韦根效应、韦根丝以及韦根传感器

韦根效应是一种非线性磁效应,以其发现者John R. Wiegand的名字命名,韦根丝是一种经过特殊退火和硬化处理的Vicalloy线材,通常直径为0.010~0.020英寸。 

 韦根丝、韦根效应及韦根传感器

韦根传感器和外部磁场的原理

“韦根效应”是一种物理现象,1970年代由约翰韦根发现。韦根发现,把一块事先经过特殊处理的铁磁体合金(韦根丝)置于交替变换的外部磁场时,其磁极将保持在某一点位上。然后,突然“翻转”至相反极性。这种磁极的变化是在几微秒内完成的。这种磁极的突然变化可以在固定在韦根丝附近的铜线圈内产生脉冲电流。这种现象通常称为“韦根效应”。

所产生脉冲的强度和持续时间不受外部磁场变化速度的影响。这就是工程师们对韦根现象感兴趣的原因:简单的发电机就可以把旋转运动转化成电能。但是,它们的输出功率却取决于转速。当发电机轴低速转动时,所产生的功率也低至无法利用的程度。但是,如果采用了韦根丝系统,磁场每“翻转”一次,所产生的电能值却保持恒定,无论磁场变化的快还是慢。在旋转式编码器中,这种翻转动作是由旋转的磁铁导致的。

韦根丝工作原理

A. 一个周期开始时,外壳与内芯的磁极是相同的。

B. 当该丝置于反方向适中的外部场时,丝的外层对内芯起到屏蔽作用且两者均保持相同的初始磁极。但是,当外部场的强度达到临界阈值时,该屏蔽效应的影响是压倒性的且丝芯的极性将突然对调。极性的这种突然变化会在丝的周围线圈内产生脉冲电流。

C. 对外部场进行加强的同时对芯内极性进行对调还可以促使外壳磁极对调。

D. 随着外部场的减弱,丝将保持新的极性。

E. 当极性已经对调的外部场达到临界阈值时,韦根丝的芯材将返回原极性处并在周围的线圈中产生脉冲电流。

F. 紧接着完成外芯极性对调。该丝现在返回状态。

韦根丝工作原理图

在制造过程中,为了赋予韦根丝其独特的磁性特性,它会经受一系列扭曲和反向扭曲的操作,以使韦根丝外壳冷加工态,同时保证韦根丝的内部是一个软态的内核,然后将韦根丝进行老化热处理。 结果是外壳的矫顽力比内芯的磁性大得多。 即使撤掉磁场,这种高矫顽力外壳也将保留外部磁场。

具有专 利技术的韦根丝加工设备图

现在,韦根丝表现出非 常大的磁滞特性:如果将磁铁靠近韦根丝,高强化外壳将内部软芯隔绝于磁场外直到达到磁性阈值,然后整个韦根丝的外壳和内核快速切换磁化极性。 此切换发生在几微秒内,称为韦根效应。

韦根效应的价值在于,切换的速度足够快,这使得以韦根丝为核心的线圈可以输出一个明显的电压。由于不变磁场引起的电压与该场的变化速率成正比,因此以韦根丝为核心的线圈可以将磁场传感器的输出电压增加几个数量级,而类似的非韦根丝的线圈是无法做到这一点的。 可以以电子方式轻松检测到较高的电压,并且与磁场开关的高重复性阈值结合使用,从而使韦根效应在位置传感器中具有了较高的应用价值。

一旦韦根丝翻转了磁化,它将保留磁化,直到朝另一个方向翻转。 使用韦根效应的传感器和机制必须考虑此保留率。

韦根效应是巴克豪森效应(巴克豪森跳跃)的宏观延伸,因为韦根丝的特殊热处理使其宏观地起到了单个大型磁性结构域的作用。韦根丝外壳中的众多的小型高矫顽力域在电子雪崩中切换,产生了韦根效应的快速磁场变化。

韦根传感器的优点及应用

在其它各种磁敏传感器(如:霍尔器件、干簧管、半导体磁电阻、磁敏二极管、感应线圈式)中,没有任何一种能像韦根传感器一样,同时具有以下多个优点:

(1) 不用电源,便可输出3~5V电压脉冲,能直接驱动微处理器,特别适用于要求零功耗传感器的低功耗如:用干电池供电的)智能仪表;

(2) 在0~20kHz的频响范围内,输出电压脉冲的幅度与宽度(约20μs)恒定,不随传感器与永磁体之间的相对运动速度变化,可实现超低速(“零速”)检测;

(3) 传感器与永磁体间的工作距离大,可以达到15㎜,输出不低于3V;30㎜时,仍然可以输出100mV以上;

(4) 工作温度范围宽达-196℃~+300℃;

(5) 当外加激励磁场的极性发生跳变时,传感器才输出一个脉冲信号,这一特性使得韦根传感器在工程应用中没有不稳定的临界状态,增强了抗干扰能力;

(6) 输出脉冲幅度及宽度与传感器与外部磁铁之间的相对运动速度无关,始终保持恒定。

韦根传感器已经被逐步有效地用于许多应用中。这些应用将脉冲作为信号或用于能量采集,有时甚至两者兼有。它们已经在门禁系统、水表和燃气表、多圈旋转编码器和许多其他应用中得到实施。超低功率电子器件和超高效集成电路的出现为这种独特有用的韦根丝开辟了广泛的应用新场景。我们也有理由相信,韦根传感器会更多的在生活中得到普及。

基于韦根效应的编码器

韦根流量传感水表