《非接触磁弹性传感器的理论研究及实验》由会员分享，可在线阅读，更多相关《非接触磁弹性传感器的理论研究及实验（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、非 接 触 磁 弹 性 传 感 器 的 理 论 研 究 及 实 验于 少 轶 ,臧 勇(北 京 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院 ,北 京 100083)摘 要 基 于 磁 致 伸 缩 效 应 和 磁 弹 性 现 象 及 其 基 本 原 理 ,设 计 了 非 接 触 磁 弹 性 传 感 器 的 理 论 原 型 ,探 讨 了 利 用磁 弹 性 原 理 测 量 一 般 应 力 的 可 能 性 。 通 过 近 一 步 的 结 构 设 计 、 电 路 设 计 和 基 础 实 验 ,对 可 行 性 进 行 了 验 证 ,并探 讨 了 误 差 原 因 和 消 除 方 法 ,为 以 后 的 研 究 奠
2、 定 了 基 础 。关 键 词 传 感 器 ;磁 弹 性 ;磁 致 伸 缩 ;非 接 触 测 量 ;磁 导 率0 前 言当 铁 磁 体 在 受 到 外 力 作 用 发 生 形 变 时 时 ,会引 起 铁 磁 体 内 磁 导 率 的 变 化 ,从 而 引 起 铁 磁 体 内磁 场 的 变 化 ,这 种 现 象 叫 做 铁 磁 体 的 磁 弹 性 或 压磁 性 现 象 。 利 用 这 一 原 理 制 成 的 传 感 器 就 是 磁 弹性 传 感 器 ,即 ,通 过 磁 头 感 应 被 测 铁 磁 材 料 周 围 磁场 变 化 ,确 定 铁 磁 体 形 变 的 大 小 ,进 而 计 算 出 铁 磁体
3、 受 力 情 况 。磁 弹 性 传 感 器 是 一 种 非 接 触 式 传 感 器 ,用 于测 量 磁 场 变 化 的 磁 头 不 需 要 和 被 测 铁 磁 体 接 触 即可 在 磁 场 变 化 时 产 生 感 应 电 动 势 ,这 一 特 性 对 于一 些 力 学 参 数 的 测 量 如 转 矩 的 测 量 非 常 有 利 。1 非 接 触 磁 弹 性 传 感 器 的 理 论 基 础111 磁 致 伸 缩 效 应 与 磁 弹 效 应非 接 触 磁 弹 性 传 感 器 的 理 论 基 础 有 两 个 方面 ,即 :磁 致 伸 缩 效 应 和 磁 弹 效 应 。 铁 磁 体 在 外 磁场 中
4、磁 化 时 ,其 长 度 及 体 积 发 生 变 化 ,这 个 现 象 称为 磁 致 伸 缩 效 应 。 它 是 焦 耳 在 1842 年 发 现 的 ,故亦 称 焦 耳 效 应 。 稍 后 ,维 拉 里 又 发 现 了 磁 致 伸 缩的 逆 效 应 ,即 铁 磁 体 发 生 形 变 或 受 到 应 力 作 用 时 ,会 引 起 材 料 磁 导 率 的 变 化 ,从 而 引 起 磁 场 的 变 化 ,这 种 变 化 称 为 铁 磁 体 的 磁 弹 性 或 压 磁 性 现 象 1 。铁 磁 体 的 磁 致 伸 缩 可 以 分 为 两 种 形 式 :一 种为 体 磁 致 伸 缩 ,表 现 为 铁
5、磁 体 在 磁 化 的 过 程 中 体积 的 膨 胀 与 收 缩 。 通 常 铁 磁 体 的 体 磁 致 伸 缩 很小 ,可 以 忽 略 不 计 。 另 一 种 为 线 磁 致 伸 缩 ,表 现 为铁 磁 体 在 磁 化 过 程 中 具 有 线 度 的 伸 长 或 缩 短 。 线磁 致 伸 缩 系 数 通 常 用 表 示 , = l/ l ,其 中 l为 铁 磁 体 长 度 方 向 上 的 伸 长 量 , l 为 铁 磁 体 长 度 。铁 磁 材 料 根 据 线 磁 致 伸 缩 性 质 可 分 为 正 磁 致 伸 缩和 负 磁 致 伸 缩 ,当 大 于 零 时 ,为 正 线 磁 致 伸 缩 ,
6、表 示 铁 磁 体 沿 磁 场 方 向 伸 长 ,而 垂 直 于 磁 场 方 向缩 短 ,此 时 材 料 磁 化 强 度 随 机 械 拉 伸 应 力 加 强 而增 加 ,而 材 料 本 身 在 这 种 情 况 下 是 伸 长 的 。 当 小 于 零 时 , 为 负 线 磁 致 伸 缩 , 表 示 沿 磁 场 方 向 缩短 ,在 垂 直 磁 场 方 向 伸 长 ,而 此 时 材 料 中 磁 化 强 度随 拉 应 力 的 增 加 而 减 小 ,而 材 料 本 身 在 这 种 情 况下 是 缩 短 的 。基 于 原 子 电 流 的 磁 畴 理 论 说 明 ,铁 磁 体 分 子由 于 原 子 中 电
7、子 磁 场 的 相 互 作 用 而 在 一 定 的 范 围上 形 成 方 向 一 致 磁 场 ,这 就 是 磁 畴 ,这 种 现 象 叫 做自 发 磁 化 。 而 铁 磁 体 在 没 有 外 加 磁 场 时 不 显 示 磁性 是 因 为 各 磁 畴 间 极 性 不 同 而 相 互 抵 消 。 在 这 种情 况 下 ,磁 畴 与 磁 畴 之 间 的 磁 畴 壁 一 定 处 于 能 量最 低 状 态 即 稳 定 状 态 。 具 体 到 铁 及 其 合 金 来 说 ,铁 素 体 构 成 磁 畴 而 其 它 成 分 则 形 成 磁 畴 壁 。 当 外力 作 用 于 其 上 时 ,材 料 发 生 相 应
8、 的 应 变 ,同 时 还 产生 了 磁 弹 性 应 力 能 。 使 得 本 来 稳 定 的 磁 畴 结 构 不再 稳 定 ,从 而 发 生 磁 畴 排 列 的 变 化 , 引 起 磁 场 变化 。 这 就 是 磁 弹 性 效 应 的 原 理 。 由 此 可 知 铁 合 金中 的 非 铁 成 分 的 分 布 对 材 料 的 磁 弹 性 是 有 影 响的 。 由 于 铁 磁 体 中 非 铁 成 分 的 分 布 在 微 观 领 域 是不 能 确 定 的 ,因 此 磁 畴 在 外 力 的 作 用 下 排 列 的 变化 是 不 确 定 的 ,并 没 有 明 确 的 公 式 来 联 系 应 力 和磁 导
9、 率 的 变 化 ,只 能 在 理 论 模 型 和 实 验 的 基 础 上来 分 析 这 个 问 题 。 2 收 稿 日 期 2005211209; 修 改 稿 收 到 日 期 2006202222作 者 简 介 于 少 轶 (19782) ,男 ,河 北 廊 坊 人 ,硕 士 研 究 生 ,研 究 方 向 为 机 械 电 子 工 程 。316 冶 金 自 动 化 2006 年 增 刊 (S1)112 磁 导 率 和 应 力 的 关 系某 一 铁 磁 材 料 的 被 测 体 受 到 外 力 作 用 ,在 其表 面 取 一 正 六 面 体 作 为 研 究 对 象 ,由 材 料 力 学 可知 ,该
10、 正 六 面 体 受 到 的 是 单 一 的 拉 应 力 。 基 础 研究 表 明 ,在 外 加 磁 场 强 度 不 变 的 条 件 下 ,被 测 铁 磁体 的 磁 导 率 变 化 和 拉 应 力 的 变 化 的 关 系 可 以 用 下面 的 公 式 来 计 算 : = H + = H + (1)式 中 , 为 拉 应 力 ; 为 轴 的 磁 导 率 ; H 为 当 等 于零 时 被 测 轴 材 料 的 磁 导 率 ,为 常 量 ; 为 由 磁 弹性 效 应 产 生 的 磁 导 率 的 增 值 ; 为 材 料 的 磁 致 伸缩 系 数 。上 式 两 边 对 求 导 数 得 : = d / d实
11、 验 表 明 :铁 磁 体 磁 导 率 和 应 力 的 关 系 在 全部 变 化 范 围 内 是 非 线 性 函 数 ,但 在 在 0 40 MPa的 范 围 内 ( ) 曲 线 实 际 上 有 足 够 的 精 度 可 以 用直 线 来 逼 近 。 在 这 样 的 情 况 下 可 以 认 为 为 常数 。 则 : = 由 上 述 磁 致 伸 缩 系 数 的 原 理 可 得 到 以 下 结论 。 (1)由 于 材 料 的 磁 致 伸 缩 性 质 不 同 ,因 此 不 同铁 磁 材 料 磁 导 率 变 化 与 应 力 的 关 系 不 同 ,与 该 种材 料 的 线 磁 致 伸 缩 系 数 有 关
12、。 (2) 在 单 向 受 力 时 ,在 受 力 方 向 上 磁 导 率 变 化 最 为 强 烈 ,因 此 传 感 器磁 头 摆 放 应 与 受 力 方 向 一 致 。 而 对 于 受 多 个 外 力作 用 的 复 杂 情 况 时 ,磁 弹 性 传 感 器 的 测 量 将 受 到影 响 3 。113 磁 弹 性 传 感 器 的 原 形 设 计基 于 上 述 的 理 论 基 础 可 以 设 计 非 接 触 磁 弹 性传 感 器 的 理 论 模 型 如 图 1 所 示 。图 1 磁 弹 性 传 感 器 理 论 原 型 示 意 图在 恒 定 磁 场 中 的 被 测 铁 磁 体 由 于 受 到 外 部
13、 拉力 P 的 作 用 产 生 应 力 变 化 ,从 引 起 磁 导 率 的 变 化 ,从 而 引 起 该 处 局 部 磁 场 强 度 的 变 化 ,与 拉 力 P 同方 向 放 置 的 磁 感 应 线 圈 通 过 测 量 磁 场 的 变 化 进 而得 到 被 测 轴 扭 矩 的 变 化 4 5 。2 非 接 触 磁 弹 性 传 感 器 设 计211 传 感 器 的 结 构 设 计由 电 磁 理 论 可 知 ,当 磁 场 变 化 时 才 有 感 应 电流 产 生 。 如 果 外 加 磁 场 为 恒 定 磁 场 ,只 有 当 被 测轴 扭 矩 发 生 变 化 时 ,上 述 理 论 模 型 的 线
14、 圈 才 有 感生 电 流 产 生 ,而 在 转 矩 不 发 生 变 化 或 变 化 缓 慢 时线 圈 中 没 有 电 流 。 所 以 磁 弹 性 传 感 器 原 形 中 的 感应 线 圈 电 压 变 化 只 能 反 映 外 力 的 变 化 率 ,这 在 实际 测 量 中 实 用 性 很 差 。为 了 改 善 线 圈 的 输 出 特 性 ,考 虑 用 周 期 变 化的 磁 场 代 替 恒 定 磁 场 。 然 而 ,在 周 期 变 化 的 磁 场中 ,铁 磁 体 的 性 质 远 比 在 恒 定 磁 场 中 要 复 杂 的 多 。根 据 铁 磁 学 的 知 识 ,周 期 变 化 的 磁 场 对 铁
15、 磁 体 主要 有 以 下 3 方 面 的 影 响 : (1) 磁 滞 效 应 。 由 于 磁 畴壁 的 不 可 逆 移 动 或 磁 矩 的 不 可 逆 转 动 所 引 起 的 磁感 应 强 度 随 磁 场 强 度 变 化 的 滞 后 效 应 ,称 之 为 磁滞 效 应 。 由 于 磁 滞 效 应 的 存 在 ,使 得 铁 磁 体 的 磁导 率 不 再 是 实 数 ,而 变 成 一 个 复 数 。 由 磁 滞 效 应引 起 的 复 数 磁 导 率 的 实 部 和 起 始 磁 导 率 的 差 值 不仅 与 外 加 磁 场 的 幅 值 成 正 比 ,而 且 与 瑞 利 常 数 也成 正 比 ,其
16、虚 部 同 样 也 与 这 两 个 量 有 关 。 (2) 涡 流效 应 。 当 作 用 于 铁 磁 导 体 的 外 加 磁 场 随 时 间 变 化时 ,铁 磁 导 体 内 的 磁 通 量 及 磁 感 应 强 度 也 发 生 相应 的 变 化 。 根 据 电 磁 感 应 定 律 ,这 种 变 化 将 在 铁磁 导 体 内 产 生 垂 直 于 磁 通 量 的 环 形 的 感 应 电 流 ,即 涡 电 流 。 反 过 来 这 种 涡 流 又 将 激 发 一 个 磁 场 来阻 止 外 磁 场 引 起 的 磁 通 量 的 变 化 。 因 此 铁 磁 导 体内 的 实 际 磁 场 总 要 滞 后 于 外 加 磁 场 ,这 就 是 涡 流对 磁 化 的 滞 后 效 应 。 若 外 加 磁 场 为 交 变 磁 场 ,而其 变 化 速 率 又 较 大 ,铁 磁 体 的 电 阻 率 又 较 小 ,则 有可 能 使 得
