TWI463120B - 磁性應變計 - Google Patents

Description

磁性應變計

本揭露是有關於一種磁性應變計，特別是有關於一種用於量測磁性材料上之應力強度的磁性應變計。

應變計係一種用以量測應力或應變的設備。目前傳統的應變計為電阻式應變計，其係由具有固定電阻值的電阻所組成。電阻式應變計係利用電阻的電阻值與其長度之變化成正比的原理來量測應力。例如，當應變計中的電阻受到外來應力，如拉力、推力、壓力或其他作用力等，而產生長度變化時，其電阻值之變化係與長度變化成正比，而藉由測量其電阻值之變化便可推算出外來應力強度的大小。

然而，由於電阻式應變計的訊號容易受到干擾，有些研究開始使用光學式的量測原理來研發光學式應變計。光學式應變計應用雷射和光線來製作。在光學式應變計中，當拉伸應變發生時，雷射訊號在光線中會停留較長的時間，因此會造成相位落後的現象，而光學式應變計便是利用此原理來量測應力。

雖然，光學式應變計不易受到干擾，光學式應變計的價格高昂且架設複雜度高，因此需要一種價格低廉且容易架設的應變計。

本發明之一方面是在提供於一種磁性應變計，其係應用磁致伸縮原理來量測磁性物質所承受的應力強度。

根據本發明之一實施例，此磁性應變計包含二個激磁源、第一磁場量測裝置、第二磁場量測裝置以及計算模組。激磁源係設置於磁性板材之表面上，並於激磁源之間形成磁場。第一磁場量測裝置和第二磁場量測裝置係分別設置於上述平面之的第一位置和第二位置上，以量測磁場於此第一位置和第二位置上的強度並輸出第一電壓值和第二電壓值。計算模組係電性連接至第一磁場量測裝置和第二磁場量測裝置，以利用第一電壓值和第二電壓值來計算出磁性板材所承受之應力的強度。

由上述說明可知，本發明實施例之磁性應變計係利用激磁源、磁場量測裝置和簡單架構的計算模組來量測磁性物質所承受之應力強度，因此相較習知的應變計，本發明實施例之磁性應變計不但具有成本上的優勢，更具有架設容易之優點。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明實施例之磁性應變計100之結構示意圖。磁性應變計100包含兩個激磁源112、114、兩個磁場量測裝置122、124以及計算模組130。激磁源112和114係設置於待測物，即磁性板材150之表面上，並於此表面形成磁場。本實施例之磁性板材150可由鐵磁性材料，例如鐵、鈷或鎳製成，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，磁性板材150亦可由亞鐵磁性材料製成。另外，本實施例之激磁源112、114可例如為磁鐵或通電的磁性線圈。

磁場量測裝置122和124係分別設置磁性板材150表面上的兩個不同位置。在本實施例中，磁性應變計100更包含支撐物140，以供磁場量測裝置122和124架設於其上，但本發明之實施例並不受限於此。支撐物140為正四方體，而磁場量測裝置122和124係設置於支撐物140的兩個侧表面142和144上。支撐物140係設置於激磁源112和114之間，例如激磁源112和114之間的中心點，如此支撐物140上的磁場量測裝置122和124，便可量測激磁源112和114所形成之磁場的強度。

計算模組130係電性連接至磁場量測裝置122和124。當磁場量測裝置122和124測得磁場強度後，便會根據測得的磁場強度來輸出電壓至計算模組130，而計算模組130則會根據收到的電壓值來計算出磁性板材150所受到的應力。在本實施例中，電壓訊號的傳送係以無線的方式來進行，但本發明實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，電壓訊號的傳送亦可以有線的方式來進行。

請參照第1a圖，其係繪示根據本發明實施例之磁性應變計100之部份結構俯視圖，其中N和S係代表激磁源的極性。在第1a圖中，將以X-Y座標平面來解釋磁性應變計100中各元件的位置關係。激磁源112和114係設置於X-Y平面的第一象限和第三象限中，且激磁源112和114所連成之直線L係通過座標原點並與正X軸夾45度角。

磁場量測裝置122和124係分別位於正Y軸和正X軸上，且對稱地設置於直線L的兩側。本實施例之磁場量測裝置係採用霍爾感應器。霍爾感應器具有磁場感應方向，意即對於一固定的磁場而言，當此磁場方向與霍爾感應器的磁場感應方向平行時，霍爾感應器可產生最大的感應電壓，而在本實施例中，磁場量測裝置122之感應方向係平行Y軸，而磁場量測裝置124之感應方向係平行X軸。

在本發明之其他實施例中，磁場量測裝置122和124亦可分別位於負Y軸和負X軸上，而其感應方向仍分別平行Y軸與X軸。

請同時參照第2a-2c圖，其係繪示根據本發明實施例之激磁源112和114的磁場分佈圖，其中在圖中央的圓圈係代表支撐物140的所在位置。在本實施例中，當待測物，即磁性板材150未受到應力時，磁場分佈係如第2a圖所示，磁場係對稱地分佈。

當磁性板材150受到X軸方向的拉伸應力時，磁性板材150在X軸向上會有拉伸應變，而在Y軸方向上會有壓縮應變。根據磁致伸縮的原理，此時磁場會產生變化，其分佈係如第2b圖所示，激磁源112和114的磁場係偏向Y軸分佈。相反地，當磁性板材150受到Y軸方向的拉伸應力時，磁性板材150在Y軸向上會有拉伸應變，而在X軸方向上會有壓縮應變。根據磁致伸縮的原理，此時磁場會產生變化，其分佈係如第2c圖所示，激磁源112和114的磁場係偏向X軸分佈。

由上述說明可知，假設激磁源112和114在磁場量測裝置122和124所在處的磁場強度為H，且未有應力被施加至磁性板材150，因為磁場的方向與磁場量測裝置的感應方向夾角為45度，且磁場量測裝置係對稱地設置，所以磁場量測裝置122和124所感應到的磁場強度皆為Hcos(45°)且輸出電壓Vcos(45°)，其中V為與H成比例之定值。

當磁性板材150受到X軸方向的拉伸應力時，由於磁場係偏向Y軸分佈，因此磁場量測裝置122會測得磁場強度Hcos(45°-θ)並輸出電壓Vcos(45°-θ)，而磁場量測裝置124會測得磁場強度Hcos(45°+θ)並輸出電壓Vcos(45°+θ)，如第3a圖所示。計算模組130會根據兩輸出電壓的差值來計算出應力強度，其中電壓差V_diff 可定義為V_diff =V1-V2=Vcos(45°-θ)-Vcos(45°+θ)=Vsinθ，V1為磁場量測裝置122輸出之電壓，V2為磁場量測裝置124輸出之電壓。

類似地，當磁性板材150受到Y軸方向的拉伸應力時，由於磁場係偏向X軸分佈，因此磁場量測裝置122會測得磁場強度Hcos(45°+θ)並輸出電壓Vcos(45°+θ)，而磁場量測裝置124會測得磁場強度Hcos(45°-θ)並輸出電壓Vcos(45°-θ)，如第3b圖所示。計算模組130會根據兩輸出電壓的差值來計算出應力強度，其中電壓差V_diff 可定義為V1-V2=Vcos(45°+θ)-Vcos(45°-θ)=-Vsinθ。

在本實施例中，計算模組130可為複雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device;CPLD)或可編程積體電路(Programmable Integrated Circuit;PIC)。另外，可利用差動放大器來放大磁場量測裝置122和124所輸出之電壓訊號，以利計算模組130來計算應力強度。

由上述說明可知，本案實施例之磁性應變計100係利用磁致伸縮原理來量測磁性材料承受的應力。由於磁性應變計100係利用簡易的元件來進行應力偵測與計算，因此性應變計100不但成本低廉而且容易架設。

請參照第4圖，其係繪示根據本發明實施例之磁性應變計400的俯視結構示意圖。磁性應變計400係類似於磁性應變計100，但不同之處在於磁性應變計400更包含磁場量測裝置126和128，其中磁場量測裝置126和128係設置於四方體支撐物140的另兩側面上，如此四方體支撐物140的四個側面上皆設置有磁場量測裝置。

磁場量測裝置126和128亦用以量測磁場強度，並將感測到的磁場強度轉換為電壓訊號輸出至計算模組130。本實施例之磁性應變計400包含四個磁場量測裝置，此四個磁場量測裝置可提供複數個電壓差值(例如2個或4個)，因此磁性應變計400之靈敏度可較磁性應變計100提升一倍以上。

另外，本發明實施例之磁性應變計可用來偵測待測物的主要應力方向。例如，使激磁源112、114所提供之磁場的方向與應力方向平行及垂直，並量測平行和垂直這兩情況下，磁場量測裝置所輸出的電壓，據此可了解主要應力的方向。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．磁性應變計

112、114．．．激磁源

122、124．．．磁場量測裝置

126、128．．．磁場量測裝置

130．．．計算模組

140．．．支撐物

150．．．磁性板材

400．．．磁性應變計

L．．．激磁源的連線

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖係繪示根據本發明實施例之磁性應變計之結構示意圖。

第1a圖係繪示根據本發明實施例之磁性應變計之部份結構俯視圖。

第2a圖係繪示根據本發明實施例之磁性板材未受到應力時的磁場分佈圖。

第2b圖係繪示根據本發明實施例之磁性板材受到X軸方向的拉伸應力時的磁場分佈圖。

第2c圖係繪示根據本發明實施例之磁性板材受到Y軸方向的拉伸應力時的磁場分佈圖。

第3a圖係繪示根據本發明實施例之磁場量測裝置在磁性板材受到X軸方向拉伸應力時感測磁場強度的示意圖。

第3b圖係繪示根據本發明實施例之磁場量測裝置在磁性板材受到Y軸方向拉伸應力時感測磁場強度的示意圖。

第4圖係繪示根據本發明實施例之磁性應變計的部份結構俯視圖。

100．．．磁性應變計

112、114．．．激磁源

122、124．．．磁場量測裝置

130．．．計算模組

140．．．支撐物

150．．．磁性板材

Claims (10)

1. 一種磁性應變計，用以量測一磁性板材所承受之一應力的強度，其中該磁性應變計包含：二個激磁源，設置於該磁性板材之一表面上，並形成一磁場於該些激磁源間；一第一磁場量測裝置，設置於該磁性板材之該表面之一第一位置上，以量測該磁場於該第一位置上的強度並輸出一第一電壓值，其中該第一位置係位於該些激磁源間；一第二磁場量測裝置，設置於該磁性板材之該表面之一第二位置上，以量測該磁場於該第二位置上的強度並輸出一第二電壓值，其中該第二位置係位於該些激磁源間；以及一計算模組，電性連接至該第一磁場量測裝置和該第二磁場量測裝置，以利用該第一電壓值與該第二電壓值來計算出該應力的強度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性應變計，其中該第一磁場量測裝置和該第二磁場量測裝置係對稱地設置於由該些激磁源所構成之一直線的兩側。
3. 如申請專利範圍第2項所述之磁性應變計，其中當利用該些激磁源間之一中心點做為一X-Y平面座標系之圓點時，由該些激磁源所構成之該直線與正X軸之夾角為45度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之磁性應變計，其中該 第一磁場量測裝置係位於正X軸上，而該第二磁場量測裝置係位於正Y軸上。
5. 如申請專利範圍第3項所述之磁性應變計，其中該第一磁場量測裝置係位於負X軸上，而該第二磁場量測裝置係位於負Y軸上。
6. 如申請專利範圍第4項所述之磁性應變計，更包含：一第三磁場量測裝置，設置於該磁性板材之該平面之一第三位置上，以量測該磁場於該第三位置上的強度並輸出一第三電壓值，其中該第三位置係位於該些激磁源間；一第四磁場量測裝置，設置於該磁性板材之該平面之一第四位置上，以量測該磁場於該第四位置上的強度並輸出一第四電壓值，其中該第四位置係位於該些激磁源間；其中，該計算模組更電性連接至該第三磁場量測裝置和該第四磁場量測裝置，以利用該第一電壓值、該第二電壓值、該第三電壓值以及該第四電壓值來計算出該應力的強度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之磁性應變計，其中該第三磁場量測裝置係位於負X軸上，該第四磁場量測裝置係位於負Y軸上。
8. 如申請專利範圍第1項所述之磁性應變計，其中該磁性板材係由鐵磁性材料或亞鐵磁性材料所構成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之磁性應變計，更包含一差放大器，電性連接至該第一磁場量測裝置和該第二磁場量測裝置，以將該第一電壓值與該第二電壓值放大。
10. 如申請專利範圍第1項所述之磁性應變計，其中該第一磁場量測裝置和該第二磁場量測裝置為霍爾感應器。