韋根效應(yīng)、韋根絲以及韋根傳感器

韋根效應(yīng)是一種非線性磁效應(yīng)，以其發(fā)現(xiàn)者John R. Wiegand的名字命名，韋根絲是一種經(jīng)過特殊退火和硬化處理的Vicalloy線材，通常直徑為0.010~0.020英寸。 

韋根絲、韋根效應(yīng)及韋根傳感器

韋根傳感器和外部磁場的原理

“韋根效應(yīng)”是一種物理現(xiàn)象，1970年代由約翰韋根發(fā)現(xiàn)。韋根發(fā)現(xiàn)，把一塊事先經(jīng)過特殊處理的鐵磁體合金（韋根絲）置于交替變換的外部磁場時，其磁極將保持在某一點位上。然后，突然“翻轉(zhuǎn)”至相反極性。這種磁極的變化是在幾微秒內(nèi)完成的。這種磁極的突然變化可以在固定在韋根絲附近的銅線圈內(nèi)產(chǎn)生脈沖電流。這種現(xiàn)象通常稱為“韋根效應(yīng)”。

所產(chǎn)生脈沖的強度和持續(xù)時間不受外部磁場變化速度的影響。這就是工程師們對韋根現(xiàn)象感興趣的原因：簡單的發(fā)電機就可以把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成電能。但是，它們的輸出功率卻取決于轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)電機軸低速轉(zhuǎn)動時，所產(chǎn)生的功率也低至無法利用的程度。但是，如果采用了韋根絲系統(tǒng)，磁場每“翻轉(zhuǎn)”一次，所產(chǎn)生的電能值卻保持恒定，無論磁場變化的快還是慢。在旋轉(zhuǎn)式編碼器中，這種翻轉(zhuǎn)動作是由旋轉(zhuǎn)的磁鐵導(dǎo)致的。

韋根絲工作原理

A. 一個周期開始時，外殼與內(nèi)芯的磁極是相同的。

B. 當(dāng)該絲置于反方向適中的外部場時，絲的外層對內(nèi)芯起到屏蔽作用且兩者均保持相同的初始磁極。但是，當(dāng)外部場的強度達到臨界閾值時，該屏蔽效應(yīng)的影響是壓倒性的且絲芯的極性將突然對調(diào)。極性的這種突然變化會在絲的周圍線圈內(nèi)產(chǎn)生脈沖電流。

C. 對外部場進行加強的同時對芯內(nèi)極性進行對調(diào)還可以促使外殼磁極對調(diào)。

D. 隨著外部場的減弱，絲將保持新的極性。

E. 當(dāng)極性已經(jīng)對調(diào)的外部場達到臨界閾值時，韋根絲的芯材將返回原極性處并在周圍的線圈中產(chǎn)生脈沖電流。

F. 緊接著完成外芯極性對調(diào)。該絲現(xiàn)在返回狀態(tài)。

韋根絲工作原理圖

在制造過程中，為了賦予韋根絲其獨特的磁性特性，它會經(jīng)受一系列扭曲和反向扭曲的操作，以使韋根絲外殼冷加工態(tài)，同時保證韋根絲的內(nèi)部是一個軟態(tài)的內(nèi)核，然后將韋根絲進行老化熱處理。 結(jié)果是外殼的矯頑力比內(nèi)芯的磁性大得多。 即使撤掉磁場，這種高矯頑力外殼也將保留外部磁場。

具有專利技術(shù)的韋根絲加工設(shè)備圖

現(xiàn)在，韋根絲表現(xiàn)出非常大的磁滯特性：如果將磁鐵靠近韋根絲，高強化外殼將內(nèi)部軟芯隔絕于磁場外直到達到磁性閾值，然后整個韋根絲的外殼和內(nèi)核快速切換磁化極性。 此切換發(fā)生在幾微秒內(nèi)，稱為韋根效應(yīng)。

韋根效應(yīng)的價值在于，切換的速度足夠快，這使得以韋根絲為核心的線圈可以輸出一個明顯的電壓。由于不變磁場引起的電壓與該場的變化速率成正比，因此以韋根絲為核心的線圈可以將磁場傳感器的輸出電壓增加幾個數(shù)量級，而類似的非韋根絲的線圈是無法做到這一點的。 可以以電子方式輕松檢測到較高的電壓，并且與磁場開關(guān)的高重復(fù)性閾值結(jié)合使用，從而使韋根效應(yīng)在位置傳感器中具有了較高的應(yīng)用價值。

一旦韋根絲翻轉(zhuǎn)了磁化，它將保留磁化，直到朝另一個方向翻轉(zhuǎn)。 使用韋根效應(yīng)的傳感器和機制必須考慮此保留率。

韋根效應(yīng)是巴克豪森效應(yīng)（巴克豪森跳躍）的宏觀延伸，因為韋根絲的特殊熱處理使其宏觀地起到了單個大型磁性結(jié)構(gòu)域的作用。韋根絲外殼中的眾多的小型高矯頑力域在電子雪崩中切換，產(chǎn)生了韋根效應(yīng)的快速磁場變化。

韋根傳感器的優(yōu)點及應(yīng)用

在其它各種磁敏傳感器（如：霍爾器件、干簧管、半導(dǎo)體磁電阻、磁敏二極管、感應(yīng)線圈式）中，沒有任何一種能像韋根傳感器一樣，同時具有以下多個優(yōu)點：

（1） 不用電源，便可輸出3～5V電壓脈沖，能直接驅(qū)動微處理器，特別適用于要求零功耗傳感器的低功耗如：用干電池供電的）智能儀表；

（2） 在0～20kHz的頻響范圍內(nèi)，輸出電壓脈沖的幅度與寬度（約20μs）恒定，不隨傳感器與永磁體之間的相對運動速度變化，可實現(xiàn)超低速（“零速”）檢測；

（3） 傳感器與永磁體間的工作距離大，可以達到15㎜，輸出不低于3V；30㎜時，仍然可以輸出100mV以上；

（4） 工作溫度范圍寬達-196℃～＋300℃；

（5） 當(dāng)外加激勵磁場的極性發(fā)生跳變時，傳感器才輸出一個脈沖信號，這一特性使得韋根傳感器在工程應(yīng)用中沒有不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，增強了抗干擾能力；

（6） 輸出脈沖幅度及寬度與傳感器與外部磁鐵之間的相對運動速度無關(guān)，始終保持恒定。

韋根傳感器已經(jīng)被逐步有效地用于許多應(yīng)用中。這些應(yīng)用將脈沖作為信號或用于能量采集，有時甚至兩者兼有。它們已經(jīng)在門禁系統(tǒng)、水表和燃氣表、多圈旋轉(zhuǎn)編碼器和許多其他應(yīng)用中得到實施。超低功率電子器件和超高效集成電路的出現(xiàn)為這種獨特有用的韋根絲開辟了廣泛的應(yīng)用新場景。我們也有理由相信，韋根傳感器會更多的在生活中得到普及。

基于韋根效應(yīng)的編碼器

韋根流量傳感水表