《磁致伸縮原理》課件

磁致伸縮原理引言引人入勝的材料磁致伸縮材料具有獨(dú)特的特性，可以根據(jù)磁場(chǎng)變化改變尺寸。這種特性使其在各種領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。廣泛的應(yīng)用磁致伸縮材料在傳感器、執(zhí)行器、能量收集、智能材料等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，為技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了新的可能性。磁致伸縮的定義磁致伸縮磁致伸縮是指某些材料在磁場(chǎng)作用下發(fā)生尺寸變化的現(xiàn)象。伸縮效應(yīng)當(dāng)磁場(chǎng)施加到材料上時(shí)，材料會(huì)發(fā)生膨脹或收縮，其變化量與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。磁致伸縮的歷史發(fā)展1現(xiàn)代納米材料，智能材料220世紀(jì)70年代傳感器和執(zhí)行器319世紀(jì)發(fā)現(xiàn)磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮材料的種類(lèi)鐵磁材料鐵、鎳、鈷及其合金。稀土材料TbDyFe合金、Terfenol-D。復(fù)合材料磁致伸縮材料與其他材料復(fù)合。磁致伸縮材料的性能特點(diǎn)高應(yīng)變與傳統(tǒng)壓電材料相比，磁致伸縮材料具有更高的應(yīng)變，可達(dá)到百分之一甚至更高的水平。高能量密度磁致伸縮材料能夠儲(chǔ)存和釋放大量的能量，使其在能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)方面具有優(yōu)勢(shì)。良好的頻率響應(yīng)磁致伸縮材料能夠快速響應(yīng)磁場(chǎng)變化，使其適用于高頻應(yīng)用，如超聲波和振動(dòng)控制。磁致伸縮材料的分類(lèi)鐵磁性材料鐵、鎳、鈷及其合金鐵磁陶瓷材料鎳鐵氧體、錳鋅鐵氧體等稀土合金材料TbDyFe、GdFeCo等其他材料形狀記憶合金、電致伸縮材料磁致伸縮效應(yīng)的機(jī)理1磁疇結(jié)構(gòu)磁致伸縮材料由多個(gè)磁疇組成，每個(gè)磁疇具有特定的磁化方向。2磁場(chǎng)作用當(dāng)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和位移，導(dǎo)致材料發(fā)生形變。3伸縮效應(yīng)磁疇的旋轉(zhuǎn)和位移會(huì)導(dǎo)致材料的尺寸變化，這就是磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)是磁性材料在外加磁場(chǎng)作用下發(fā)生尺寸變化的現(xiàn)象。它是一種物理現(xiàn)象，由材料內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)變化引起的。磁疇是磁性材料內(nèi)部具有相同磁化方向的小區(qū)域。當(dāng)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和位移，導(dǎo)致材料發(fā)生形變。磁致伸縮應(yīng)變的產(chǎn)生過(guò)程1磁化當(dāng)磁場(chǎng)施加到磁致伸縮材料上時(shí)，材料內(nèi)部的磁疇會(huì)重新排列，使材料磁化。2磁致伸縮效應(yīng)磁化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致材料尺寸發(fā)生變化，稱為磁致伸縮效應(yīng)，該效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短。3應(yīng)變磁致伸縮應(yīng)變是指材料長(zhǎng)度變化與原始長(zhǎng)度的比值，它反映了材料在磁場(chǎng)作用下發(fā)生形變的程度。磁致伸縮應(yīng)變的測(cè)量方法電阻應(yīng)變計(jì)法利用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量磁致伸縮材料的應(yīng)變，該方法精度高，但需要與磁場(chǎng)環(huán)境兼容。激光干涉法利用激光干涉儀測(cè)量材料表面位移變化，間接計(jì)算應(yīng)變，適用于無(wú)接觸測(cè)量。聲波法通過(guò)聲波在材料中傳播時(shí)間變化來(lái)測(cè)量應(yīng)變，該方法適用于測(cè)量材料內(nèi)部應(yīng)變。磁致伸縮傳感器的工作原理磁致伸縮效應(yīng)當(dāng)鐵磁材料被磁化時(shí)，會(huì)發(fā)生尺寸變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。傳感器結(jié)構(gòu)磁致伸縮傳感器通常包含一個(gè)磁致伸縮材料元件，以及一個(gè)測(cè)量元件，用于測(cè)量磁致伸縮材料的尺寸變化。信號(hào)轉(zhuǎn)換磁致伸縮材料的尺寸變化會(huì)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)可以被放大和處理。磁致伸縮傳感器的分類(lèi)按測(cè)量原理分類(lèi)根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)測(cè)量原理的不同，磁致伸縮傳感器可分為:應(yīng)變式傳感器頻率式傳感器相位式傳感器按結(jié)構(gòu)分類(lèi)根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)的不同，磁致伸縮傳感器可分為:單軸傳感器雙軸傳感器多軸傳感器按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，磁致伸縮傳感器可分為:工業(yè)自動(dòng)化航空航天醫(yī)療設(shè)備石油勘探磁致伸縮傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動(dòng)化:機(jī)器人控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、精密定位系統(tǒng)石油和天然氣:油井監(jiān)測(cè)、管道泄漏檢測(cè)、壓力和流量測(cè)量汽車(chē):懸架控制、輪胎壓力監(jiān)測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析醫(yī)療保健:生物力學(xué)分析、手術(shù)機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備監(jiān)控磁致伸縮傳感器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)高靈敏度磁致伸縮傳感器對(duì)微小的形變具有很高的靈敏度，可以檢測(cè)到肉眼無(wú)法察覺(jué)的變化。高精度磁致伸縮傳感器能夠提供高精度的測(cè)量結(jié)果，滿足許多精密測(cè)量和控制的需求?？垢蓴_能力強(qiáng)磁致伸縮傳感器不受電磁干擾影響，能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。磁致伸縮執(zhí)行器的工作原理1磁場(chǎng)變化磁致伸縮執(zhí)行器通過(guò)改變施加在磁致伸縮材料上的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。2材料變形當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)，磁致伸縮材料會(huì)發(fā)生長(zhǎng)度變化，產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)。3機(jī)械輸出伸縮運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械輸出，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置或執(zhí)行特定任務(wù)。磁致伸縮執(zhí)行器的分類(lèi)直線型磁致伸縮執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)范圍大，適用于直線運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。旋轉(zhuǎn)型磁致伸縮執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)靈活，可實(shí)現(xiàn)多種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。磁致伸縮執(zhí)行器的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動(dòng)化包括精密定位、振動(dòng)控制、壓力調(diào)節(jié)、流體控制等。汽車(chē)行業(yè)例如，懸掛系統(tǒng)、主動(dòng)噪聲控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等。醫(yī)療器械例如，手術(shù)機(jī)器人、藥物輸送系統(tǒng)、醫(yī)療影像等。聲學(xué)領(lǐng)域例如，聲波發(fā)射器、聲波傳感器、聲波控制等。磁致伸縮執(zhí)行器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)高精度磁致伸縮執(zhí)行器具有很高的位置精度和重復(fù)精度，能夠滿足精密控制的需求。高響應(yīng)速度磁致伸縮執(zhí)行器響應(yīng)速度快，能夠快速響應(yīng)控制指令，適用于動(dòng)態(tài)控制場(chǎng)合。高可靠性磁致伸縮執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)磨損部件，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠在惡劣環(huán)境下工作。高效率磁致伸縮執(zhí)行器能量轉(zhuǎn)化效率高，能夠有效利用能源，降低能耗。磁致伸縮材料的制備技術(shù)粉末冶金法將磁致伸縮材料的粉末混合并壓制成型，然后在高溫下燒結(jié)，得到致密的材料。粉末冶金法可以制備各種形狀和尺寸的磁致伸縮材料，并可有效地控制材料的成分和微觀結(jié)構(gòu)。熔煉法將磁致伸縮材料的原材料熔化，然后冷卻成型。熔煉法可以制備高純度的磁致伸縮材料，但對(duì)設(shè)備要求較高。濺射沉積法在真空中，將磁致伸縮材料的靶材用高能離子轟擊，使靶材表面原子濺射到基底上，形成薄膜。濺射沉積法可以制備超薄的磁致伸縮材料，并可有效地控制材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。其他方法還有一些其他方法，例如電沉積法、化學(xué)氣相沉積法等，可以用于制備磁致伸縮材料。磁致伸縮材料的表征方法磁滯回線測(cè)量測(cè)量材料在磁場(chǎng)作用下的磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系，可以確定材料的飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力、磁致伸縮系數(shù)等重要參數(shù)。應(yīng)變測(cè)量使用應(yīng)變計(jì)或激光干涉儀等方法測(cè)量材料在磁場(chǎng)作用下的應(yīng)變，可以獲得材料的磁致伸縮應(yīng)變、磁致伸縮系數(shù)等信息。顯微結(jié)構(gòu)分析利用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等設(shè)備對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以了解材料的晶粒尺寸、相組成、缺陷等信息，這些信息與材料的磁致伸縮性能密切相關(guān)。磁致伸縮材料的性能測(cè)試磁致伸縮系數(shù)測(cè)試測(cè)量材料在外加磁場(chǎng)作用下長(zhǎng)度變化的比例。磁致伸縮應(yīng)力測(cè)試測(cè)量材料在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的應(yīng)力大小。磁致伸縮頻率響應(yīng)測(cè)試測(cè)試材料在外加磁場(chǎng)作用下響應(yīng)頻率的范圍。磁致伸縮材料的發(fā)展趨勢(shì)1材料性能優(yōu)化提高磁致伸縮材料的性能，例如提高伸縮應(yīng)變、降低損耗、改善溫度穩(wěn)定性等。2多元化材料體系探索新的磁致伸縮材料體系，例如稀土合金、鐵磁性陶瓷、復(fù)合材料等。3應(yīng)用領(lǐng)域拓展將磁致伸縮材料應(yīng)用于更多領(lǐng)域，例如醫(yī)療器械、航空航天、能源領(lǐng)域等。4智能化發(fā)展開(kāi)發(fā)智能磁致伸縮材料，例如自感知、自修復(fù)、自適應(yīng)等功能。磁致伸縮技術(shù)的應(yīng)用案例磁致伸縮技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如：磁致伸縮傳感器磁致伸縮執(zhí)行器磁致伸縮能量收集器案例1:磁致伸縮流量傳感器磁致伸縮流量傳感器利用磁致伸縮效應(yīng)測(cè)量流體流量。它是一種新型的流量傳感器，具有高精度、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它可應(yīng)用于石油、化工、電力、水利等領(lǐng)域，用于測(cè)量各種流體的流量。案例2:磁致伸縮振動(dòng)控制執(zhí)行器磁致伸縮振動(dòng)控制執(zhí)行器是一種利用磁致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的裝置。它通常由磁致伸縮材料、驅(qū)動(dòng)電路和控制系統(tǒng)組成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流變化時(shí)，磁致伸縮材料會(huì)發(fā)生伸縮變形，從而改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，達(dá)到抑制或消除振動(dòng)的目的。案例3:磁致伸縮聲波發(fā)射傳感器磁致伸縮聲波發(fā)射傳感器利用磁致伸縮材料的特性，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，并以聲波的形式發(fā)射出去。這種傳感器具有高靈敏度、寬頻帶、高功率輸出等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)損檢測(cè)、超聲成像、聲學(xué)傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。案例4:磁致伸縮能量收集器磁致伸縮能量收集器利用磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)來(lái)收集能量。該技術(shù)通過(guò)將環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，可以實(shí)現(xiàn)自供電系統(tǒng)。這種能量收集器可以用于各種應(yīng)用，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。案例5:磁致伸縮驅(qū)動(dòng)的智能材料磁致伸縮材料可用于制造智能材料，這些材料能夠?qū)Νh(huán)境變化做出反應(yīng)，并根據(jù)需求改變形狀、尺寸或性能。例如，磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器可用于制造可變形結(jié)構(gòu)，如可展開(kāi)的太陽(yáng)能電池板或可折疊的機(jī)器人。未來(lái)展望1材料改進(jìn)未來(lái)將專注于開(kāi)發(fā)更高性能的磁致伸