省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）、河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學）的研究人員李媛媛、王博文、黃文美、李雲開，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文，為提高磁致伸縮位移傳感器的測量精度，需要從理論和實驗上分析傳感器的輸出特性。
針對扭轉力作用下波導絲發生磁化狀態的改變進而影響傳感器的輸出特性這一問題，基於材料力學求解扭轉應力，並從磁疇角度分析扭轉力對魏德曼效應的影響，結合Fe-Ga合金的非線性本構模型和磁致伸縮逆效應等建立磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型，計算不同螺旋磁場和扭轉力下的輸出電壓。搭建預加扭轉應力下輸出電壓的測試平臺，從理論和實驗上確定輸出電壓隨扭轉應力的增大呈非線性減小的變化規律。
研究還表明：在同一磁場下，正向扭轉應力導致的電壓降小於反向扭轉應力導致的電壓降，提高偏置磁場或激勵磁場可以從一定程度上抵消扭轉應力對電壓的影響。研究可為設計大量程高精度的位移傳感器提供理論依據與指導。
鐵鎵合金在低磁場下能夠產生較大的磁致伸縮應變，同時具有應力靈敏度高、抗拉能力強、材料成本較低和易於製備等優點，因此廣泛應用於傳感器、換能器、制動器、汽車、機器人等領域。
在精密位移測量方面，基於魏德曼效應和磁致伸縮逆效應的Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器，以其測量精度高、可靠性高、使用壽命長等優點，廣泛應用於工具機位移控制、液面高度和界面測量等領域。特別是由於磁鐵和傳感器無需直接接觸，該種傳感器在易燃易爆、腐蝕、輻射等惡劣環境下有著不可替代的應用價值。
磁致伸縮位移傳感器以線圈為檢測裝置，其輸出量為電壓信號，對電壓信號進行分析處理從而獲得應力波的傳播時間，由於應力波的傳播速度一定，檢測位移通過應力波的波速乘以應力波的傳播時間即可求得。
有學者對磁致伸縮位移傳感器的精度進行了分析，發現輸出電壓的峰值越大，根據閾值法或峰值法確定的應力波傳播時間越精確，傳感器的測量精度越高。為研製更符合測量需求的磁致伸縮位移傳感器，有必要對磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進行深入的研究。
已有一些文獻對磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進行研究，有學者採用波導絲所受的扭矩描述波導絲的角應變，根據磁機械耦合原理得到磁感應強度的表達式，進而建立起激勵磁場、偏置磁場和材料特性與輸出電壓的關係。
有學者發現波導絲的磁致伸縮是影響魏德曼效應的重要因素。有學者基於魏德曼效應得到了含有磁致伸縮係數的輸出電壓模型，建立起磁致伸縮與輸出電壓的函數關係。有學者提出磁致伸縮導波位置傳感器的電磁感應信號來源於磁疇的自由旋轉和應力波的偏心運動。
隨後，有學者對應力波在波導絲中的衰減特性進行了研究，提出衰減係數測試方法，並討論了波導絲的線徑、應力波的頻率等對衰減係數的影響。有學者考慮應力波衰減特性，建立了傳感器輸出電壓隨應力波傳播距離變化的數學模型，並通過實驗驗證了該模型，結果表明輸出電壓隨傳播距離的增大呈指數衰減。
以上研究均未涉及外加應力對傳感器輸出特性的影響，實際上，應力可以使磁性材料產生應變，從而改變傳感器的輸出特性。有學者根據位移傳感器的輸出電壓與螺旋磁場的函數關係，進一步通過分析有效場、應力場和磁化強度的關係，得到應力和磁場共同作用下的輸出電壓模型。但該模型只適用於分析軸向應力對輸出電壓的影響，對於在波導絲安裝過程中極容易受到的扭轉力問題並不適用，扭轉應力對輸出電壓的影響尚未可知。
本文基於材料力學對波導絲所受扭轉應力進行分析和計算，並從磁疇角度研究了扭轉力對魏德曼效應的影響，結合Fe-Ga合金的非線性本構模型和磁致伸縮逆效應等推導了磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型。搭建預加扭轉力下Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓測試平臺，通過模型計算和實驗驗證，得到了扭轉應力對傳感器輸出特性的影響規律。該模型可用於預測傳感器的輸出電壓，並為傳感器的設計優化提供指導。
結論
考慮絲狀Fe-Ga合金在磁致伸縮位移傳感器的安裝過程中極易受到預加扭轉力的作用，在扭轉力和螺旋磁場共同作用下波導絲的磁化狀態發生改變，對輸出電壓產生影響。為了確定預加扭轉力對傳感器輸出信號的影響，建立了傳感器輸出電壓在預加扭轉應力作用下的輸出電壓模型，確定了輸出電壓隨扭轉應力的增大呈非線性減小的變化規律，發展了磁致伸縮位移傳感器的理論。設計了預加扭轉應力下輸出電壓的測試實驗，從實驗和理論上驗證了輸出電壓模型的準確性，表明該模型可以描述傳感器在扭轉應力下的輸出電壓特性。
研究表明：同一螺旋磁場下，正向扭轉應力導致的電壓降小於反向扭轉應力導致的電壓降；同一扭轉應力下，偏置磁場增大或者激勵磁場增大都會使傳感器輸出電壓升高。研究結果可為磁致伸縮位移傳感器的優化設計提供理論指導。