超磁致伸缩力传感器的研究

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1、第23卷专辑Vol.23Spec」ssue2005年6月Jun.2005中国稀土学报JOURNALOFTHECHINESERAREEARTHSOCIETY超磁致伸缩力传感器的研究闫荣格S杨庆新，樊长在，陈海燕，刘福贵(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津300130)•摘要：对超磯致伸缩力传感器进行了研究，给出了力传尬器的结构，并采用有限元法计算了力传協器的输人输出特性曲线.脸证了超磁致伸缩材料适于制作力传感霸。关鼻词：趙磁致伸缩材料；压磁效应；力传感器；稀土中图分类号：TM273文献标识码：A文章编号：1000-4343(2005)-00

2、32-03收稿日期：2005-03-10;修订日期：2005・04-25基金项目：天津市自然科学基金资助项目作者简介：闫荣格(1969-),女，河北元氏人，博士；研究方向：电工理论与新技术通讯联系人yanrg@jsmail.hebut.edu.cn)在工业上的机械机构和实验室设备中有时必须已知作用在其上的力，如各种电子秤和材料试验机的测力。目前广泛采用力或应力传感器来测力。力或应力传感器还可广泛应用于车辆悬挂系统和发动机的推力测试、主动振动控制、水坝坝体承载状况的监视、桥梁的过载监测以及建筑物的抗震主动控制等领域“⑵。这些力传感器绝大多数是应用应变计或压电元

3、件⑶来实现。稀土■铁系超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，近些年作为一种高科技新材料得到了迅速发展。采用这种材料制作的力传感器与其他力或应力传感器相比，具有明显优势。首先，超磁致伸缩材料可以承受700MPa的压力，即制成的力传感器承载能力大；其次，源于材料的优异性能，制成的力传感器具有响应快等优点。但目前关于超磁致伸缩力传感器的研究还较少见到报道。本文研究利用超磁致伸缩材料的压磁效应制作结构简单、可测最静态力的力传感器。1磁致伸缩力传感器的原理与结构磁致伸缩力传感器的原理是利用超磁致伸缩材料在外力作用下其内部产生的应力使铁磁材料的导磁率发生变化的压磁效应，把

4、作用力变换成电磁量输出。这种传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构简单、能在恶劣环境下工作和寿命长等优点。在磁致伸缩力传感器中采用的是由永久磁铁提供偏磁场，因为用永久磁铁提供的磁场稳定，还可避免用直流电源引起的电流发热问题，因而在设计和制造上相对简单。另外为了防止磁漏泄、优化磁路，在力传感器的结构设计中使用了磁性能良好的软磁材料做馳铁。一般传感器多采用检测线圈测量磁场，这种方法一是需要信号放大系统⑷，二是不能检测静态力的情况。而采用高斯计直接测量空气隙中磁场的方法可以省略放大环节，简化装置结构，从而提高测量精度，而且还可用于测量静态力。磁致伸缩

5、力传感器的具体结构如图1所示，它由永磁体、磁致伸缩棒、觇铁和空气隙组成。为便于计算施加在磁致伸缩棒上的应力，使永磁体的长度略短于磁致伸缩棒。为减小体积和节约成本,选择长30mm,直径6mm的磁致伸缩棒材。当向磁致伸缩材料上施加应力时，它的磁特性(磁导率)发生变化，因而由永磁体产生的磁场分布发生变化，空气隙中的磁感应强度就随着施加应力的不同而不同。采用离斯计即可测出空气隙中磁感应强度的变化。一旦测得了空气隙中的磁感应强度，施加在磁致伸缩材料上的力也就求出来了。2超磁致伸缩材料特性采用的对应不同应力下的超磁致伸缩材料的闫荣格等超磁致伸缩力传感器的研究专辑磁场强度

6、与磁感应强度之间的关系曲线⑸见图2所示。3不同应力下力传感器磁场的有限元分析•这里忽略超磁致伸缩材料由于虎克定律和磁致伸缩效应引起的尺寸变化，因为它非常小，以致在磁场的有限元分析中可忽略它对剖分网格的影响。我们所要处理的磁场是静磁场，即场域内各点的磁场值为恒定值，而且不考虑电场，因此所有场量对时间的导数都为零。采用由麦克斯韦方程组，考虑永磁材料的作用，可得岀磁场的基本方程为：rotH=0⑴div矿=0(2)后“o防+旳⑶其中“。为真空磁导率，为磁化向量。在软铁中，磁化向量祐为：Af=(^-1)/F(4)图1磁致伸缩力传感器结构图2不同压力(0-30MPa)下

7、，超磁致伸缩材料的磁感应强度和磁场强度的关系33其中知为软铁材料相对磁导率。永久磁铁通常由各向异性材料做成，在这种悄况下，设芒代表磁化方向，则：办M(“)E(5)式中Bn表示1沿方向的磁感应强度。在二维场中，设永磁体中存与兀轴正向夹角为如图2,则磁感应强度氏为：Bm=fixcosam+Bysina”(6)引入矢量磁位才，并定义矿二Vx才及假设▽•乔0,则永磁磁场的基本微分方程为：▽x(1/^oVxyf-5/)=0⑺“二BxQ+=誅-鶉⑻对应于微分方程(7),能量泛函的一般形式为：/(4)=I[—JBdB-fMf.BjdBjdQ(9)d"o00式中Q为磁场区域

8、令式(9)的变分为零，即：81(A)=(10)n“