基于磁性形狀記憶合金的預(yù)壓型力傳感器數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計

張賢才，嚴思甜，黃林華

（湖南科技學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

目前，壓電式力傳感器的測量是基于壓電材料的壓電效應(yīng)進行的，即當(dāng)壓電材料受到應(yīng)力的作用時，壓電板的兩側(cè)會聚集異號電荷，通過測量壓電板兩側(cè)的電壓差便可得外加力的大小。由于壓電材料比較脆，無法承受較大的載荷，無法用于力很大的場合，并且壓電材料僅可對動態(tài)載荷進行測量，無法對靜態(tài)和準靜態(tài)的載荷進行測量，故限制了其應(yīng)用。

形狀記憶合金具有變形恢復(fù)的特點，在加熱狀態(tài)會呈現(xiàn)兩種不同的相結(jié)構(gòu)，并且該過程通過溫度的循環(huán)可反復(fù)獲得，用這兩種形狀記憶效應(yīng)獲得的應(yīng)變比簡單的熱膨脹要大很多，在低頻和大行程驅(qū)動方面有顯著優(yōu)點，但由于其受溫度控制，限制了其應(yīng)用。

超磁致伸縮材料在磁場的作用下磁致伸縮應(yīng)變量大、能量密度高及響應(yīng)速度快等優(yōu)點，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出功率大的特點，但由于超磁致伸縮材料含有大量價格昂貴的金屬（Tb），導(dǎo)致其成本增加，在某種程度上限制了其應(yīng)用。

1 磁性形狀記憶合金的預(yù)壓型力傳感器數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計

為了解決上述技術(shù)問題，文章設(shè)計了一種可實現(xiàn)對靜態(tài)、動態(tài)及交變荷載下的負載進行連續(xù)測量的基于磁性形狀記憶合金的預(yù)壓型力傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，如圖1所示。

如圖1所示，該裝置包括數(shù)據(jù)采集單元和預(yù)壓型力傳感器單元，預(yù)壓型力傳感器單元包括圓筒形外殼，外殼內(nèi)設(shè)有輸出軸，輸出軸上部從上端蓋伸出，輸出軸中部設(shè)有環(huán)形擋板，環(huán)形擋板與上端蓋之間設(shè)有上部永磁體，外殼底部設(shè)有下部永磁體，沿外殼內(nèi)壁依次放置線圈骨架，線圈骨架上設(shè)有激勵線圈，下部永磁體與環(huán)形擋板之間設(shè)有彈簧，彈簧內(nèi)設(shè)有磁性形狀記憶合金棒；數(shù)據(jù)采集單元包括控制器、數(shù)據(jù)采集卡、磁通計、應(yīng)變儀、應(yīng)變片和傳感器。

圖1 磁性形狀記憶合金的預(yù)壓型力傳感器數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 磁性形狀記憶合金的預(yù)壓型力傳感器數(shù)據(jù)采集裝置的實施方案

預(yù)壓型力傳感器單元包括圓筒形外殼4、激勵線圈7、磁性形狀記憶合金棒8、輸出軸11，圓筒形外殼4的上下兩端分別用上端蓋10、下端蓋2進行封堵以形成安裝腔，下端蓋2的下表面中部設(shè)有螺孔1，上端蓋10與外殼4之間、下端蓋2與外殼4之間均為螺紋連接，形成一個封閉的安裝腔，防止磁泄露，上端蓋10、下端蓋2與外殼4均采用導(dǎo)磁性能較好的電工純鐵制造而成，實現(xiàn)磁場的傳導(dǎo)；安裝腔內(nèi)設(shè)有輸出軸11，其上部從上端蓋10的中心孔伸出，輸出軸11的中部設(shè)有與外殼4內(nèi)徑相匹配的環(huán)形擋板19，與上端蓋10之間設(shè)有上部永磁體9，下端蓋2的上表面中部設(shè)有凸塊20，安裝腔底部設(shè)有下部永磁體3并且套裝在凸塊20上，沿外殼4內(nèi)壁環(huán)形放置一線圈骨架5，其上下兩端分別與環(huán)形擋板19、下部永磁體3相接觸，線圈骨架5上設(shè)有激勵線圈7，下部永磁體3與環(huán)形擋板19之間設(shè)有螺旋形彈簧6，通過上端蓋10的螺紋調(diào)節(jié)使彈簧6處于壓縮狀態(tài)，對下部永磁體3和輸出軸11施加一定大小的力，并保證下永磁體的位置不發(fā)生變化；彈簧6內(nèi)設(shè)有磁性形狀記憶合金棒8，其下端與凸塊20連接，上端與輸出軸11的下端連接，兩端與凸塊20、輸出軸11均為螺紋連接，下端蓋2、磁性形狀記憶合金棒8、輸出軸11和外殼4形成一個完整的磁回路，便于磁場傳導(dǎo)。上部永磁體9和下部永磁體3均為圓環(huán)狀，上部永磁體9和下部永磁體3向?qū)γ娴臉O性相反。

數(shù)據(jù)采集單元包括控制器14、數(shù)據(jù)采集卡15、電源16、磁通計17、應(yīng)變儀18、應(yīng)變片13和傳感器12，應(yīng)變片13和傳感器12安裝在磁性形狀記憶合金棒8上，應(yīng)變片13測量磁性形狀記憶合金棒8的應(yīng)變，傳感器12測量偏置磁場；應(yīng)變片13、傳感器12的信號輸出端分別與應(yīng)變儀18、磁通計17的信號輸入端相連，電源16分別與應(yīng)變儀18、磁通計17相連，為應(yīng)變儀18、磁通計17提供工作電源；應(yīng)變儀18、磁通計17用于測量激勵線圈7產(chǎn)生的感應(yīng)電壓及磁感應(yīng)強度；應(yīng)變儀18、磁通計17的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡15的輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡15的輸出端與控制器14相連，從而獲得外加負載的大小和方向。

本裝置中，預(yù)壓型力傳感器單元是核心，磁性形狀記憶合金棒8是力傳感器單元的核心，由于磁性形狀記憶合金棒8兩端分別與下端蓋2和輸出軸11螺紋連接，外加載荷通過輸出軸11就能很好地傳遞到磁性形狀記憶合金棒8上；同時，在測量過程中，由于下端蓋2通過螺孔1固定，故載荷就能較好的作用在磁性形狀記憶合金棒8上，使本裝置可以對靜態(tài)、準靜態(tài)和交變載荷進行測量。

3 結(jié)語

文章基于磁性形狀記憶合金材料，自主設(shè)計了一種基于磁性形狀記憶合金的預(yù)壓型力傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，并具體介紹了其實施方案。