基于磁致伸縮效應(yīng)的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器的研究

譚益松，任立敏，張海波

TAN Yi-song, REN Li-min, ZHANG Hai-bo

（東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132012）

0 引言

壓力傳感器是工業(yè)生產(chǎn)中較為重要的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)控制場(chǎng)合，涉及到機(jī)床、自動(dòng)化加工、航空航天等眾多領(lǐng)域[1,2]。目前常用的壓力傳感器大致分為兩類(lèi)：一種是機(jī)械結(jié)構(gòu)型的，這類(lèi)壓力傳感器以彈性元件的形變指示壓力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是這種類(lèi)型的傳感器結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量重，而且不能提供電學(xué)輸出[3,4]；第二種是半導(dǎo)體型的，這類(lèi)壓力傳感器利用材料的壓阻、壓電等物性效應(yīng)檢測(cè)壓力，具有體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且能夠提供電學(xué)輸出[5,6]。

上述兩種壓力傳感器在實(shí)際使用過(guò)程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)型不能提供電輸出，半導(dǎo)體型雖然能夠提供電輸出，但是需要在傳感器上及其外圍布置引線，通過(guò)引線將壓力信號(hào)輸出。然而，在一些高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)上，引線無(wú)法布置，從而導(dǎo)致內(nèi)部壓力信號(hào)檢查的中斷或復(fù)雜化，這在一定的程度上限制了力傳感器的應(yīng)用，影響了精密機(jī)械功能的發(fā)揮。

近年來(lái)得到廣泛研究的磁致伸縮效應(yīng)在解決傳感器無(wú)線無(wú)源信號(hào)傳輸方面起到了積極的作用[7～11]。

所謂磁致伸縮效應(yīng)，是指鐵磁體在被外磁場(chǎng)磁化時(shí)，其體積和長(zhǎng)度發(fā)生變化的現(xiàn)象。而鐵磁性材料受到機(jī)械力的作用時(shí)，它的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致導(dǎo)磁率發(fā)生變化，產(chǎn)生壓磁效應(yīng)，即磁致伸縮效應(yīng)的逆效應(yīng)。磁致伸縮的逆效應(yīng)發(fā)生時(shí)，可以通過(guò)麥克斯韋電磁感應(yīng)方式獲得測(cè)量信號(hào)，而且不需要向磁致伸縮材料本身提供電能，具有無(wú)線無(wú)源傳輸特性[12～14]，無(wú)需通過(guò)布置引線就可以測(cè)量到應(yīng)變值，具有使用方便簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械、復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部信號(hào)測(cè)量的目的。磁致伸縮效應(yīng)自18世紀(jì)40年代被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因?yàn)橐恢蔽窗l(fā)現(xiàn)具有較大的磁致伸縮系數(shù)的材料，而未得到充分的重視。直到上個(gè)世紀(jì)60、70年代，磁致伸縮材料得到較大的突破以后，才產(chǎn)生了較快的發(fā)展[15,16]。

本文以壓力傳感器為研究對(duì)象，運(yùn)用磁致伸縮逆效應(yīng)研制出兩種具有無(wú)線、無(wú)源特性的壓力傳感器，并且對(duì)每一種壓力傳感器進(jìn)行性能測(cè)試，獲得了所研制壓力傳感器性能曲線，并給出相應(yīng)的分析。

1 傳感器理論與設(shè)計(jì)

1.1 傳感器理論分析

根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)的原理，在外界應(yīng)力的作用下，磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率μ將發(fā)生變化，變化的磁導(dǎo)率μ會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度B的的變化，其原理圖1所示。

圖1 磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率變化曲線

在圖1中，μ0代表施加壓力前的磁導(dǎo)率，μ1代表施加壓力以后的磁導(dǎo)率。從圖1可以看出，在同樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度H下，受到外界壓力的磁致伸縮材料會(huì)輸出一個(gè)強(qiáng)度更高的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，反映在感應(yīng)線圈上將會(huì)獲得一個(gè)變高的感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓是外界壓力的一個(gè)體現(xiàn)，通過(guò)這種方式可以無(wú)線感知外界壓力的變化，且傳感器本身不需要布置引線提供電氣連接，具有無(wú)線無(wú)源的特點(diǎn)。

1.2 傳感器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器主要由三部分構(gòu)成，分別是位于底部保護(hù)基體、位于中間粘接劑和位于頂部的磁致伸縮敏感材料。位于傳感器頂層的是磁致伸縮敏感材料，其主要作用是感知保護(hù)基體的應(yīng)變，將感知到的應(yīng)變以變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度的形式無(wú)線向外傳輸；由于磁致伸縮材料厚度比較薄，難以直接承受較大的外界載荷，影響了壓力傳感器在大測(cè)量范圍內(nèi)的使用，所以本文采用外加基體的方法保護(hù)磁致伸縮敏感材料，保護(hù)基體承受外力F的作用，并且內(nèi)部以應(yīng)變的方式反映外力F的變化；在磁致伸縮材料和保護(hù)基體之間通過(guò)高強(qiáng)度的金屬粘接劑連接，保證保護(hù)基體和磁致伸縮敏感材料能夠同步均勻發(fā)生變化。由于磁致伸縮材料的厚度較?。?0μm），保護(hù)基體的厚度較大（>0.45mm），二者的相對(duì)差值比較大（0.45mm：30μm>13:1），所以在此種壓力傳感器的分析中，由于磁致伸縮材料引起的傳感器剛度的變化可以忽略不計(jì)。

圖2 傳感器的構(gòu)成

保護(hù)基體在外力F的作用下，應(yīng)變可以由式(1)獲得：

其中，ε代表保護(hù)基體的應(yīng)變，F(xiàn)表示外力，E代表材料的楊氏彈性模量，A表示保護(hù)基體截面面積。

從式(1)可以得出，保護(hù)基體的應(yīng)變?chǔ)庞杀Ｗo(hù)基體的橫截面積A和材料的楊氏彈性模量E決定，因此本文分別選擇兩種不同的材料：不銹鋼和鋁合金作為保護(hù)基體材料制作傳感器，進(jìn)行不同特性的傳感器性能的測(cè)試。保護(hù)基體的特性分析如表1所示。

表1 保護(hù)基體材料特性

本文采用微型數(shù)控機(jī)床加工不銹鋼、鋁合金保護(hù)基體，保護(hù)基體與磁致伸縮材料具有相同的寬度，然后通過(guò)高強(qiáng)度金屬粘接劑將磁致伸縮材料與不銹鋼、鋁合金保護(hù)基體粘接，并且在室溫中凝固24小時(shí)，使金屬膠達(dá)到最大的強(qiáng)度，實(shí)際加工完畢的兩種傳感器實(shí)物如圖3所示。

圖3 兩種傳感器實(shí)物圖

2 傳感器實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖4所示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦振蕩信號(hào)，正弦振蕩信號(hào)經(jīng)由信號(hào)放大器進(jìn)行電流放大后輸入激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈提供磁致伸縮材料工作所需要的交變激勵(lì)信號(hào)。檢測(cè)線圈通過(guò)電磁感應(yīng)原理檢測(cè)磁致伸縮材料的輸出，并且將感應(yīng)獲得的信號(hào)輸入到頻譜分析儀中，通過(guò)頻譜分析儀獲得所需要的信號(hào)，最后將頻譜分析儀獲得信號(hào)輸入到計(jì)算中進(jìn)行分析，最后獲得外界壓力信號(hào)。

圖4 無(wú)線傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文將兩種傳感器放入到檢測(cè)線圈中，然后通過(guò)砝碼進(jìn)行加載，在加載的過(guò)程中逐一記錄輸出值，獲得的兩種傳感器的輸出如圖5所示。

圖5 力傳感器輸出

圖6 力傳感器輸出

從圖5(a)可以看出，傳感器1 的輸入壓力范圍是0～14 N，傳感器輸出的有效電壓范圍是0.38mV～0.48mV，傳感器1的理想輸出是指數(shù)曲線，從圖中可以看出，測(cè)試點(diǎn)均勻的分布在理想曲線兩側(cè)；在圖5(b)中，輸入壓力的范圍是0～35N，有效測(cè)量電壓的輸出范圍是1.8mV～2.3mV，輸入和輸出的分布合理，傳感器的性能穩(wěn)定。

為了對(duì)兩種傳感器的漂移和回滯性能進(jìn)行分析，本文對(duì)兩種傳感器分別進(jìn)行了多個(gè)循環(huán)的加載卸載試驗(yàn)，獲得了傳感器的循環(huán)作用曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，隨著外力加載卸載試驗(yàn)的進(jìn)行，兩種傳感器都表現(xiàn)出穩(wěn)定的特性，輸出誤差在系統(tǒng)可以接受的范圍內(nèi)，兩種傳感器不存在明顯的漂移和回滯。

3 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了兩種基于磁致伸縮效應(yīng)的無(wú)線無(wú)源壓力傳感器；

2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得了兩種傳感器壓力-電壓指數(shù)輸出曲線；

3）分別對(duì)兩種傳感器的漂移和回滯特性進(jìn)行分析，獲得了兩種傳感器的循環(huán)作用曲線。

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