CN115452204B - 一种基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，在磁致伸缩材料和励磁线圈之间设置检测线圈，在磁致伸缩材料发生形变的过程中，通过检测线圈检测到磁通的变化，转化成电学信号，进而通过电学信号感知磁致伸缩材料所发生形变的大小，再推断出磁致伸缩材料所受到力的大小。本发明中根据其原理而得到的力传感器，具有抗干扰能力强、耐用性好、容易向小型化发展等优点，特别是适合于力矩的在线监测。采用逆磁致伸缩效应对力进行测量，可以有效地减小由于系统刚度下降而导致的控制误差，以及改善传感器磁滞等误差。

Description

一种基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法。

背景技术

力传感器是一种能感受拉力或压力并按照一定的规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和弹性元件组成。力传感器在机器人技术领域应用广泛，一般安装在机器人各个关节内部，能够全面地感知机器人与外部环境相互作用时所承受的力矩大小，为机器人的柔顺控制提供力感信息。

目前对力进行测量的几种主要方法包括应变式、光电式、电容式以及磁弹式等，各个方法都有其特有的优势，也存在着各自的缺点，适合应用的领域也往往不同。

应变片传感器对力的测量是通过在弹性梁上粘贴应变片组成测量电桥，当弹性梁受力产生微小变形后引起电桥中电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现力的测量。其具有精度灵敏度高，成本低廉等优点。

光电式传感器将开孔数完全相同的两片光栅固定在弹性梁上，并将光电元件和固定光源分别固定在光栅两侧，弹性梁无力作用时两片光栅的明暗条纹错开，完全遮挡光路。有力作用时两个光栅的截面产生相对转角，明暗条纹部分重合，部分光线透过光栅照到光敏元件上，输出电信号。通过测量输出的电信号能够测得外加力的大小。其优点在于可以实时监测，响应迅速；缺点是结构复杂、静态标定困难、可靠性较差、抗干扰能力差。

电容式力传感器是通过给弹性体安装两个电极，当弹性体受力时，两片电极之间的面积或者距离会发生变化，此时电容就会发生改变。通过检测电容的变化来得到力的大小。

磁弹式力传感器是在弹性梁上粘贴磁致伸缩材料，在弹性梁上施加力后，弹性梁的应力应变会导致粘贴在其上的磁致伸缩材料发生应力应变，由于逆磁致伸缩效应，磁致伸缩材料受到应力时其磁导率会发生改变，通过检测其磁导率的变化来得到力的大小。

现有磁弹式力传感器根据测量方式一般分为旁路式和套筒式。旁路式通常在磁致伸缩材料旁放置一个U型磁铁，并在U型磁铁上绕上激励与检测绕组，使其系统闭合为一个完整的磁路；套筒式通常是利用两个套筒将磁致伸缩材料完全包裹，激励绕组在最外层，检测绕组在激励绕组内测，使磁力线完整覆盖磁致伸缩材料。这两种测量方式的优点在于能有效减少系统的漏磁现象，使之形成完整磁路，但缺点在于体积庞大，难以小型化。

磁致伸缩效应是指磁性物质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆变化的效应。而磁致伸缩智能材料是一类磁致伸缩效应强烈，具有高磁致伸缩系数的材料，也就是说，它是一类具有电磁能/机械能相互转换功能的材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，根据其原理而得到的力传感器具有抗干扰能力强、耐用性好、容易向小型化发展等优点，特别是适合于力矩的在线监测。采用逆磁致伸缩效应对力进行测量，可以有效地减小由于系统刚度下降而导致的控制误差，以及改善传感器磁滞等误差。

本发明采用如下技术方案：

一种基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，在磁致伸缩材料和励磁线圈之间设置检测线圈，在磁致伸缩材料发生形变的过程中，通过检测线圈检测到磁通的变化，转化成电学信号，进而通过电学信号感知磁致伸缩材料所发生形变的大小，再推断出磁致伸缩材料所受到力的大小；

所述磁致伸缩材料为薄片的力检测片，力检测片粘贴在被测物的表面，位置与励磁线圈和检测线圈匹配；被测物为非磁导弹性材料。

所述磁致伸缩材料为非晶态软磁合金1K107。1K107是一种铁基纳米晶合金，由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为10－20 nm的微晶,弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感、高初始磁导率、低Hc, 高磁感下的高频损耗低。是目前市场上综合性能最好的材料；广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。

所述力传感器的受弯弹性体为应变梁，其位于设置有5根梁构成的S形传感器的中间，S形传感器上下两根水平梁为加载梁，分别与加载梁端部连接的竖直梁为传递梁，与两根传递梁端部连接的应变梁位于S形传感器中间，为水平布置；力检测片固定于应变梁的中部表面，励磁线圈和检测线圈固定于加载梁表面，位置与力检测片相匹配。

外力作用在加载梁上，起加载作用；传递梁作用是将加载梁上加载的力传递到中间的应变梁上，最终使外部加载的力作用于应变梁上，进而在应变梁上产生应力应变。

励磁检测线圈可通过高强度结构胶粘贴固定在弹性体加载梁上；力检测片也可通过高强度结构胶粘贴固定在应变梁上。

所述应变梁中部上下表面均固定设置力检测片，上下两根加载梁的匹配位置均设置励磁线圈和检测线圈。上下布置同样的力传感装置可得到两组数据，可实现信号放大处理，并且上下两组数据校对，得到的数据更为准确。

所述励磁线圈和检测线圈为平面线圈，两者均印制在PCB板上，并叠合制造为一体。将两者在PCB板上制成一体，成为一体化励磁检测线圈，更便于安装。

所述励磁线圈和检测线圈均为平面正八边形。其目的是在最小的面积中得到最大的磁场。

所述应变梁中部上下表面均固定设置力检测片，上下两根加载梁的匹配位置均设置励磁线圈和检测线圈。

所述S形传感器中，上加载梁上端面中部设置螺纹孔，下加载梁下端面中部也设置螺纹孔。螺纹孔可用于固定施力部件。

本发明工作原理如下：

本发明基于逆磁致伸缩效应的力传感器在使用时，通过上下两个加载梁与左右两个传递梁将拉力或压力传递到应变梁上，此时应变梁会发生弯曲变形，同时产生应力和应变。

此时粘贴在弹性轴表面的非晶态合金力检测片产生应力，会产生逆磁致伸缩效应（维拉里效应）。非晶态合金力检测片本质是一种磁致伸缩材料，其特征是在受到应力时，会引起其磁导率的变化，在外加磁场的条件下，便会引起磁场的变化。由于非晶态合金力检测片在励磁线圈产生的交变磁场中改变其磁通，检测线圈检测到磁通的变化继而转化成电学信号来表示所受力矩的变化。

逆磁致伸缩效应是铁磁材料所具有的独特的物理性质，其表明了在外部作用力的影响下，其内部的参数磁导率会改变。由铁磁材料制作而成的弹性轴在稳定的外部激励场的作用下，与此同时，它又受到外部作用力的影响时，弹性体材料磁化状态的改变可以看作是磁导率改变的结果。磁性材料在扭矩或应力的作用下，其内部磁畴结构的改变是影响材料内部磁化状态改变的原因。所以，利用铁磁材料的逆磁致伸缩效应可以通过测量对其加载力时其磁化强度的改变来表征其应力状态变化，从而将测量力的问题转化为测量材料的磁化强度的问题。除此之外，磁致伸缩系数这一物理量的正负也会影响磁畴的转动方向。本专利从磁导率的改变和磁感应强度的改变来探讨弹性轴材料的磁化状态改变。实际上，磁化强度的改变就是磁感应强度的改变,所以我们可以从宏观的磁感应强度的改变来分析施加的外部力。

励磁检测线圈中的励磁线圈会持续的给非晶态合金力检测片附加一个稳定的交变磁场，当弹性体中应变梁有应力变化时，其表面磁致伸缩材料会导致其磁场变化，励磁检测线圈中的检测线圈就会识别其变化并将变化转化为电信号传递给外界数据采集装置。

本发明的优点：

1、本发明方法可应用于力传感器领域，所得到的力传感器具有抗干扰能力强、耐用性好、容易向小型化发展等优点，特别是适合于力矩的在线监测。采用逆磁致伸缩效应对力进行测量，可以有效地减小由于系统刚度下降而导致的控制误差，以及改善传感器磁滞等误差。

2、此力传感器由于其上述优点，可以广泛应用于自动化机器人领域，特别是在重载恶劣工况下工作的机器人，并且可实现力传感装置的小型化。适用于广泛的应用领域。

附图说明

图1是实施例1的立体外观示意图；

图2是实施例1 S形传感器梁体的剖面视图；

图3是力检测片、励磁线圈和检测线圈的位置关系示意图；

图4为励磁线圈和检测线圈的主视图；

图5为力传感器测试偏差坐标散点图；

图中标记示意为：11-应变梁；12-加载梁；13-传递梁；2-力检测片；3-励磁线圈；4-检测线圈。

具体实施方式

实施例1

一种基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，在磁致伸缩材料和励磁线圈3之间设置检测线圈4，在磁致伸缩材料发生形变的过程中，通过检测线圈4检测到磁通的变化，转化成电学信号，进而通过电学信号感知磁致伸缩材料所发生形变的大小，再推断出磁致伸缩材料所受到力的大小；

所述磁致伸缩材料为薄片的力检测片2，力检测片2粘贴在被测物的表面，位置与励磁线圈3和检测线圈4匹配；被测物为非磁导弹性材料；

当上述方法应用于力传感器上时，所述力传感器的受弯弹性体为应变梁11，其位于设置有5根梁构成的S形传感器的中间，S形传感器上下两根水平梁为加载梁12，分别与加载梁12端部连接的竖直梁为传递梁13，与两根传递梁13端部连接的应变梁11位于S形传感器中间，为水平布置；力检测片2固定于应变梁11的中部表面，励磁线圈3和检测线圈4固定于加载梁12表面，位置与力检测片2相匹配；所述励磁检测线圈放置在力检测片的正上（下）方，以达到检测量最大的目的。

传感器为S型，有五根梁，五根梁均为铝合金材料一体加工成型；其中上下两根梁为加载梁，外力作用在这两根梁上，起加载作用；左右两根梁为传递梁，作用是将加载梁上加载的力传递到中间梁上；中间的梁为应变梁，作用是将加载梁上的力转换为应力应变。

所述励磁线圈3和检测线圈4为平面线圈，两者均印制在PCB板上，并叠合制造为一体；所述励磁检测线圈分为励磁线圈和检测线圈两部分；其中励磁线圈通过外接信号发生器提供交变磁场；检测线圈检测空间中磁场的变化量，将输出的信号输出给外界信号采集装置；励磁检测线圈通过高强度结构胶固定在弹性体加载梁上。

所述励磁线圈3和检测线圈4均为平面正八边形；PCB的平面尺寸为10mm * 10mm，各11匝。

所述应变梁11中部上下表面均固定设置力检测片2，力检测片2为磁致伸缩材料非晶态软磁合金1K107制造，其厚度仅为0.026mm；力检测片通过高强度结构胶4080粘贴在弹性体应变梁的中心部位，上下两根加载梁12的匹配位置均设置励磁线圈3和检测线圈4；

所述S形传感器中，上加载梁12上端面中部设置螺纹孔，下加载梁12下端面中部也设置螺纹孔。螺纹孔以便与外界施力物体进行连接，其孔不贯穿为盲孔。

应用实施例：

通过实验对本发明在力传感测量器上的应用进行验证：

实验平台搭建：将实施例1所述传感器固定在实验平台上，采用砝码加载对传感器进行标定实验，通过信号发生器给予传感器初始激励信号，传感器采集信号通过示波器采集显示并记录。

实验过程：把传感器固定好后，将励磁线圈两端线头接到信号发生器上，将检测线圈两端接头接到示波器上。检测电线接好后，使用信号发生器给予励磁线圈5VPP，5MHz的正弦信号。将砝码按25N为一个单位增量，从0-200N的区间内分阶段将砝码加载到传感器上，给传感器施加压力。通过挂载砝码，传感器将受到0-200N的压力，每次挂载砝码后记录示波器上显示的幅值。挂载到200N后进行卸载实验，依然将砝码按25N为一个单位减量，从200N卸载到0，并记录每次卸载后示波器上显示的幅值。

实验结果：

根据图5所示，通过多次实验取平均值得出实验数据，得到的平均值在坐标上的散点，与拟合线重合度很高，其线性拟合的R²为0.9983。

根据实验数据分析：

非线性误差：传感器非线性根据以下公式求得：

其中——最大非线性误差；

——输出满量程；

将实验数据代入公式求得传感器的非线性误差为2.64%。

灵敏度：传感器灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值，计算得到其灵敏度为6.436mV/N。

磁滞误差：传感器的磁滞误差可以由公式：

计算得出，式中为正返行程输出值间最大差值。

将数据代入计算得到传感器磁滞误差为0.839%

通过以上实验数据可知，传感器线性度良好，磁滞误差小。

Claims (7)

1.一种基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，其特征在于：在磁致伸缩材料和励磁线圈（3）之间设置检测线圈（4），在磁致伸缩材料发生形变的过程中，通过检测线圈（4）检测到磁通的变化，转化成电学信号，进而通过电学信号感知磁致伸缩材料所发生形变的大小，再推断出磁致伸缩材料所受到力的大小；

该方法在力传感器中的应用；

所述力传感器的受弯弹性体为应变梁（11），其位于设置有5根梁构成的S形传感器的中间，S形传感器上下两根水平梁为加载梁（12），分别与加载梁（12）端部连接的竖直梁为传递梁（13），与两根传递梁（13）端部连接的应变梁（11）位于S形传感器中间，为水平布置；力检测片（2）固定于应变梁（11）的中部表面，励磁线圈（3）和检测线圈（4）固定于加载梁（12）表面，位置与力检测片（2）相匹配。

2.根据权利要求1所述基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，其特征在于：所述磁致伸缩材料为薄片的力检测片（2），力检测片（2）粘贴在被测物的表面，位置与励磁线圈（3）和检测线圈（4）匹配；被测物为非磁导弹性材料。

3.根据权利要求1所述基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，其特征在于：所述磁致伸缩材料为非晶态软磁合金1K107。

4.根据权利要求1所述基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，其特征在于：所述励磁线圈（3）和检测线圈（4）为平面线圈，两者均印制在PCB板上，并叠合制造为一体。

5.根据权利要求1所述基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，其特征在于：所述励磁线圈（3）和检测线圈（4）均为平面正八边形。

6.根据权利要求1所述基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，其特征在于：所述应变梁（11）中部上下表面均固定设置力检测片（2），上下两根加载梁（12）的匹配位置均设置励磁线圈（3）和检测线圈（4）。

7.根据权利要求1所述基于逆磁致伸缩效应的力传感测量方法，其特征在于：所述S形传感器中，上加载梁（12）上端面中部设置螺纹孔，下加载梁（12）下端面中部也设置螺纹孔。

Images