磁致伸缩位移传感器材料及选择要素

　　磁致伸缩位移传感器是基于威德曼效应和维拉里效应进行测量的，波导丝和扭转波接收带作为传感器的敏感元件，均为磁致伸缩材料制成，因此磁致伸缩材料的选材和设计是传感器设计的基础和关键部分。要达到实用的目的，所选用的的磁致伸缩材料应满足以下条件。

　　1. 材料的饱和磁致伸缩系数λs尽可能大;

　　2. 材料的磁晶各向异性能应足够大。没有足够大的各向异性能，也就不可能有大的磁致伸缩，但是各向异性能不能太大，否则，将使磁矩转动所需要的磁场太大，无法在较低的磁场下得到较大的磁致伸缩;

　　3. 材料的(λ-H)曲线的最大斜率 d=( dλ⁄dH)max要大。这样，材料将电磁能转换为机械能效率也就较高;

　　4. 要求材料有尽可能大的机电耦合系数(或磁弹耦合系数);

　　5. 具有一定抗压强度(对正磁致伸缩材料)和抗拉强度(对负磁致伸缩材料)和一定的韧性，以免材料在发生磁致伸缩时，由于外应力作用而导致磁致伸缩的失效和损坏;

　　6. 温度特性要好。导丝是磁致伸缩位移传感器的关键材料，各种参数的温度变化是决定传感器温度特性的主要因素，尤其是扭转波的传播速度的温度系数一定要尽量小; 为了得到实用的、高性能的磁致伸缩材料，人们对此一直在进行着研究，因此出现一系列磁致伸缩材料，按

　　其发展过程主要有以下三种类型;

　　(一) 传统的磁致伸缩金属与合金、铁氧体及非晶材料

　　① 传统的磁致伸缩金属与合金包括退火纯镍，镍钴合金，铁镍合金，铁铝合金等。

　　② 铁氧体磁致伸缩材料包括 Ni-Co 铁氧体和 Ni-Co-Cu 铁氧体，这些材料的组分可根据对性能的不同要求而进行适当的调节。通常，它们均由不同比例的氧化镍(NiO)、氧化铁(Fe₂O₃)、氧化铜(CuO)和氧化锌(ZnO)等配制而成。

　　③ 非晶材料主要有铁基、铁一镍基和钴基三大类。即内部原子排列不存在长程有序的金属或合金。

　　(二) 非稀土类的磁致伸缩材料。这类材料最突出的是 Ni-Mn-Ga 系列铁磁性形状记忆合金(FSMA)，它在磁场作用下能诱发产生百分之几的巨大应变。

　　(三) 稀土超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Materials，GMM) 它们是重稀土金属铽(Tb-terbium)和镝(Dy-dysprosium)的铁合金，磁致伸缩系数高达(1~2)×10﹣³(0.1~0.2﹪),比传统制品的性能高两个数量级以上，因此称为超磁致伸缩材料。如 TbFe₃(Terfenol)和 Tbo.₃Dyo.7Fe₂(Terfenol-D)等。

　　① 稀土金属，特别是重稀土金属在低温下具有很大的磁致伸缩，在 0K 和 77K 时可达 10﹣³～10﹣²的量级。由于稀土金属的居里温度较低，在室温下不能直接应用。

　　② 稀土—过渡金属化合物是 1969 年 Callen 根据过渡金属电子云的特征提出，这种化合物具有较高的居里温度点。稀土金属氧化物如 Tb3Fe5O12 在 4.2K 时，磁致伸缩系数为 2460×﹣6，在 78K 时，磁致伸缩系数为 560×10﹣6。

　　③ 锕系金属化合物在低温下也具有较大的磁致伸缩，有的甚至超过了稀土化合物，如 US 在 4.2K 的λ111高达 7000×10﹣6。但这些化合物的居里温度只有 100K左右，难以在工程中实际应用。

　　④ 超磁致伸缩复合材料是为了克服 Terfenol-D 棒材脆性大、加工困难、高频磁场作用时材料发热等缺点而研制的，它是基于超磁致伸缩合金的聚合物黏结复合材料(giant magnetostrictive powder composite, GMPC)，可以极大的克服上述缺点。GMPC 将会成为 Terfenol-D 超磁致伸缩材料的一个新的发展方向。