CN101660959B - 一种超磁致伸缩力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种超磁致伸缩力传感器属于磁致伸缩传感器领域，特别涉及一种以超磁致伸缩棒为敏感元件的磁致伸缩力传感器。传感器以超磁致伸缩棒作为敏感元件，超磁致伸缩力传感器整体结构为轴对称式结构；下导磁体安装在圆柱形外套的内腔底部，霍尔传感器通过非导磁性胶固定在下导磁体上表面的中心处，绕有激励线圈的线圈骨架安装在下导磁体的上部，不锈钢钢圈、下导磁垫片、超磁致伸缩棒从下至上依次安装在线圈骨架的内孔中。外套上部和顶盖分别有外螺纹和内螺纹，通过螺纹配合将碟形弹簧压缩。采用磁致伸缩传感器可实现静态力和动态力的同时测量，传感器具有放大输出信号的特性，不需要额外的放大电路，其响应速度快，结构简单，牢固可靠。
Description
技术领域
本发明属于磁致伸缩传感器领域，特别涉及一种以超磁致伸缩棒为敏感元件的磁致伸缩力传感器。
背景技术
现有的实用化力传感器主要是电阻应变式和压电式，电阻应变式力传感器对粘合剂和粘贴技术的要求较高，工作频率上限较低，主要用于静态力和低频动态力的测量。压电式力传感器的电荷易“跑矢”，并且信号放大需要电荷放大器。磁致伸缩力传感器是近几年新兴的传感器，是利用铁磁材料在外力的作用下，内部产生的机械应力导致材料相对磁导率发生变化的性质，把力输入信号转换成电磁信号输出，具有结构牢固可靠、过载能力强、安装简单、适用于静态和动态力的测量等优点。目前的磁致伸缩力传感器主要以硅钢片、坡莫合金、铁等为核心材料，但这些材料的磁致伸缩系数小(10-6～10-5)，磁致伸缩逆效应较差，材料的敏感性较差。美国韦恩州立大学的Darrell K.Kleinke和H.Mehmet Uras研制的磁致伸缩力传感器的敏感元件材料为18#钢，敏感性较低，并且只能实现动态力测量，不能进行静态力测量。
20世纪70年代初出现的具有大磁致伸缩系数的超磁致伸缩材料引发了由智能材料到智能器件的一场智能机电产业的革命，凭借室温下大磁致伸缩系数(1500×10-6～2000×10-6)，高机电耦合系数，响应速度快等优异特性引起了国内外学术界及工业界的极大关注。国内外对超磁致伸缩材料的研究主要集中在基于磁致伸缩效应的执行器件，相对较成熟，而在力传感器领域的研究报道甚少。我国河北工业大学樊长在等人研制的磁致伸缩力传感器仅能测量静态力，且以特斯拉计测量磁通密度，测量误差较大，不能实际应用。目前尚无可同时测量静态力和动态力的超磁致伸缩力传感器的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有磁致伸缩力传感器技术的不足，设计一种以超磁致伸缩棒作为敏感元件，通过集成在内部的霍尔传感器实现静态力和动态力测量的超磁致伸缩力传感器，解决了磁致伸缩力传感器灵敏度低以及不能同时测量静态力和动态力的难题。
本发明采用的技术方案是：一种超磁致伸缩力传感器其特征在于以超磁致伸缩棒8作为敏感元件，超磁致伸缩力传感器整体结构为轴对称式结构；下导磁体14安装在圆柱形外套1的内腔底部，霍尔传感器13通过非导磁性胶15固定在下导磁体14上表面的中心处，绕有激励线圈10的线圈骨架9安装在下导磁体14的上部，不锈钢钢圈12、下导磁垫片11、超磁致伸缩棒8从下至上依次安装在线圈骨架9的内孔中，不锈钢钢圈12与下导磁垫片11和超磁致伸缩棒8的总体高度低于线圈骨架9的高度，上导磁垫片7安装在超磁致伸缩棒8的上面，中心处带有通孔的上导磁体6和端盖5从下至上依次安装在线圈骨架9的上部，碟形弹簧4安装在端盖5上部，阶梯轴形状的施力轴3依次穿过顶盖2、碟形弹簧4、端盖5、上导磁体6中心处的通孔，施力轴3细轴的端面与上导磁垫片7的上表面接触，外套1上部和顶盖2分别有外螺纹和内螺纹，通过螺纹配合将碟形弹簧4压缩，并将碟形弹簧4、端盖5、上导磁体6、上导磁垫片7、超磁致伸缩棒8、线圈骨架9、激励线圈10、下导磁垫片11、不锈钢钢圈12、霍尔传感器13、下导磁体14、非导磁性胶15封装在内部构成一个超磁致伸缩力传感器。
本发明的显著特点是以超磁致伸缩棒8作为敏感元件，其外部套有不锈钢钢圈12的霍尔传感器13测量磁通密度，实现了静态力和动态力的同时测量，超磁致伸缩力传感器具有放大输出信号的特性，不需要额外的放大电路，且该传感器的响应速度快，结构简单，牢固可靠。
附图说明
图1为超磁致伸缩力传感器装配图剖面图，其中，1-外套、2-顶盖、3-施力轴、4-碟形弹簧、5-端盖、6-上导磁体、7-上导磁垫片、8-超磁致伸缩棒、9-线圈骨架、10-激励线圈、11-下导磁垫片、12-不锈钢钢圈、13-霍尔传感器、14-下导磁体、15-非导磁性胶。
图2为静态力实验系统示意图，其中，1-超磁致伸缩力传感器，2-压力机，3-安装座，4-紧固螺钉。
图3为静态力实验结果，其中，横坐标F-作用在超磁致伸缩力传感器上的力，纵坐标U-超磁致伸缩力传感器的输出电压，a-静态力实验结果曲线。
图4为动态力实验系统示意图，其中，1-激振器，2-超磁致伸缩力传感器，3-压电力传感器，4-左柔性连接杆，5-右柔性连接杆，6-激振器紧固螺钉，7-实验平台。
图5为动态力实验结果，横坐标t-时间，纵坐标U-超磁致伸缩力传感器的输出电压，b-动态力实验结果曲线
具体实施方式
以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，超磁致伸缩力传感器以超磁致伸缩棒作为敏感元件，采用集成在内部的霍尔传感器测量磁通密度，将输入的力信号转化为电磁量信号输出。采用超磁致伸缩力传感器测量依据的基本原理是：依据超磁致伸缩材料的磁致伸缩逆效应原理，当超磁致伸缩材料受到力作用时，超磁致伸缩材料的磁导率发生变化，超磁致伸缩材料内部及周围的磁通密度发生变化，从而引起霍尔传感器的输出电压发生相应变化，因此可以通过测量霍尔传感器的输出电压来实现对力的测量。
图1为超磁致伸缩力传感器装配图的剖面图，当测量时，外力作用在超磁致伸缩力传感器的施力轴3上，力通过施力轴3、上导磁垫片7传递到超磁致伸缩棒8上。超磁致伸缩力传感器中超磁致伸缩棒8的磁致伸缩逆效应特性与偏置磁场大小有关，为了实现对偏置磁场进行实时调节，采用通有直流电流的激励线圈10提供偏置磁场，通过调节通入激励线圈10的电流来调整偏置磁场。为了使超磁致伸缩棒8内的磁通密度分布均匀，采用具有高导磁性的电工纯铁材料的上导磁体6、上导磁垫片7、下导磁垫片11、下导磁体14实现对磁通的引导。为了提高超磁致伸缩力传感器的灵敏度，即提高霍尔传感器13的磁通密度与超磁致伸缩棒8内的磁通密度之间的比例系数，用不锈钢钢圈12将霍尔传感器13套住。为了防止外界环境对整个超磁致伸缩力传感器的内部磁路产生影响，用防磁性不锈钢材料外套1和顶盖2将整个超磁致伸缩力传感器内部结构封装在里面，将磁路切断。
实施例1静态力测量：本实施例中超磁致伸缩棒8的尺寸为Φ12×44mm，激励线圈10的匝数为535匝，漆包线带皮外径为1.07mm，霍尔传感器13选用型号为美国Allegro公司生产的线性霍尔传感器A1301EUA，灵敏度为2.5mv/G。图2为静态力测量实验系统示意图，其中主要部件的主要参数如下：选用JQ-300Z气动压力机2，其最大输出力可达3000N，最小可控输出力为1N。
实验平台的安装过程如下：将安装座3放置在压力机2的工作台上，把超磁致伸缩力传感器1安装在安装座3的圆形凹槽内，手动调节安装座3的位置直到压力机2的压头对准超磁致伸缩力传感器1中的施力轴的中心，通过紧固螺钉4把安装座3固定在压力机2的工作台上。双极性电源的两根输出线分别与超磁致伸缩力传感器1中的激励线圈两端相接，通过导线将直流稳压电源的两个输出端与超磁致伸缩力传感器1中的霍尔传感器的两个输入端连接，霍尔传感器的两个输出端与示波器的第一通道连接。
实验过程及结果：在室温环境下，利用双极性电源给超磁致伸缩力传感器1中的激励线圈提供1.5A的直流电流，直流稳压电源给超磁致伸缩力传感器1中的霍尔传感器提供5V的电压，压力机2以40N的间隔给超磁致伸缩力传感器1施加0～1000N的压力，超磁致伸缩力传感器1中的霍尔传感器的输出电压随着超磁致伸缩力传感器1受力的变化而变化，并且输出电压输入到示波器中，待示波器波形稳定后采集数据。测得的超磁致伸缩力传感器1中霍尔传感器的输出电压与超磁致伸缩力传感器1受到的力之间的关系如图3所示，实验结果曲线a基本为线性。
实施例2动态力测量：本实施例中超磁致伸缩棒8的尺寸为Φ12×44mm，激励线圈10的匝数为535匝，漆包线带皮外径为1.07mm，霍尔传感器13选用型号为美国Allegro公司生产的线性霍尔传感器A1301EUA，灵敏度为2.5mv/G。图4为动态力测量实验系统示意图，其中各主要部件的主要参数如下：(1)选用江苏联能公司生产的JZK-50激振器1，其最大输出力为500N，频率范围为DC-2000HZ。(2)选用江苏联能公司生产的CL-YD-312拉压式压电力传感器3，其灵敏度可达到3pC/N，测量范围为±5KN。
实验平台的安装过程如下：超磁致伸缩力传感器2通过与实验平台7的立板上圆形槽的配合安装在实验平台7的立板上，将左柔性连接杆4的左端与超磁致伸缩力传感器2连接，左柔性连接杆4的右端与压电力传感器3的一端连接，右柔性连接杆5的左端与压电力传感器3的另一端连接，将激振器1放置在实验平台7上，并使激振器1底部的两个长条形孔和实验平台7上的两个长条形孔对齐，右柔性连接杆5的右端与激振器1的输出轴端连接，调节激振器1的位置使右柔性连接杆5充分的旋入激振器1的输出轴内，激振器1位置确定后通过紧固螺钉6将激振器1固定在实验平台7上。功率放大器的输入端和输出端分别与函数发生器和激振器1连接，压电力传感器3的输出端与电荷放大器连接。双极性可编程电源的两根输出线分别与超磁致伸缩力传感器2中的激励线圈的两端相接，通过导线将直流稳压电源的两个输出端与超磁致伸缩力传感器2中的霍尔传感器的两个输入端连接，电荷放大器的输出端和超磁致伸缩力传感器2中的霍尔传感器的输出端分别与示波器的第一、第二通道连接。
实验过程及结果：在室温环境下，利用双极性可编程电源给超磁致伸缩力传感器2中的激励线圈提供1.5A的直流电流，利用直流稳压电源给超磁致伸缩力传感器2中的霍尔传感器提供5V的电压。调节函数发生器输出的正弦信号，正弦信号经过功率放大器放大后输入到激振器，激振器输出的正弦力作用在超磁致伸缩力传感器2上。激振器1输出的正弦力信号通过压电力传感器检测，不断调节函数发生器和功率放大器，最后使作用在超磁致伸缩力传感器2上的正弦力信号幅值为200N，频率为500HZ。超磁致伸缩力传感器2中的霍尔传感器的输出电压随着超磁致伸缩力传感器2受力的变化而变化，并且输出电压输入到示波器中，待示波器波形稳定后采集数据。测得的超磁致伸缩力传感器2中的霍尔传感器的输出电压与超磁致伸缩力传感器2受到的力之间的关系如图5所示，实验结果曲线b为近似正弦关系。
本发明所述的超磁致伸缩力传感器具有结构简单，灵敏度高，测量准确等特点，具有实际应用价值。
Claims (1)
1.一种超磁致伸缩力传感器，其特征在于，以超磁致伸缩棒(8)作为敏感元件，超磁致伸缩力传感器整体结构为轴对称式结构；下导磁体(14)安装在圆柱形外套(1)的内腔底部，霍尔传感器(13)通过非导磁性胶(15)固定在下导磁体(14)上表面的中心处，绕有激励线圈(10)的线圈骨架(9)安装在下导磁体(14)的上部，不锈钢钢圈(12)、下导磁垫片(11)、超磁致伸缩棒(8)从下至上依次安装在线圈骨架(9)的内孔中，用不锈钢钢圈(12)将霍尔传感器(13)套住，不锈钢钢圈(12)与下导磁垫片(11)和超磁致伸缩棒(8)的总体高度低于线圈骨架(9)的高度，上导磁垫片(7)安装在超磁致伸缩棒(8)的上面，中心处带有通孔的上导磁体(6)和端盖(5)从下至上依次安装在线圈骨架(9)的上部，碟形弹簧(4)安装在端盖(5)上部，阶梯轴形状的施力轴(3)依次穿过顶盖(2)、碟形弹簧(4)、端盖(5)、上导磁体(6)中心处的通孔，施力轴(3)细轴的端面与上导磁垫片(7)的上表面接触，外套(1)上部和顶盖(2)分别有外螺纹和内螺纹，通过螺纹配合将碟形弹簧(4)压缩，并将碟形弹簧(4)、端盖(5)、上导磁体(6)、上导磁垫片(7)、超磁致伸缩棒(8)、线圈骨架(9)、激励线圈(10)、下导磁垫片(11)、不锈钢钢圈(12)、霍尔传感器(13)、下导磁体(14)、非导磁性胶(15)封装在内部构成一个超磁致伸缩力传感器。
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