机电转换器是一种用于将电信号转换为声波或将声波转换为电信号的设备。这些换能器更通用，包含磁致伸缩和压电设备。目前，对于功率超声应用，有两种基本的换能器设计使用磁致伸缩和压电。压电换能器利用压电材料的特性将电能转换为机械能。磁致伸缩换能器利用磁致伸缩材料的特性在磁场中将能量转换为机械能。这里，磁场是通过覆盖在磁致伸缩材料周围的线圈提供的。因此，本文讨论了磁致伸缩换能器–工作及其应用。


什么是磁致伸缩换能器？

一种用于将能量从机械能转换为磁能的设备被称为磁致伸缩换能器。这个磁致伸缩换能器工作原理使用一种磁性材料，施加振荡磁场会挤压材料的原子，在材料长度内产生周期性变化，并产生高频机械振动。这些类型的换能器主要用于较低的频率范围，在超声波加工和超声波清洁应用中非常常见。

ding="async" class="size-medium wp-image-44068" src="https://uploads.9icnet.com/images/aritcle/20230518/Magnetostrictive-Transducer-300x188.jpg" alt="Magnetostrictive Transducer" width="300" height="188" sizes="(max-width: 300px) 100vw, 300px">
磁致伸缩换能器

磁致伸缩换能器原理图

磁致伸缩换能器的工作可以通过使用以下示意图来描述。该图解释了从零到完全磁化产生的应变量。这分为离散的机械和磁性属性，这些属性是根据它们对磁感应和磁致伸缩核心应变的影响而设置的。

Magnetostrictive Transducer Schematic
磁致伸缩换能器示意图

在第一种情况下，图c显示了当磁场没有施加到材料上时，随着产生的磁感应，长度内的变化也为零。磁场量（H）增加到其饱和极限（±Hsat）。这将轴向应变增加到“esat”。此外，磁化值将增加到图e所示的+Bsat值，或减少到图中所示的-Bsat值。

当“Hs”值处于其最大点时，可以获得磁感应和最高应变饱和度。因此，在这一点上，如果我们试图增加场值，那么它不会改变器件的磁化值或场。因此，当场值达到饱和时，应变和磁感应值将增加，并从中心图形的外侧移动。

在第二种情况下，当“Hs”值保持固定时，如果我们增加磁致伸缩材料上的力的量，那么材料内的压缩压力将随着轴向应变和轴向磁化值的降低而上升到相反侧。在图-c中，由于零磁化，没有可用的磁通线，而在图.b和图.d中，基于磁致伸缩驱动器中的磁畴对准，磁通线的大小要小得多。图a有通量线，但它们的流动方向相反。

图.f显示了基于所施加的“Hs”场和磁畴排列的磁力线。在这里，产生的通量线是用霍尔效应原理测量的。因此，这个值将与力或输入应变成比例。

磁致伸缩换能器的类型

磁致伸缩换能器有两种类型；自发磁致伸缩和场致磁致伸缩。

自发磁致伸缩

自发磁致伸缩是由居里温度下原子矩的磁性排列引起的。这种类型的磁致伸缩被用于称为殷钢的NiFe基合金中，并且在居里温度之前显示出零热增量。

由于原子磁矩的排列量减少，材料的饱和磁化强度在加热到居里温度时降低。当这种排列和饱和磁化强度降低时，体积的膨胀也会通过自发磁致伸缩而降低&材料收缩。

在殷钢的情况下，这种由于自发磁致伸缩损失引起的收缩相当于通过通常的热振动方法引起的膨胀&因此材料的尺寸不会发生变化。但超过居里温度，通常会发生热膨胀&不再有任何磁性有序。

场致磁致伸缩

场致磁致伸缩主要发生在施加场的磁畴排列上。Terfenol材料显示出最大的有用磁致伸缩，它是Tb、Fe和Dy的混合物。Terfenol物质用于位置传感器、场传感器、机械致动器和扬声器。

磁致伸缩装置（或）负载传感器只是通过这样一个事实来工作，即每当磁致伸缩材料经历应变时，材料的磁化强度就会改变。通常，Terfenol致动器包括Terfenol杆，该杆在压缩下布置以将磁畴垂直地布置到杆长度。在Terfenol棒周围使用线圈，在棒上施加电场，使磁畴沿其长度排列。

磁致伸缩换能器和压电换能器的区别

磁致伸缩换能器和压电换能器之间的区别包括以下几点。

磁致伸缩换能器

压电换能器
磁致伸缩换能器是一种设备，用于将机械能转换为磁能，反之亦然。

 

 压电传感器是一种设备，用于通过将加速度、压力、温度、力或应变转换为电荷来测量这些变化。
磁致伸缩换能器包括大量的镍板或叠片。

 

 压电换能器包括单层或双层厚的压电陶瓷材料盘，通常为PZT（钛酸锆酸铅）。
其概念是在磁化时改变磁性材料的尺寸或形状。 其概念是通过施加机械压力来积累电荷。
由于地球磁场的作用，与压电换能器相比，这种换能器的灵敏度较低。 这种转换器更灵敏。
该换能器采用磁致伸缩材料特性。 该换能器使用压电材料特性。
笔划模式为椭圆形。 笔划模式是线性的。
频率范围为20至40kHz。 频率范围为29至50kHz。
有效尖端面积为2.3毫米至3.5毫米。 基于频率，有效叶尖面积为4.3mm。

如何选择磁致伸缩换能器？

磁致伸缩换能器的选择可以根据以下规范进行。

  • 这种换能器必须使用一种磁性材料，这样它才能相互作用，并能够非常精确地绘制距离图。
  • 传感器必须允许无接触和无磨损测量。
  • 其范围必须在50到2500毫米之间。
  • 其最大分辨率应约为2µm。
  • 最大线性度必须为±0.01%。
  • 位移速度应小于10 m/s。
  • 模拟输出为0至10 V，4至20 mA。
  • 24 VDC±20%电源电压
  • IP67防护等级
  • 工作温度必须在-30至+75°C之间。

优点和缺点

这个磁致伸缩换能器的优点包括以下内容。

  • 这些传感器可靠、免维护，大大降低了操作错误和机器停机的可能性
  • 磁致伸缩换能器没有接触部件，因此使用寿命更长。
  • 与固定接触换能器相比，这些传感器更准确。
  • 它们具有良好的灵敏度、远程检测、耐用性、易于实施等特点。

这个磁致伸缩换能器的缺点包括以下内容。

  • 磁致伸缩换能器价格昂贵。
  • 磁致伸缩换能器具有物理尺寸限制，因此它被限制在大约低于30kHz的频率下操作。

应用

这个磁致伸缩换能器的应用包括以下内容。

  • 磁致伸缩换能器用于位置测量。
  • 这种换能器在将机械能转换为磁能方面发挥着关键作用。
    以前，该设备用于不同的应用，包括扭矩计、水听器、声纳扫描设备、电话接收器等。
  • 目前，它被用于制造不同的设备，如强力线性电机、噪声控制系统或主动振动、医疗和工业超声波、自适应光学定位器、泵等。
  • 这些换能器主要用于制造手术工具、化学加工、材料加工和水下声纳。
  • 磁致伸缩换能器用于测量机器运动部件内旋转轴产生的扭矩。
  • 此转换器应用程序分为两种模式：；意味着焦耳效应，另一个是维拉里效应。当能量从磁性转换为机械能时，在致动器的情况下，它被用来产生力，在传感器的情况下可以用来检测磁场。如果能量从机械变为磁性，那么它被用来检测运动或力。

因此，这是磁致伸缩换能器的概述。这种换能器也被称为磁弹性换能器。这些传感器具有极高的机械输入阻抗，适用于测量大的静态和动态力、加速度和压力。它们的结构特征很强，当这些换能器用作有源换能器时，输出阻抗会很低。这里有一个问题要问你，什么是磁致伸缩现象？