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[摘 要]目前，国产的磁致伸缩液位传感器在测量精度、量程等方面与国外先进水平尚有一定差距。本文根据磁致伸缩液位传感器的工作原理，总结了磁致伸缩液位传感器的三个研究关键点、磁致伸缩效应、逆磁致伸缩效应和波导丝轴向应力，并依据国内外的研究现状对三个关键点的研究方法提出观点。
[关键词]磁致伸缩液位传感器 磁致伸缩效应 磁致伸缩逆效应 波导丝轴向应力
中图分类号：TU151 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0178-02
随着传感器、检测技术的发展，近年来磁致伸缩液位传感器以其量程大、测量精度高、经久耐用、安全可靠性高等优点广泛引应用于石油、化工、汽车、航天等领域[1-4]。但是国内应用的磁致伸缩液位传感器大多依靠国外进口，国内有关高校、科研院所、企业研制的磁致伸缩液位传感器在量程和精度方面与国外领先水平尚有较大差距。目前，国外公司在此前直杆式磁致伸缩液位传感器的基础上又研制出一种软缆磁致伸缩液位传感器，在保持磁致伸缩原有磁致伸缩液位传感器的优势的前提下，进一步扩大了量程，同时解决了原先磁致伸缩液位传感器安装不便的问题。
1.磁致伸缩液位传感器的工作原理及三个研究关键点
磁致伸缩液位传感器工作原理如图1所示，将波导丝轴向通以脉冲电流，脉冲电流流过感应线圈覆盖区域，引起感应线圈内磁通变化，在感应线圈上激发出感应电压。根据麦克斯韦电磁理论，脉冲电流将在垂直波导丝轴向的截面上产生环形磁场，随脉冲电流流过波导丝。当脉冲电流流经磁环覆盖区域时，脉冲电流产生的垂直波导丝的环形磁场与磁环产生的平行于波导丝的轴向磁场相叠加，产生一个扭转磁场。由于波导丝的磁致伸缩效应，扭转磁场使波导丝产生扭转变形，从而激发扭转波。扭转波向波导丝两端传播，经过感应线圈覆盖区域时，由于磁致伸缩逆效应的作用，引起感应线圈内磁通的变化，从而在感应线圈上激发出感应电压。最后扭转波被波导丝两端的阻尼器吸收。由于脉冲电流的速度远大于扭转波传播的速度，感应线圈上两次感应电压的时间差乘以扭转波速度即为磁环距离感应线圈的距离。
由于扭转波激发的感应电压幅度比较微弱只有20mV左右，因此在大量程、高精度的磁致伸缩液位传感器设计过程中，提高扭转波感应电压强度就显得尤为重要。
从磁致伸缩液位传感器的工作原理中可以看出，磁致伸缩效应的强度直接关系着扭转波的大小。越大量程的磁致伸缩液位传感器，扭转波在波导丝上的传播距离越长，能量损耗越明显，从而对扭转波强度的要求也就越高。因此如何提高磁致伸缩效应的强度也就成为了磁致伸缩液位传感器的一个关键点。
此外，由于逆磁致伸缩效应，扭转波在波导丝上传播伴随着波导丝内的磁畴偏转，在感应线圈覆盖的区域，磁畴偏转改变了感应线圈内的磁通量，从而激发出感应电压。由此可见，逆磁致伸缩效应的强度直接关系着波导丝扭转波到线圈感应电压的转换效率，从而影响感应电压强度。因此如何提高逆磁致伸缩效应的强度就成为了磁致伸缩液位传感器的另一个关键点。
最后，由于磁致伸缩材料可以抽象成一个磁-热-力相耦合的模型[5]，且参考国外先进软缆磁致伸缩液位传感器结构设计专利[6]，波导丝的轴向受力是磁致伸缩液位传感器安装成型的必然要求。因此，波导丝受力的大小对扭转波和感应电压的影响，则成为磁致伸缩液位传感器现阶段研究的第三个关键点。
2.磁致伸缩效应研究现状及发展方向
磁致伸缩效应的研究主要针对磁致伸缩液位传感器波导丝上轴向磁场与周向磁场叠加激发扭转波的过程。经过国内外学者的不懈努力，对波导丝磁致伸缩效应的研究已经取得丰硕的成果。张露予[7]等人对波导丝的磁致伸缩模型建立了数学模型，并分析了轴向、周向磁场强度对感应电压的影响。吴贞妍[8]等人又通过大量的实验，总结了电流脉冲的幅值、脉宽对感应电压的影响。但是，由于计算方法比较复杂，过程中变量较多，理论计算与实验的方法均存在较大的局限性，例如，对轴向磁场的均匀性考虑不周到，无法灵活地对多种可能的偏置磁场方案做出对比。
现在，有关磁致伸缩效应的研究还有另一种更广泛的应用，即在导波分析、无损探伤领域的研究。两类研究均利用了金属材料的磁致伸缩特性，虽然原理不同，但是研究方法存在一定可借鉴的地方。在导波分析中，众多研究者会使用有限元仿真的方法，模拟导波在金属材料上产生、传导、接收的过程[9-11]。而此类方法，也可以在磁致伸缩液位传感器的研究中应用，近年来仅有少量学者在此方向上做出尝试，并针对方针结果得出了结论[12]。但是这些研究大多集中在轴向磁场分布和波导丝上电流产生的周向磁场分布，也缺乏一款适合的仿真软件来支持这方面的研究。
ansoftmaxwell是一款重点面向电磁场分析软件。向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器时的Maxwell3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。通常用来分析涡流、位移电流、集肤效应和邻近效应不可忽视的复杂系统，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性。特别是其根据电、磁场的相互作用，集成了直接计算扭力的算法模块，非常适用于磁致伸缩液位传感器的磁致伸缩效应分析。对磁致伸缩效应的仿真和磁致伸缩液位傳感器脉冲电流、偏置磁场参数确定具有重要意义。
3.逆磁致伸缩效应研究现状及发展方向
逆磁致伸缩效应的研究主要针对磁致伸缩液位传感器上感应线圈将波导丝上扭转波转化为感应电压的过程。针对该过程的研究，现在国内外还主要停留在定性分析的层面上。主要难点集中在波导丝上扭转波引起磁畴偏转过程的研究尚不明晰；扭转波传播过程伴随的波导丝扭转、位移无法计算。针对这些问题，尚没有具有压—磁转化的模型的有限元模型对过程进行仿真，于海阔等人通过压电-压磁比拟法对逆磁致伸缩效应进行了分析[13]。
目前，针对此类问题的研究尚没有统一的研究方法和公认的结论，但是这方面的问题对磁致伸缩液位传感器接收线圈的绕线方式、如何在接收端添加偏置磁场，从而提高感应信号强度，增加磁致伸缩液位传感器量程具有很大意义。 4.波导丝轴向力的研究意义
波导丝轴向力的研究主要针对波导丝上轴向应力对扭转波信号的影响。研究意义主要来自于两个方面：首先，磁致伸缩材料是一个磁-热-力模型，磁致伸缩材料的磁-力转化效应也被广泛应用于磁致伸缩换能器、微位移传感器的研究中[14-15]，其研究机理正是基于力的作用会使磁致伸缩材料内部磁畴偏转，而磁畴偏转会引起感应线圈磁通的变化，通过感应信号的强度来判定力作用的大小。由此推论，预置应力对磁致伸缩材料的磁畴方面有影响，即影响磁畴的初始状态。磁畴初状态发生偏转可以使原先垂直于扭转方向，不易于被磁化偏转的磁畴发生偏转，从而达到增加感应信号强度的目的。其次，针对国外先进磁致伸缩液位传感器的发明专利[6]，如图2所示，
在传感器尾端，波导丝通过弹簧（22）产生力，作用于固定螺栓（17）和波导丝末端阻尼器（24）上，弹簧处于压缩状态，从而保持波导丝受到均匀推力，处于张紧状态。因此，从外国先进磁致伸缩液位传感器产品结构来分析，波导丝被施加了轴向应力。而针对此应力的大小和此应力对波导丝扭转波强度的影响国内外的研究成果公开，也就使进一步的研究具有了重要的意义。
5.结论
本文针对磁致伸缩液位传感器的工作原理，提出了磁致伸缩效应、磁致伸缩逆效应、波导丝轴向应力三个关键点，并分别对三个关键点进行了研究现状和研究前景的分析：
1）通过ansoftmaxwell有限元软件对磁致伸缩效应的过程进行仿真，充分发挥其扭力计算的优势，调节脉冲电流和偏置磁场的参数，寻找扭转波强度最大的条件。
2）压电-压磁比拟法的可行性有待更充分的论证。通过压电效应，模拟逆磁致伸缩效应的过程，将逆磁致伸缩效应的效率最大化。
3）从磁畴偏转理论和弹性波理论分析轴向应力对弹性波产生和传播过程的影响，通过实验验证理论分析，调节波导丝轴向应力，使扭转波前度达到最大值。
参考文献
[1] 仲军，熊小荣.磁致伸缩液位计安装故障处理[J].化工自动化及仪表，2014，41（6）：728-730.
[2] 靳利波.磁致伸缩位移传感器在汽车减震器中的应用研究[D]，郑州：郑州大学，2013：1-65.
[3] 李晓峰.MA60飞机燃油试验台燃油测量系统[J].测控技术，2015，34（1）：39-41.
[4] 付永庆，杨佳彬.基于磁致伸缩原理的汽车油量仪的设计[J].应用科技，2015，42（4）：48-52.
[5] 王跃虎，王博文.磁致伸缩材料的磁-热-力耦合模型及其仿真分析[J].磁性材料及器件，2015，46（6）：1-5.
[6] Richard D.Koski，Troy，Mich.Liquid level detection apparatus with flexible outer housing[P].United States： 005929763[A]，1999-7-29.
[7] 张露予，王博文.螺旋磁场作用下磁致伸缩位移传感器的输出电压模型及实验[J].2015，30（12）：21-26.
[8] 吴贞妍.基于FPGA的高温型磁致伸缩液位传感器的设计与实现[D]，北京：北京科技大学，2015：1-67.
[9] 赵继辰.螺旋波纹结构超声导波传播特性及典型缺陷检测研究[D]，北京：北京工业大学，2013：1-133.
[10] 张玲玲.电磁超声导波在管道中传播机理的仿真研究[D]，沈阳：沈阳工业大学，2010：1-59.
[11] 王秀彦，孙雅欣.ANSYS二次开发技术在弯管缺陷超声导波检测数值模拟中的应用[J].无损检测，2006，28（8）：413-415.
[12] 汪麗群.基于CPLD与单片机的磁致伸缩位移传感器系统设计与实现[D]，南京：南京航空航天大学研究生院自动化学院，2014：1-79.
[13] 于海阔，徐爱群.基于ANSYS的磁致伸缩逆效应仿真方法研究[J].磁性材料及器件，2016，47（1）：9-13.
[14] 舒亮，李传.Fe-Ga合金磁致伸缩力传感器磁化模型建立与特性分析[J].农业机械学报，2015，46（5）：344-349.
[15] 王学凤，张志杰.磁致伸缩测量仪[J].物理实验，2013，33（3）：14-20.
[关键词]磁致伸缩液位传感器 磁致伸缩效应 磁致伸缩逆效应 波导丝轴向应力
中图分类号：TU151 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0178-02
随着传感器、检测技术的发展，近年来磁致伸缩液位传感器以其量程大、测量精度高、经久耐用、安全可靠性高等优点广泛引应用于石油、化工、汽车、航天等领域[1-4]。但是国内应用的磁致伸缩液位传感器大多依靠国外进口，国内有关高校、科研院所、企业研制的磁致伸缩液位传感器在量程和精度方面与国外领先水平尚有较大差距。目前，国外公司在此前直杆式磁致伸缩液位传感器的基础上又研制出一种软缆磁致伸缩液位传感器，在保持磁致伸缩原有磁致伸缩液位传感器的优势的前提下，进一步扩大了量程，同时解决了原先磁致伸缩液位传感器安装不便的问题。
1.磁致伸缩液位传感器的工作原理及三个研究关键点
磁致伸缩液位传感器工作原理如图1所示，将波导丝轴向通以脉冲电流，脉冲电流流过感应线圈覆盖区域，引起感应线圈内磁通变化，在感应线圈上激发出感应电压。根据麦克斯韦电磁理论，脉冲电流将在垂直波导丝轴向的截面上产生环形磁场，随脉冲电流流过波导丝。当脉冲电流流经磁环覆盖区域时，脉冲电流产生的垂直波导丝的环形磁场与磁环产生的平行于波导丝的轴向磁场相叠加，产生一个扭转磁场。由于波导丝的磁致伸缩效应，扭转磁场使波导丝产生扭转变形，从而激发扭转波。扭转波向波导丝两端传播，经过感应线圈覆盖区域时，由于磁致伸缩逆效应的作用，引起感应线圈内磁通的变化，从而在感应线圈上激发出感应电压。最后扭转波被波导丝两端的阻尼器吸收。由于脉冲电流的速度远大于扭转波传播的速度，感应线圈上两次感应电压的时间差乘以扭转波速度即为磁环距离感应线圈的距离。
由于扭转波激发的感应电压幅度比较微弱只有20mV左右，因此在大量程、高精度的磁致伸缩液位传感器设计过程中，提高扭转波感应电压强度就显得尤为重要。
从磁致伸缩液位传感器的工作原理中可以看出，磁致伸缩效应的强度直接关系着扭转波的大小。越大量程的磁致伸缩液位传感器，扭转波在波导丝上的传播距离越长，能量损耗越明显，从而对扭转波强度的要求也就越高。因此如何提高磁致伸缩效应的强度也就成为了磁致伸缩液位传感器的一个关键点。
此外，由于逆磁致伸缩效应，扭转波在波导丝上传播伴随着波导丝内的磁畴偏转，在感应线圈覆盖的区域，磁畴偏转改变了感应线圈内的磁通量，从而激发出感应电压。由此可见，逆磁致伸缩效应的强度直接关系着波导丝扭转波到线圈感应电压的转换效率，从而影响感应电压强度。因此如何提高逆磁致伸缩效应的强度就成为了磁致伸缩液位传感器的另一个关键点。
最后，由于磁致伸缩材料可以抽象成一个磁-热-力相耦合的模型[5]，且参考国外先进软缆磁致伸缩液位传感器结构设计专利[6]，波导丝的轴向受力是磁致伸缩液位传感器安装成型的必然要求。因此，波导丝受力的大小对扭转波和感应电压的影响，则成为磁致伸缩液位传感器现阶段研究的第三个关键点。
2.磁致伸缩效应研究现状及发展方向
磁致伸缩效应的研究主要针对磁致伸缩液位传感器波导丝上轴向磁场与周向磁场叠加激发扭转波的过程。经过国内外学者的不懈努力，对波导丝磁致伸缩效应的研究已经取得丰硕的成果。张露予[7]等人对波导丝的磁致伸缩模型建立了数学模型，并分析了轴向、周向磁场强度对感应电压的影响。吴贞妍[8]等人又通过大量的实验，总结了电流脉冲的幅值、脉宽对感应电压的影响。但是，由于计算方法比较复杂，过程中变量较多，理论计算与实验的方法均存在较大的局限性，例如，对轴向磁场的均匀性考虑不周到，无法灵活地对多种可能的偏置磁场方案做出对比。
现在，有关磁致伸缩效应的研究还有另一种更广泛的应用，即在导波分析、无损探伤领域的研究。两类研究均利用了金属材料的磁致伸缩特性，虽然原理不同，但是研究方法存在一定可借鉴的地方。在导波分析中，众多研究者会使用有限元仿真的方法，模拟导波在金属材料上产生、传导、接收的过程[9-11]。而此类方法，也可以在磁致伸缩液位传感器的研究中应用，近年来仅有少量学者在此方向上做出尝试，并针对方针结果得出了结论[12]。但是这些研究大多集中在轴向磁场分布和波导丝上电流产生的周向磁场分布，也缺乏一款适合的仿真软件来支持这方面的研究。
ansoftmaxwell是一款重点面向电磁场分析软件。向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器时的Maxwell3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。通常用来分析涡流、位移电流、集肤效应和邻近效应不可忽视的复杂系统，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性。特别是其根据电、磁场的相互作用，集成了直接计算扭力的算法模块，非常适用于磁致伸缩液位传感器的磁致伸缩效应分析。对磁致伸缩效应的仿真和磁致伸缩液位傳感器脉冲电流、偏置磁场参数确定具有重要意义。
3.逆磁致伸缩效应研究现状及发展方向
逆磁致伸缩效应的研究主要针对磁致伸缩液位传感器上感应线圈将波导丝上扭转波转化为感应电压的过程。针对该过程的研究，现在国内外还主要停留在定性分析的层面上。主要难点集中在波导丝上扭转波引起磁畴偏转过程的研究尚不明晰；扭转波传播过程伴随的波导丝扭转、位移无法计算。针对这些问题，尚没有具有压—磁转化的模型的有限元模型对过程进行仿真，于海阔等人通过压电-压磁比拟法对逆磁致伸缩效应进行了分析[13]。
目前，针对此类问题的研究尚没有统一的研究方法和公认的结论，但是这方面的问题对磁致伸缩液位传感器接收线圈的绕线方式、如何在接收端添加偏置磁场，从而提高感应信号强度，增加磁致伸缩液位传感器量程具有很大意义。 4.波导丝轴向力的研究意义
波导丝轴向力的研究主要针对波导丝上轴向应力对扭转波信号的影响。研究意义主要来自于两个方面：首先，磁致伸缩材料是一个磁-热-力模型，磁致伸缩材料的磁-力转化效应也被广泛应用于磁致伸缩换能器、微位移传感器的研究中[14-15]，其研究机理正是基于力的作用会使磁致伸缩材料内部磁畴偏转，而磁畴偏转会引起感应线圈磁通的变化，通过感应信号的强度来判定力作用的大小。由此推论，预置应力对磁致伸缩材料的磁畴方面有影响，即影响磁畴的初始状态。磁畴初状态发生偏转可以使原先垂直于扭转方向，不易于被磁化偏转的磁畴发生偏转，从而达到增加感应信号强度的目的。其次，针对国外先进磁致伸缩液位传感器的发明专利[6]，如图2所示，
在传感器尾端，波导丝通过弹簧（22）产生力，作用于固定螺栓（17）和波导丝末端阻尼器（24）上，弹簧处于压缩状态，从而保持波导丝受到均匀推力，处于张紧状态。因此，从外国先进磁致伸缩液位传感器产品结构来分析，波导丝被施加了轴向应力。而针对此应力的大小和此应力对波导丝扭转波强度的影响国内外的研究成果公开，也就使进一步的研究具有了重要的意义。
5.结论
本文针对磁致伸缩液位传感器的工作原理，提出了磁致伸缩效应、磁致伸缩逆效应、波导丝轴向应力三个关键点，并分别对三个关键点进行了研究现状和研究前景的分析：
1）通过ansoftmaxwell有限元软件对磁致伸缩效应的过程进行仿真，充分发挥其扭力计算的优势，调节脉冲电流和偏置磁场的参数，寻找扭转波强度最大的条件。
2）压电-压磁比拟法的可行性有待更充分的论证。通过压电效应，模拟逆磁致伸缩效应的过程，将逆磁致伸缩效应的效率最大化。
3）从磁畴偏转理论和弹性波理论分析轴向应力对弹性波产生和传播过程的影响，通过实验验证理论分析，调节波导丝轴向应力，使扭转波前度达到最大值。
参考文献
[1] 仲军，熊小荣.磁致伸缩液位计安装故障处理[J].化工自动化及仪表，2014，41（6）：728-730.
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[5] 王跃虎，王博文.磁致伸缩材料的磁-热-力耦合模型及其仿真分析[J].磁性材料及器件，2015，46（6）：1-5.
[6] Richard D.Koski，Troy，Mich.Liquid level detection apparatus with flexible outer housing[P].United States： 005929763[A]，1999-7-29.
[7] 张露予，王博文.螺旋磁场作用下磁致伸缩位移传感器的输出电压模型及实验[J].2015，30（12）：21-26.
[8] 吴贞妍.基于FPGA的高温型磁致伸缩液位传感器的设计与实现[D]，北京：北京科技大学，2015：1-67.
[9] 赵继辰.螺旋波纹结构超声导波传播特性及典型缺陷检测研究[D]，北京：北京工业大学，2013：1-133.
[10] 张玲玲.电磁超声导波在管道中传播机理的仿真研究[D]，沈阳：沈阳工业大学，2010：1-59.
[11] 王秀彦，孙雅欣.ANSYS二次开发技术在弯管缺陷超声导波检测数值模拟中的应用[J].无损检测，2006，28（8）：413-415.
[12] 汪麗群.基于CPLD与单片机的磁致伸缩位移传感器系统设计与实现[D]，南京：南京航空航天大学研究生院自动化学院，2014：1-79.
[13] 于海阔，徐爱群.基于ANSYS的磁致伸缩逆效应仿真方法研究[J].磁性材料及器件，2016，47（1）：9-13.
[14] 舒亮，李传.Fe-Ga合金磁致伸缩力传感器磁化模型建立与特性分析[J].农业机械学报，2015，46（5）：344-349.
[15] 王学凤，张志杰.磁致伸缩测量仪[J].物理实验，2013，33（3）：14-20.