CN106482883B - 一种冲击力检测机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供的冲击力检测机构是一种基于Galfenol合金的冲击力检测机构，该冲击力检测机构包括：底座，设置在底座上的可拆除模块，通过螺纹连接在底座上Galfenol梁；所述Galfenol梁为检测机构的主体，其尾部与一块永磁体紧密贴合，其中部有信号提取线圈，其端部与力传递杆紧密连接；力传递杆上面连接有施力模块，力传递杆下面为安置于底座上的限位凸台；所述永磁体外包裹着一层减震层，放置在底座和可拆除模块之间的空腔内。本发明结构简单、便于安装，可以实现对冲击载荷的测量，此外，作为检测主体的Galfenol合金采用悬臂梁结构，能有效提高检测机构的灵敏度。

Description

一种冲击力检测机构

技术领域

本发明涉及一种基于Galfenol合金(Fe-Ga合金)的冲击力检测机构，该检测机构主体采用悬臂梁结构，以提高检测机构的灵敏度，敏感性元件采用Galfenol合金，利用其磁致伸缩逆效应实现对外部冲击力的检测。

背景技术

冲击力是指物体相互碰撞时出现的力。在碰撞或是打击过程中，物体间突然增大而后迅速消失的力，又称冲力或是碰撞力。冲击力是一种瞬态现象，特点是作用时间极短，但是量数值可以达到很大。由冲击力产生的冲击震动对于机械部件的可靠性、稳定性及其寿命有至关重要的影响，检测冲击力的瞬态响应过程，是现代工业生产和先进制造技术中的重要课题。

对冲击力进行检测需要使用高度专业化的设备。传统的力检测方法有两种，分别是应变式力检测和压电式力检测，前者利用应力引起的电阻值变化进行检测，但是该方法对应变片的装配精度要求较高，线性工作区间小，动态响应差；后者利用材料的压电效应进行力检测，但是压电材料脆性较大，无法对大应力进行测量，而冲击力的数值一般都较大，这便大大限制了压电材料在冲击力检测上的应用。磁致伸缩力传感技术是一类较新的力检测技术，其中典型代表就是基于超磁致伸缩材料(GMM，牌号Terfenol-D)，但是与压电材料一样，Terfenol-D脆性也较大，无法承受较大载荷，也不适合对冲击力进行测试。

上述检测方法皆因为材料的脆性或者自身强度问题限制了其在冲击力检测方面的应用。由于上述材料的脆性都较大，故不能直接将冲击力施加到这些材料上，而是采用间接检测的方式来测量冲击力的大小，测量过程中需要设计专门的保护机构进行配套工作，使得传感器的结构复杂化。

Galfenol合金具备优良的力学性能与磁致伸缩效应，抗冲击能力强，脆性小，可以利用传统的金属加工方法对其进行机械加工和焊接，与其他材料相比，更适合应用于冲击力检测机构的设计。

本发明针对上述冲击力检测方法的不足以及Galfenol合金的优异性能，提出了一种基于Galfenol合金的冲击力检测机构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种基于Galfenol合金的冲击力检测机构，该检测机构能够实现对冲击力的直接测量，同时，Galfenol合金制成悬臂梁结构，能大大提高检测时的灵敏度。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的冲击力检测机构，是一种基于Galfenol合金的冲击力检测机构，该冲击力检测机构包括：底座，设置在底座上的可拆除模块，通过螺纹连接在底座上Galfenol梁；所述Galfenol梁为检测机构的主体，其尾部与一块永磁体紧密贴合，其中部有信号提取线圈，其端部与力传递杆紧密连接；力传递杆上面连接有施力模块，力传递杆下面为安置于底座上的限位凸台；所述永磁体外包裹着一层减震层。

所述的检测主体Galfenol梁，其由具备优良的力学性能与磁致伸缩效应，抗冲击能力强，脆性小的铁镓合金制成。

当施力模块的冲击力作用于Galfenol梁上时，由示波器或数据采集卡对信号提取线圈上的电压信号进行提取，提取后的电压信号通过调制解调、滤波处理，得到表征冲击力大小的电压信号，然后经过相应的换算关系，获得冲击力的大小。

所述永磁体安放在底座和可拆除模块的形成的空腔内，用于提供稳定的偏置磁场。

所述Galfenol梁为悬臂梁结构，该悬臂梁整体为弧形变截面结构，其横截面为梯形。

所述Galfenol梁通过螺纹与底座的螺纹孔连接在一起；该梁由伸出部分与固定部分组成，二者之间采用曲面过渡。

所述力传递杆穿过Galfenol梁上的通孔，两者为间隙配合，Galfenol梁的上侧抵在力传递杆阶梯轴的轴肩上，Galfenol梁的下侧通过固定螺母的挤压力固定。

所述减震层的材料为双面带胶EVA。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：

1.结构简单、便于安装：

敏感元件采用Galfenol合金(Fe-Ga合金)，Galfenol合金(Fe-Ga合金)具有优良的力学性能与磁致伸缩效应，抗冲击能力强，脆性小，可以利用传统的金属加工方法对其进行机械加工和焊接，冲击力可以作用于敏感元件本身，不需要配套的保护装置，结构更简单；

在底座上冲击力作用点正下方设置了一个简单的凸台，以此来限制Galfenol梁的最大位移，避免Galfenol梁出现过大的应变而破坏，省去了复杂的限位装置，使整个检测机构结构更简单；

Galfenol梁的刚度足够大，在承受冲击过后可以自动回位，与其紧密接触的力传递杆与施力模块也可以跟着回位，所以在这里不需要专门的回位装置，极大地简化了检测机构的结构。

2.利用敏感性元件的磁致伸缩逆效应可以实现对外部冲击力的检测，动态响应好。

3.灵敏度高：

检测机构主体采用悬臂梁式结构，其应变灵敏度为两端固定的梁的8倍，悬臂梁整体为弧形，横截面为梯形，其应变灵敏度比一般矩形截面的矩形梁略高，采用这种结构可以提高检测机构的灵敏度；悬臂梁采用螺纹固定在底座上，更紧凑、稳定。

4.具有稳定的励磁磁场、节能：

该检测机构采用永磁体进行励磁，与励磁线圈相比，可以提供更稳定的励磁磁场；不需要额外的励磁供电电路，大大减小了测试过程中的能量损耗；在永磁体周围包裹着一层减震层，该减震层的材料为双面带胶EVA，该材料不导磁，不会影响永磁磁路。

5.强度高、测试范围更广：

悬臂梁的固定部位承受最大载荷，因此在其固定部位采用曲面过度，增加了悬臂梁的连接部位的厚度，能有效提高悬臂梁连接部位的强度，因此能测试更大的冲击力；

当有冲击力作用于施力模块时，施力模块上的冲击力通过力传递杆传递到Galfenol梁上，Galfenol梁受到冲击力驱动时，Galfenol梁上的磁感应强度会发生变化，即Galfenol梁上的磁通量会发生变化，而信号提取线圈会检测到这种变化，并且在两端会产生一定大小的感应电压，通过一定的信号提取设备(示波器或者数据采集卡)便可测得该感应电压，通过感应电压与冲击力之间的换算关系，便可得知施加的冲击力的大小。

附图说明

图1为两端固定的梁与一端固定一端自由的梁的应变对比。

图2为梯形横截面的弧形悬臂梁与矩形横截面的矩形悬臂梁的应变对比。

图3为冲击力检测机构总体的结构示意图。

图4为Galfenol梁(即Fe-Ga合金)的结构示意图。

图5为图4的俯视图。

图6为图4的左视图。

图7为力传递杆与Galfenol梁的连接示意图。

图8为悬臂梁总体的结构示意图。

图9为本发明冲击力检测机构的工作示意图。

图10为限位装置的结构示意图。

图11为底座可拆除模块的结构示意图。

图中：1.底座；101.可拆除模块；2.力传递杆；3.施力模块；4.信号提取线圈；5.Galfenol梁；501.固定螺纹；502.弧形变截面梁；503.过渡曲面；504.梯形截面；6.永磁体；7.减震层；8.固定螺母；9.限位凸台。

具体实施方式

本发明涉及一种基于Galfenol合金的冲击力检测机构，包括底座，设置在底座上的可拆除模块，通过螺纹连接在底座上的Galfenol梁，Galfenol梁尾部设有与Galfenol梁紧密贴合的永磁体，永磁体外包裹着一层减震层，放置在底座和可拆除模块之间的空腔内，Galfenol梁中部为信号提取线圈，Galfenol梁前端设有与其紧密连接的力传递杆，力传递杆与Galfenol梁为间隙配合，通过固定螺母的挤压力与悬臂梁固定在一起，力传递杆上面连接施力模块，连接杆的正下方有一个安置于底座上的限位凸台。

下面结合实施例及附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

本发明提供的基于Galfenol合金的冲击力检测机构，其结构如图3所示，包括：底座1，设置在底座1上的可拆除模块101，通过螺纹连接在底座上Galfenol梁5，Galfenol梁5的尾部有与Galfenol梁紧密贴合的永磁体6，Galfenol梁5的中部有信号提取线圈4，Galfenol梁5的前端设有与其紧密连接的力传递杆2，力传递杆2上面连接施力模块3，力传递杆2下面为固定螺母8与安置于底座上的限位凸台9。

所述力传递杆2与Galfenol梁5为间隙配合(图7)，通过固定螺母8的挤压力与悬臂梁固定在一起。

力传递杆2与Galfenol梁5紧密接触，力传递杆2穿过Galfenol梁5上的通孔，两者为间隙配合，Galfenol梁5的上侧抵在力传递杆2阶梯轴的轴肩上，Galfenol梁5的下侧通过固定螺母8的挤压力固定，这样便将Galfenol梁5和力传递杆2牢固的连接在一起。这样的连接方式保证了冲击震动充分传递到Galfenol梁5上，能实现冲击力的精确检测。

所述Galfenol梁5，又称铁镓合金悬臂梁，是冲击力检测机构的主体。Galfenol合金具有优良的机械性能，具备优良的力学性能与磁致伸缩效应，抗冲击能力强，脆性小，可以对冲击载荷进行测量；冲击力可以直接作用于Galfenol合金上，同时，冲击力检测机构的主体采用悬臂梁结构，悬臂梁承受冲击应力发生弯曲形变时，悬臂梁承受的剪切和法向应力作用更明显，灵敏度会更高。

所述Galfenol梁5的结构如图8所示，其上有永磁体6和信号提取线圈4这两个磁性部件。由于冲击载荷作用下Galfenol梁5上的磁特性会发生变化，但是其变化的值较小，直接检测时容易与噪声信号混在一起，为了更好的测量该信号，采用永磁体6为敏感元件(即Galfenol梁5)提供一个恒定的偏置磁场，采用信号提取线圈4来提取Galfenol梁5上磁特性变化引起的电压信号，通过该电压信号便可得知施加在Galfenol梁5上的冲击力的大小。

所述信号提取线圈4安装在Galfenol梁5的中部，当冲击力作用于Galfenol梁(即Fe-Ga合金)上时，Galfenol合金悬臂梁的磁特性会发生变化，从而获取在信号提取线圈两端产生的一定大小的电压，将所述获取到的电压信号进行解调处理后，通过对解调后的信号滤波便可得到表征冲击载荷的那部分信号。

所述永磁体6为圆柱形永磁体，安装在Galfenol梁5的尾部，二者紧密贴合，可以给Galfenol梁提供一定大小的偏置磁场，与励磁线圈相比，省去了外部励磁供电环节，大大减小了测试过程中的能量损耗。

所述的永磁体6，其作用是励磁，但是永磁体的脆性较大，为了减小永磁体所承受的冲击震动，在永磁体周围包裹着一层减震层7，该减震层的材料为双面带胶EVA，该材料不导磁，不会影响永磁磁路。

为方便永磁体6的安装，如图11所示，在底座1上设置了一个可拆除模块101，永磁体6安置于底座1与可拆除模块101之间的空腔内，在永磁体6安放好后，将可拆除模块101用螺栓8固定在底座上，从而实现了对永磁体6的密封。

所述可拆除模块101为底座尾部可拆卸的封盖，为方便永磁体的安放而设置。

所述悬臂梁为主体梁，如图5所示，其通过固定螺纹501固定于底座1上；其整体为弧形变截面梁502，横截面为梯形截面504(如图6)，这样的悬臂梁结构可以使灵敏度得到提高。悬臂梁的伸出部分与固定部分之间采用过渡曲面503(如图4)实现两者的曲面过渡，这种结构增加了悬臂梁固定部位的厚度，有效地提高了悬臂梁的承载能力，并且对悬臂梁的灵敏度的影响也很小。

所述悬臂梁(Galfenol梁5)为敏感元件，如图10所示，当出现过大冲击力时，悬臂梁会出现较大的变形，当变形量超出了Galfenol梁5的承受范围之后，Galfenol梁5会发生不可逆的变形甚至断裂。为了避免上述情况的发生，在力传递杆2的下方即底座上冲击力作用点正下方设置了一个限位凸台9(限位装置)，限位凸台9与力传递杆2之间的距离为H，而H小于Galfenol梁5的最大承受应变。通过限制H的大小来限制悬臂梁应变的最大值，以此来避免Galfenol梁出现过大的应变而破坏，即：当冲击力过大时，力传递杆2便会与限位凸台9接触，而限位凸台9固定在底座1上，底座1是固定不动的，从而限位凸台9也无法运动，力传递杆2也无法继续向下运动，这便限制了Galfenol梁5和力传递杆2进一步的位移，避免了Galfenol梁5因出现过大应变而破坏。

同时，由于Galfenol梁5的刚度足够大，在承受冲击过后可以自动回位，与其紧密接触的力传递杆2与施力模块3也可以跟着回位，所以在这里不需要专门的回位装置，极大地简化了检测机构的结构。

本发明提供的基于Galfenol合金的冲击力检测机构，其工作原理如下：

Galfenol合金(Fe-Ga合金)具有磁致伸缩逆效应与优良的机械性能，抗冲击能力强，脆性小，当施加于Galfenol合金(Fe-Ga合金)上的应力发生变化时，合金内部磁化强度会发生改变，因此，通过测量合金磁化率的变化可以检测出外部力的大小，适合应用于冲击检测机构的设计。

冲击力检测机构的主体以Galfenol合金(Fe-Ga合金)作为主体，采用梁结构，梁承受冲击应力发生弯曲形变时，梁承受的剪切和法向应力作用更明显，灵敏度会更高。

为了使本发明能更好的检测所施加的冲击力的大小，此处选取了不同连接方式和不同形状的梁进行了仿真，研究了不同条件下梁在冲击力下的变形情况。

图1为两端固定的梁与一端固定一端自由的梁在冲击力作用下的变形比较，仿真时，在梁的相同部位施加了相同大小和方向的冲击力，并选取梁上同一个点来测试应变。从图8中可以看出，两种结构的梁的应变的最大值基本上都出现在冲击力最大的时刻。此外，两端固定梁的最大应变是0.170386mm，一端固定、一端自由的梁的最大应变是1.3949519mm，其数值约为两端固定梁的8.19倍。从上述分析可知：一端固定一端自由的梁即悬臂梁的应变灵敏度远高于两端固定的梁，故冲击力检测机构的主体梁结构为悬臂梁时，灵敏度更高。

图2为梯形横截面的弧形悬臂梁与一般的矩形横截面的矩形悬臂梁的应变对比的结果，与前面一样，也在梁的相同部位施加了相同大小的载荷，选取梁的同一个点测试应变，前者最大应变为12.102078mm，后者最大应变为11.87444328mm，前者比后者数值略大，故悬臂梁采用梯形横截面的弧形梁灵敏度更高。此处横截面变化越大(即弧线的锐化越明显)，截面梯形的上底与下底的比值越小，灵敏度会更大。

如图9所示，当有冲击力作用于施力模块3时，施力模块3上的冲击力通过力传递杆2传递到Galfenol梁5上，Galfenol梁5受到冲击力驱动时，Galfenol梁5上的磁感应强度会发生变化，即Galfenol梁5上的磁通量会发生变化，而信号提取线圈4会检测到这种变化，并且在两端会产生一定大小的感应电压，通过一定的信号提取设备(示波器或者数据采集卡)便可测得该感应电压，通过感应电压与冲击力之间的换算关系，便可得知施加的冲击力的大小。前面检测到的感应电压的计算表达式为：

式中：N为信号提取线圈4的匝数，S为截面积，B为Fe-Ga内部磁通密度大小，ψ为磁通量的大小，t为时间。

由于B＝μ₀(H+M)，所以公式(1)可以改写为：

式中：M为磁化强度，H为磁场强度，μ₀为真空磁导率。

从公式(2)中，可以看到信号提取线圈4输出的电压信号U₀(t)是磁场强度H的变化率和磁化强度M的变化率的叠加，将所述获取到的电压信号进行解调处理后，通过对解调后的信号滤波便可得到表征冲击载荷的那部分信号。因而可以通过感应电压的积分值对冲击力进行实时动态测量。

本发明结构简单，装配方便可靠，冲击力可直接加载在敏感元件上，不需要配套的保护装置，灵敏度高，适用于多种场合的冲击力检测。

Claims (8)

1.一种冲击力检测机构，其特征是一种基于Galfenol合金的冲击力检测机构，该冲击力检测机构包括：底座，设置在底座上的可拆除模块，通过螺纹与底座的螺纹孔连接在一起的Galfenol梁；所述Galfenol梁为检测机构的主体，其尾部与一块永磁体紧密贴合，其中部有信号提取线圈，其端部与力传递杆紧密连接；力传递杆上面连接有施力模块，力传递杆下面为安置于底座上的限位凸台；所述永磁体外包裹着一层减震层。

2.根据权利要求1所述的冲击力检测机构，其特征在于：所述检测主体Galfenol梁，其由具备优良的力学性能与磁致伸缩效应，抗冲击能力强，脆性小的铁镓合金制成。

3.根据权利要求2所述的冲击力检测机构，其特征在于：当施力模块的冲击力作用于Galfenol梁上时，由示波器或数据采集卡对信号提取线圈上的电压信号进行提取，提取后的电压信号通过调制解调、滤波处理，得到表征冲击力大小的电压信号，然后经过相应的换算关系，获得冲击力的大小。

4.根据权利要求1所述的冲击力检测机构，其特征在于：所述永磁体安放在底座和可拆除模块的形成的空腔内，用于提供稳定的偏置磁场。

5.根据权利要求1所述的冲击力检测机构，其特征在于：所述Galfenol梁为悬臂梁结构，该悬臂梁整体为弧形变截面结构，其横截面为梯形。

6.根据权利要求5所述的冲击力检测机构，其特征在于：所述Galfenol梁通过螺纹与底座的螺纹孔连接在一起；该梁由伸出部分与固定部分组成，二者之间采用曲面过渡。

7.根据权利要求1所述的冲击力检测机构，其特征在于：所述力传递杆穿过Galfenol梁上的通孔，两者为间隙配合，Galfenol梁的上侧抵在力传递杆阶梯轴的轴肩上，Galfenol梁的下侧通过固定螺母的挤压力固定。

8.根据权利要求1所述的冲击力检测机构，其特征在于：所述减震层的材料为双面带胶EVA。