基于嵌入鐵基納米微晶合金應(yīng)力敏感芯式力傳感器

石延平，陳紹鵬，劉成文，侯金柱

(1．淮海工學(xué)院機(jī)械系，江蘇連云港，222005 2．中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

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基于嵌入鐵基納米微晶合金應(yīng)力敏感芯式力傳感器

石延平1，陳紹鵬2，劉成文1，侯金柱2

(1．淮海工學(xué)院機(jī)械系，江蘇連云港，222005 2．中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

將鐵基納米微晶合金薄帶纏繞并嵌入圓柱型應(yīng)力敏感芯，利用壓磁效應(yīng)，使傳感器實現(xiàn)拉壓力測量。介紹了傳感器的結(jié)構(gòu)和原理，推導(dǎo)出傳感器的輸出特性方程。通過靜態(tài)壓縮試驗，分析了傳感器的激磁磁場強(qiáng)度、激磁電流強(qiáng)度、激磁頻率以及溫度變化對傳感器輸出的影響，得出了室溫下傳感器的靜態(tài)特性。試驗數(shù)據(jù)顯示，傳感器的最大非線性誤差小于1.16%F．S，重復(fù)性誤差為0.53% F．S，遲滯誤差為0.36% F．S，平均靈敏度為1.14 mV/kN．對一般的工程應(yīng)用是可行的。

拉壓力傳感器；鐵基納米微晶合金；壓磁效應(yīng)；試驗

0 引言

壓磁式拉壓力傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)、過載性能好、結(jié)構(gòu)與電路簡單、能在惡劣環(huán)境下工作和壽命長等優(yōu)點。傳統(tǒng)的壓磁式拉壓力傳感器由沖壓成形的冷軋硅鋼片，經(jīng)熱處理后疊成一定厚度，用環(huán)氧樹脂粘合在一起，構(gòu)成壓磁敏感元件。由于硅鋼材料磁滯回線較寬，所以傳感器的磁滯誤差較大，靜態(tài)測量時誤差可達(dá)4%。另外，環(huán)境溫度改變會引起材料在磁化過程中磁特性的變化，導(dǎo)致傳感器輸出溫漂大。在溫度為10～110℃范圍內(nèi)，溫漂可達(dá)0.5%～3%。此外，老化也會造成傳感器靈敏度不穩(wěn)定。所以長期以來較多應(yīng)用于重工業(yè)行業(yè)[1-3]。

近年來鐵基納米微晶合金在各類傳感器中的應(yīng)用越來越廣泛。這種材料具有高起始磁導(dǎo)率、低矯頑力、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高頻下的低鐵磁損耗及高磁性能溫度穩(wěn)定性，是目前綜合磁性能最好的微晶合金材料[4-7]。商業(yè)用鐵基納米微晶合金大都是薄帶或細(xì)絲形式，所以采用鐵基納米微晶合金作為應(yīng)力敏感材料時，通常要設(shè)計力放大機(jī)構(gòu)，或?qū)㈣F基納米微晶合金薄帶粘貼于受力母材表面等，致使傳感器結(jié)構(gòu)與制造工藝復(fù)雜，成本提高。另外，軟磁材料粘貼質(zhì)量的好壞對測量精度影響。文中開發(fā)了一種通過纏繞鐵基鐵基納米微晶合金薄帶構(gòu)成整體應(yīng)力敏感磁芯的拉壓力傳感器。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

圖1所示為文中設(shè)計的拉壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)。圖中所示的鐵基納米微晶合金磁芯采用安泰科技生產(chǎn)的RN1型帶材，厚為0.03 mm，寬為80 mm，將其緊密纏繞成套筒型并嵌入到應(yīng)力敏感芯的凹槽中。為保證各層之間無氣隙，在其表面涂刷特殊的粘合劑。待測載荷主要由應(yīng)力敏感芯承受。在鐵基納米微晶合金磁芯套圓周表面分別纏繞激磁線圈N1和測量線圈N2，如圖1右側(cè)視圖所示。預(yù)緊彈簧上端與承力板連接，下段固定在底座上，使鐵基納米微晶合金磁芯受到一定預(yù)緊力的作用。測壓力時，從承力板上卸下拉環(huán)即可。為了對傳感器進(jìn)行溫度補償，在不承載的套筒芯軸表面纏繞溫度補償電感線圈。

圖1 傳感器基本結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)激磁線圈中加載交流電壓時，交變磁通沿鐵基納米微晶合金磁芯柱與承力板以及底座形成閉式回路。根據(jù)壓磁效應(yīng)[8]，磁場中的鐵磁材料受到應(yīng)力作用時，其磁導(dǎo)率將發(fā)生改變。對飽和磁致伸縮系數(shù)為正的鐵磁材料，沿拉應(yīng)力方向磁導(dǎo)率增加，即磁阻減??；相反，沿壓應(yīng)力方向磁導(dǎo)率減少，即磁阻增大。顯然載荷使處于弱磁場中的鐵基納米微晶合金磁芯中的磁導(dǎo)率發(fā)生改變，使磁路中的磁通改變，從而使測量線圈中感生出對應(yīng)載荷大小的感生電動勢。

為了進(jìn)行溫度補償，傳感器測量線圈中的感應(yīng)電壓采用圖2所示的交流電橋輸出。電橋的Z1和Z3臂為鐵基納米微晶合金磁芯磁柱上的測量線圈的阻抗。Z2和Z4臂為不承載套筒芯軸上的溫度補償電感線圈的阻抗。這樣由溫度引起的橋路中感抗的變化得以抵消，降低了溫度對測量精度的影響。圖中E為激磁電源電動勢；L1、L3為測量線圈中的電感；Rs1、Rs3為測量線圈中的電阻；ZL為負(fù)載阻抗；U0為電橋輸出電壓。

圖2 傳感器輸出交流電橋

2 傳感器輸出特性

在圖2所示的交流電橋中，Z1和Z3為工作臂，即傳感器阻抗。Z2和Z4為平衡臂，可以是純電阻，或者是電感線圈。由平衡條件，Z1/Z3=Z2/Z4，同時有：Z1=Z3=Z=Rs+jωL，Z2=Z4，Rs1=Rs3=Rs，L1=L3=L．則在工作時，Z1=Z3=Z+ΔZ，式中，Rs為線圈電阻；ΔZ為測量線圈中阻抗增量。另外，當(dāng)ZL為無窮大時，交流電橋的輸出的電壓幅值為

(1)

式中：ω激磁電流的角頻率；ΔRs測量線圈中的電阻增量；ΔL為測量線圈中的電感增量；E為電橋供電電源。

激磁電壓為

(2)

式中：Ri為激磁線圈電阻值；f為激磁頻率；Li為激磁線圈電感值。

輸出阻抗為

(3)

測量線圈中的電感L為

(4)

式中：Rm為閉合磁路中磁阻；l和S分別為鐵基納米微晶合金磁芯的長度和橫截面積；μ為所采用鐵基納米微晶合金的磁導(dǎo)率。

測量線圈中的電感增量ΔL為

(5)

式中Δμ為對應(yīng)鐵基納米微晶合金磁柱所受應(yīng)力σ引起的磁導(dǎo)率的增量。

根據(jù)壓磁原理，Δμ=kmσ，km為鐵基納米微晶合金磁柱的磁彈性系數(shù)，通過試驗測定。

定義K=ΔZ/Z為傳感器的靈敏度。測量線圈阻抗變?yōu)?/p>

(6)

則

(7)

即

(8)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]

(9)

式中：λS為鐵芯材料的飽和磁致伸縮系數(shù)；BS為鐵芯材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

由式(9)知，為提高傳感器靈敏度，應(yīng)選飽和磁致伸縮系數(shù)λS大、磁導(dǎo)率越μ大，而飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS小的鐵基納米微晶合金材料。另外，線圈匝數(shù)比N2/N1越大，激磁電壓越高，靈敏度也越高。

3 測量試驗

傳感器的輸出性能和測量精度在很大程度上取決于合理確定主要參數(shù)，包括線圈匝數(shù)、激磁電流強(qiáng)度與頻率、磁場強(qiáng)度以及預(yù)緊力等。最佳參數(shù)要通過試驗確定。限于篇幅，文中僅論述有關(guān)激磁磁場、激磁電流強(qiáng)度和頻率以及溫度變化對傳感器輸出的影響。試驗在材料拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行。圖3所示為試驗原理框圖。為了測試傳感器的溫度穩(wěn)定性，將傳感器置于專用恒溫箱。

圖3 試驗裝置及原理框圖

激磁磁場強(qiáng)度對傳感器的靈敏度和線性度有很大影響，過大和過小的激勵都會出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性和降低靈敏度。從理論上講，最佳的磁場強(qiáng)度應(yīng)滿足兩點：一是保證外加作用力所產(chǎn)生的磁能與外磁場及磁疇磁能之和接近相等；二是應(yīng)使傳感器工作在磁化曲線的線性段，這樣使壓磁敏感材料的磁導(dǎo)率成為應(yīng)力的單值函數(shù)[10]。

最佳激磁磁場強(qiáng)度通過試驗確定。當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸以及激磁線圈匝數(shù)確定后，調(diào)節(jié)激磁電流可改變激磁磁場強(qiáng)度。為確定最佳激磁磁場，在190 A/m、200 A/m、210 A/m和220 A/m 4種不同磁場強(qiáng)度激磁下，對傳感器進(jìn)行加載。根據(jù)試驗[11]，當(dāng)磁場強(qiáng)度比較小時，傳感器輸出靈敏度高，但線性度差；當(dāng)磁場強(qiáng)度比較大時，情況正好相反。對于鐵基納米微晶合金，最佳磁場強(qiáng)度取為200 A/m．

改變激磁電流和頻率，傳感器的輸出改變。圖4所示激磁頻率為500 Hz，激磁電流分別為10 mA、20 mA、30 mA、40 mA、50 mA時，傳感器的加載輸出曲線。

圖4顯示，增大激磁電流可以提高傳感器的輸出電壓，但受線圈導(dǎo)線允許電流的限制。

圖4 不同激磁電流對應(yīng)的傳感器輸出電壓

圖5所示激磁電流為50 mA時，激磁頻率分別為100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz時，傳感器的加載輸出曲線。圖5顯示，增大激磁頻率不僅可以提高傳感器的輸出電壓，而且也能減小非線性誤差。但頻率太大時傳感器渦流損失增大。另外，壓磁材料的磁導(dǎo)率也會隨頻率的增大而降低。同時，頻率增大也會增強(qiáng)集膚效應(yīng)，提高了溫度誤差。

圖5 不同激磁頻率對應(yīng)的傳感器輸出電壓

表1所示為25℃時的傳感器拉伸試驗數(shù)據(jù)。激磁電流強(qiáng)度為50 mA，頻率為500 Hz．

根據(jù)表1所試驗數(shù)據(jù)求得傳感器的最大重復(fù)性誤差為0.53% F．S，最大遲滯誤差為0.36%F．S。平均最大非線性誤差為1.16%F．S，平均靈敏度為1.14 mV/kN．圖6是根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出的加載載荷F與輸出電壓U關(guān)系曲線。

由圖6看出，加載時，較大的非線性誤差主要表現(xiàn)在零載荷與小載荷時，主要是由于預(yù)緊力不適當(dāng)所致。通過反復(fù)調(diào)節(jié)預(yù)緊彈簧力，最終將非線性誤差降低到1%以下。

為分析傳感器的溫度穩(wěn)定性，在0～100℃范圍進(jìn)行壓縮試驗，其結(jié)果如表2所示。

表1 25℃時的靜態(tài)壓縮試驗數(shù)據(jù)

圖6 傳感器靜態(tài)特性曲線

測量溫度/℃平均靈敏度/(mV·kN-1)加載載荷F/kN01020304050傳感器輸出電壓U/mV011411310522334345657525114213104222344455575401142131072243444575756011421310822534545957680114314108226346459577100114314109228348460579

從表2中可以看出傳感器有一定的溫度零點漂移，其溫漂系數(shù)為0.001 mV/℃．但傳感器的輸出靈敏度基本不隨溫度變化而改變。傳統(tǒng)的壓磁式測力傳感器通常采用硅鋼作為壓磁材料，其溫度系數(shù)可達(dá)0.02 mV/℃，這主要是由于其磁化特性(磁導(dǎo)率)隨溫度變化而變化的緣故。但對鐵基鐵基納米微晶合金以及鐵基納米晶合金，當(dāng)溫度小于200 ℃時，其磁導(dǎo)率基本不隨溫度變化而變化，只有在材料的居里溫度附近，磁導(dǎo)率才會發(fā)生較大的變化，即所謂Hopkinson 效應(yīng)[12]。另外，線圈導(dǎo)線電阻會隨溫度變化而變化，由于本設(shè)計在測量橋路中采用了溫度補償，所以傳感器輸出在小于100℃范圍基本不變。

3 結(jié)束語

根據(jù)上述理論和試驗分析，在圓柱型應(yīng)力敏感芯表面嵌入鐵基納米微晶合金薄帶作為壓磁元件的拉壓力傳感器，通過合理設(shè)計，對工程應(yīng)用是可行的。其特點如下：

(1)待測載荷主要由圓柱型應(yīng)力敏感芯承受，與采用鐵基非晶態(tài)合金整體磁芯相比，傳感器的量程更大；

(2)與晶體材料比，鐵基納米微晶材料的磁滯回線窄，矯頑力小，所以與采用硅鋼片的壓磁測力傳感器比遲滯誤差小；

(3)與晶體壓磁材料比，如硅鋼、坡莫合金等，鐵基納米微晶材料能夠以更高頻率激磁，而不致降低磁導(dǎo)率有太大的下降。所以能夠通過提高激磁頻率來提高傳感器的輸出靈敏度；

(4)有良好的溫度穩(wěn)定性。通過合理設(shè)計溫度補償電感和測量電橋，能夠進(jìn)一步降低傳感器溫度漂移。

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Force Sensor Based on Embedded Fe-Base NanometerCrystallite Alloy Stress Sensitive Core

SHI Yan-ping1，CHEN Shao-peng2，LIU Cheng-wen1，HOU Jin-zhu2

(1．Department of Mechanical Engineering，Huaihai Institute of Technology，Lianyungang，Jiangsu，222005，China；2．School of Mechatronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu，221116，China)

By wrapping Fe-based nanocrystalline alloy strip into a cylindrical stress-sensitive magnetic,a novel tension and compression force sensor was made based on magneto-elastic effect.The principle and structure of the sensor were presented,and its output characteristic equation was derived.By making a tensile and compression measuring experiment,the excitation magnetic field intensity,current intensity,frequency and temperature change of the sensor influence on its output were analyzed.The static characteristics and characteristics of the load cell were got.The experimental result shows the maximum linearity error of the load cell is less than1.16%F.S,repetitive error is 0.53% F.S,hysteresis error is 0.53% F.S and the average sensitivity is 1.14.The load cell can be used for general engineering applications.

tension and compression force sensor ; Fe-based nanocrystalline alloy；magneto-elastic effect；test

2013-10-13 收修改稿日期：2014-11-05

TP212

A

1002-1841(2015)01-0013-04

石延平(1958—)，教授，博士，主要從事機(jī)電一體化、測控技術(shù)等方面的教學(xué)與科研。 E-mail：shiyp@hhit．edu．cn；shiyp58@163．com