微弱應(yīng)變測量傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

郭敏強(qiáng)， 孫曉紅

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院 河南省激光與光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002)

0 引 言

磁致伸縮材料多為鎳、鐵、鈷、鋁類合金與鎳銅鈷鐵氧陶瓷，其磁致伸縮系數(shù)一般只有10-5～10-6，應(yīng)用多局限于超聲換能器方面[1]。由稀土與過渡金屬的合金或化合物組成的大磁致材料的磁致伸縮系數(shù)則可達(dá)2×10-3[2]，成為重要的功能材料之一，可用于有源減振、燃料噴射系統(tǒng)、液體和閥門控制、微定位、機(jī)械傳動(dòng)裝置、振子和聲納等方面[3]。相對(duì)于國外，國內(nèi)對(duì)于該材料的應(yīng)用尚處于起步階段，除了對(duì)該材料的研制開發(fā)比較晚外，另一個(gè)主要的原因是落后的材料的測量技術(shù)。對(duì)于磁致伸縮系數(shù)的測量大致有光干涉法、機(jī)械光杠桿法[4]和應(yīng)變電阻法3種。光干涉法測量靈敏度高(當(dāng)樣品長為10 cm時(shí)，磁致伸縮系數(shù)的分辨率可達(dá)10-6數(shù)量級(jí))，但樣品的安裝及光路調(diào)整和干涉條紋的記數(shù)都很不方便。應(yīng)變片法是一種測量將磁致伸縮形變轉(zhuǎn)換為應(yīng)變電阻值的變化的方法[5]。

本文提出了一種微弱應(yīng)變傳感器，該傳感器結(jié)合了非平衡電橋法新方法和應(yīng)變片法以及測量需求設(shè)定的微小信號(hào)處理方法，改變了傳統(tǒng)磁致伸縮儀器計(jì)算復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴和讀數(shù)誤差大的缺陷，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊簡單、測量簡潔快速、操作方便、測量結(jié)果精度高、應(yīng)用范圍廣。

1 測量原理

1.1 HU—101型半導(dǎo)體應(yīng)變電阻片測量法

使用HU—101—350型號(hào)的半導(dǎo)體應(yīng)變片，主要技術(shù)參數(shù)為：基底尺寸5 mm×4 mm，硅片尺寸3×0.4×0.06，電阻值為350 Ω，靈敏系數(shù)S為120，電阻溫度系數(shù)、靈敏溫度系數(shù)都極小，工作溫度在80 ℃下，具有靈敏系數(shù)大，機(jī)械滯后性小，阻值范圍大，橫向效應(yīng)小等特點(diǎn)。

測試時(shí)，應(yīng)變片牢固黏貼于測試體表面；當(dāng)測試體受力發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵變形，其電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測試電路將測試體的形變信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出顯示[6]。由于磁致伸縮形變率正比于電阻變化率[3]，測量磁場內(nèi)黏貼電阻應(yīng)變片樣品的磁致伸縮系數(shù)λ[3]為

(1)

式中C為應(yīng)變電阻片的結(jié)構(gòu)參數(shù)；R為應(yīng)變電阻片的原阻值；K為測量系統(tǒng)的放大倍數(shù)。當(dāng)電阻應(yīng)變片長度發(fā)生ΔL/L變化時(shí)，電阻應(yīng)變片的阻值變化為

(2)

由式(2)得出磁致伸縮系數(shù)為

(3)

由式(1)、式(2)，知S=1+2δ，為電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)，由廠家提供。本文采用磁致伸縮材料為圓柱形棒狀鐵—鎵(Fe-Ga)合金。

1.2 傳感器測量精度

傳感器中所使用AD的基準(zhǔn)電壓為2.485 V，要使傳感器能檢測到磁致伸縮材料在磁場中的變化量，則折合到電橋兩端的電壓變化量最小值必須大于12位AD的分辨率最小值。假設(shè)在一特定磁場下，磁致伸縮材料發(fā)生伸縮后，應(yīng)變片的變化量為ΔR。實(shí)驗(yàn)中測得應(yīng)變片的初始值為1 540.8 Ω，電路兩端電壓為14.5 V，AD此時(shí)的放大倍數(shù)為10，電橋的3個(gè)橋臂均使用1 540.8 Ω的精密電阻器，另一個(gè)橋臂連接磁致伸縮材料，可得如下不等式

(4)

計(jì)算可得ΔR≥0.012 89 Ω。

2 裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

2.1 傳感器裝置設(shè)計(jì)

自行研制的微弱應(yīng)變測量傳感器主要由磁致伸縮系數(shù)測量裝置、信號(hào)處理裝置和控制面板三部分組成。測量裝置由磁場發(fā)生裝置、端口電路、磁致伸縮棒和應(yīng)變片傳感器等組成。測量時(shí)需要注意磁致伸縮棒在磁場的放置狀態(tài)和應(yīng)變片傳感器在磁致伸縮棒上粘貼的形態(tài)。信號(hào)處理裝置主要由放大器、濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電源、穩(wěn)壓電源和單片機(jī)組成。能夠成功地對(duì)測量量進(jìn)行處理，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并傳輸至單片機(jī)，經(jīng)過程序控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁致伸縮材料磁致伸縮系數(shù)的測量。控制面板可實(shí)現(xiàn)儀器的操作控制。

2.2 傳感器實(shí)驗(yàn)過程

在溫度為T=295 K條件下，將磁致伸縮材料置于磁場中，并復(fù)位，處于初態(tài)，磁場為零時(shí)，得到半導(dǎo)體應(yīng)變片的阻值。每改變一次磁場，按下一次測量鍵，傳感器便記錄一次數(shù)據(jù)，如此重復(fù)。實(shí)驗(yàn)暫取30次測量，每次磁場變化2 mT，半導(dǎo)體應(yīng)變電阻值變化ΔR，按確認(rèn)鍵便可得到磁致伸縮材料在磁場中的變化曲線，移動(dòng)鍵可以使圖像發(fā)生移動(dòng)。按切換鍵，進(jìn)入到圖像放大縮小界面，上下左右移動(dòng)鍵可以調(diào)節(jié)圖像大小，查看曲線全圖或局部視圖；再按一次切換鍵，進(jìn)入到數(shù)據(jù)菜單，按上下鍵可以查看測量中傳感器所記錄的數(shù)據(jù)。按下復(fù)位鍵，則重新測量。

3 結(jié)果與分析

3.1 基礎(chǔ)曲線測量

曲線的擬合公式為

R=1 540.293+0.043U

(5)

由經(jīng)驗(yàn)公式(5)和圖1可知橋臂電阻與橋端電壓之間的關(guān)系為直線關(guān)系，符合非平衡電橋法測量的原理，能夠用于實(shí)現(xiàn)磁致伸縮系數(shù)λ的測量，保證了其在理論上的測量是正確的。

圖1 橋臂電阻R與橋端電壓U之間的關(guān)系

3.2 測量數(shù)據(jù)制作曲線以及傳感器曲線

圖2的磁致伸縮曲線反映了Fe-Ga合金磁致伸縮材料在磁場中磁致伸縮系數(shù)λ隨磁場變化的特點(diǎn)。起始時(shí)，隨著磁場的增加，λ增幅較大，磁場在0～40 mT時(shí)，兩者之間的關(guān)系接近為直線；在磁場為40～60 mT之間時(shí)，隨著磁場的增加，λ增幅較小，直至最終接近一常數(shù)。從一定程度上說明了Fe-Ga合金磁致伸縮材料的伸縮性能在低磁場條件下比較好。當(dāng)磁場強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，λ的增幅減小是由于分子之間的相互作用力引起的。對(duì)曲線進(jìn)行擬合可得

(6)

所擬合出的曲線從量化的角度反映了Fe-Ga合金磁致伸縮材料的性能。

圖2 磁場與磁致伸縮系數(shù)λ的關(guān)系

4 工業(yè)應(yīng)用展望

微弱應(yīng)變測量傳感器基于非平衡電橋原理建立，具有如下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

1)測量靈敏度高：基于非平衡電橋法和放大器AD524，可以實(shí)現(xiàn)在弱磁場中對(duì)磁致伸縮材料極小變化的精確測量。

2)采用連續(xù)、無損測試方法：實(shí)現(xiàn)磁場連續(xù)變化磁致伸縮系數(shù)的連續(xù)測量，由于材料不受壓力或是其他因素影響，不會(huì)對(duì)材料造成損耗。

3)測量范圍廣：信號(hào)處理裝置可以測量磁致伸縮棒的磁致伸縮系數(shù)，也可以測量其他的鐵或碳鋼材料，且不受測量范圍限制。

4)儀器成本低：采用低廉的電子器件，較一般磁致伸縮系數(shù)測量儀器成本大幅度降低。

5 結(jié) 論

本文基于非平衡電橋法研制了微弱應(yīng)變測量傳感器，獲得了磁場與Fe-Ga合金材料磁致伸縮系數(shù)的關(guān)系，測量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好。該傳感器的應(yīng)用可以降低生產(chǎn)成本，提高測量精度，改善測量范圍，且攜帶方便，操作簡單。在一定程度上解決了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)儀器研究中存在的超微弱信號(hào)極難測量和穩(wěn)定性的問題，為以后的相關(guān)研究提供了范例，可用于實(shí)際測量，在實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)中可作進(jìn)一步推廣。

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