磁致伸缩材料的设计和应用
稀土超磁致伸缩材料介绍及应用
稀土超磁致伸缩材料在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842年由焦耳发现致伸缩材料是近期发展起来的一种新型稀土功能材料。
它具有电磁能与机械能或声能相互转换功能。
“稀土超磁致伸缩材料”是当今世界最新型的磁致缩功能材料,是一种高效的Tb-Dy-Fe 合金。
它在低磁场驱动下产生的应变值高达1500—2000ppm，是传统的磁致伸缩材料如压电陶瓷的5—8 倍、镍基材料的40—50 倍，因此被称之为“超磁致伸缩材料”。
“稀土超磁致伸缩材料”产生的应力大、能量密度高，可瞬间响应，并且具有可靠性高、居里温度高等优点，而且还是一种环保型材料；其所具有的卓越的电磁能与机械能或声能转换性能，是传统的磁致伸缩材料所无法比拟的。
“稀土超磁致伸缩材料”可广泛应用于众多行业的科学研究与生产制造领域，从军工、航空、海洋船舶、石油地质，到汽车、电子、光学仪器、机械制造，再到办公设备、家用电器、医疗器械与食品工业，无处没有它大显身手的机会。
在国防、航空航天和高技术领域：如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统）、噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域，有广阔的应用前景。
“稀土超磁致伸缩材料”对生产技术与生产工艺的要求极高，目前只有少数几个国家的个别企业能够生产。
由三个组元组成（Tbl －xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，Y＝1．90~2．0）在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变λ的合金，如Tbo0．3Dy0．7Fe1．95 首先于20 世纪70 年代初由美国海军表面武器实验室的A．C．Clark 博士等人发明，当即他们申请了美国专利。
美国海军表面武器实验室于1987 年将该专利技术转让给美国阿依华州 A mes 市的前沿技术公司创建了专门生产稀土超磁致伸缩材料的E trema INC 分公司。
磁性材料-第六章 磁致伸缩材料
6.5 磁致伸缩材料的应用 一、磁致伸缩材料的应用基础
（1）磁致伸缩效应(Joule效应) 制作磁致伸缩制动器 （2）磁致伸缩逆效应(Villari效应) 制作磁致伸缩传感器 （ 3 ） E 效应：磁致伸缩材料由于磁化状态的改变而引起 自身杨氏模量发生变化的现象，可用于声延迟线。 （ 4）魏德曼效应 (Viedemann效应 )：在磁性体上形成适当 的磁路，当有电流通过时，磁性体发生扭曲变形的现象， 可用于扭转马达。 （ 5 ）魏德曼逆效应 (Anti-Viedeman 效应 ) ：使圆管状磁致 伸缩材料沿管轴发生周向扭曲，同时沿轴向施加交变磁场， 则沿圆周出现交变磁化的现象，可用于扭转传感器。
将石英管插入熔2定向晶及单晶制备的主要方法1bridgman法将预先熔炼的母合金放于坩锅中用电阻丝或高频感应加热熔化合金然后以一定的速度使坩锅下降或使热源上移以形成定向温度梯度进行单向凝固以得到定向晶或单晶
第六章 磁致伸缩材料
6.1 磁致伸缩材料概述 *定义：磁性料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要
二、Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料
1、Tb-Dy-Fe系合金的磁致伸缩特性 稀 土 - 过渡 金 属系是 最 具应用 前 景的化 合 物系 。 其 中 ， REFe2系立方Laves相化合物不仅磁致伸缩应变大，而且居 里温度也较高，是最主要的合金系。 缺点：磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场。 方案：利用各向异性常数符号相反的不同ReFe2合金相混合， 可获得较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料。
* 研究表明：有最佳磁致伸缩特性和实用价值的是被称为 Terfenol-D的Tb-Dy-Fe系合金。 2、磁致伸缩与合金组成的关系 对于 Tb0.27Dy0.73Fe2-y 合金，在 y=0.15 和 y=0.025 处各出现一 个磁致伸缩峰值，对于TbxDy1-xFe2合金，当x=0.7时，磁致 伸缩也出现一个峰值。对四元系合金，第四组元Mn对合金 磁致伸缩性能也有影响，在 Mn 含量约为 0.125 时出现峰值。
磁致伸缩材料介绍
Tb-Dy-Fe超磁致伸缩合金研发及技术储备磁致伸缩现象：物质有热胀冷缩的现象。
除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。
铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其尺寸又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。
磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH —lo）／lo， lo为原来的长度，1H为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。
一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用 ppm代表。
例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。
磁致伸缩材料分类：磁致伸缩材料主要有三大类：①磁致伸缩的金属与合金，如镍和（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金，Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如 F e— Ni合金， Fe－Al合金，Fe－Co－V合金等）；②铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。
上述两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们没有得到推广应用。
③近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料（GMM）。
以（ Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金 Tb0．3Dy0．7Fe1．95材料（Tb －Dy－Fe材料）的λ达到1500—2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1—2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
Tb-Dy-Fe合金特点：和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，它具有下列优点：1、磁致伸缩应变λ比纯 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 Ni和 Ni－Co合金高400—800倍，比PZT材料高14—30倍；2、磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力；3、能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示，即由磁能转换成机械能的比例）高达70％，而 Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40—60％；4、其弹性模量随磁场变化而发生变化并可以调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；5、频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
磁致伸缩跳跃效应
磁致伸缩跳跃效应磁致伸缩跳跃效应是一种神奇而引人注目的现象，它在近几十年来引发了广泛的研究兴趣。
磁致伸缩跳跃效应是指材料在磁场的作用下发生尺度性的变形，其中包括了线性和非线性的响应。
它不仅仅是一种基础科学现象，还具有广泛的应用潜力。
本文将详细介绍磁致伸缩跳跃效应的原理和特性，并探讨其在材料科学、电子学、医学等领域的应用。
首先，让我们来了解磁致伸缩跳跃效应的原理。
当一个材料受到外部磁场的作用时，其中的磁性区域将发生变形。
这是由于磁场对材料内部的微观结构和自旋排列产生影响，从而引发了宏观尺度上的变形。
具体来说，磁致伸缩跳跃效应包括两个主要的过程：磁致伸缩效应和磁致跳跃效应。
磁致伸缩效应是指材料在磁场的作用下发生的线性伸缩变形。
这种效应在一些特定的材料中非常明显，例如磁致伸缩材料。
当这些材料被置于磁场中时，其长度会发生微小的变化，这种变化可以被用作传感器或执行器等装置的基础。
磁致跳跃效应则是指材料在磁场强度达到一定阈值时突然发生的非线性跳跃变形。
这种效应常常伴随着形状记忆和超弹性等特性的产生，具有重要的科学和应用意义。
磁致伸缩跳跃效应不仅仅是一种基础科学现象，还具有广泛的应用潜力。
在材料科学领域，磁致伸缩跳跃效应可以被用来设计新型材料，开发新的功能器件和传感器。
例如，磁致伸缩材料可以被应用在航空航天领域的气动弹性控制系统中，用于调节飞行器的形状和表面特性，提高飞行性能。
此外，磁致伸缩跳跃效应还可以应用于微纳尺度材料和器件的制备和操控，促进纳米技术的发展。
在电子学领域，磁致伸缩跳跃效应可以用于研究和设计新型的磁致伸缩传感器和执行器。
这些器件可以通过测量和控制磁场来实现微小尺度上的运动和变形，从而广泛应用于自适应光学、智能材料和机器人等领域。
例如，磁致伸缩跳跃效应可以被用于设计可调谐光学器件，实现实时调节光学性能的功能。
在医学领域，磁致伸缩跳跃效应也有着潜在的应用价值。
磁致伸缩材料可以用于制备生物可降解的植入物和支架，用于组织工程和生物医学工程等领域。
国内外超磁致伸缩材料及作动器的
科技信息1.超磁致伸缩材料的特点与应用1.1超磁致伸缩材料的特点磁致伸缩材料主要有三大类：磁致伸缩的金属与合金、铁氧体磁致伸缩材料和稀土金属间化合物磁致伸缩材料。
前两种称为传统磁致伸缩材料，其磁致伸缩应变过小，没有推广应用价值。
而稀土金属间化合物磁致伸缩材料也称为稀土超磁致伸缩材料。
与其他智能材料相比，稀土超磁致伸缩材料具有以下特点：应力负载大（可达700MPa）、能量转换率高（机电耦合系数可达0.75）、温度适应范围宽（小于200℃）、响应快（微秒级）、驱动电压低（小于30V）等。
另外具有频率特性好，工作频带宽；稳定性好，无疲劳，无过热失效等优点。
因此有专家认为，稀土超磁致伸缩材料可广泛应用到机械、电子、航天、农业等其他领域,是21世纪的战略材料。
1.2超磁致伸缩材料的应用分析迄今已有1000多种超磁致伸缩材料器件问世，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。
超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景，国外已用超磁致伸缩材料来制造出超大功率的超声波换能器。
日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统和海洋气候声学温度测量系统的水声发射换能器，可用于测量海水温度和海流的分布图。
德国材料研究所已将超磁致伸缩薄膜材料应用于微型泵的研究之中。
随科技发展的日新月异，超磁致伸缩材料的重要性必将越来越突出，应用也将更广泛。
预计未来超磁致伸缩材料的应用领域包括航空航天、超精密机械加工、海洋工程、汽车制造、石油产业等。
1.3超磁致伸缩材料在我国的研究与应用在国内，北京钢铁研究总院于1991年率先制备出GMM棒材，此后又开展了低频水声换能器、光纤电流检测、大功率超声焊接换能器等的研究。
北京科技大学采用具有自主知识产权的一步法工艺和设备生产稀土超磁致伸缩材料,减少了过程污染,杂质和氧含量低,合金成分控制准确,提高了材料的性能和产品的一致性；同时易于实现自动化控制,生产效率比传统工艺提高了100-150倍,成本大大降低。
磁致伸缩 原理
磁致伸缩原理
磁致伸缩是一种材料在磁场作用下发生体积变化的现象。
这种现象是由于材料内部存在磁性颗粒或晶格与局域的磁矩相互作用所导致的。
在外加磁场的作用下，磁致伸缩材料的磁矩会受到磁场力的作用，使得材料的晶格结构发生变化。
这种变化可以是材料的体积增大或缩小，取决于材料的特性和磁场的性质。
磁致伸缩现象常见于一些具有铁、镍等磁性元素的合金材料，例如镍钛记忆合金。
在这种合金中，当外加磁场消失时，磁性晶格会重新排列，材料会恢复到原始形状。
这种记忆效应使得磁致伸缩材料在各种应变传感器、声发射传感器、电动机等领域有着广泛的应用。
磁致伸缩材料的应用还可以根据其体积变化的性质来进行分类。
一类是正磁致伸缩材料，它们在磁场作用下体积增大。
另一类是负磁致伸缩材料，它们在磁场作用下体积缩小。
这两类材料都有其特定的应用场景，例如正磁致伸缩材料可以用于音频设备中的扩音器，而负磁致伸缩材料则可以用于微机电系统（MEMS）的振动控制。
总之，磁致伸缩是一种通过改变材料体积的方法来响应磁场作用的现象。
通过研究和应用这种现象，可以在各种领域中实现磁场控制下的尺寸和形状变化，从而为各种设备和系统的设计和制造提供新的可能性。
超磁致伸缩材料开发和应用动向
金 属 功 能量 变换 型减 振 材料 ， 另一类 则是 通过相 位 变换 来实 现减 振 功能 的材 料 。能 量 转换 型减 振 材料 又 可划 分 为约束 型 、 非约 束 型、 粉粒 型和 固体摩擦 型 ， 约束 型 和非 约束 型 是当前 可 工业 生 产 而且 性 能稳 定 的减振 材 料 。在约 束 型减振 材 料之 中包括 有磁性 材料类 ， 中又有磁性 橡胶 和塑 料磁体 ， 其 即是将 磁性材料 层夹在 约束 板 与基板 之 问制成 的复合减 振板 。约束 型减振 层 复合 板是 把橡 胶 系 、 脂 系 、 胶 沥 青 系或 海 棉系 （ 沫塑 树 橡 泡 料） 之类减 振 材料 层夹 于（ 过一 薄层 粘 结剂 ） 通 约束 板 与基 板 中 间制成 的 复合板 。另 一种 约束 型 减振 板则 是 把橡 胶 系或树 脂 系减振 材料 层与 一层 蜂 窝状材 料 通过 粘结剂 层结合 在 约束板 和基 板 中间。非约 束型减 振材 料 ， 括将 磁 体 、 性橡胶 或 塑料磁 体之 类磁性 材 料层 与基 板 复合 的减振 板 ： 有 将 橡胶 系 、 包 磁 还 树脂 系 、 涂料 系 或铅 之类减 振 层通 过粘 结剂 或利用 热熔 敷法 与基 板 复合的非 约束 型减振 板 ， 是投 有 约束板 的双层 复合 板 。 都 固体摩 擦 型减 振 材料是 由基 板和与 基板振 动传 播 速度 不同 的异 种材 料组合 在一起 的复合 板 。粉 粒体型 则是 将干砂 粒 之类 颗粒 层覆 盖于 基板上 的减 振 材 料 。相 位 变换 型 减 振 系统 是 指 与 动 态减 振 器组 合 在 一起 的 系 统 。高分子 系减振 材料 受温 度的影 响很 大 ， 以受 使用 环境 的限制很 大 。减振材 料 的应用 范 围很广 ， 括汽 所 包
磁致伸缩材料
磁致伸缩材料磁致伸缩材料（Magnetorheological Elastomers, MREs）是一种基于磁流变效应的智能材料，具有在外加磁场作用下发生可逆形变的特性。
它可以通过控制外部磁场来实现形状变化和力的调节，因此被广泛应用于机械、航空航天、汽车、生物医学等领域。
磁致伸缩材料由弹性基体和磁性颗粒组成。
弹性基体通常采用聚合物材料，如聚氨酯、硅橡胶等，具有良好的柔韧性和弹性。
磁性颗粒则是通过将铁磁体粉末或磁性纳米颗粒分散在基体中而获得的，具有良好的磁导率。
当外加磁场施加在磁致伸缩材料上时，磁性颗粒会在磁场的作用下重新排列形成磁链，使得材料呈现出可逆的形变特性。
磁致伸缩材料的形变行为可以通过调节外部磁场的强度和方向来实现。
当磁场强度增加时，磁致伸缩材料会发生自由膨胀，从而改变其形状。
当磁场减弱或消失时，材料会返回原始形状。
这种可逆形变的特性使得磁致伸缩材料可以适应不同形状和尺寸的应变。
除了形状变化外，磁致伸缩材料还可以通过调节磁场来调节其力学性能。
当磁场强度增加时，材料的刚度和硬度会增加，从而改变其抗压、抗拉性能。
这种可控性使得磁致伸缩材料可以用于制造智能结构和装置，如变形机械臂、智能阀门和振动吸收器等。
磁致伸缩材料还具有其他优异的性能，如快速响应速度、高灵敏度和稳定性。
由于磁致伸缩材料的磁性颗粒可以实现微观尺度的重新排列，因此它的响应速度非常快，通常在几毫秒到几十毫秒之间。
此外，磁致伸缩材料对外界磁场的变化非常敏感，可以通过微小的磁场调节来实现精确的控制。
此外，磁致伸缩材料还具有良好的稳定性，能够长时间保持其性能。
总的来说，磁致伸缩材料是一种具有可逆形变和可控力学性能的智能材料。
它在机械拓扑优化、主动减振、形状记忆等领域具有广泛的应用前景。
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另一个基于预应力和偏磁的现象可以 用优化理论进行解释。磁致伸缩材料 的性能在不同的应用中非常复杂，因 为在运行过程中改变环境将改变材料 的特性。对于复杂性的全面了解将有 助于工程师开发出磁致伸缩材料的潜 在优点并由此优化基于巨磁致伸缩效 应材料的作动器。图 3 所示是长度在
外加磁场作用下改变的理想化关系。 当磁场反向施加，现象理应相反，即 材料负向应变，但负向场产生了如同 正向场的伸长磁致伸缩效应。曲线形 状让人想起蝴蝶，所以，这条曲线又 被叫做“蝴蝶曲线”。
列整齐。在点 3，出现饱和现象，阻 止了应变的进一步增加。
磁畴的重新定位的物理背景在于 简要、纲要性的描述图 2。在 0 和 1 区间之间，提供的磁场很小，磁畴几 乎不体现其定位模式。由材料如何形 成所决定的内容或许是其通常的定位 形式的一小部分，显出其永久性的偏 磁性。其导致的应变与磁致伸缩材料 的基本结构和材料化学成分均匀性有 很大联系。在 1-2 区间，我们设想， 应变与磁场之间存在几乎趋于线性的 关系。因为关系简单，容易预测材料 的性能，所以，大部分设备被设计工 作于这个区间。曲线超过点 2 后，应 变与磁场关系又变为非线性，这是由 于大部分磁畴已经按照磁场的方向排
被认为是磁致伸缩效应改变长度的原 因。磁畴旋转以及重新定位导致了材 料结构的内部应变。结构内的应变导 致了材料沿磁场方向的伸展（由于正 向磁致伸缩效应）。在此伸展过程 中，总体积基本保持不变，材料横截 面积减小。总体积的改变很小，在正 常运行条件下可以被忽略。增强磁场
可以使越来越多的磁畴在磁场方向更 为强烈和准确的重新定位。所有磁畴 都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状 态。图 1 中即为长度随磁场强度变化 的理想化。
一个额外的磁致伸缩效应是巴瑞 特效应。在特定的极端运行条件下， 材料体积会随磁场而改变。例如，镍
在 80Ka/m 的体积改变率只有10 7 。Leabharlann 由于磁场而变化的体积太过微
小，以至于在通常工作状态下，可以
2. 磁致伸缩效应
铁磁类材料的晶体在磁场中会发 生变形。这种现象被叫做磁致伸缩效 应。其与多种物理现象相关联。通常 来说，磁致伸缩效应是机械能与电磁 能之间的一种可逆能量转化。磁致伸 缩材料因为其能够将能量从一种形式 转化为另一种形式，从而在作动器和 传感器中获得了应用。图 4 所示即为 与磁致伸缩效应相关的各种物理效应 之间的关系。
与磁致伸缩效应相关的最为人们 所知的效应就是焦耳效应。即铁磁棒 在纵向磁场中体积扩张（由于正向磁 致伸缩效应），或者缩小（由于负向 磁致伸缩效应）。这种效应被广泛应 用于磁致伸缩作动器中。磁致伸缩是 一种可逆的材料特性。在磁场较弱的 区域，试件形状即恢复至其原始尺 寸。Terfenol-D 材料的 比例在
磁致伸缩材料的设计和 应用
-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
磁致伸缩材料的设计和应用
Olabi A Grunwald
(都柏林城市大学 机械制造自动化学院)
摘要：磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁畴的旋转被认为是
磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部
1500ppm 范围之上，在共振频率下， 可以达到 4000ppm 之上。长度的增加 （纵向应变）或直径的缩小（周向应 变）大致与应用的磁场成比例，这种 作动器机理可以被用于多种用途的。
另一种广泛应用的磁致伸缩效应 被称为维拉利效应。这种效应基于这 样的现象，当外力施加于试件，穿过 试件磁通密度由于磁场的产生而发生 改变。磁通密度的改变量可以被拾波 线圈所检测，同时还与所加外力的大 小相关。维拉利效应是可逆的，并被 应用于传感器。
的特性，从而可以被用于许多先进设备。
关键词：磁致伸缩效应；作动器；传感器；Terfenol-D
1. 前言
现了。对于两类材料来说，磁致伸缩 现象的原因是相似的。小磁畴的旋转
磁致伸缩效应是指材料在外加磁 场条件下的变形。磁致伸缩效应于 19 世纪（1842 年）被英国物理学家詹姆 斯.焦耳发现。他观察到，一类铁磁类 材料，如：铁，在磁场中会改变长 度。焦耳事实上观察到的是具有负向 磁致伸缩效应的材料，但从那时起， 具有正向磁致伸缩效应的材料也被发
应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效
应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的
改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在
磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到
饱和状态。
本文将展示磁致伸缩效应的研究方法现状和其应用，诸如：大型作动器响
应、标准 Terfenol-D 作动器、基于 Terfenol-D 的直线马达（蜗杆驱动）、用于
声纳换能器的 Terfenol-D、用于无线旋转马达的 Terfenol-D、基于 Terfenol-D 的
电动液压作动器、无线型直线微型马达、磁致伸缩薄膜的应用、基于磁致伸缩
效应的无接触扭矩传感器和其他应用。研究表明，磁致伸缩材料具有许多优良
ΔE 效应也是一种磁致伸缩效 应。由于磁场的存在，试件弹性模量
发生了改变。Terfenol-D 材料的 比 例大于 5，因此被用于振动控制以及 宽带声纳系统。由于弹性模量改变， 磁致伸缩材料内部的声速发生了改 变，而这种改变可以被检测到。
魏德曼效应也是一种相关的效 应。这种现象的背景与焦耳效应相 似。只是，在磁场作用下，铁磁试件 扭转位移所带来的切应变，代替了拉 压应力-正应变的形式。
魏德曼效应的逆效应被称为马陶 西效应。
在线圈中通入交流电，产生纵向 磁场，这也反过来在试件中产生磁通
密度。已有的交变磁通可以被另一个 线圈所探测，拾波线圈可以测量磁通 密度的变化率。扭转铁磁试件导致了 试件的磁性变化，从而导致了磁通密 度变化率的改变。通过拾波线圈测试 磁性改变，可以估测切应力的改变， 进一步可以计算外加扭矩的大小。马 陶西效应在铁磁性试件引入永磁偏置 后得以完善，这一效应被用于传感 器。