磁致伸縮力傳感器輸出特性及其影響因素分析*

崔鑫鑫,王博文*,李明明,翁 玲,黃文美

(1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北工業(yè)大學(xué),天津 300130;2.河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北工業(yè)大學(xué),天津 300130)

磁致伸縮材料作為一種特殊的功能材料[1-2],可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電磁能的轉(zhuǎn)換。其中,Fe-Ga與Fe-Co磁致伸縮材料響應(yīng)速度快,磁機(jī)耦合系數(shù)高,具有良好的力學(xué)性能[3-4],可廣泛應(yīng)用于能量采集器[5]、執(zhí)行器[6]和傳感器[7]的核心元件。

逆磁致伸縮效應(yīng)是指在給定的磁場(chǎng)強(qiáng)度下,磁致伸縮材料受到應(yīng)力的作用時(shí),材料內(nèi)部的磁化強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象[8]。應(yīng)用磁致伸縮材料的這種特性可以制作各種傳感器。賈振元[9]等利用坡莫合金棒的逆磁致伸縮效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種力傳感器,可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量,但沒有分析出磁致伸縮對(duì)力傳感器輸出電壓的影響。文獻(xiàn)[10]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了片狀鐵鎵合金具有良好的扭矩傳感特性,且輸出信號(hào)具有較好的線性度。張露予[11]等通過實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)了一種鐵鎵波導(dǎo)絲位移傳感器,具有較大的量程和高的測(cè)量精度。文獻(xiàn)[12]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用鐵鎵復(fù)合材料可以制作具有觸覺感知的磁致伸縮傳感器,輸出電壓可達(dá)240 mV。但磁致伸縮力傳感器的輸出電壓與傳感器核心材料的磁特性之間的關(guān)系仍不清楚,難于從物理機(jī)制層面上分析磁致伸縮力傳感器輸出電壓的影響因素。本文采用片狀Fe-Ga和Fe-Co材料,設(shè)計(jì)了一種懸臂梁結(jié)構(gòu)力傳感器,研究了力傳感器的輸出特性,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了力傳感器輸出電壓的影響因素,確定了力傳感器的輸出電壓與外力、偏置磁場(chǎng)及磁致伸縮的關(guān)系。

圖1 磁致伸縮力傳感器結(jié)構(gòu)

1 磁致伸縮力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)逆磁致伸縮效應(yīng)和文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果,設(shè)計(jì)了一種新型的類人指節(jié)的力傳感器,力傳感器的直徑為8 mm、高為35 mm。力傳感器主要由片狀磁致伸縮材料、線圈、硬質(zhì)觸頭、霍爾元件、骨架和硅膠外殼構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采用外力調(diào)節(jié)裝置、直流電源和示波器構(gòu)成的力傳感器輸出特性測(cè)試平臺(tái),測(cè)試設(shè)計(jì)的力傳感器輸出電壓。測(cè)試過程為,直流電源為力傳感器中的線圈提供電流,線圈在力傳感器的片狀磁致伸縮材料中產(chǎn)生大小可調(diào)的偏置磁場(chǎng);外力調(diào)節(jié)裝置為傳感器提供大小可調(diào)的外力;傳感器的霍爾芯片用來測(cè)量片狀磁致伸縮材料底部固定端的磁感應(yīng)強(qiáng)度,獲得傳感器的輸出信號(hào);通過示波器顯示傳感器受力時(shí)的輸出電壓值。為保證測(cè)量結(jié)果的可靠性,進(jìn)行三次測(cè)量取其平均值作為輸出電壓值。

2 磁致伸縮力傳感器的輸出特性

由霍爾效應(yīng)可得力傳感器的霍爾輸出電壓為

U=KheKcdB=KheKcdμ0(H+M)

(1)

式中:Khe為霍爾系數(shù),Kcd為磁感應(yīng)強(qiáng)度傳遞系數(shù),μ0為真空磁導(dǎo)率,磁感應(yīng)強(qiáng)度B、偏置磁場(chǎng)H和磁化強(qiáng)度M均沿懸臂梁軸線方向。

考慮Dapino等人在文獻(xiàn)[14]中提出的模型,在理想條件下無磁滯磁化強(qiáng)度M可表示為:

(2)

式中:He為沿懸臂梁軸線方向的有效磁場(chǎng)強(qiáng)度,a為無磁滯磁化強(qiáng)度M的形狀系數(shù),Ms為樣品軸向的飽和磁化強(qiáng)度。

基于JA模型,有效場(chǎng)He可表示為

He=H+αM+Hσ

(3)

式中

(4)

式中:H為偏置磁場(chǎng),α為磁疇作用系數(shù),σ為懸臂梁所受軸向應(yīng)力,Hσ為等效應(yīng)力場(chǎng),λ為懸臂梁軸向的磁致伸縮。

由二次疇轉(zhuǎn)理論可得

(5)

式中:Ms為沿樣品軸向的飽和磁化強(qiáng)度,λs為片狀樣品沿軸向的飽和磁致伸縮系數(shù)。

當(dāng)傳感器受到較小的垂直于樣品軸向外力作用時(shí),撓度很小,所受應(yīng)力方向?yàn)闃悠份S線方向。此時(shí)片狀樣品受力遵循歐拉-伯努利懸臂梁理論,對(duì)傳感器所選用磁致伸縮樣品建立如圖1所示的坐標(biāo)系,并對(duì)其受力分析,則懸臂梁所受軸向平均應(yīng)力與外力數(shù)值關(guān)系為

(6)

式中:I=wl3/12為懸臂梁的截面慣性轉(zhuǎn)矩,l、w、h分別為0.45 mm、4.7 mm和30 mm。

經(jīng)過計(jì)算得懸臂梁軸向平均應(yīng)力與垂直樣品軸向外力之間的大小關(guān)系為σave=4.34×105F。令σave=nF,則n=4.34×105Pa/N。

由式(2)～式(6)可得樣品軸向磁化強(qiáng)度為

(7)

由式(1)和式(7)得霍爾輸出電壓為

(8)

取外力為零時(shí)的霍爾元件輸出電壓Ur作為參考電壓,則傳感器的輸出電壓模型為

(9)

對(duì)式(9)進(jìn)行合并化簡(jiǎn)整理得

(10)

由式(10)可以看出力傳感器的輸出電壓主要由偏置磁場(chǎng)、外力、λ/λs確定,并受Ms、λs、μ0、Khe、Kcd、a、α、和n的影響,其中Ms、λs、μ0可由文獻(xiàn)[15]確定;Khe可由霍爾元件的型號(hào)確定;Kcd、a和α可由實(shí)驗(yàn)確定;n可由軸向應(yīng)力與外力的關(guān)系計(jì)算得出。根據(jù)文獻(xiàn)[15]和圖2中的實(shí)驗(yàn)得到參數(shù)值列于表1。

表1 力傳感器的模型參數(shù)

對(duì)于同一種磁致伸縮材料,當(dāng)偏置磁場(chǎng)一定時(shí),忽略外力對(duì)磁致伸縮的影響,由式(10)和表1的參數(shù),可以計(jì)算力傳感器輸出電壓與外力的關(guān)系曲線。在偏置磁場(chǎng)為6 kA/m時(shí),計(jì)算得到的核心材料為Fe-Ga與Fe-Co力傳感器輸出電壓與外力關(guān)系曲線如圖2所示。通過對(duì)傳感器輸出電壓進(jìn)行測(cè)試,得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果一并示于圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器的輸出電壓模型可以很好地描述傳感器輸出電壓與外力之間的關(guān)系。

從圖2中可以看出核心材料為Fe-Ga的力傳感器輸出電壓隨著外力的增加而增大。當(dāng)外力不超過1.4 N時(shí),核心材料為Fe-Ga的力傳感器的輸出電壓與外力之間具有較好的線性關(guān)系;當(dāng)外力超過1.4 N時(shí),隨著外力的增大輸出電壓增加緩慢,逐漸趨于飽和。當(dāng)外力增加到 2 N時(shí),核心材料為Fe-Ga的力傳感器的輸出電壓最大為110 mV。

圖2 偏置磁場(chǎng)為6 kA/m時(shí)磁致伸縮力傳感器的輸出電壓U-外力F關(guān)系曲線

對(duì)于核心材料為Fe-Co的力傳感器,外力不超過1.2 N時(shí),力傳感器的輸出電壓與外力之間線性度較高;當(dāng)外力大于1.2 N時(shí),輸出電壓變化緩慢,基本達(dá)到飽和。當(dāng)外力達(dá)到2 N時(shí),力傳感器最大輸出電壓為55 mV。對(duì)比核心材料為Fe-Ga的力傳感器和Fe-Co的力傳感器,可以看出兩種力傳感器在0～1.2 N的外力范圍內(nèi)輸出電壓與外力之間都具有較好的線性度,核心材料為Fe-Ga的力傳感器的靈敏度明顯高于核心材料為Fe-Co的力傳感器的靈敏度,核心材料為Fe-Ga的力傳感器的靈敏度可以達(dá)到66.69 mV/N,核心材料為Fe-Co的力傳感器的靈敏度為37.91 mV/N。

圖3 不同偏置磁場(chǎng)作用下核心材料為Fe-Ga的力傳感器的輸出電壓U-外力F關(guān)系曲線

3 影響傳感器輸出特性的因素

3.1 偏置磁場(chǎng)的影響

由式(10)和表1的參數(shù),在不同的偏置磁場(chǎng)下,計(jì)算可以得到的核心材料為Fe-Ga的力傳感器輸出電壓與外力的關(guān)系曲線,如圖3所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的結(jié)果一并示于圖3。從圖3可以看出,偏置磁場(chǎng)小于6 kA/m時(shí),力傳感器輸出電壓隨著偏置磁場(chǎng)的增加而逐漸增大。當(dāng)偏置磁場(chǎng)大于6 kA/m時(shí),力傳感器的輸出電壓隨著偏置磁場(chǎng)的增加逐漸減小。對(duì)于核心材料為Fe-Co的力傳感器,理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的結(jié)果與核心材料為 Fe-Ga 的力傳感器的結(jié)果是一致的。因此對(duì)于特定材料的磁致伸縮力傳感器存在一個(gè)最佳偏置磁場(chǎng),力傳感器工作在最佳偏置磁場(chǎng)處,使得力傳感器輸出電壓和靈敏度都取得最大值。

3.2 磁致伸縮(λ/λs)的影響

為了研究傳感器核心材料磁致伸縮(λ/λs)對(duì)輸出電壓的影響,采用磁特性測(cè)試平臺(tái)[16]對(duì)30.00 mm×4.70 mm×0.45 mm片狀Fe83Ga17和Fe71Co29樣品的磁致伸縮進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、霍爾芯片、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集卡和電腦構(gòu)成。測(cè)試過程中霍爾芯片垂直置于測(cè)試樣品的表面采集樣品的磁場(chǎng)強(qiáng)度。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集緊貼測(cè)試樣品表面應(yīng)變片的應(yīng)變值。數(shù)據(jù)采集卡將霍爾芯片和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X,通過相應(yīng)電腦程序得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線。

圖4 片狀樣品磁致伸縮-磁場(chǎng)關(guān)系曲線

當(dāng)偏置磁場(chǎng)為4 kA/m時(shí),片狀Fe-Ga和Fe-Co材料的磁致伸縮比值(λ/λs)分別為0.4和0.66;當(dāng)偏置磁場(chǎng)為6 kA/m時(shí),片狀Fe-Ga和Fe-Co材料的磁致伸縮比值(λ/λs)都為0.77。表明偏置磁場(chǎng)較低時(shí),材料的磁致伸縮比值(λ/λs)對(duì)力傳感器的輸出電壓具有影響;偏置磁場(chǎng)較高時(shí),材料的磁致伸縮比值(λ/λs)對(duì)力傳感器的輸出電壓影響較小。

3.3 磁化強(qiáng)度與磁致伸縮比值的影響

3.4 霍爾元件的影響

磁致伸縮力傳感器的輸出電壓在一定程度上也受霍爾元件的影響,對(duì)于不同的霍爾元件,量程和靈敏度會(huì)有不同,導(dǎo)致其霍爾系數(shù)不同,從而對(duì)磁致伸縮力傳感器輸出電壓產(chǎn)生一定的影響。實(shí)驗(yàn)中采用的霍爾芯片型號(hào)為SS491B,量程為-6 mT～6 mT,靈敏度為420 mV/mT。具有較大的量程和測(cè)量精度,可以實(shí)現(xiàn)較大傳感器電壓的輸出。

4 結(jié)論