CN113970399A - 一种两维度磁弹性测力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种两维度磁弹性测力传感器，涉及传感器技术领域。传感器的主体由尺寸相同的多片磁致伸缩材料层叠构成，主体上形成有四个通孔；通过在第一通孔和第三通孔穿绕导线，形成第一组线圈；通过在第二通孔和第四通孔穿绕导线，形成第二组线圈；第一与第二组线圈正交；第一与第二组线圈中的一者用作励磁线圈，另一者用作测量线圈，通过测量线圈输出的感应电动势的大小及相位，确定主体上受到的力的大小和方向；传感器用于感测沿与X方向垂直的方向施加在主体上的力Fy以及用于感测沿与Y方向垂直的方向施加在主体上的力Fx。提供了两维度磁弹性测力传感器，相较传统的单维度测力传感器，可以测量两个维度方向的力值，扩展了传感器的用途。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种两维度磁弹性测力传感器。
背景技术
空间中的自由物体有六个自由度，分别是沿X、Y、Z三个方向轴的移动，和围绕三个方向轴的转动的，因而力也具有六个维度。测力传感器是用于测量力值的传感器，对于单维度的测力传感器，已经发展比较成熟，最为常用的为电阻应变式测力传感器。但是，受测量原理的限制，多维度的测力传感器较少。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种两维度磁弹性测力传感器，以解决传感器的多维度测力问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种两维度磁弹性测力传感器，该传感器的主体由尺寸相同的多片磁致伸缩材料层叠构成，主体上形成有四个通孔，四个通孔的延伸方向与所述多片磁致伸缩材料的延伸平面垂直，四个通孔包括第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔；通过在第一通孔和第三通孔穿绕导线，以形成第一组线圈；通过在第二通孔和第四通孔穿绕导线，以形成第二组线圈；第一组线圈与第二组线圈正交；
传感器用于感测主体上受到的沿多片磁致伸缩材料的延伸平面施加的力，在传感器感测主体上受到的力时，第一组线圈与第二组线圈中的一者用作励磁线圈，第一组线圈与第二组线圈中的另一者用作测量线圈，通过测量线圈输出的感应电动势的大小及相位，确定主体上受到的力的大小和方向；
假定第一通孔与第二通孔的连线方向为X方向，假定第二通孔与第三通孔的连线方向为Y方向，则传感器用于感测沿与X方向垂直的方向施加在主体上的力Fy以及用于感测沿与Y方向垂直的方向施加在主体上的力Fx。
可选地，第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔各自的中心依次连线构成正方形。
可选地，主体在沿所述多片磁致伸缩材料的延伸平面的外周形状为正方形去除四个角部之后形成的形状，第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔各自的中心依次连线构成的正方形的中心点与外周形状的中心点同心。
可选地，被去除的四个角部的大小相同。
可选地，被去除的四个角部的形状均为以对应角部的顶点为顶点的扇形形状。
可选地，主体的外周形状的任一直线边所在方向分别与X方向或者Y方向平行。
可选地，第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔各自的中心依次连线构成的正方形的边长与外周形状的任一直线边的长度相等。
可选地，在使用传感器测量主体上受到的力时，传感器与外部的二次仪表连接，二次仪表包括：励磁电源、相敏解调模块、信号处理模块；励磁电源与传感器的励磁线圈连接，励磁电源用于给传感器提供预设频率的交流恒流励磁电流；相敏解调模块分别与励磁电源和传感器的测量线圈连接，相敏解调模块用于根据来自励磁电源的参考交流信号对来自测量线圈的测量信号进行解调，以输出经解调的感应电动势；信号处理模块与相敏解调模块连接，信号处理模块用于将经解调的感应电动势变换为力值数据并进行输出。
可选地，根据经解调的感应电动势的相位，确定主体上受到的力的方向。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的传感器的主体由尺寸相同的多片磁致伸缩材料层叠构成，主体上形成有四个通孔，四个通孔的延伸方向与所述多片磁致伸缩材料的延伸平面垂直，四个通孔包括第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔；通过在第一通孔和第三通孔穿绕导线，以形成第一组线圈；通过在第二通孔和第四通孔穿绕导线，以形成第二组线圈；第一组线圈与第二组线圈正交；传感器用于感测主体上受到的沿多片磁致伸缩材料的延伸平面施加的力，在传感器感测主体上受到的力时，第一组线圈与第二组线圈中的一者用作励磁线圈，第一组线圈与第二组线圈中的另一者用作测量线圈，通过测量线圈输出的感应电动势的大小及相位，确定主体上受到的力的大小和方向；假定第一通孔与第二通孔的连线方向为X方向，假定第二通孔与第三通孔的连线方向为Y方向，则传感器用于感测沿与X方向垂直的方向施加在主体上的力Fy以及用于感测沿与Y方向垂直的方向施加在主体上的力Fx。提供了两维度磁弹性测力传感器，相较传统的单维度测力传感器，可以测量两个维度方向的力值，扩展了传感器的用途。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提供的两维度磁弹性测力传感器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的传感器与配套二次仪表连接的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
空间中的自由物体有六个自由度，分别是沿X、Y、Z三个方向轴的移动，和围绕三个方向轴的转动的，因而力也具有六个维度。测力传感器是用于测量力值的传感器，对于单维度的测力传感器，已经发展比较成熟，最为常用的为电阻应变式测力传感器。但是，受测量原理的限制，多维度的测力传感器较少。
物质在磁场中被磁化时，其尺寸或外形发生变化的现象称为磁致伸缩现象。反之，铁磁性物质发生变形或在应力的作用下，其内部磁畴会发生变化，被称为磁弹性原理。本发明将提供一种根据磁弹性原理，测量两个维度力的传感器。
图1示出了本发明实施例提供的两维度磁弹性测力传感器的结构示意图。如图1所示，该传感器的主体100由尺寸相同的多片磁致伸缩材料层叠构成，主体100上形成有四个通孔，四个通孔的延伸方向与所述多片磁致伸缩材料的延伸平面垂直，四个通孔包括第一通孔101、第二通孔102、第三通孔103和第四通孔104；通过在第一通孔101和第三通孔103穿绕导线，以形成第一组线圈W12；通过在第二通孔102和第四通孔104穿绕导线，以形成第二组线圈W34；第一组线圈W12与第二组线圈W34正交。也就是说，传感器的主体100由许多片大小相同的磁致伸缩材料层叠构成，中间的四个孔交叉穿绕导线，形成空间上正交的两组线圈。传感器用于感测主体100上受到的沿多片磁致伸缩材料的延伸平面施加的力(也就是在主体100的侧壁上对主体100施加的力)，在传感器感测主体100上受到的力时，第一组线圈W12与第二组线圈W34中的一者用作励磁线圈，第一组线圈W12与第二组线圈W34中的另一者用作测量线圈，通过测量线圈输出的感应电动势的大小及相位，确定主体上受到的力的大小和方向。假定第一通孔101与第二通孔102的连线方向为X方向，假定第二通孔102与第三通孔103的连线方向为Y方向，则传感器用于感测沿与X方向垂直的方向施加在主体上的力Fy以及用于感测沿与Y方向垂直的方向施加在主体上的力Fx。
如图1所示，例如，可以将第一组线圈W12用作励磁线圈，将第二组线圈W34用作测量线圈，在该情况下，为建立稳定的磁场，可以对励磁线圈W12输入恒定的励磁电流I，当励磁绕组线圈输入励磁电流后传感器中就产生稳定的磁场，图1中的圆形虚线105表示磁力线，测量线圈W34输出测量力值信号(测量感应电动势)Eo。
为了方便分析，把孔间分为A、B、C、D四个区域，传感器在不受力时，由于传感器中磁畴的各向同性，A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的，这时磁力线平行于测量线圈W34的平面，磁力线不与测量线圈W34交链，因而不产生感应电势。
例如，传感器在Y方向的压力Fy的作用下，AB区受到很大的压应力，而CD区基本上处在自由状态，根据维拉里效应，AB区的磁导率下降，磁阻增大，而CD区的磁导率不受影响，这就促使磁力线沿逆时针方向旋转，向CD区域移动，于是磁力线被扭曲变形，磁力线不再与线圈W34平行，而与其交链。测量线圈W34中感应出的电动势Eo随着压力值Fy变化，是受Fy调制的信号。
同样，传感器在X方向的压力Fx的作用下，CD区受到很大的压应力，而AB区基本上处在自由状态，CD区的磁导率下降，磁阻增大，而AB区的磁导率不受影响，这就促使磁力线沿顺时针方向旋转，向AB区域移动，于是磁力线被扭曲变形，磁力线不再与线圈W34平行，而与其交链。测量线圈W34中感应出的电动势Eo随着压力值Fx变化，是受Fx调制的信号。与传感器在Y方向的压力Fy不同，此时感应电动势Eo的调制相位与Fy相差180°，因而可以区分是X方向或Y方向的力。
本发明实施例提供的两维度磁弹性测力传感器，根据磁性材料在机械力作用下磁导率变化的原理，对于正磁致伸缩的材料，其受压时沿应力方向的磁导率下降，而与应力垂直方向的磁导率增大，受拉时效果相反。这种传感器像是一种“设计错了”的变压器，其中励磁线圈和测量线圈在无外力加载的状况下，其电磁耦合为零。在外加压力的作用下，测量线圈中感应出的电动势随着外加压力变化，压力越大，感应电动势也就越大。本发明实施例提供了能够测量X轴方向和Y轴方向力的两维度磁弹性测力传感器，相较传统的单维度测力传感器，可以测量两个维度方向的力值，扩展了传感器的用途。
可选地，第一通孔101、第二通孔102、第三通孔103和第四通孔104各自的中心依次连线构成正方形。主体100在沿所述多片磁致伸缩材料的延伸平面的外周形状为正方形去除四个角部之后形成的形状，第一通孔101、第二通孔102、第三通孔103和第四通孔104各自的中心依次连线构成的正方形的中心点与外周形状的中心点同心。可选地，被去除的四个角部的大小相同。例如，被去除的四个角部的形状均为以对应角部的顶点为顶点的扇形形状。主体100的外周形状的任一直线边所在方向分别与X方向或者Y方向平行。
可选地，第一通孔101、第二通孔102、第三通孔103和第四通孔104各自的中心依次连线构成的正方形的边长与外周形状的任一直线边的长度相等。
图2示出了本发明实施例提供的传感器与配套二次仪表连接的结构示意图，如图2所示，在使用传感器测量主体100上受到的力时，传感器与外部的二次仪表连接，二次仪表包括：励磁电源、相敏解调模块、信号处理模块；励磁电源与传感器的励磁线圈连接，励磁电源用于给传感器提供预设频率的交流恒流励磁电流；相敏解调模块分别与励磁电源和传感器的测量线圈连接，相敏解调模块用于根据来自励磁电源的参考交流信号对来自测量线圈的测量信号进行解调，以输出经解调的感应电动势；信号处理模块与相敏解调模块连接，信号处理模块用于将经解调的感应电动势变换为力值数据并进行输出。根据经解调的感应电动势的相位，确定主体上受到的力的方向。
具体地，感应电动势是受外力调制的信号，经过相敏解调电路处理后，就能建立外加压力与输出电压的线性关系。更重要的是，调制信号包含相位信息，传感器在Y轴方向受力时，经过相敏解调输出的电压为正值，而传感器在X轴方向受力时，经过相敏解调输出的电压为负值，这样就可以在X、Y两个维度上测量力值。也就是说，相敏解调参考励磁电源的信号解调传感器的输出感应电动势，用于区别传感器在X方向或Y方向的力。两维度磁弹性测力传感器为对称结构时，X轴和Y轴方向上的测量力值数值的大小相同，正负号相反。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种两维度磁弹性测力传感器，其特征在于，所述传感器的主体由尺寸相同的多片磁致伸缩材料层叠构成，所述主体上形成有四个通孔，所述四个通孔的延伸方向与所述多片磁致伸缩材料的延伸平面垂直，所述四个通孔包括第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔；通过在所述第一通孔和所述第三通孔穿绕导线，以形成第一组线圈；通过在所述第二通孔和所述第四通孔穿绕导线，以形成第二组线圈；所述第一组线圈与所述第二组线圈正交；
所述传感器用于感测所述主体上受到的沿所述多片磁致伸缩材料的延伸平面施加的力，在所述传感器感测所述主体上受到的力时，所述第一组线圈与所述第二组线圈中的一者用作励磁线圈，所述第一组线圈与所述第二组线圈中的另一者用作测量线圈，通过所述测量线圈输出的感应电动势的大小及相位，确定所述主体上受到的力的大小和方向；
假定所述第一通孔与所述第二通孔的连线方向为X方向，假定所述第二通孔与所述第三通孔的连线方向为Y方向，则所述传感器用于感测沿与X方向垂直的方向施加在所述主体上的力Fy以及用于感测沿与Y方向垂直的方向施加在所述主体上的力Fx。
2.根据权利要求1所述的两维度磁弹性测力传感器，其特征在于，所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔和所述第四通孔各自的中心依次连线构成正方形。
3.根据权利要求2所述的两维度磁弹性测力传感器，其特征在于，所述主体在沿所述多片磁致伸缩材料的延伸平面的外周形状为正方形去除四个角部之后形成的形状，所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔和所述第四通孔各自的中心依次连线构成的正方形的中心点与所述外周形状的中心点同心。
4.根据权利要求3所述的两维度磁弹性测力传感器，其特征在于，被去除的四个角部的大小相同。
5.根据权利要求4所述的两维度磁弹性测力传感器，其特征在于，被去除的四个角部的形状均为以对应角部的顶点为顶点的扇形形状。
6.根据权利要求5所述的两维度磁弹性测力传感器，其特征在于，所述主体的外周形状的任一直线边所在方向分别与X方向或者Y方向平行。
7.根据权利要求6所述的两维度磁弹性测力传感器，其特征在于，所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔和所述第四通孔各自的中心依次连线构成的正方形的边长与所述外周形状的任一直线边的长度相等。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的两维度磁弹性测力传感器，其特征在于，在使用所述传感器测量所述主体上受到的力时，所述传感器与外部的二次仪表连接，所述二次仪表包括：励磁电源、相敏解调模块、信号处理模块；所述励磁电源与所述传感器的励磁线圈连接，所述励磁电源用于给所述传感器提供预设频率的交流恒流励磁电流；所述相敏解调模块分别与所述励磁电源和所述传感器的测量线圈连接，所述相敏解调模块用于根据来自所述励磁电源的参考交流信号对来自所述测量线圈的测量信号进行解调，以输出经解调的感应电动势；所述信号处理模块与所述相敏解调模块连接，所述信号处理模块用于将所述经解调的感应电动势变换为力值数据并进行输出。
9.根据权利要求8所述的两维度磁弹性测力传感器，其特征在于，根据所述经解调的感应电动势的相位，确定所述主体上受到的力的方向。
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