Journal of Materials Processing Technology 191 (2007) 96–101
An overview of magnetostriction, its use and methods to measure these properties
N.B. Ekreem lowast;, A.G. Olabi, T. Prescott, A. Rafferty, M.S.J. Hashmi
School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Dublin City University, Glasnevin, Dublin 9, Ireland
Abstract
The paper provides a description of the magnetostriction effects, and an explanation why it occurs. It lists a number of devices where the properties have been put to use, and describes a range of methods which have been used to measure these properties.
copy; 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.
Keywords: Magnetostriction; Magnetic field strength; Magnetic sensors and actuators
Introduction
A magnetostrictive material will change shape when it is placed in a magnetic field. Most ferromagnetic materials exhibit some measurable magnetostriction. Since the phenomenon involves a bidirectional energy exchange between magnetic and elastic states, these materials provide a mechanism both for actuation and sensing applications. They are also successfully employed in a wide variety of devices for vibration control of mechanical equipment.
The nature of this effect is illustrated in Fig. 1. A rod of a magnetic material of length L, is shown surrounded by a coil of wire carrying an electrical current so that a magnetic field, H, is produced along the rod [1]. With the current flowing, the length of the rod increases by a small amount 6L. The strain 6L/L is called the magnetostriction (for which the symbol lambda; is used).
Fig. 1(a) also shows that in addition to an increase in length in the direction of the field, there is also, usually a decrease in length in the perpendicular directions, and as a result of this, the volume of the rod remains nearly, but not quite, constant. Fig. 1(b) also reveals two important features of magnetostriction: firstly for high values of H, lambda; eventually reaches a constant value lambda;sat, indicating saturation, and secondly the sign of lambda; does not change when the field H becomes negative. The rod increases in length for both positive and negative values of the magnetic field
lowast; Corresponding author. Tel.: 353 1 7005843; fax: 353 1 7005345.
E-mail addresses: nasser.ekreem2@mail.dcu.ie (N.B. Ekreem), abdul.olabi@dcu.ie (A.G. Olabi), tim.prescott@dcu.ie (T. Prescott), Aran.Rafferty@dcu.ie (A. Rafferty), saleem.hashmi@dcu.ie (M.S.J. Hashmi).
strength. (Magnetostriction is therefore a second order effect [2].)
The principal magnetostrictive effects observed experimen- tally are: (1) The Joule effect. This can be an extension or a contraction in the same direction as the magnetic field or in some other direction. (2) The volume effect (volumetric expan- sion), a very weak effect. (3) The Wiedemann effect (a shear strain response to the magnetic field, analogous to the tensile or compressive strain produced in the Joule effect). In addition, inverse effects are also observed, such as the Villari effect. In this case there is a change in magnetic permeability in response to an applied stress. This is also referred to as a magnetostrictive effect or a magnetomechanical effect. For most transducer appli- cations the maximum force or movement are desired as outputs, and so the Joule effect or its inverse, the Villari effect are the most useful in technology. Therefore the discussion that follows will concentrate primarily on these effects. Information on other effects can be found in reference [3].
An explanation why magnetostriction occurs
The two largest contributions to magnetic effects arise because of the movements of unpaired electrons. Because elec- trons spin, a magnetic field is produced, and because electrons also move in orbitals around the atomic nucleus, another mag- netic field is also produced. There is an interaction between these magnetic fields, which causes the spins of different unpaired electrons close to each other to align along the same direction, and there is also an interaction causing the orbitals to align also in the same direction, if there is freedom to do so [4].
0924-0136/$ – see front matter copy; 2007 Elsevier B.V. All rights reserved. doi:10.1016/j.jmatprotec.2007.03.064
N.B. Ekreem et al. / Journal of Materials Processing Technology 191 (2007) 96–101 97
Fig. 1. Joule magnetostriction. (a) The changes in shape in response to the magnetic field H. H is proportional to the current that passes through the solenoid.
(b) The relationship between 6L/L and H.
However in crystalline solids the atoms are arranged in reg- ular patterns and the distance between one atom or ion and its neighbours is fixed within certain limits. General attrac- tive forces cause the atoms to approach each other and to be as close to each other as possible. However the limiting factor opposing this movement is the orbitals of the outer electrons of each atom or ion. The orbitals cannot cross over each other. Now, with the exception of the electrons involved in elec- trical conductivity in metals, it is a
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磁致伸缩的概述，其使用和测量这些性能的方法
摘要
本文提供了磁致伸缩效应的描述，以及它为什么发生的解释。它列出了许多已经将这些属性投入使用的设备，并描述了一系列用于测量这些属性的方法。
关键词：磁致伸缩;磁场强度;磁传感器和执行器。
1.简介
磁致伸缩材料在放置在磁场中时会改变形状。大多数铁磁材料表现出一些可测量的磁致伸缩。由于这种现象涉及磁性和弹性状态之间的双向能量交换，所以这些材料为致动和传感应用提供了一种机制。它们也成功应用于各种机械设备的振动控制装置。这种效果的性质如图1所示。长度为L的磁性材料的棒被示出为带有电流的线圈围绕，使得沿着杆[1]产生磁场H。随着电流的流动，杆的长度增加了少量6L。应变6L/L称为磁致伸缩（使用符号lambda;）。
另外，图1（a）也表示出除了场的长度的增加之外，垂直方向的长度通常也减小，其结果是棒的体积几乎保持不变，但不是很稳定。图1（b）也揭示了磁致伸缩的两个重要特征：首先对于H的高值，lambda;最终达到恒定值lambda;sat，表示饱和，其次当场H变为负时，lambda;的符号不变。对于磁场强度的正值和负值，棒的长度都增加。（磁致伸缩因此是二阶效应[2]）
实验观察到的主要磁致伸缩效应是：（1）焦耳效应。这可以是在与磁场相同的方向上的延伸或收缩，或者在一些其它方向上。（2）体积效应（体积膨胀），效果很弱。（3）Wiedemann效应（对于磁场的剪切应变响应，类似于焦耳效应产生的拉伸或压缩应变）。此外，还观察到逆效应，如Villari效应。在这种情况下，响应于施加的应力，磁导率有变化。这也称为磁致伸缩效应或磁力机械效应。对于大多数传感器应用，最大的力或运动是期望的输出，因此焦耳效应或其逆，维利亚里效应是最有用的技术。因此，下面的讨论将主要集中在这些影响上。有关其他影响的信息可参见参考文献[3]。
图1焦耳磁致伸缩效应（a）响应于磁场H的形状变化.H与通过螺线管的电流成比例(b)6L/L与H之间的关系
2.解释为什么磁致伸缩发生
由于不成对电子的运动，产生了磁效应的两个最大的贡献。因为电子自旋，产生磁场，并且由于电子也在原子核周围的轨道上移动，所以产生另一个磁场。这些磁场之间存在相互作用，这导致不同的不成对电子的自旋彼此靠近沿着相同的方向对齐，并且还存在使得轨道也在相同方向上对准的相互作用，如果有这样做的自由度的话[4]。
然而在结晶固体中，原子排列成规则的图案，一个原子或离子与其邻近点之间的距离固定在一定限度内。一般的吸引力会导致原子彼此接近并尽可能靠近彼此。然而，与这种运动相反的限制因素是每个原子或离子的外部电子的轨道。轨道不能互相交叉。现在，除了涉及金属电子导电性的电子之外，它是在不成对的电子可能发生的外部电子之中，并且是产生材料的磁性的这些相同的电子。
电子轨道通常被描绘为圆形，但是对于最小和最简单的原子或对于更复杂的原子中的最内部的电子而言，这只是真实的。在最令人感兴趣的磁性材料中，外部电子轨道是非常不对称的，在一个方向上被拉长并在另一个方向上变平。同样在晶格中，单个原子或离子与其最近邻居之间的距离取决于邻居在哪里。对于以矩形图案排列的原子，最近的邻居是行中的下一个原子，但最接近在90°的方向，该行可能会更远，而最靠近45°的方向行可能会更远，等等。因此，在大多数晶格中存在用于容纳沿一个方向延伸的电子轨道的范围。
因此，存在一些特定于容易磁化材料的晶体的方向，并且因此，少量的原子或离子倾向于自发地组织到磁畴中，其中不成对电子的自旋和轨道都是对齐的然而，由于能源考虑，这些领域不能非常大。除非对材料施加外部磁场，否则在材料样品中存在大量畴的能量被最小化，每个畴中的磁场沿不同的方向取向。
当产生外部磁场时，与外部场最紧密对应的域将增长，而所有其他域将在尺寸上减小[5]。根据晶体的取向，存在电子轨道不能与外部磁场的方向对准的一些情况，而不会在原子或离子之间发生变化。这些距离必须增加，以使轨道变得对准。这些长度变化可能导致晶体结构在与磁场相同的方向上变细，或者在与该方向成直角的多个方向中的一个方向上变长。在最后的情况下，也可能在与磁场相同的方向上收缩晶体。
3.磁致伸缩的应用
磁致伸缩致动器超过其他类型的一个优点是其驱动电压可以非常低，这在医疗应用中是有用的，并且通常简化了放大器设计。当磁致伸缩材料经受交变磁场时，材料以该频率的两倍振动，并且该磁致伸缩振动是变压器发出的嗡嗡声的主要来源。相反，如果磁致伸缩材料受到机械应力，则其磁导率将由于反向磁致伸缩效应而改变。如果同时材料受到具有交流电的线圈产生的交变磁场，则磁通密度模式也将由于磁导率的变化而改变。这种效应可以在单独的“拾取”线圈中检测，其中交变磁通将诱导交变电动势，其大小随着材料的磁导率而变化。这种效应在磁致伸缩传感器中被利用，它们能够将电能转换成机械能。
现代磁致伸缩材料如Terfenol-D通常制造成具有几乎垂直于杆轴的残余磁场的棒。这是因为当沿着杆轴施加外部磁场时，具有已经与杆轴对准的磁场的材料中的畴不会改变方向。因此，它们不会有助于磁致伸缩。因此，具有随机排列的畴的杆仅产生最大可能的磁致伸缩的约五分之二。因此，期望将所有的畴排列成与棒轴垂直的任何方向对齐。这可以在制造过程中近似。然而，为了实现沿着杆轴线的方向不对准的初始状态，需要机械预加载。[6]研究了预应力对Terfenol-D换能器动态性能的影响。
3.1.执行器的应用
最常用于致动应用的商用磁致伸缩材料是Terfenol-D。这是因为在其性能上具有高的转换能量密度，可以在宽频带宽上实现大的力量和快速的响应。主要应用于声纳传感器[7-10]，直线电机[11-15]，旋转电机[16-18]和混合磁致伸缩/压电器件[19-21]。
3.2传感器的应用
最常见的传感器是扭矩传感器[22,23]，位置传感器[24,25]和力传感器[1]。
4.磁致伸缩效应的测量
磁致伸缩测量技术可以被广泛地分类为直接或间接的，这取决于应变是直接测量的还是从根据应变的某种其他性质的测量推导出磁致伸缩。直接方法使磁致伸缩应变能够作为施加场的函数进行测量，而间接方法仅适用于测量饱和磁导率lambda;sat。
4.1直接测量
对于结晶材料，使用应变计是最常见的方法;它们易于处理，但灵敏度有限。最敏感的方法是电容法[26]。直接方法需要特殊的样品制备。最常见的技术如下。
4.1.1压力计方法
这些方法广泛用于测量晶体和非晶材料中的磁致伸缩[27]。这些方法的优点是可以在宽温度范围内使用，成本低。其中一些只能用于带状形式的材料，在这种情况下，它们不适用于电线或薄膜。[28]。
图2中给出了合适的应变仪。它由薄膜与电线连接，它蜿蜒在电影的一个区域。电线的电阻与其经历的应变量成比例变化。当应变仪弯曲时，其电阻增加。然而，变化非常小，因此惠斯通电桥是进行精确测量所必需的。虚拟负载可用于校准和补偿温度和磁场变化。研究10-6以上的大或中等磁致伸缩是方便的，这在工业实验室就是这种情况[29]。这种应变计是由金匠于1947年开发的。类似的系统由Chaudhri等人描述[30]。这可以测量应变到10-6的水平。
图2一般设置的应变片
4.1.2透析法
4.1.2.1隧道尖膨胀计
基于这种方法的系统由Brizzola等人描述[31]。该系统的结构如图3所示。该系统包括四个主要部分：螺线管，传导电力的磁致伸缩样品，位置敏感检测器的隧道尖端和反馈控制电路。螺线管内部沿着其轴线安装石英管以保持磁致伸缩样品，其为带状物，线或棒。
使用压电激活器来控制隧道尖端的位置。通过将关于隧道电流的信息作为控制信号反馈到压电激活器，保持尖端和样品之间的恒定的间隙宽度。因此，可以通过监视反馈控制信号来确定色带的长度变化。测量范围为10-9至10-5的位移。
图3用于测量磁致伸缩的隧道尖端膨胀计
4.1.2.2电容膨胀测定法
电容位移传感器广泛应用于需要高灵敏度的应用中。电容法是测量固体的小长度变化的最灵敏的方法之一。实际上，机械样品质量的精确度受到限制。然而，为了达到最高的灵敏度和可重复性，在设计容量单元时需要特别的努力。观察到由磁致伸缩引起的样品尺寸的任何变化，作为两个电极之间的电容变化，其中一个随着样品尺寸的变化而移动[32]。White在1961年描述了第一个电容单元之一，在那里他采用了带有保护电极的可变间隙电容[33]。后来，Tsuya等适用于三端电容膨胀计，用于测量直径为0.5-10 mm的球形样品的磁致伸缩。由于大多数这种电容电池组件由铜制成，所以热漂移和机械振动都显着降低，导致测量小球状晶体的磁致伸缩的高灵敏度和可靠性。
Boley等人开发了一种类似的实验方法。[34]，其目的是足够准确地根据其磁致伸缩特性对不同的铁磁材料进行排列。这是生产有效的磁弹性扭矩传感器的重要考虑因素。在这种方法中，磁致伸缩效应由大的振荡磁场产生，能够达到材料的饱和水平，然后通过电容变化来检测。
Briss et al设计了另一个三端子电容电池，能够使用超导分压线圈磁体测量室温和4 K之间的大范围磁致伸缩值[35]。所使用的试样通常是盘形的，并且磁场被施加在盘的平面中并且可以在该平面中旋转。他们发现，在较低的温度下，铽的巨大的各向异性扭矩破坏了粘结，并推荐了另一种安装方式来克服这个问题。考虑的一个可能性是使用薄壁圆柱形支撑件，围绕圆周间隔开，以适应样品周长的任何体积变化或变形。
除了在稳定或缓慢变化的磁场中使用电容法之外，该方法也可用于脉冲场。Heremans等人描述了这些领域的特殊电容式仪器[36]。他们已经表示，这些技术原则上比稳态电容膨胀测量法更不敏感。然而，尽管在高度瞬态场中电容测量存在许多技术困难，但是脉冲磁场方法具有实际的优点，例如测量所需的时间非常短，可以在任何温度下工作，并避免温度漂移。
4.1.3光学干涉测量
传统的光学方法是最简单的方法;使用光学杆[37]测量磁性物质的变形。长度的变化可以被测量为由安装在光学杆上的反射镜反射的光束的反射角的变化。当样品随着磁场的增加而变形时，杆中的变形引起光学杆的旋转。然而，该方法需要相对较大的样品，因此不能应用于尺寸小于1mm的微小样品的测量[37]。
激光采用多种方法，提供高测量精度。Rafferty等人最近的一篇出版物[38]描述了使用激光的方法。由5555匝组成的铜螺线管用于在用于激光位移传感器的合适的非金属测试框架中产生静态磁场。利用该系统，可实现750G的磁场强度。使用三角测量原理估算磁致伸缩测量值。使用从两个不同供应商获得的Terfenol-D基材料的磁致伸缩特性来测试该系统。两者都显示出正磁致伸缩，其值与文献中的值一致。该方法的主要优点是在探针和样品之间不需要接触。问题包括由于热效应导致的激光束漂移。
光学方法在非常小的位移测量方面取得了显着的进展[39,40]，其应用允许在高精度的微小样品中测量磁致伸缩，并且探针和样品之间没有任何接触。
一种新的光学技术被应用于散装样品中的磁致伸缩测量[39]。该技术利用光纤束，交流调制光和锁定检测。样品的变形根据入射光强度和反射光强度之比确定。通过该方法可以测量1mm厚样品中的5times;10-7的磁致伸缩。Squire et al已经描述了用于测量带状样品中的磁致伸缩的光纤膨胀计[41]。该膨胀计使用样品作为两个光纤之间的快门，如图4所示。样品的一端连接到刚性基底;否则样品沿其轴线自由应变。
样品中的磁致伸缩应变改变光纤之间传输的光量。该系统能够以10-7的灵敏度作为施加场的函数来测量带状样品的磁致伸缩。
使校准更简单和更可重复的一个有用的改进将是以闭环模式操作系统。压电致动器将移动距离光纤最远的样品的端部，使得相同量的光将在样品另一端的光纤之间传输。因此，该位移对于执行器的精度而言是已知的，无需进一步的校准。
Bellesis等人描述了一种悬臂法，其中偏转由激光多普勒干涉仪检测[42]。使用沉积在250mu;m硅衬底上的约1mu;m厚的膜，它们获得约10-8的分辨率用于饱和磁致伸缩。
图4光纤膨胀计的原理
4.2间接测量
间接测量是基于Villari效应的技术，它是焦耳磁致伸缩的倒数。施加到样品上的应力将导致该样品的磁性变化。这些技术被指定为磁致伸缩的间接测量，因为它们不产生样品长度变化的直接测量。基于这种效应的几种技术已被用于测量磁致伸缩。
4.2.1磁共振（FMR）
这种技术涉及将已知应力施加到样品上，并通过观察铁磁共振的偏移来确定磁导率。史密斯等人已经开发出了这种技术[43]。由于电容和电感存在于同一电路中，所以产生谐振。了解频率和电容可以做出电感的估计，这导致了磁导率的估计。该技术的主要优点是可以测量非常小的样品的性质。
4.2.2小角度磁化旋转（SAMR）
在该方法中，沿纵向施加足够高的饱和样品的静态磁场，并且在另一个螺线管上沿横向施加小的交流电场。这产生磁场旋转，其可以被检测为感测线圈中的感应电压，第三线圈，围绕样品[44]。另外，对样品施加可变拉伸应力。随着应力的变化，直流电场也是变化的，以保持感测线圈中的电压恒定。直流场的这种变化给出了各向异性应力场的磁
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