CN117367257A - 铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器。为满足超微米位移测量需要。包括依次配置的微位移测量接近装置和配检测线圈及其磁场检测机构的铁镓铽合金磁致伸缩材料部件以及前设钨探针的压电陶瓷；使用应变λ‑磁场H曲线重复性好的材料，制定传感器定标曲线，加工出所述铁镓铽合金磁致伸缩材料部件；通过微位移测量接近装置实现接近被测工件的粗调定位，通过压电陶瓷上钨探针与被测工件之间生产的隧道电流控制微位移传感器与被探测部件的终点距离实现微调定位，通过检测线圈磁场的增加或降低实现铁镓铽合金磁致伸缩材料部件的伸长和缩短，使用基于位置反馈的闭环控制电路来实现铁镓铽合金磁致伸缩材料部件的伸缩定位测量。具有磁致伸缩应变精度高，相应速度快，导电和非导电部件都能测量，能很好地满足超微米微位移测量需要的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微位移传感器，特别是涉及一种铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器。
背景技术
目前的铁镓铽的磁致伸缩应变水平理论上已经能够完全满足制备微位移驱动器的要求。将合适的磁致伸缩材料直接制造成微位移驱动器，实现精确测量亚微米级别的微位移和作为某些部件的微驱动器，需要金属功能材料专家与自动化专家合力完成，而制备的微位移传感器和驱动器主要用于微位移测量和传感，也可作为微位移驱动的驱动器来使用。
2015年以后国内在铁镓磁致伸缩传感器方面的研究论文开始大量出现，此外，精密仪器的研究及应用一直是工业、军事、船舶等领域的热点问题，磁致伸缩位移传感器(magnetostrictive displacement sensor，MDS)以其超精密性、非接触性、高可靠性等优点而广泛应用于超精密测量和监测等领域。目前，研究的主要热点集中在不同导波材料的魏德曼效应强弱对比、大量程位移传感器中应力波信号的衰减、检测信号的理论计算、驱动电路和信号检测装置等硬件电路的设计、回波信号的数值分析与处理方法等
磁致伸缩位移传感器研制是基于磁致伸缩材料在相交磁场的作用下具有磁致伸缩特点，利用材料的磁致伸缩效应及逆效应、超声效应共同完成位移的测量。测量时，在磁致伸缩材料做成的波导丝一端发射激励脉冲，大电流窄脉冲信号沿波导丝以光速传播，在信号建立的同时，在波导丝周围建立环形磁场。根据威德曼效应(Wiedemann)，当环形磁场随脉冲信号传播至游标位置时，环形磁场与游标的轴向磁场叠加形成螺旋形磁场。螺旋磁场会导致磁致伸缩材料发生瞬间扭曲形变，引发扭转波，扭转波以恒定速度向波导丝两端传播，当扭转波传播至检测线圈位置时，根据维拉里(villari)效应，检测线圈处磁场发生变化，产生感应电动势，该电信号的产生时间即扭转波的返回时间，该时间乘以扭转波波速即可得到待测物的距离。迄今为止，国际上利用磁致伸缩材料及其原理制成的器件已达千余种，大大促进了相关产业的技术进步，引发了传统电子信息系统、传感系统和振动系统等领域产生变革性的变化。
随着现代科学技术的不断发展，众多高科技领域均已进入了纳米世界，如航天产品的加工与制造、精密元器件的测量、高密度集成电路等等。由于纳米尺度具有接近于原子和分子尺寸的特点，一般的常规技术已不再适用，因此，研究纳米技术，特别是纳米操作与测量技术就成为当前研究的热点方向。压电陶瓷(PZT)驱动器以其优良的性能广泛地应用于纳米级的微操作与微定位领域。然而由于其本身存在着迟滞、蠕变和非线性等不足，严重影响到其纳米级驱动的精度。
公开号为CN102679858A的一种动态微米级被动式微位移传感器，它包括永磁铁、铁轭、线圈，所述铁轭包括直立支架和横杆；永磁铁安置在铁轭的横杆上方或下方，线圈绕在铁轭的横杆上；永磁铁提供恒定磁场，永磁铁和铁轭构成的磁回路，使线圈产生感应电动势。该传感器具有非常高的探测灵敏度(可达到nT)，精度可以达到微米级，成本低，使用温度范围广(－40℃～80℃)，在工业自动化、军事、医疗、生物等领域具有很广泛的应用前景。但是，现实中还有很多测量精度要求达到超微米级，这种动态微米级被动式微位移传感器显然不能满足前述的相应测量需求。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种能满足超微米微位移测量需要的铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器。
为实现上述目的，本发明铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特别之处在于包括依次配置的微位移测量接近装置和配检测线圈及其磁场检测机构的铁镓铽合金磁致伸缩材料部件以及前设钨探针的压电陶瓷；使用应变λ-磁场H曲线重复性好的材料，制定传感器定标曲线，加工出所述铁镓铽合金磁致伸缩材料部件；通过微位移测量接近装置实现接近被测工件的粗调定位，通过压电陶瓷上钨探针与被测工件之间生产的隧道电流控制微位移传感器与被探测部件的终点距离实现微调定位，通过检测线圈磁场的增加或降低实现铁镓铽合金磁致伸缩材料部件的伸长和缩短，使用基于位置反馈的闭环控制电路来实现铁镓铽合金磁致伸缩材料部件的伸缩定位测量。本发明微位移传感器微位移测量的第一步首先需要实现钨探针的初始定位，初始定位点为钨探针与被测点距离为0.3纳米处(也就是近似与表面零距离)，为了实现这一目标，需要经过粗调定位和微调定位。其中，粗调定位由永磁微动电机带动的螺旋测微电推杆推动铁镓磁致伸缩部件、压电陶瓷和钨探针一体化部件来实现，通过目测，当探针尖端与被测表面间的距离小于1mm时，停止永磁微动电机。其中，微调定位的驱动形式优选为压电陶瓷直驱式。永磁微动电机带动的螺旋测微电推杆驱动一体化部件接近初始定位点，当压电陶瓷前端焊接的钨探针感应到与被测表面间的隧道电流时，电推杆停止运动，此时，钨探针与被测点的距离为0.3纳米。此时的隧道电流值I0为工作时(采用恒电流模式)的控制电流值。其工作原理，举例是：当进行车轴矫直测量时，使探针位置固定而车轴转动，当下一个测量点与探针初始定位点远离时，隧道电流下降或消失，此时，触发增大励磁电流，使磁致伸缩件伸长，探针与被测点接近，当隧道电流达到I0时，励磁电流停止增大，此时通过与励磁电流对应的磁场强度，按铁镓磁致伸缩材料的定标曲线，可确定此测量点与初始定位点的位移值；反之，当下一个测量点与探针初始定位点更近时，隧道电流会急剧升高，此时，触发减小励磁电流，使磁致伸缩件缩短，带动探针与被测点远离，当隧道电流达到恒电流模式的控制电流值I0时，励磁电流停止减小，此时通过与励磁电流对应的磁场强度，按铁镓磁致伸缩材料的定标曲线，可确定此测量点与初始定位点的反向位移值；进行上述测量前，调价励磁电流使磁致伸缩材料处于其量程的中点，而磁致伸缩材料的量程与材料的长度成正比，本样机所用磁致伸缩材料长度为100mm，其最大伸长为10000nm，因此由铁镓磁致伸缩材料决定的最大量程为5000nm。压电陶瓷的作用是扩大量程的范围，当需要测量更大的量程时，可通过上述类似的方法，将压电陶瓷测量的初始点选为其量程的中点，通过控制电压实现位移的测量，总的量程由铁镓磁致伸缩材料和压电陶瓷量程共同决定。本传感器主要用于精密矫正与测量。
由于压电陶瓷具有极高的位移灵敏度，因此在磁致伸缩位移测量中把压电陶瓷用作定位的辅助信号控制行程开关。微位移测量接近装置用于使用微位移传感器的钨探针端接近被测量部件，也就是使钨探针端到达微位移测量位，满足微位移测量的需要。微位移测量，比如对精密轴圆度偏差的测量：精密轴在一个角度位进行首次伸长测量，首次测量后、退回到起始缩短位，精密轴旋转一定角度到达第二测量位后，进行二次伸长测量，通过前后两次测量的差值，来计算精密轴的圆度偏差；也可以是：微观不平的工件表面平整度测量，先利用微位移测量接近装置移至测量位A点附近，伸长铁镓铽合金磁致伸缩材料部件对工件表面A点测量，缩短铁镓铽合金磁致伸缩材料部件，利用微位移测量接近装置移至测量位B点附近，伸长铁镓铽合金磁致伸缩材料部件对工件表面A点测量，通过前后两次测量的差值，来计算工件表面平整度。其采用通过定标曲线直接测量的方法。由于压电陶瓷的位移灵敏度能达到0.5nm/V，因此它可以作为起始位置和终止位置感应的、隧道电流信号的补充，钨针尖与被测表面接近到纳米数量级时产生的隧道电流和压电陶瓷感受到压力产生的电压信号是控制传感器停止运动的触发信号，采用两种不同感应精度的信号分级控制，可以确保测量系统的工作稳定性。也就是，测量导电工件及极高精度测量时，利用隧道电流信号作为行程开关控制依据；当测量非导电工件，并且测量精度不是极高时，利用钨探针接触到非导电工件，由压电陶瓷感应到压力时产生的压电信号作为行程开关控制依据，做到导电和非导电部件都能测量。因为铁镓合金本身具有高精度的磁致伸缩应变，在理论精度基础上损失一个数量级的情况下，能够达到0.01微米的精度，很好地满足超微米测量的需要。
作为优化，测量精度优于0.01μm；微位移测量接近装置主要由永磁微动电机驱动的电推部件构成；所述磁场检测机构主要由特斯拉计及其霍尔探头构成。
作为优化，采用密集采点法筛选出位移-磁场强度(λ-H)输出特性数据重复性好的合金材料，制定传感器定标曲线。有利于确保测量精度。
作为优化，所述铁镓铽合金磁致伸缩材料部件用真空熔炼炉熔炼，在第一次熔炼完成冷却后，再翻转熔炼两次。能使成分均匀，有利于确保磁致伸缩精度。
作为优化，所述熔炼是用定制的坩埚，在保护气氛下先熔炼出长方体粗胚，再加工到部件尺寸。有利于确保磁致伸缩精度。
作为优化，在保护气氛下熔炼出长方体粗胚，加工到部件尺寸是在保护气氛下熔炼出长方体粗胚，再切销加工到部件尺寸，优选为10mm×20mm×100mm的部件尺寸，更适合磁致伸缩微位移传感。
作为优化，通过基于位置反馈的闭环控制电路来实现铁镓驱动器的定位，通过固定于铁镓磁致伸缩微位移传感器端部的压电陶瓷及其尖端的钨探针，实时的控制微位移测量系统。这样相应及时，实现精准定位。
作为优化，通过控制励磁电流使驱动磁场逐渐增加，驱动磁场的增加导致铁镓磁致伸缩部件位移的增加，当接触到探测距离的边界时，压电陶瓷端部的钨针尖所产生隧道电流反馈给控制电路，使驱动铁镓磁致伸缩部件的励磁电流停止增加；压电陶瓷的位移灵敏度能达到0.5nm/V，传感器的接触误差小于0.001μm；工作时，通过压电陶瓷上钨探针与被测工件间的隧道电流控制初始位置与终止位置的感应，从而实现辅助测量。
作为优化，初始位置与终止位置用钨探针电极感应，通过针尖与待测工件间的隧道电流感应极间距离；工作时，随着磁场的增加，铁镓铽磁致伸缩部件应变增加，针尖与待测工件逐渐接近，当钨探针与待测工件的距离达到纳米数量级时，产生隧道电流，反馈给磁控系统，停止励磁电流的增加，此时，钨针尖与待测工件间距离不大于0.001μm，定标曲线上与磁场改变对应的应变改变量即为微位移的测量值。
作为优化，铁镓铽合金磁致伸缩部件端部压电陶瓷前端的钨探针通过隧道电流的有无，反馈控制激发磁致伸缩应变的励磁电流，压电陶瓷及其上的钨针尖起到行程开关作用。也就是钨探针尖的尖端与被测部件，达到小于0.001μm的一定距离时，出现隧道电流信号，用于控制的闭环控制电路随即反馈控制激发磁致伸缩应变的励磁电流，从而起到铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器的行程开关作用。
其是使用λ-H曲线重复性较好的铁镓铽合金材料加工成传感器部件，作为微位移测量的核心部件，用微位移测量接近装置和铁镓铽合金在磁场中的磁致伸缩驱动实现位移测量机构的进位及运动，铁镓磁致伸部件前端的钨探针实时记录位移起始位置和终止位置，通过压电陶瓷电压信号和钨针尖的隧道电流信号，分级控制反馈电路来提高铁镓驱动器的定位精度。
为了使用磁致伸缩材料实现纳米级精度的测量，首先必须筛选出λ-H曲线重复性较好的材料，这样才能通过磁场控制磁致伸缩材料实现纳米级精度的位移，因此需要先测试实验试样的λ-H曲线，优选出合格的材料，为了或的足够大的位移量，需要加工出尺寸较大的传感器部件，这种用压电陶瓷驱动器实时控制的铁镓磁致伸缩微位移传感器，通过基于位置反馈的闭环控制方法来提高铁镓驱动器的定位精度。
依据磁致伸缩基础材料的位移-磁场强度(λ-H)输出特性，使用两种铁镓基磁致伸缩材料，采用密集采点法筛选测试出位移-磁场强度(λ-H)输出特性曲线，作为无加载定标曲线。其中，大尺寸部件的熔炼和加工是将筛选出的铁镓磁致伸缩材料在真空或惰性保护气氛下铸造出胚体，精加工为10mm×20mm×100mm长度的长方体传感器零件。要求成分均匀，无气孔，并且能控制铸件的冷却方向。测试磁致伸缩部件的位移-磁场强度(λ-H)输出特性，作为实际使用的传感器部件的无加载定标曲线。用压电陶瓷作为位移始端和末端的行程定位开关，设计出自动控制的本发明磁致伸缩微位移传感器。将测量和附加的供电显示等集成为包括本发明磁致伸缩微位移传感器的整体系统的最终精度将由数据的离散型来决定。
总之，本发明是使用钨探针所产生的的隧道电流为主信号，压电陶瓷电压信号作为定位辅助信号的、铁镓磁致伸缩部件作为主测量部件的微位移传感器，通过基于位置反馈的闭环控制方法来提高铁镓驱动器的定位精度。
采用上述技术方案后，本发明铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器具有磁致伸缩应变精度高，相应速度快，导电和非导电部件都能测量，能很好地满足超微米微位移测量需要的优点。
附图说明
图1是本发明铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器第一种实施方式的原理示意图。图2是本发明铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器第二种实施方式的原理示意图。
具体实施方式
实施例一，如图1所示，本发明铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器包括依次配置的微位移测量接近装置和配检测线圈10及磁场检测机构的铁镓铽合金磁致伸缩材料部件1以及前设钨探针3的压电陶瓷2；使用应变λ-磁场H曲线重复性好的材料，制定传感器定标曲线，加工出所述铁镓铽合金磁致伸缩材料部件；通过微位移测量接近装置实现接近被测工件6的粗调定位(如机床生产中需要矫正的精密轴部件)，通过压电陶瓷上的钨探针产生的隧道电流控制微位移传感器与被探测部件的终点距离实现微调定位，通过检测线圈磁场的增加或降低实现铁镓铽合金磁致伸缩材料部件的伸长和缩短，使用基于位置反馈的闭环控制电路来实现铁镓铽合金磁致伸缩材料部件的伸缩定位测量。
本发明微位移传感器微位移测量的第一步首先需要实现钨探针的初始定位，初始定位点为钨探针与被测点距离为0.3纳米处(也就是近似与表面零距离)，为了实现这一目标，需要经过粗调定位和微调定位。其中，粗调定位由永磁微动电机带动的螺旋测微电推杆推动铁镓磁致伸缩部件、压电陶瓷和钨探针一体化部件来实现，通过目测，当探针尖端与被测表面间的距离小于1mm时，停止永磁微动电机。其中，微调定位的驱动形式为压电陶瓷直驱式。永磁微动电机带动的螺旋测微电推杆驱动一体化部件接近初始定位点，当压电陶瓷前端焊接的钨探针感应到与被测表面间的隧道电流时，电推杆停止运动，此时，钨探针与被测点的距离为0.3纳米。此时的隧道电流值I0为工作时(采用恒电流模式)的控制电流值。其工作原理是：当进行本实例的车轴矫直测量时，使探针位置固定而车轴转动，当下一个测量点与探针初始定位点远离时，隧道电流下降或消失，此时，触发增大励磁电流，使磁致伸缩件伸长，探针与被测点接近，当隧道电流达到I0时，励磁电流停止增大，此时通过与励磁电流对应的磁场强度，按铁镓磁致伸缩材料的定标曲线，可确定此测量点与初始定位点的位移值；反之，当下一个测量点与探针初始定位点更近时，隧道电流会急剧升高，此时，触发减小励磁电流，使磁致伸缩件缩短，带动探针与被测点远离，当隧道电流达到恒电流模式的控制电流值I0时，励磁电流停止减小，此时通过与励磁电流对应的磁场强度，按铁镓磁致伸缩材料的定标曲线，可确定此测量点与初始定位点的反向位移值；进行上述测量前，调价励磁电流使磁致伸缩材料处于其量程的中点，而磁致伸缩材料的量程与材料的长度成正比，本样机所用磁致伸缩材料长度为100mm，其最大伸长为10000nm，因此由铁镓磁致伸缩材料决定的最大量程为5000nm。压电陶瓷的作用是扩大量程的范围，当需要测量更大的量程时，可通过上述类似的方法，将压电陶瓷测量的初始点选为其量程的中点，通过控制电压实现位移的测量，总的量程由铁镓磁致伸缩材料和压电陶瓷量程共同决定。本传感器主要用于精密矫正与测量。
测量精度优于0.01μm；微位移测量接近装置主要由微动马达驱动的伸缩向电推杆4构成；所述磁场检测机构主要由特斯拉计5及其霍尔探头51构成。所述微动马达优选微动步进电机。采用密集采点法筛选出位移-磁场强度(λ-H)输出特性数据重复性好的合金材料，制定传感器定标曲线。有利于确保测量精度。由于压电陶瓷具有极高的位移灵敏度，因此在磁致伸缩位移测量中把压电陶瓷用作定位的辅助信号控制行程开关。微位移测量接近装置用于使用微位移传感器的钨探针端接近被测量部件，也就是使钨探针端到达微位移测量位，满足微位移测量的需要。微位移测量，比如对精密轴圆度偏差的测量：精密轴在一个角度位进行首次伸长测量，首次测量后、退回到起始缩短位，精密轴旋转一定角度到达第二测量位后，进行二次伸长测量，通过前后两次测量的差值，来计算精密轴的圆度偏差；也可以是：微观不平的工件表面平整度测量，先利用微位移测量接近装置移至测量位A点附近，伸长铁镓铽合金磁致伸缩材料部件对工件表面A点测量，缩短铁镓铽合金磁致伸缩材料部件，利用微位移测量接近装置移至测量位B点附近，伸长铁镓铽合金磁致伸缩材料部件对工件表面A点测量，通过前后两次测量的差值，来计算工件表面平整度。其采用通过定标曲线直接测量的方法。由于压电陶瓷的位移灵敏度能达到0.5nm/V，因此它可以作为起始位置和终止位置感应的、隧道电流信号的补充，钨针尖与被测表面接近到纳米数量级时产生的隧道电流和压电陶瓷感受到压力产生的电压信号是控制传感器停止运动的触发信号，采用两种不同感应精度的信号分级控制，可以确保测量系统的工作稳定性。也就是，测量导电工件及极高精度测量时，利用隧道电流信号作为行程开关控制依据；当测量非导电工件，并且测量精度不是极高时，利用钨探针接触到非导电工件，由压电陶瓷感应到压力时产生的压电信号作为行程开关控制依据，做到导电和非导电部件都能测量。因为铁镓合金本身具有高精度的磁致伸缩应变，在理论精度基础上损失一个数量级的情况下，能够达到0.01微米的精度，很好地满足超微米测量的需要。具有磁致伸缩应变精度高，相应速度快，导电和非导电部件都能测量，能很好地满足超微米微位移测量需要的优点。
具体是所述铁镓铽合金磁致伸缩材料部件用真空熔炼炉熔炼，为使成分均匀，在第一次熔炼完成冷却后，再翻转熔炼两次。有利于确保磁致伸缩精度。所述熔炼是用定制的坩埚，在保护气氛下熔炼出长方体粗胚，再加工到部件尺寸。有利于确保磁致伸缩精度。在保护气氛下熔炼出长方体粗胚，再加工到部件尺寸是在保护气氛下熔炼出长方体粗胚，再切销加工到10mm×20mm×100mm的部件尺寸，更适合磁致伸缩微位移传感。
具体是通过基于位置反馈的闭环控制电路来实现铁镓驱动器的定位，通过固定于铁镓磁致伸缩微位移传感器端部的压电陶瓷及其尖端的钨探针，实时的控制微位移测量系统。这样相应及时，实现精准定位。通过控制励磁电流使驱动磁场逐渐增加，驱动磁场的增加导致铁镓磁致伸缩部件位移的增加，当接触到探测距离的边界时，压电陶瓷端部的钨针尖所产生隧道电流反馈给控制电路，使驱动铁镓磁致伸缩部件的励磁电流停止增加；压电陶瓷的位移灵敏度能达到0.5nm/V，传感器的接触误差小于0.001μm；工作时，通过压电陶瓷上钨探针与被测工件间的隧道电流控制初始位置与终止位置的感应，从而实现辅助测量。
具体是初始位置与终止位置用钨探针电极感应，通过针尖与待测工件间的隧道电流感应极间距离；工作时，随着磁场的增加，铁镓铽磁致伸缩部件应变增加，针尖与待测工件逐渐接近，当钨探针与待测工件的距离达到纳米数量级时，产生隧道电流，反馈给磁控系统，停止励磁电流的增加，此时，钨针尖与待测工件间距离不大于0.001μm，定标曲线上与磁场改变对应的应变改变量即为微位移的测量值。铁镓铽合金磁致伸缩部件端部压电陶瓷前端的钨探针通过隧道电流的有无，反馈控制激发磁致伸缩应变的励磁电流，压电陶瓷及其上的钨针尖起到行程开关作用。也就是钨探针尖的尖端与被测部件，达到小于0.001μm的一定距离时，出现隧道电流信号，用于控制的闭环控制电路随即反馈控制激发磁致伸缩应变的励磁电流，从而起到铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器的行程开关作用。
实施例二，如图2所示，本发明铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器与上述实施例一的区别在于微位移测量接近装置主要由微动马达驱动的与伸缩向垂直的平移电推杆4构成；构成磁场检测机构的特斯拉计及其霍尔探头，没在图上显示。被测部件6面为微观上高低起伏的平面。图中在平移电推杆4的推动下，与被测部件6面垂直的钨探针3由初测高点A，平移到再测低点B。初测高点A的检测定位：增加劢磁电流，直到钨探针3与被测部件6产生隧道电流，记录劢磁电流并停止增加劢磁电流，此时定标曲线上与磁场强度所对应的应变即为λ1，因为再测低点B是已知的相对低点，可以通过平移电推杆4将钨探针3直接平移到再测低点B处。不需要将铁镓铽磁致伸缩部件缩短。平稳到再测低点B后，继续增加劢磁电流，直到钨探针3与被测部件6产生隧道电流，记录劢磁电流并停止增加劢磁电流，此时定标曲线上与磁场强度所对应的应变即为λ2，λ2－λ1即为待测值。即初始位置与终止位置用钨探针确定，通过针尖与被测工件间的隧道电流感应极间距离。随着磁场的增加，铁镓铽磁致伸缩应变增加，针尖与被测工件逐渐接近，当钨探针产生隧道电流时，钨针尖与被测工件距离为0.03μm，反馈给磁控系统，停止劢磁电流的增加，定标曲线的位置A与位置B的应变差即为待测应变。
其中，磁场驱动系统的设计。磁驱动装置的设计参数为：电磁铁。极柱直径φ130mm，φ60mm纯铁极头；线圈冷态直流电阻2.2Ω；线圈绝缘电阻优于10MΩ；20mm气隙时中心磁场优于2.0T。35A(φ60mm极面)非水冷工作时间10min；30mm气隙时中心磁场优于1.6T。35A(φ60mm极面)非水冷工作时间10min。
真空铸造驱动器部件。在真空或惰性保护气氛下铸造并加工出10mm×20mm×100mm的传感器零件；在磁致伸缩测量仪的双螺旋线圈中间的试样测试点位置，设计安装传感器专用卡具；在磁致伸缩测量仪的双螺旋线圈中间位置对传感器部件采用阿库洛夫仪(电阻应变片法)和自制的磁致伸缩测量仪分别测量无加载条件下的传感器λ-H定标曲线。
恒温环境条件，由于微位移的测量精度高达0.01μm(10纳米)因此热涨落效应会影响数据的重复性，此外，材料本身、决定材料稳定性的热处理工艺和稀土元素含量均有可能会影响数据的重复性因此设定测试环境温度为25℃。
测量的设计及系统集：传感器依据λ-H曲线工作，通过控制励磁电流改变驱动磁场，驱动磁场与位移的数量关系按λ-H曲线一一对应，当接触到探测距离的边界时，先后触发隧道电流和压电陶瓷的位移电压而使传感器停止运动，由于压电陶瓷的位移灵敏度能达到0.5nm/V，因此它可以作为起始位置和终止位置感应的、隧道电流信号的补充，钨针尖与被测表面接近到纳米数量级时产生的隧道电流和压电陶瓷感受到压力产生的电压信号是控制传感器停止运动的触发信号，采用两种不同感应精度的信号分级控制，可以确保测量系统的工作稳定性。
根据量子力学的隧道效应原理，当钨探针与被测工件两极间的距离接近到原子尺寸数量级时，在两极间将有隧道电流产生，由于其灵敏度达到原子尺寸数量级，并且可以即时反馈，因此可以用隧道电流的产生作为位移测流量起始和终止位置的定位主信号。
总之，本发明铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器具有磁致伸缩应变精度高，相应速度快，能很好地满足超微米微位移测量需要的优点。
Claims (10)
1.一种铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于包括依次配置的微位移测量接近装置和配检测线圈及其磁场检测机构的铁镓铽合金磁致伸缩材料部件以及前设钨探针的压电陶瓷；使用应变λ-磁场Ｈ曲线重复性好的材料，制定传感器定标曲线，加工出所述铁镓铽合金磁致伸缩材料部件；通过微位移测量接近装置实现接近被测工件的粗调定位，通过压电陶瓷上钨探针与被测工件之间生产的隧道电流控制微位移传感器与被探测部件的终点距离实现微调定位，通过检测线圈磁场的增加或降低实现铁镓铽合金磁致伸缩材料部件的伸长和缩短，使用基于位置反馈的闭环控制电路来实现铁镓铽合金磁致伸缩材料部件的伸缩定位测量。
2.根据权利要求1所述铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于测量精度优于0.01μm；微位移测量接近装置主要由永磁微动电机驱动的电推部件构成；所述磁场检测机构主要由特斯拉计及其霍尔探头构成。
3.根据权利要求1所述铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于采用密集采点法筛选出位移-磁场强度(λ-H) 输出特性数据重复性好的合金材料，制定传感器定标曲线。
4.根据权利要求1所述铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于所述铁镓铽合金磁致伸缩材料部件用真空熔炼炉熔炼，并且，在第一次熔炼完成冷却后，再翻转熔炼两次。
5.根据权利要求4所述铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于所述熔炼是用定制的坩埚，在保护气氛下熔炼出长方体粗胚，再加工到部件尺寸。
6.根据权利要求5所述铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于在保护气氛下熔炼出长方体粗胚，加工到部件尺寸是先在保护气氛下熔炼出长方体粗胚，再切销加工到部件尺寸。
7.根据权利要求1所述铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于通过基于位置反馈的闭环控制电路来实现铁镓驱动器的定位，通过固定于铁镓磁致伸缩微位移传感器端部的压电陶瓷及其尖端的钨探针，实时的控制微位移测量系统。
8.根据权利要求7所述铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于通过控制励磁电流使驱动磁场逐渐增加，驱动磁场的增加导致铁镓磁致伸缩部件位移的增加，当接触到探测距离的边界时，压电陶瓷端部的钨针尖所产生隧道电流反馈给控制电路，使驱动铁镓磁致伸缩部件的励磁电流停止增加；压电陶瓷的位移灵敏度能达到0.5nm/V，传感器的接触误差小于0.001μm；工作时，通过压电陶瓷上钨探针与被测工件间的隧道电流控制初始位置与终止位置的感应，从而实现辅助测量。
9.根据权利要求1所述铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于初始位置与终止位置用钨探针电极感应，通过针尖与待测工件间的隧道电流感应极间距离；工作时，随着磁场的增加，铁镓铽磁致伸缩部件应变增加，针尖与待测工件逐渐接近，当钨探针与待测工件的距离达到纳米数量级时，产生隧道电流，反馈给磁控系统，停止励磁电流的增加，此时，钨针尖与待测工件间距离不大于0.001μm，定标曲线上与磁场改变对应的应变改变量即为微位移的测量值。
10.根据权利要求9所述铁镓铽合金磁致伸缩微位移传感器，其特征在于铁镓铽合金磁致伸缩部件端部压电陶瓷前端的钨探针通过隧道电流的有无，反馈控制激发磁致伸缩应变的励磁电流，压电陶瓷及其上的钨针尖起到行程开关作用。
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