超磁致伸缩材料传感／执行器的原理与应用*

贾振元，王福吉，邹 君，刘慧芳

（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 大连，116024）

引 言

各种智能材料如压电陶瓷、形状记忆合金以及磁致伸缩材料的应用，使得原本依靠精巧机构、精密检测和精确控制完成的精密微驱动解决方案可以依靠智能材料的功能性来实现。不仅使结构变得紧凑简捷、精密微驱动作业能够满足更高的要求，而且精度由传统的微米级提高到纳米级。上述各种功能材料有着各自的特点和应用领域。超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料，具有大磁致伸缩系数、高能量密度、低磁场驱动、高磁机转换效率以及快速响应等优点。该材料具有强磁致伸缩正效应、逆效应以及正逆耦合效应，表现出双向能量转换特性。利用磁致伸缩正效应可制作驱动器或振动器，实现力、微位移驱动或振动控制；利用磁致伸缩逆效应可制作传感器，实现力、力矩和位移等物理量的感知；利用磁致伸缩正逆耦合效应，可以开发集驱动、力测量、输出力感知和输出力可控等功能于一体的精密驱动器件。

笔者从超磁致伸缩材料应用形式分类为切入点，分析了超磁致伸缩材料磁致伸缩正效应、逆效应以及正逆耦合效应的机理，按照功能对利用各种效应开发的器件原理及应用现状进行了分析与阐述。

1 超磁致伸缩材料

1.1 超磁致伸缩材料简介

铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩现象。20世纪70年代初，美国海军水面武器中心A.E.Clark博士和Iowa大学Ames稀土材料研究所合作开发出了成分为 Tb0.3Dy0.7Fe1.95的磁致伸缩材料，由于其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约102～103倍，故称之为超磁致伸缩材料（giant magnetostrictive materials，简称 GMM）。

GMM按组成分类主要有稀土金属、稀土－过渡金属化合物、稀土氧化物、锕系金属化合物和超磁致伸缩复合材料。GMM按材料形状大体分为两种：a.超磁致伸缩棒材具有优于传统材料以及压电材料的特点，其磁致伸缩应变大、能量密度高、机磁（电）耦合系数大、响应速度快、输出力大、频率特性好、频带宽、居里温度高、逆磁致伸缩效应明显；b.超磁致伸缩薄膜利用超磁致伸缩靶材，通过物理沉积的方式在非磁性基片上制备出具有磁致伸缩能力的薄膜材料，它具有体积小、性能稳定、可靠性高、高频响应快和灵敏度高等特点。

1.2 GMM的磁致伸缩正、逆效应机理

GMM具有强磁致伸缩正效应和磁致伸缩逆效应，在工作过程中表现出双向能量转换特性。GMM磁致伸缩正、逆效应现象较为复杂，从磁致伸缩表现形式及产生原因的角度出发，能较为清楚地理解磁致伸缩正、逆效应的发生机理。

1.2.1 GMM的磁致伸缩正效应机理

稀土铁磁材料及亚铁磁材料在外加磁场作用下，磁化状态的改变引起尺寸发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩正效应（又称Joule效应）。

磁致伸缩的产生源于3个方面，即自发变形、形状效应和场致变形。自发变形和形状效应的产生是材料本身固有的，不受外磁场的影响。场致变形是由自旋与轨道耦合能和物质的弹性能平衡而产生的，与磁化过程密切相关，并且随应力变化而变化。通常所说的磁致伸缩是指由场致变形引起的，外磁场作用下材料尺寸发生变化的微观过程如图1所示。

图1 场致变形过程中磁畴变化示意图

磁致伸缩过程中磁能转换成机械能，在无机械约束时通常以位移的形式输出，如图2所示。在有机械约束时以位移和力的形式输出，如图3所示。利用磁致伸缩正效应可制作执行器，实现驱动功能，应用在精密与超精密加工、流体机械、直线马达、声呐系统和生物医学等领域［1－6］。

图2 无机械约束磁致伸缩正效应机理示意图

图3 有机械约束磁致伸缩正效应机理示意图

1.2.2 GMM的磁致伸缩逆效应机理

铁磁性材料受到机械力作用，材料产生应变和应力同时，内部的磁化状态也随之改变，导致磁导率发生变化的现象称为压磁效应，即磁致伸缩逆效应（又称Villari效应）。

铁磁材料发生磁致伸缩逆效应时，磁化强度及磁通密度发生变化，在该过程中机械能转换成磁能，如图4所示。若GMM棒材外部缠有线圈，变化的磁通密度将引起法拉第效应，产生感应电动势，如图5所示。利用磁致伸缩逆效应可制作力和位移等传感器。随着研究的深入，已从传统的力学、磁学领域扩展到了声学和生物医学等新型应用领域。

图4 无线圈的磁致伸缩逆效应原理示意图

图5 有线圈的磁致伸缩逆效应原理示意图

1.2.3 磁致伸缩正逆效应耦合机理

磁致伸缩材料具有双向能量转换的功能，当GMM工作在机械约束条件下，磁场作用会使GMM发生磁致伸缩正效应，GMM产生输出位移的同时也有力输出，机械约束的反作用力使GMM发生磁致伸缩逆效应，对其内部磁化状态产生影响。由于磁致伸缩正效应与逆效应的同时存在，使GMM中原本互相独立的两个子系统——磁系统和机械系统发生耦合［7－8］。若通过改变磁场强度和磁通密度来增加材料的磁能，则增加的磁能中将有一部分转换为弹性能，导致材料的应力和应变发生变化；反之，如果通过改变材料的应力和应变来增加材料的弹性能，则增加的弹性能中也将有一部分转变成材料的磁能［9］。因此，利用GMM在机械约束状态下存在的磁致伸缩正逆效应耦合的特性，可实现在向外界输出力的过程中同时对输出力进行感知，以及实现对输出力的可控功能，开发具执行和传感功能于一体的磁致伸缩器件。由于磁致伸缩正逆耦合效应的解耦过程十分复杂，制约了传感执行功能一体化器件的研发。

2 超磁致伸缩器件的研究与应用

2.1 传感器的研究与应用

利用GMM的磁致伸缩逆效应，可以实现材料在传感方面的应用。目前，关于GMM的磁致伸缩逆效应特性的应用研究按感知物理量分类，主要分为力矩测量、力测量、位置测量以及电能收集等方面。

使用GMM实现对某些非电量的测量始于19世纪，发展于20世纪后期。现已从最初的应力、应变、磁场传感器扩展到水声换能器、电声换能器、磁弹性延迟线数字化仪、磁声键盘系统、生物机械传感器和呼吸传感器等，应用领域不断拓展。

2.1.1 力矩测量

使用GMM棒材或是将超磁致伸缩非晶带缠绕在轴上可制成非接触式的力矩传感器。它是基于力矩施加在轴上产生和轴线呈±45°的相反符号的＋τ和－τ应力的原理制成的。当在GMM轴或磁致伸缩非晶带轴上施加力矩，沿着＋τ和－τ方向上的磁特性就会改变（韦德曼效应）。应用如图6所示的一套正交线圈，采用微分方式或直接采用单个霍尔效应传感器及类似的磁强计即可检测出磁特性的变化。这种类型的传感器可应用于汽车和航空工业的遥控转向系统［10］。

图6 非接触式力矩传感器

应用GMM在扭转应力作用下产生磁导率变化的原理，设计出非接触力矩传感器。其原理是采用激励线圈提供交流激励磁场，并将两个传感线圈串接在钻头上，如图7所示，一个线圈在排屑槽上，另一个在钻柄上（柄的磁导率变化要小于槽的磁导率变化），工作力矩由两个感应线圈检测出来。因施加转矩使钻头磁导率变化，在感应线圈中产生的微分电压形成了传感器输出量。由于磁性的钢材或合金有很强的机械强度，因此其检测对灵敏度要求不高。

图7 钻头扭矩传感器

2.1.2 力测量

利用GMM的磁致伸缩逆效应，使用晶态或非晶态GMM构建力传感器，实现力的测量。美国韦恩州立大学学者Kleinke和Uras利用两个柱状18＃钢作为敏感元件，分别设计了非接触式和接触式磁致伸缩力传感器，如图8所示［11－12］。

图8 非接触式和接触式磁致伸缩力传感器原理图

当受外力作用时，非接触式磁致伸缩力传感器底部应变元件发生形变，使整个磁路中磁场状态发生改变，检测线圈中产生了感应电压，实现力测量。对于接触式磁致伸缩力传感器，力作用使敏感元件产生形变并引起磁路状态发生变化，通过监测线圈中的感应电压实现对力的测量。图9（a），（b）分别为磁致伸缩力传感器的剖视图和机械模型。

图9 磁致伸缩力传感器剖视图和机械模型

文献［13］以镍铁合金作为敏感元件，采用降噪自感的方法设计了一种环形磁致伸缩力传感器。该力传感器克服了对外界电磁干扰敏感性的问题，设计达到了净零的效果，如图10所示。Toriia等［14］采用Tb－Dy－Co超磁致伸缩薄膜研制了一种微型力传感器，该微型传感器结构轻小、设计新颖，如图11所示。

图10 环形磁致伸缩力传感器原理图

图11 超磁致伸缩薄膜微型力传感器

河北工业大学闫荣格等以GMM棒作为敏感元件，采用永磁铁作为预磁化场，设计了测量静态力的磁致伸缩力传感器，如图12所示。通过高斯计直接检测空气隙中磁通密度变化情况，实现力测量，省略了电磁信号的放大环节，简化了装置结构，同时避免了直流电源引起的发热问题。

图12 永磁式磁致伸缩力传感器原理图

大连理工大学的贾振元等利用软磁坡莫合金作为磁弹性材料，研制了压磁式力传感器并设计了相关的测试系统。

2.1.3 位置测量

应用GMM棒和声学波导可研制出磁致伸缩波导位置传感器［15］，结构如图13所示。其工作原理是利用永磁铁和GMM波导的相互作用使材料特性发生改变，利用这一特性即可实现位置的检测。2001年，大连理工大学贾振元等利用GMM研制了磁场与位移自感知型超磁致伸缩微位移器件及控制系统，如图14所示。

图13 磁致伸缩波导位置传感器

图14 位移感知型超磁致伸缩微位移执行器结构原理图

2.1.4 电能收集装置

Davino等［16］研究了磁致伸缩能量收集装置，实验装置如图15所示。通过时域测量，分析了影响总收集能量的偏置磁场、外界负载等参数对机械阻尼的影响，研究结果为实现从小机械振动中收集更多的能量提供了很好的指导性。

图15 磁致伸缩电能收集器原理及样机

2.2 执行器的研究与应用

利用GMM磁致伸缩正效应可以研制各种执行器件，具有温度范围宽、低压可操作性、无缆驱动、输出力大、频响相对平滑、响应速度快、响应频率和控制精度高等特点。根据执行器的输出形式可分为微位移执行器和力执行器。Etrema公司针对不同需求设计了多种执行器，例如，一种GMA输出位移和力可达250μm和2.2kN，工作频率可达2.5 kHz，工作温度范围［17］为－20～100℃。

2007年，韩国机械与材料研究所Moon等［18］研制了一种线性磁致伸缩执行器及具有线性二次反馈控制器的实时数字控制系统，线性位移范围可达到27μm，如图16所示。

图16 线性磁致伸缩执行器

2008年，日本Toshiyuki等［19］利用Galfenol针作为驱动单元制成微型磁致伸缩振动器，如图17所示。在高于30kHz的带宽下，位移可达1.2μm，此振动器可作为扬声器。

国内，2001年，大连理工大学贾振元等采用GMM研制的磁场与位移自感知型超磁致伸缩微位移执行器，执行器的响应频率可达1kHz，输出精度可达0.3μm。

图17 利用Galfenol制成的微执行器

浙江大学和河北工业大学也开发了超磁致伸缩微位移执行器，并使用DSP研制了控制器。2009年，中国计量学院周浩淼等建立了一种适用于超磁致伸缩棒材和薄膜的通用型磁致伸缩本构模型，该模型可描述不同预紧力作用下材料产生的最大磁致伸缩应变及饱和磁致伸缩应变。

2.3 传感功能与执行功能一体的器件

利用GMM的磁致伸缩正效应、逆效应以及正逆耦合效应，可实现执行功能、力测量的传感功能、输出力感知以及输出力可控等功能。

Pratt等［20］提出了磁致伸缩自感知执行器的概念，并尝试用于主动隔振。Fenn等［21］将磁致伸缩执行器用于振动被动控制和速度感知。国内，大连理工大学和浙江大学也在进行基于GMM的自感知执行器研究。

图18 带霍尔传感器的磁致伸缩执行器结构示意图

2007年，德国萨尔大学的Kuhnen等［22］研制了集执行和传感一体的GMM自感知驱动器，并研究了其积分控制算法，如图18所示。此研究的核心是基于算子信号处理思想与积分反馈控制器相结合，这便产生了所谓的积分反馈控制的自感知磁致伸缩执行器。这种控制方法不需要外部的位移或力传感器，也能很好地补偿由于执行器刚度有限而引起的滞后效应。

大连理工大学贾振元等以GMM棒为驱动元件［23－26］，研究了一种具有驱动、力测量、输出力感知和输出力可控等多种功能于一体的磁致伸缩器件。通过研究超磁致伸缩材料工作过程中磁致伸缩正逆耦合作用机理，从超磁致伸缩材料内部能量角度出发，建立了正逆耦合作用下，输出位移与力和磁化强度的关系，如式（1）所示，为实现输出力感知、输出力可控过程中对控制电流的求解提供了理论依据。

当GMM棒内磁化强度已知时，根据GMM棒的输出力，利用式（1）可以确定GMM棒产生的位移。当GMM棒内磁化强度已知时，根据GMM棒的位移，利用式（1）可以确定GMM棒的输出力。

为了方便描述磁致伸缩正逆效应耦合作用，对耦合过程进行了简化，即在研究过程中忽略比较微弱的磁致伸缩正逆效应的第2次、3次、……耦合作用，只考虑磁致伸缩正效应和逆效应之间发生的第1次耦合作用。此时GMM棒内的总磁化强度M由只与工作磁场有关的磁化强度部分MH和只与应力有关的磁化强度部分Mσ构成。根据磁化强度与磁场强度之间的关系、磁化强度与应力之间的关系，经过推导最终得到了GMM在磁场和力共同作用下，磁致伸缩正效应与逆效应耦合后其内部总磁化强度与磁场和应力的关联关系

磁场强度以及应力随着时间的变化可分别依据工作磁场和作用在GMM上的力来确定。

在此基础上，结合霍尔效应和法拉第电磁感应原理，建立力测量过程中霍尔电压与力的关系（式（3））、感应电压与力的关系（式（4）），实现了力测量的功能。

其中：感应电压与GMM棒的横截面积成反比，与感应线圈线圈匝数、横截面积及外力变化率成正比；对于固定的GMM棒和感应线圈，N，A，Ar保持不变，因此感应线圈中的感应电压只与外力Fe有关。

力测量原理是当GMM棒单独作为力传感器中的敏感元件进行力测量时，其内部磁化状态由外力决定；因此，通过检测磁通密度获得磁化强度可实现力测量功能，如图19所示。

图19 力测量的实现原理图

为实现力感知，就要对正逆耦合关系解耦，以建立的输出位移与力和磁化强度的关系（式1）、内部磁化强度的量化方程（式2）为基础，提出了两种硬软件相结合的进行解耦获得输出力的方法。即通过霍尔传感器或感应线圈测得磁通密度，经计算获得磁化强度，并通过解耦计算实现输出力的感知，实现原理如图20所示。

图20 输出力感知的实现原理图

针对输出力可控功能，提出一种利用磁致伸缩正逆耦合效应映射关系求解控制电流与PID结合的控制方法，开发了输出力控制系统。以超磁致伸缩力传感执行器对其自身的输出力大小进行实时感知为基础，根据输出力目标，通过调整工作电流，可实现执行器输出力的可控。控制原理如图21所示，执行器输出力的控制过程主要包括3部分。第1部分为输出力的感知：通过霍尔传感器输出的霍尔电压Uhall或电桥电路分离出的线圈中的感应电压信号Um，得到GMM棒内部实际磁通密度的测量值，经计算获得GMM棒内部的磁化强度，结合反复迭代的方法感知GMM棒的输出力。第2部分为计算控制电流：根据输出力的目标值，结合输出力的感知结果，通过基于GMM棒输出位移与力和磁化强度的关系、GMM棒内磁化强度的量化方程的控制电流求解方法，计算输出力达到目标值所需要的工作电流。第3部分为控制工作电流输出：根据计算得到的工作电流，通过计算机系统向可编程电源发送指令，控制电源为执行器的线圈供给此电流。

图21 超磁致伸缩力传感执行器输出力可控的控制原理

结合力测量、输出力感知、输出力可控的实现方法，贾振元教授开发出了集微位移输出、力测量、输出力自感知和输出力可控等多功能于一体的超磁致伸缩力传感执行器，结构如图22所示，实物如图23所示。

图22 超磁致伸缩力传感执行器三维结构图

图23 超磁致伸缩力传感执行器实物

带有力传感器功能、执行传感功能及输出力可控功能的超磁致伸缩力传感执行器的研制，为磁致伸缩正逆效应的复合应用及加快新型多功能磁致伸缩器件的发展提供了重要的理论支持和一种新的应用途径。

3 结束语

随着控制和驱动向精密化的发展，传感器、执行器也随之向微型化、智能化、多功能化和高精度等方向发展。集传感和执行功能于一体的器件则是控制驱动领域发展的趋势。利用GMM优异特性可以开发各种传感器、执行器，也可以开发集传感、执行、力感知、输出力可控等功能于一体的器件，最终形成多功能、高度集成的完备一体化自动控制驱动设备，这也是超磁致伸缩材料未来应用的发展趋势。

［1］ Miesner J E，Teter J P.Piezoelectric／magnetostrictive resonant inchworm motor［C］∥Proceedings of SPIE Smart Materials.Orlando，FL：［s.n.］，1994，2190：520－527.

［2］ Venkataraman R，Dayawansa W P，Krishnaprasad P S.The hybrid motor prototype：design details and demonstration results［R］.Maryland：University of Maryland，1998.

［3］ Clephas B，Janocha H.New linear motor with hybrid actuator［C］∥Proceedings of SPIE Smart Structures and Materials.San Diego，CA：［s.n.］，1997，3041：316－325.

［4］ Clephas B，Janocha H.Extended perfomance of hybrid actuators［J］.Applied Mechanics and Engineering，2000，5（1）：157－168.

［5］ Uneo T，Keat C S，Higuchi T.Linear step motor based on magnetic force control using composite of magnetostrictive and piezoelectric materials［J］.IEEE Transactions on Magnetic，2007，43（1）：11－14.

［6］ Duan Y F，Or S W.Self－sensing tunable vibration absorber incorporating piezoelectric ceramic－magnetostrictive composite sensoriactuator［J］.Smart Materials and Structures，2011，20（085007）：1－8.

［7］ Besbes M，Ren Z，Razek A.Finite element analysis of magneto－mechanical coupled phenomena in magnetostrictive materials［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1996，32（3）：1058－1061.

［8］ Gros L，Reyne G，Body C，et al.Strong coupling magneto mechanical applied to model heavy magnetos－trictive actuator［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1998，34（5）：3150－3153.

［9］ Ikeda M，Uemura K，Sasaki I，et al.Factors affecting the ouput voltage of a magnetostrictive torque sensor constructed from Ni－Fe sputtered films and a Ti－Alloy shaft［J］.Journal Magnetics Society of Japan，1998，22（6）：1074－1079.

［10］Garshelis I J.A torque transducer utilizing a circularly polarized ring［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1992，28（5）：2202－2204.

［11］Kleinke D K，Uras H M.A noncontacting magnetostrictive strain sensor［J］.Review of Scientific Instruments，1993，64（8）：2361－2367.

［12］Kleinke D K，Uras H M.A magnetostrictive force sensor［J］.Review of Scientific Instruments，1994，65（5）：1699－1710.

［13］Baudendistel T A，Turner M L.A novel inverse－magnetostrictive force sensor［J］.IEEE Sensors Journal，2007，7（2）：245－250.

［14］Toriia Y，Wakiwakaa H，Kiyomiyab T，et al.Tb－Fe－Co giant magnetostrictive thin film and its application to force sensor［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2005，290－291（2）：861－864.

［15］江田弘，佐佐木康彥，濱田隆治.超磁わい超精密位置決め装置とそれを搭載した超精密工作機械の開発［C］∥日本機械学會論文集：C編.日本：一般社団法人日本機械学会，1994，60（572）：1446－1452.Eda H，Sasaki Y，Hamada R.Development of a giant magnetostriction－type ultraprecision positioning device and ultraprecision machine tool equipped with it［C］∥Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers C.Japan：The Japan Society of Mechanical Engineers，1994，60（572）：1446－1452.（in Japanese）

［16］Davino D，Giustiniani A，Visone C，et al.Experimental analysis of vibrations damping due to magnetostrictive based energy harvesting［J］.Journal of Applied Physics，2011，109（7）：509.

［17］Olabi A G，Grunwald A.Design and application of magnetostrictive materials［J］.Materials ＆ Design，2008，29（2）：469－483.

［18］Moon S J，Lim C W，Kim B H，et al.Structural vibration control using linear magnetostrictive actuators［J］.Journal of Sound and Vibration，2007，22（4－5）：875－891.

［19］Toshiyuki U，Eric S，Marilyn W F，et al.Micro－magnetostrictive vibrator using iron－gallium alloy［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2008，148：280－284.

［20］Pratt J R，Flatau A B.Development and analysis of self－sensing magnetostrictive actuator design［C］∥Preceedings of the 1993SPIE Smart Materials and Structures Conference.Bellingham：SPIE－INT SOC Optical Engineering，1993：952－961.

［21］Fenn R C，Gerver M J.Passive damping and velocity sensing using magnetostrictive transduction［C］∥Proceedings of the SPIE Smart Materials and Structures Conference.Bellingham：SPIE－INT SOC Optical Engineering，1994：216－227.

［22］Kuhnen K，Schommer M，Janocha H.Integral feedback control of a self－sensing magnetostrictive actuator［J］.Smart Materials and Structures，2007，16：1098－1108.

［23］Jia Zhenyuan，Liu Huifang，Wang Fuji，et al.Research on a novel force sensor based on giant magnetostrictive material and its model［J］.Journal of Alloys and Compounds，2011，509（5）：1760－1767.

［24］Jia Zhenyuan，Liu Huifang，Wang Fuji.Researches on the computer digital control system of giant magnetostrictive actuator［J］.Mechatronics，2009，19（7）：1191－1196.

［25］Jia Zhenyuan，Liu Huifang，Wang Fuji，et al.A novel magnetostrictive static force sensor based on the giant magnetostrictive material［J］.Measurement，2011，44（1）：88－95.

［26］Jia Zhenyuan，Liu Huifang，Wang Fuji，et al.Output characteristics of giant magnetostrictive force sensor under the effect of various factors［J］.International Journal of Mechatronics and Automation，2011，1（4）：161－171.