防盗技术依赖于非晶态声磁标签

防盗技术依赖于非晶态声磁标签

当我们走进超市时，会发现每件商品都有防盗设计，这就是非晶态声磁材料的应用。

电子商品防盗系统（EAS）在我们的商业系统中应用日益广泛。日常生活中常见的EAS系统有六种：电磁系统、微波系统、射频系统、智能系统和声磁系统。其中，声磁系统因其价格低廉、使用便捷且检测率高而得到最广泛的应用。

一、什么是声磁共振？

声磁防盗系统的工作原理是利用非晶合金带的高磁性（弹性耦合系数）发出强烈的共振信号。大多数情况下，声磁防盗系统由探测器、解码器、传感器等组成。探测器每20毫秒发出一个58kHz的脉冲波。如果探测器在脉冲波发出后连续5次检测到共振信号，且这5个信号的容量和频率完全相同，则警报器会响起。如果在一秒钟内信号不一致，则不会响起警报。这项技术确保了警报器的准确性。解码器通过对防盗装置中的偏置膜进行退磁来降低共振信号的强度，从而阻止警报器响起。

声磁技术已在防盗设备中广泛应用超过20年。美国专利US4510489指出，某些非晶态带材，例如FeNiMoB，由于其高磁性，可以发出高谐振信号，这一理论已成功应用于商业化的防盗系统中。非晶态带材被制成谐振器，偏置膜则由半硬磁材料（US5729200）或软磁材料（US7626502）制成。 关于声学磁性标签的研究很少。

二、声磁理论 磁致伸缩效应

在外部磁场的作用下，铁磁材料的尺寸会发生变化；移除外部磁场后，其长度会恢复到原来的大小。由于磁场的作用，磁致伸缩材料的长度会发生线性变化，从而产生位移；或者在交变磁场的作用下反复变化，从而形成振动或声波。这类材料可以将电磁能转化为机械能或声能。反之，机械能也可以转化为电磁能。前者称为磁致伸缩效应，后者称为磁弹性效应。

在特定条件下，铁氧体磁性金属的长度会发生变化，这是由于磁化过程中原子间的位移造成的。在交变磁场中，我们可以观察到磁致伸缩金属条会根据交变磁场的频率振动。如果交变磁场的频率与金属条的共振频率相同，则当振幅达到最大值时，就会发生共振。这种现象在Perm合金（Fe-Ni）中尤为明显。

另一方面，这种磁致伸缩效应是可逆的，即压磁性。因此，当交变磁场的频率与金属条的共振频率一致时，铂合金条开始振动。当交变磁场关闭时，声学磁性标签会像音叉一样短暂地进行阻尼振动，并发出共振信号。作为交变磁场空间的延伸，它可以被接收器检测到。磁致伸缩效应可以用磁致伸缩系数λ来描述，λ= (LH-L0)/L0，其中L0是物质的原始长度，LH是物质在外部磁场作用下的长度变化。

磁机械耦合系数 K

当非晶条纹在偏置磁场的作用下受到交变磁场的影响时，条纹内部会发生磁能和机械能之间的交换。这被称为 磁机械耦合可通过以下方式用因子 K 进行评估。声磁标签的核心部件是无定形合金（Perm 合金）。

根据现象学理论，因子 k 表示为：共振频率 Fr 和反共振频率 FA 的公式。

显然，该标签具有共振点和反共振点，在较小的激励磁场下即可产生较大的共振信号。此外，这两个点之间的压降明显，表明该标签具有较高的磁机械耦合系数。尖锐的共振曲线表明该标签具有较高的品质因数、窄带宽和强选择性。因此，如果我们设置合适的偏置磁场并使其处于良好的工作状态，就可以获得较高的共振信号和频率稳定性。

音叉效应
这种声磁标签由一个长约40mm、宽约8-14mm、厚约1mm的小型塑料盒组成。盒内由两种金属条构成音叉结构，一种是固定在盒上的硬质金属条，另一种是自由振动的非晶态金属条。根据标签的特殊材料和结构，它具有一定的共振频率；当施加的交变磁场频率与标签的共振频率一致时，就会发生共振。由于磁致伸缩效应和压磁效应，当施加的交变磁场消失时，标签仍会进行阻尼振荡，形成交变磁能和机械能的转换模式，共振信号衰减；这是一种复合声磁信号。

典型声磁标签的工作频率为 58 kHz，音叉信号类似于超声波，因此具有很强的抗干扰能力和较高的穿透力，这使得该标签比其他标签更加出色。
利用音叉效应进行识别的过程实际上是电磁能和机械能相互转换的过程。但由于磁性器件的转换效率很低，需要很强的发射功率。激活磁场强度所需的最小值通常大于16A/m，因此，声磁标签的天线探测器体积非常大。

三、国内外现状

谐振器和偏置膜是声磁标签的关键组成部分。一方面，谐振膜由铁基和铁镍基非晶条带构成。谐振器的成分、几何尺寸和形状、热处理条件以及谐振片的数量都会对声磁标签的声磁特性产生重要影响。另一方面，偏置膜通常采用半硬磁材料，其性能会影响标签的频率，进而决定声磁标签能否被检测和解码。因此，谐振器和偏置膜的材料研究正在进行中。

专利WO2007143707提出了一种新型谐振板组合物，该组合物被认为是FeaNIbMc的非晶带状材料（其中M为Co、C、B、P等元素之一，或几种元素的组合，A + b + c = 100，一个 在 40 至 70 wt% 的范围内，b 在 10 至 50 wt% 的范围内，c 在 10 至 50 wt% 的范围内，在 300 度磁场中退火至少一小时，可以达到与当今市场上使用的类似的声学和磁学性能，但同时大大降低了共振膜的制造成本。

美国专利US6057766公开了一种铁基磁致伸缩材料，适用于作为谐振元件，其磁弹性耦合系数介于0.28至0.4之间，其中铁含量为45至82wt%，其余成分主要为钴、镍和一些玻璃形成元素。美国专利US6,181,245公开了一种低矫顽力偏置片材料，该材料能够使声磁标签在更远的距离上被解码。美国专利US6,689,490公开了一种半硬磁性材料，适用于声磁标签的偏置片，其包含8至25wt%的镍、1.5至4.5wt%的铝和0.5至3wt%的钛，其余成分为铁。这种半硬磁性材料不同于典型的偏置材料，具有优异的磁性能和高耐腐蚀性。此外，它在生产过程中非常适合冷加工和回火。

第四部分：关联企业
尽管目前世界各地都在研发谐振偏置薄膜，但此前只有美国公司能够生产符合市场需求的高性能声学磁性标签。其制备技术多年来一直被美国垄断，尤其是半硬磁合金带材偏置片的制备工艺十分复杂，全球合格的供应商仅有德国真空冶金公司和美国卡彭特特种钢公司两家。国内方面，只有一家公司生产用于磁性标签偏置的非晶态软磁材料，而半硬磁偏置片的制备工艺基本处于空白阶段。

V. 市场规模及预测

作为世界上最先进的防盗警报系统之一，声磁系统被广泛应用于各种场景。与此同时，欧洲各国正努力推行防盗标签制度，要求制造商在生产过程中将防盗标签贴在产品上。此举将降低生产成本，并提高标签的使用率。

因此，声磁标签的使用量约为 80 亿，交易额超过 2 亿美元，年需求增长率保持在 25%，市场空间非常广阔。

然而，近五年来，标签制备技术一直被美国公司垄断，尽管国内公司拥有强大的防盗标签，但其市场份额不足2%，目前在声磁防盗标签制备工艺方面仍处于领先地位。随着研究的深入，非晶态声磁防盗系统开始进入我们的生活，并将为我们带来越来越可靠的安全保障。