部分铁磁性及亚铁磁性材料,磁致伸缩值较大,数量级可以达到103ppm ,具有很高的实用价值,引起研究人员的重视. 磁致伸缩材料的应用主要涉及到以下几种效应: (1)磁致伸缩效应(焦耳效应):材料在磁化状态改变时,自身尺寸发生相应变化的一种现象.磁致伸缩有线磁致伸缩(长度变化)和体磁致伸缩 (体积变化)之分,其中线磁致伸缩效应明显,用途广,故一般提到的磁致伸缩都是指线磁致伸缩. (2)磁致伸缩的逆效应(Villari 效应):对铁磁体材料施加压力或张力(拉力),材料在长度发生变化的同时,内部的磁化状态也随之改变的现象.(3)威德曼效应(Wiedemann )效应:在被磁化了的铁磁体棒材中通电流时,棒材沿轴向发生扭曲的现象. (4)威德曼效应的逆效应(Matteucci 效应):将铁磁体棒材绕轴扭转,并沿棒材的轴向施加交变磁场时,沿棒材的圆周方向会产生交变磁场的现象.
超磁致伸缩材料研究现状 超磁致伸缩材料Terfenol-D是本文研究中应用的重要材料，有必要介绍一下，尤其关于材料在本文研究中的本构关系。 1.1 超磁致伸缩材料介绍 超磁致伸缩材料是基于铁磁材料在磁场下产生磁致伸缩的一种性能十分优异的智能材料，他的独特性主要来源于显著的的伸长率（100-1000倍）和高能量密度（10-50倍）。第一次由 A.E.Clarck等人在常温下研制出超磁致伸缩材料Td x Dy1-ХFe2[41,42,43]（也被成为Terfenol-D），最初阶段材料在磁力学特性上重复率低、造价高、不清楚的操作条件限制了其在实际设备上的应用发展,随着制造技术的发展以及大量学者的广泛研究[44]，其优越的性能越来越显著，广泛应用于各类作动器、传感器、换能器[45,46]。 表2-1 Terfenol-D、Ni、PZT性能比较 性能参数Terfenol-D Ni PZT 饱和磁致伸缩系数10-61500～2000 -40～-35 100～600 机电耦合因数0.7～0.75 0.16～0.3 0.45～0.72 能量密度（KJ/m3）14～25 0.03 0.65～1.0 能量转换效率﹪49～56 9 23～52 响应时间10-6s ＜1.0 10 密度（kg/m3）9250 8900 7490 声速（m/s）1640～1940 4950 3130 相对磁导率3～10 60 居里温度/℃380～387 ＞500 130～400 应力输出（Mpa）30 1 15 为了比较，在表2-1[44,47,48,49]列举了超磁致伸缩材料的基本物理性质和压电材料PZT及镍的性质。很容易可以看出，与PZT相比超磁致伸缩材料展现出10倍到20倍的位移，15倍到25倍的能量密度，10倍以上的响应时间。如今，超磁致伸缩材料具体的优势有：高磁弹性、磁针伸缩量大、通过控制成分可选择的正负磁致伸缩、居里温度高、对于疲劳失效有非常低的磁化系数、通过磁场的非接触驱动、低电压驱动、高能量密度、较小磁滞、快速响应、可控的温度特性、频率特性好、磁机转换效率高、输出应力大[44,47,50,51,52]。当然超磁致伸缩材料也有他的劣势，比如：磁场驱动的必要性、由线圈产生焦耳热、高频涡流损耗、耐腐蚀性差、价格昂贵[12,44,53]。
. 超声波换能器的基本原理 压电式换能器：压电式换能器利用了某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应。 超声波压电效应 某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化（形变）会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产生极化电场（电极化），所产生的电场（电极化强度）与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应，它是由居里兄弟于1880年发现的。随后，在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应，即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变产生，其应变与外电场的大小成正比。压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。具有压电效应的单晶材料种类很多，最常用的如天然石英（SiO2）晶体，以及人工单晶材料如硫酸锂（Li2SO4）、铌酸锂（LiNbO3）等等。 2电致伸缩效应 某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团，即所谓“电畴”，它具有一定的极化，并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。当有外加电场作用时，电畴会发生转动，使其极化方向与外加电场方向趋于一致，从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变。这种现象称为电致伸缩效应。 3.磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器利用了磁致伸缩效应，这时特定合金材料结晶结构的物理特性，即某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体中的磁畴，在其自发磁化方向上的长度可能与其它方向上的不同。当有外加磁场作用时，由于这种磁畴将发生转动，使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致，从而使该材料沿外磁场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变（当然，这种变形引起的应变是很小的，约在10-5~10-6之间）。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩效应的材料在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-[1]。同样，利用逆磁致伸缩效应则可达到接收超声波的目的：施加到磁致伸缩材料上的应变（弹性应力-超声波作用力）将使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度发生变化（此即所谓磁弹性效应），从而使位于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势，可以用作磁弹性效应的信号，达到接收超声波的效果（注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致）。根据磁致伸缩的变化状态，可以分为： [1]线型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大，这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度以下的情况发生，若温度超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积也会发生变化。磁致伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合，这与其频率受限制和受磁性材料特性参数限制的因素有关，它特别是在功率超声应用领域中有着广泛应用，其特点主要是机械强度高，性能稳定，水密要求低（不会水解）。但是，它的涡流和磁滞损耗较大，电声转换效率不如压电式换能器，而且通常需要有较大的激励电能以用于大功率场合。需要注意的是，在施以交变磁场时，由于趋肤效应
磁致伸缩位移传感器位移测量研究与实现 李庆山 潘日敏 戴曙光 杨永才 (上海理工大学光学与电子信息工程学院 上海 200093) 摘要 基于磁致伸缩位移传感器的位移测量原理,讨论了位移测量的方法与实现:通过测量发射脉冲与回波脉冲的时间差计算活动磁铁的位置。基于F PG A器件设计了数字移相脉冲计数方式对时间进行精确测量,该方法对于提高测量位移精度,降低测量系统对高频的要求,对提高系统稳定性和抗干扰能力有重要意义。 关键词 磁致伸缩 数字移相 时间测量 F PG A Research and Realization of the Displacement Measurement for Magnetostric-tive Displacement Sensor Li Qing shan Pan Rimin Dai Shuguang Yang Yong cai (College of Op tical and Electr onics I nf or mation Eng ineer ing, Univ er sity of Shanghai f or S cience and T echnology,Shanghai200093,China) Abstract Basing on t he measurement principle of magnetostritive displacement sensor,the method and realiza-tion of displacement measurment are int roduced.M easurement on the interval betw een t rigger impulse and re-turn impulse corresponds t o the position of t he moving magnet.T he precise time int erval measurement with digi-tal phase shift count ing is designed by using FPG A device.T his method can enhance t he systemat ic precision, reduce the syst emat ic demand on high frequency.It has great significance in promot ing syst em st ability and anti-jamming. Key words M agnet ostrict ive Digital phase shif t T ime measurement FPGA 1 引 言 磁致伸缩位移传感器是一种以磁致扭转波为传播媒介的传感器,这种传感器安装简单、方便,能承受高温、高压和高振荡的环境。广泛应用于易爆、易燃、易挥发、有腐蚀的场合,但在国内设计和应用的都比较少。文中基于磁致伸缩位移传感器的原理,阐述了一种可以提高磁致伸缩位移传感器精度的位移测量方法。 2 磁致伸缩位移传感器的原理 磁致伸缩位移传感器(M agnet ostrict ive Posit ion Sensor)如图1所示,主要由波导钢丝1,位置磁铁4,波检测器3和电子系统5组成。位置磁铁通常装在一个运动部件A上,而传感器主体则装在一个固定的部件B上。传感器工作时,电子信号和处理系统5以时间间隔为T1发给磁致波导钢丝1的激励脉冲电流i e 。该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝1的旋转磁场。位置磁铁4也产生一个固定的磁场。在这两个磁场的正交作用下,波导钢丝产生磁致弹性伸缩,形成一个磁致旋转波2。该旋转波沿着波导钢丝以2800m/s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端的波检测器3时被转换成电信号u a。通过测量磁致旋转波从位置磁铁4传到波检测器3的时间T0就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。这样,当部件A和B产生相对运动,通过磁致旋转波位移传感器就可以确定部件A的位置和速度。 3 位移测量原理和常规方法分析 磁致伸缩位移传感器的位移计算非常简单,将所 第26卷第8期增刊 仪 器 仪 表 学 报 2005年8月