專利名稱：一種超磁致伸縮力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁致伸縮傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種以超磁致伸縮棒為敏 感元件的磁致伸縮力傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的實房化力傳感器主要是電阻應(yīng)變式和壓電式，電阻應(yīng)變式力傳 感器對粘合劑和粘貼技術(shù)的要求較高，工作頻率上限較低，主要用于靜態(tài) 力和低頻動態(tài)力的測量。壓電式力傳感器的電荷易"跑矢"，并且信號放大 需要電荷放大器。磁致伸縮力傳感器是近幾年新興的傳感器，是利用鐵磁 材料在外力的作用下，內(nèi)部產(chǎn)生的機械應(yīng)力導致材料相對磁導率發(fā)生變化 的性質(zhì)，把力輸入信號轉(zhuǎn)換成電磁信號輸出，具有結(jié)構(gòu)牢固可靠、過載能 力強、安裝簡單、適用于靜態(tài)和動態(tài)力的測量等優(yōu)點。目前的磁致伸縮力 傳感器主要以硅鋼片、坡莫合金、鐵等為核心材料，但這些材料的磁致伸
縮系數(shù)小(i(f6~io-5)，磁致伸縮逆效應(yīng)較差，材料的敏感性較差。美國韋 恩州立大學的Darrell K. Kleinke和H.Mehmet Uras研制的磁致伸縮力傳感 器的敏感元件材料為18#鋼，敏感性較低，并且只能實現(xiàn)動態(tài)力測量，不能 進行靜態(tài)力測量。
20世紀70年代初出現(xiàn)的具有大磁致伸縮系數(shù)的超磁致伸縮材料引發(fā)了 由智能材料到智能器件的一場智能機電產(chǎn)業(yè)的革命，憑借室溫下大磁致伸 縮系數(shù)(1500X10" 2000X1(T6)，高機電耦合系數(shù)，響應(yīng)速度快等優(yōu)異特 性引起了國內(nèi)外學術(shù)界及工業(yè)界的極大關(guān)注。國內(nèi)外對超磁致伸縮材料的 研究主要集中在基于磁致伸縮效應(yīng)的執(zhí)行器件，相對較成熟，而在力傳感 器領(lǐng)域的研究報道甚少。我國河北工業(yè)大學樊長在等人研制的磁致伸縮力 傳感器僅能測量靜態(tài)力，且以特斯拉計測量磁通密度，測量誤差較大，不 能實際應(yīng)用。目前尚無可同時測量靜態(tài)力和動態(tài)力的超磁致伸縮力傳感器 的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有磁致伸縮力傳感器技術(shù)的不足， 設(shè)計一種以超磁致伸縮棒作為敏感元件，通過集成在內(nèi)部的霍爾傳感器實 現(xiàn)靜態(tài)力和動態(tài)力測量的超磁致伸縮力傳感器，解決了磁致伸縮力傳感器靈敏度低以及不能同時測量靜態(tài)力和動態(tài)力的難題。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種超磁致伸縮力傳感器其特征在于以超 磁致伸縮棒8作為敏感元件，超磁致伸縮力傳感器整體結(jié)構(gòu)為軸對稱式結(jié) 構(gòu)；下導磁體14安裝在圓柱形外套1的內(nèi)腔底部，霍爾傳感器13通過非 導磁性膠15固定在下導磁體14上表面的中心處，繞有激勵線圈10的線圈 骨架9安裝在下導磁體14的上部，不銹鋼鋼圈12、下導磁墊片11、超磁 致伸縮棒8從下至上依次安裝在線圈骨架9的內(nèi)孔中，不銹鋼鋼圈12與下 導磁墊片11和超磁致伸縮棒8的總體高度低于線圈骨架9的高度，上導磁 墊片7安裝在超磁致伸縮棒8的上面，中心處帶有通孔的上導磁體6和端 蓋5從下至上依次安裝在線圈骨架9的上部，碟形彈簧4安裝在端蓋5上 部，階梯軸形狀的施力軸3依次穿過頂蓋2、碟形彈簧4、端蓋5、上導磁 體6中心處的jl孔，施力軸3細軸的端面與上導磁墊片7的上表面接觸， 外套1上部和頂蓋2分別有外螺紋和內(nèi)螺紋，通過螺紋配合將碟形彈簧4 壓縮，并將碟形彈簧4、端蓋5、上導磁體6、上導磁墊片7、超磁致伸縮 棒8、線圈骨架9、激勵線圈10、下導磁墊片11、不銹鋼鋼圈12、霍爾傳 感器13、下導磁體14、非導磁性膠15封裝在內(nèi)部構(gòu)成一個超磁致伸縮力 傳感器。
本發(fā)明的顯著特點是以超磁致伸縮棒8作為敏感元件，其外部套有不 銹鋼鋼圈12的霍爾傳感器13測量磁通密度，實現(xiàn)了靜態(tài)力和動態(tài)力的同 時測量，超磁fe伸縮力傳感器具有放大輸出信號的特性，不需要額外的放 大電路，且該傳感器的響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，牢固可靠。


圖l為超磁致伸縮力傳感器裝配圖剖面圖，其中，l-外套、2-頂蓋、3-施力軸、4-碟形彈簧、5-端蓋、6-上導磁體、7-上導磁墊片、8-超磁致伸縮 棒、9-線圈骨架、10-激勵線圈、11-下導磁墊片、12-不銹鋼鋼圈、13-霍爾 傳感器、14-下導磁體、15-非導磁性膠。
圖2為靜態(tài)力實驗系統(tǒng)示意圖，其中，1-超磁致伸縮力傳感器，2-壓力 機，3-安裝座，4-緊固螺釘。
圖3為靜態(tài)力實驗結(jié)果，其中，橫坐標F-作用在超磁致伸縮力傳感器 上的力，縱坐標U-超磁致伸縮力傳感器的輸出電壓，a-靜態(tài)力實驗結(jié)果曲 線。圖4為動態(tài)力實驗系統(tǒng)示意圖，其中，l-激振器，2-超磁致伸縮力傳感 器，3-壓電力f感器，4-左柔性連接桿，5-右柔性連接桿，6-激振器緊固螺 釘，7-實驗平;。
圖5為動態(tài)力實驗結(jié)果，橫坐標t-時間，縱坐標U-超磁致伸縮力傳感 器的輸出電壓，b-動態(tài)力實驗結(jié)果曲線
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的具體實施，超磁致伸縮力 傳感器以超磁致伸縮棒作為敏感元件，采用集成在內(nèi)部的霍爾傳感器測量 磁通密度，將輸入的力信號轉(zhuǎn)化為電磁量信號輸出。釆用超磁致伸縮力傳
感器測量依據(jù)的基本原理是依據(jù)超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應(yīng)原理， 當超磁致伸縮材料受到力作用時，超磁致伸縮材料的磁導率發(fā)生變化，超 磁致伸縮材料內(nèi)部及周圍的磁通密度發(fā)生變化，從而引起霍爾傳感器的輸 出電壓發(fā)生相應(yīng)變化，因此可以通過測量霍爾傳感器的輸出電壓來實現(xiàn)對 力的測量。
圖1為超磁致伸縮力傳感器裝配圖的剖面圖，當測量時，外力作用在
超磁致伸縮力傳感器的施力軸3上，力通過施力軸3、上導磁墊片7傳遞到 超磁致伸縮棒，8上。超磁致伸縮力傳感器中超磁致伸縮棒8的磁致伸縮逆 效應(yīng)特性與偏置磁場大小有關(guān)，為了實現(xiàn)對偏置磁場進行實時調(diào)節(jié)，采用 通有直流電流的激勵線圈IO提供偏置磁場，通過調(diào)節(jié)通入激勵線圈10的 電流來調(diào)整偏置磁場。為了使超磁致伸縮棒8內(nèi)的磁通密度分布均勻，采 用具有高導磁性的電工純鐵材料的上導磁體6、上導磁墊片7、下導磁墊片 11、下導磁體14實現(xiàn)對磁通的引導。為了提高超磁致伸縮力傳感器的靈敏 度，即提高霍爾傳感器13的磁通密度與超磁致伸縮棒8內(nèi)的磁通密度之間 的比例系數(shù)，用不銹鋼鋼圈12將霍爾傳感器13套住。為了防止外界環(huán)境 對整個超磁致伸縮力傳感器的內(nèi)部磁路產(chǎn)生影響，用防磁性不銹鋼材料外 套1和頂蓋2將整個超磁致伸縮力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)封裝在里面，將磁路切 斷。
實施例1靜態(tài)力測量本實施例中超磁致伸縮棒8的尺寸為①12X 44mm，激勵線圈10的匝數(shù)為535匝，漆包線帶皮外徑為1.07mm，霍爾傳 感器13選用型號為美國Allegro公司生產(chǎn)的線性霍爾傳感器A1301EUA， 靈敏度為2.5mv/G。圖2為靜態(tài)力測量實驗系統(tǒng)示意圖，其中主要部件的主要參數(shù)如下選用JQ-300Z氣動壓力機2，其最大輸出力可達3000N，最小 可控輸出力為1N。
實驗平臺的安裝過程如下將安裝座3放置在壓力機2的工作臺上， 把超磁致伸縮力傳感器1安裝在安裝座3的圓形凹槽內(nèi)，手動調(diào)節(jié)安裝座3 的位置直到壓力機2的壓頭對準超磁致伸縮力傳感器1中的施力軸的中心， 通過緊固螺釘4把安裝座3固定在壓力機2的工作臺上。雙極性電源的兩 根輸出線分別與超磁致伸縮力傳感器1中的激勵線圈兩端相接，通過導線 將直流穩(wěn)壓電源的兩個輸出端與超磁致伸縮力傳感器1中的霍爾傳感器的 兩個輸入端連接，霍爾傳感器的兩個輸出端與示波器的第一通道連接。
實驗過程及結(jié)果在室溫環(huán)境下，利用雙極性電源給超磁致伸縮力傳 感器1中的激勵線圈提供1.5A的直流電流，直流穩(wěn)壓電源給超磁致伸縮力 傳感器1中的霍爾傳感器提供5V的電壓，壓力機2以40N的間隔給超磁 致伸縮力傳感器1施加0~1000N的壓力，超磁致伸縮力傳感器1中的霍爾 傳感器的輸出奧壓隨著超磁致伸縮力傳感器1受力的變化而變化，并且輸 出電壓輸入到示波器中，待示波器波形穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)。測得的超磁致伸 縮力傳感器1中霍爾傳感器的輸出電壓與超磁致伸縮力傳感器1受到的力 之間的關(guān)系如圖3所示，實驗結(jié)果曲線a基本為線性。
實施例2動態(tài)力測量本實施例中超磁致伸縮棒8的尺寸為①12X 44mm，激勵線圈10的匝數(shù)為535匝，漆包線帶皮外徑為1.07mm，霍爾傳 感器13選用型號為美國Allegro公司生產(chǎn)的線性霍爾傳感器A1301EUA， 靈敏度為2.5mv/G。圖4為動態(tài)力測量實驗系統(tǒng)示意圖，其中各主要部件的 主要參數(shù)如下！ (1)選用江蘇聯(lián)能公司生產(chǎn)的JZK-50激振器1，其最大輸 出力為500N，頻率范圍為DC-2000HZ。 (2)選用江蘇聯(lián)能公司生產(chǎn)的 CL-YD-312拉壓式壓電力傳感器3，其靈敏度可達到3pC/N，測量范圍為士 5KN。
實驗平臺的安裝過程如下超磁致伸縮力傳感器2通過與實驗平臺7 的立板上圓形槽的配合安裝在實驗平臺7的立板上，將左柔性連接桿4的 左端與超磁致伸縮力傳感器2連接，左柔性連接桿4的右端與壓電力傳感 器3的一端連接，右柔性連接桿5的左端與壓電力傳感器3的另一端連接， 將激振器1放置在實驗平臺7上，并使激振器1底部的兩個長條形孔和實 驗平臺7上的兩個長條形孔對齊，右柔性連接桿5的右端與激振器1的輸出軸端連接，調(diào)節(jié)激振器1的位置使右柔性連接桿5充分的旋入激振器1 的輸出軸內(nèi)，激振器1位置確定后通過緊固螺釘6將激振器1固定在實驗 平臺7上。功率放大器的輸入端和輸出端分別與函數(shù)發(fā)生器和激振器1連 接，壓電力傳感器3的輸出端與電荷放大器連接。雙極性可編程電源的兩 根輸出線分別與超磁致伸縮力傳感器2中的激勵線圈的兩端相接，通過導 線將直流穩(wěn)壓電源的兩個輸出端與超磁致伸縮力傳感器2中的霍爾傳感器 的兩個輸入端連接，電荷放大器的輸出端和超磁致伸縮力傳感器2中的霍 爾傳感器的輸出端分別與示波器的第一、第二通道連接。
實驗過程及結(jié)果在室溫環(huán)境下，利用雙極性可編程電源給超磁致伸 縮力傳感器2中的激勵線圈提供1.5A的直流電流，利用直流穩(wěn)壓電源給超 磁致伸縮力傳感器2中的霍爾傳感器提供5V的電壓。調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出 的正弦信號，lE弦信號經(jīng)過功率放大器放大后輸入到激振器，激振器輸出 的正弦力作用在超磁致伸縮力傳感器2上。激振器1輸出的正弦力信號通 過壓電力傳感器檢測，不斷調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器和功率放大器，最后使作用在 超磁致伸縮力傳感器2上的正弦力信號幅值為200N,頻率為500HZ。超磁 致伸縮力傳感器2中的霍爾傳感器的輸出電壓隨著超磁致伸縮力傳感器2 受力的變化而變化，并且輸出電壓輸入到示波器中，待示波器波形穩(wěn)定后 采集數(shù)據(jù)。測得的超磁致伸縮力傳感器2中的霍爾傳感器的輸出電壓與超 磁致伸縮力傳惑器2受到的力之間的關(guān)系如圖5所示，實驗結(jié)果曲線b為 近似正弦關(guān)系。
本發(fā)明所述的超磁致伸縮力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，測量準 確等特點，具有實際應(yīng)用價值。
權(quán)利要求
1.一種超磁致伸縮力傳感器，其特征在于，以超磁致伸縮棒(8)作為敏感元件，超磁致伸縮力傳感器整體結(jié)構(gòu)為軸對稱式結(jié)構(gòu)；下導磁體(14)安裝在圓柱形外套(1)的內(nèi)腔底部，霍爾傳感器(13)通過非導磁性膠(15)固定在下導磁體(14)上表面的中心處，繞有激勵線圈(10)的線圈骨架(9)安裝在下導磁體(14)的上部，不銹鋼鋼圈(12)、下導磁墊片(11)、超磁致伸縮棒(8)從下至上依次安裝在線圈骨架(9)的內(nèi)孔中，不銹鋼鋼圈(12)與下導磁墊片(11)和超磁致伸縮棒(8)的總體高度低于線圈骨架(9)的高度，上導磁墊片(7)安裝在超磁致伸縮棒(8)的上面，中心處帶有通孔的上導磁體(6)和端蓋(5)從下至上依次安裝在線圈骨架(9)的上部，碟形彈簧(4)安裝在端蓋(5)上部，階梯軸形狀的施力軸(3)依次穿過頂蓋(2)、碟形彈簧(4)、端蓋(5)、上導磁體(6)中心處的通孔，施力軸(3)細軸的端面與上導磁墊片(7)的上表面接觸，外套(1)上部和頂蓋(2)分別有外螺紋和內(nèi)螺紋，通過螺紋配合將碟形彈簧(4)壓縮，并將碟形彈簧(4)、端蓋(5)、上導磁體(6)、上導磁墊片(7)、超磁致伸縮棒(8)、線圈骨架(9)、激勵線圈(10)、下導磁墊片(11)、不銹鋼鋼圈(12)、霍爾傳感器(13)、下導磁體(14)、非導磁性膠(15)封裝在內(nèi)部構(gòu)成一個超磁致伸縮力傳感器。
全文摘要
本發(fā)明一種超磁致伸縮力傳感器屬于磁致伸縮傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種以超磁致伸縮棒為敏感元件的磁致伸縮力傳感器。傳感器以超磁致伸縮棒作為敏感元件，超磁致伸縮力傳感器整體結(jié)構(gòu)為軸對稱式結(jié)構(gòu)；下導磁體安裝在圓柱形外套的內(nèi)腔底部，霍爾傳感器通過非導磁性膠固定在下導磁體上表面的中心處，繞有激勵線圈的線圈骨架安裝在下導磁體的上部，不銹鋼鋼圈、下導磁墊片、超磁致伸縮棒從下至上依次安裝在線圈骨架的內(nèi)孔中。外套上部和頂蓋分別有外螺紋和內(nèi)螺紋，通過螺紋配合將碟形彈簧壓縮。采用磁致伸縮傳感器可實現(xiàn)靜態(tài)力和動態(tài)力的同時測量，傳感器具有放大輸出信號的特性，不需要額外的放大電路，其響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，牢固可靠。
文檔編號G01L1/12GK101660959SQ20091018771
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月26日
發(fā)明者巍 劉, 劉慧芳, 王福吉, 葛春亞, 賈振元 申請人:大連理工大學