CN1888841A - 非晶态合金应变计 - Google Patents

Abstract

一种非晶态合金应变计，非晶态合金薄带的中部向一侧凸起形成拱桥形磁极，磁极的桥面与非晶态合金薄带本体平行设置，磁极凸起的高度为h，0＜h＜0.5mm，在磁极上并排缠绕有励磁线圈和测量线圈，励磁线圈磁场强度为0.01～0.05A/mm。使用非晶态合金应变计测量应力时，将非晶态合金应变计牢固地附着在被测材料的表面，使其整体沿纵向与被测工件同时发生变形，从而引起铁芯中磁导率的变化，导致电感值改变，实现工件应变的检测。本发明利用非晶态合金良好的软磁特性和稳定的温度性能，它具有较高的测量灵敏度，尤其适合微力或者微小位移的测量；温度误差小；测量电路简单；可以在恶劣环境下工作，使用寿命长；结构简单，制作方便。

Description

非晶态合金应变计

                      技术领域

本发明涉及一种用于机械应力的测量的装置，特别是一种非晶态合金应变计。

                     背景技术

测量应力的技术和方法有多种，与非金态合金应变计相近的是电阻应变计，又称为电阻应变片，电阻应变片的工作原理是基于它的应变效应。使用应变片测量构件应力或应变时，将电阻应变片粘贴于被测构件表面，应变片和零件一起变形，由于片内金属丝尺寸和电阻率都产生变化，金属丝的电阻值也产生变化，通过测量电路(电阻应变仪)测出电阻值的变化即可求得应变或应力的大小。电阻应变计是目前测量应变、荷重、拉力、压力等物理量的常用技术，但也存在一些缺点：常规应变片在大应变状态下，电阻变化率与应变的关系呈现较大的非线性，半导体应变片更为显著。常规应变片输出信号较小，对信号连接导线要进行认真屏蔽.。应变片有一定的尺寸。所以实际测出的是某一面积上的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的情况。受温度的影响比较大。不适合在恶劣的环境下长期工作。

                      发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种测量灵敏度高、温度误差小的非晶态合金应变计。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种非晶态合金应变计，其特点是：非晶态合金薄带的中部向一侧凸起形成拱桥形磁极，磁极的桥面与非晶态合金薄带本体平行设置，磁极凸起的高度为h，0＜h＜0.5mm，在磁极上并排缠绕有励磁线圈和测量线圈，励磁线圈磁场强度为0.01～0.05A/mm。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，励磁线圈的匝数为5～8匝，测量线圈的匝数为8～10匝。

使用非晶态合金应变计测量应力时，将非晶态合金应变计牢固地附着在被测材料的表面，使其整体沿纵向与被测工件同时发生变形，从而引起铁芯中磁导率的变化，导致电感值改变，实现工件应变的检测。其工作原理是基于压磁效应，所谓压磁效应是指，当磁化的被测材料受到应力作用时，由于磁致伸缩的各向异性，拉应力将使λs为正的材料磁化方向转向拉应力的平行方向，也即与拉应力平行方向的磁导率增大(磁阻减小)，而在与拉应力垂直方向难以磁化，也即与拉应力垂直方向的磁导率减小(磁阻增大)；压应力的情况则相反。非晶态合金是一种新型材料，由于其具有独特的性能，在传感器技术中应用的越来越多。本发明利用非晶态合金良好的软磁特性和稳定的温度性能，与传统的电阻应变计相比，它具有一下主要优点：(1)具有较高的测量灵敏度，尤其适合微力或者微小位移的测量；(2)温度误差小；(3)测量电路简单；(4)可以在恶劣环境下工作，使用寿命长。(5)结构简单，制作方便。

                      附图说明

附图为本发明的结构简图。

                      具体实施方式

一种非晶态合金应变计，非晶态合金薄带1的中部向一侧凸起形成拱桥形磁极2，磁极2的桥面与非晶态合金薄带1本体平行设置，磁极2凸起的高度为h，0＜h＜0.5mm，此值越小越好，以减小附加弯矩。在磁极2上并排缠绕有励磁线圈4和测量线圈3。此时凸起部分相当于线圈铁芯。应变计的具体的尺寸主要由所选非晶态合金材料的允许应力决定。目前国内安泰科技股份有限公司所提供的非晶态合金薄带的规格为：宽度5～100mm，厚度0.03mm，长度可根据需要裁剪，用户也可以根据需求订做特殊规格。当主要测量拉应力时，可以采用比较薄的非晶态合金薄带；当主要测量压应力时，则可以采用比较厚的非晶态合金薄带。用户可以通过特殊订制，或通过叠加来增加非晶态合金薄带的厚度。

应变计材料选择

根据磁弹性理论，铁磁材料的相对磁导率变化与应力σ之间的关系为

$\frac{\mathrm{\Δ\μ}}{\mathrm{\μ}}=\frac{2{\mathrm{\λ}}_m}{B_m^2}\mathrm{\σ\μ}$

式中，μ为铁磁材料的磁导率；B_m为饱和磁感应强度。由上式可知，为了保证应变计具有较高的测量灵敏度，所选非晶态合金材料应该具有较大的磁致伸缩系数和磁导率，较小的饱和磁感应强度。在目前技术上得到广泛应用的三类非晶态合金中，具有上述特性的材料，当属TM-M型的Fe基非晶态合金。这种材料具有很高的机电转换效率，经过适当的退火处理，其机电转换效率还可以进一步提高。除此之外，TM-M型非晶态合金具有良好温度稳定性和时效稳定性，可加工性好，价格便宜，很适合制作应变计。目前国内安泰科技股份有限公司生产的Fe基非晶态合金薄带的主要物理性能为：饱和磁感应强度Bs＝1.56T；居里温度Tc＝410℃；饱和磁致伸缩系数λs＝27×10^-6；电阻率ρ＝130Ωμ-cm；最大导磁率μ＞25×10⁴。

应变计主要参数确定

非晶态合金应变计的主要参数为励磁线圈和测量线圈的匝数N₁、N₂，励磁电流强度I，磁场强度H，其中磁场强度H对应变计的测量灵敏度影响最大。确定磁场强度H要使非晶态合金应变计工作在最大磁导率和磁化曲线(B-H)的线性段。磁芯材料时通常所施加的磁场强度H值，非晶态合金应变计的励磁磁场强度0.01～0.05A/mm。当磁场强度H确定后，可由下式求其他参数：

$N_1=\frac{\mathrm{Hl}}{I}$

式中，N₁为励磁线圈匝数；l为非晶态合金应变计凸起长度；I为励磁电流强度。励磁线圈的匝数为5～8匝左右，测量线圈的匝数为8～10匝左右。可测力范围为(1～100)×10⁴N。当励磁线圈匝数N₁确定后，励磁电流强度I即可确定。

非晶态合金应变计的磁路分析如图2所示。将非晶态合金应变计牢固地附着于被测材料表面时，二者便形成了闭合磁路。当励磁线圈通入具有一定频率的交流电时，便在励磁线圈中产生了交变磁通φ。根据磁路定律，磁路中的瞬时磁通为：

而 $R_{\mathrm{AB}}=\frac{l_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{AB}}\mathrm{hb}}$ $R_{\mathrm{CD}}=\frac{l_{\mathrm{CD}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}\mathrm{ab}}$ $r_0=\frac{{\mathrm{\δ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_{0}b{s}_0}$

式中，I——励磁电流强度；N₁——励磁线圈匝数；

R_AB——非晶态合金应变计凸起部分的磁阻；

R_CD——被测材料表面CD段磁阻；

r₀——应变计与被测材料之间气隙磁阻，如果二者附着紧密牢固，气隙磁阻可忽略。

l_AB——应变计凸起部分的长度；μ_AB——非晶态合金绝对磁导率；

h——非晶态合金应变计的厚度；

b——非晶态合金应变计凸起部分的宽度；

l_CD——被测材料表面CD间的长度；

μ_CD——被测材料的绝对磁导率；

a——磁力线在被测材料表面的渗透深度；

δ₀——非晶态合金应变计与被测材料表面间的气隙厚度；

μ₀——空气磁导率；

s₀——非晶态合金应变计与被测材料表面间的附着长度。

根据法拉第电磁感应定律知，测量线圈中的感应电压为

$U=\frac{4\mathrm{\πfI}{N}_1{N}_2}{(\frac{l_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{AB}}\mathrm{hb}}+\frac{l_{\mathrm{CD}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}\mathrm{ab}}+\frac{{\mathrm{\δ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_{0}b{s}_0})}$

式中f——励磁电流频率；N₂——测量线圈匝数。

根据压磁效应，当被测材料表面有应力作用时，对于λ_s＞0的铁磁材料，应力为拉应力时，磁导率μ提高，即μ_AB变为μ_AB+Δμ_AB，μ_CD变为μ_CD+Δμ_CD，则磁阻降低；当应力为压应力时，即μ_AB变为μ_AB-Δμ_AB，μ_CD变为μ_CD-Δμ_CD，则磁阻增加。磁阻的变化引起磁通量变化，测量线圈中的感应电压U也会变化。

由于非晶态合金的磁导率远大于普通铁磁测量的磁导率，另外，如果能严格保证气隙厚度δ₀为零，则上式变为

$U=\frac{4{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{AB}}\mathrm{hb\πfI}{N}_1{N}_2}{l_{\mathrm{AB}}}$

即测量线圈中的输出感应电压与被测材料的表面磁特性无关。

非晶态合金应变计与被测材料之间结合质量对应力测量精度有很大的影响。采用粘贴的方法将非晶态合金应变计附着于被测构件表面，简单、方便，便于现场操作，但要合理选择粘结剂，高质量地对结合面进行处理。所选粘结剂既要有很高的粘度，固化时又不应该产生较大的体积收缩，另外，与非晶态合金应变计材料，以及与被测构件材料之间的热膨胀悉数要一致，否则在应变计内部会产生不均匀应力，影响测量稳定性。参考目前常采用的金属粘结工艺，要先对应变计粘贴处用砂轮打磨，然后用一定浓度的硅酸钠溶液清洗浸泡数分钟，然后进行粘贴。

在测量应力之前，要对非晶态合金应变计灵敏度系数进行标定，即对同一类型材料制成的应变计，只选其中一个进行标定。

Claims (2)

1.一种非晶态合金应变计，其特征在于：非晶态合金薄带(1)的中部向一侧凸起形成拱桥形磁极(2)，磁极(2)的桥面与非晶态合金薄带(1)本体平行设置，磁极(2)凸起的高度为(h)，0＜h＜0.5mm，在磁极(2)上并排缠绕有励磁线圈(4)和测量线圈(3)，励磁线圈(4)磁场强度为0.01～0.05A/mm。

2.根据权利要求1所述的非晶态合金应变计，其特征在于：励磁线圈(4)的匝数为5～8匝，测量线圈(3)的匝数为8～10匝。

Images