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(guò)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(chǎng)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(guò)特殊處理的鐵磁體合金（韋根絲）置于交替變換的外部磁場(chǎng)時(shí)，其磁極將保持在某一點(diǎn)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(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間不受外部磁場(chǎng)變化速度的影響。這就是工程師們對(duì)韋根現(xiàn)象感興趣的原因：簡(jiǎn)單的發(fā)電機(jī)就可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(jī)軸低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的功率也低至無(wú)法利用的程度。但是，如果采用了韋根絲系統(tǒng)，磁場(chǎng)每“翻轉(zhuǎn)”一次，所產(chǎn)生的電能值卻保持恒定，無(wú)論磁場(chǎng)變化的快還是慢。在旋轉(zhuǎn)式編碼器中，這種翻轉(zhuǎn)動(dòng)作是由旋轉(zhuǎn)的磁鐵導(dǎo)致的。

韋根絲工作原理

A. 一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，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(chǎng)時(shí)，絲的外層對(duì)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(chǎng)的強(qiáng)度達(dá)到臨界閾值時(shí)，該屏蔽效應(yīng)的影響是壓倒性的且絲芯的極性將突然對(duì)調(diào)。極性的這種突然變化會(huì)在絲的周圍線圈內(nèi)產(chǎn)生脈沖電流。

C. 對(duì)外部場(chǎng)進(jìn)行加強(qiáng)的同時(shí)對(duì)芯內(nèi)極性進(jìn)行對(duì)調(diào)還可以促使外殼磁極對(duì)調(diào)。

D. 隨著外部場(chǎng)的減弱，絲將保持新的極性。

E. 當(dāng)極性已經(jīng)對(duì)調(diào)的外部場(chǎng)達(dá)到臨界閾值時(shí)，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(duì)調(diào)。該絲現(xiàn)在返回狀態(tài)。

韋根絲工作原理圖

在制造過(guò)程中，為了賦予韋根絲其獨(dú)特的磁性特性，它會(huì)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(shí)保證韋根絲的內(nèi)部是一個(gè)軟態(tài)的內(nèi)核，然后將韋根絲進(jìn)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(chǎng)，這種高矯頑力外殼也將保留外部磁場(chǎng)。

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(qiáng)化外殼將內(nèi)部軟芯隔絕于磁場(chǎng)外直到達(dá)到磁性閾值，然后整個(gè)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(jià)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(gè)明顯的電壓。由于不變磁場(chǎng)引起的電壓與該場(chǎng)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(chǎng)傳感器的輸出電壓增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而類似的非韋根絲的線圈是無(wú)法做到這一點(diǎn)的。 可以以電子方式輕松檢測(cè)到較高的電壓，并且與磁場(chǎng)開(kāi)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(jià)值。

一旦韋根絲翻轉(zhuǎn)了磁化，它將保留磁化，直到朝另一個(gè)方向翻轉(zhuǎn)。 使用韋根效應(yīng)的傳感器和機(jī)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?yàn)轫f根絲的特殊熱處理使其宏觀地起到了單個(gè)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(chǎng)變化。

韋根傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(méi)有任何一種能像韋根傳感器一樣，同時(shí)具有以下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1） 不用電源，便可輸出3～5V電壓脈沖，能直接驅(qū)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度變化，可實(shí)現(xiàn)超低速（“零速”）檢測(cè)；

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

（4） 工作溫度范圍寬達(dá)-196℃～＋300℃；

（5） 當(dāng)外加激勵(lì)磁場(chǎng)的極性發(fā)生跳變時(shí)，傳感器才輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，這一特性使得韋根傳感器在工程應(yīng)用中沒(méi)有不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，增強(qiáng)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度無(wú)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(hào)或用于能量采集，有時(shí)甚至兩者兼有。它們已經(jīng)在門(mén)禁系統(tǒng)、水表和燃?xì)獗?、多圈旋轉(zhuǎn)編碼器和許多其他應(yīng)用中得到實(shí)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(dú)特有用的韋根絲開(kāi)辟了廣泛的應(yīng)用新場(chǎng)景。我們也有理由相信，韋根傳感器會(huì)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