基于超磁致伸縮材料的應(yīng)力波傳感器設(shè)計(jì)

中北大學(xué) 李 園 邢 磊 劉芮君

基于超磁致伸縮材料的應(yīng)力波傳感器設(shè)計(jì)

中北大學(xué) 李 園 邢 磊 劉芮君

超磁致伸縮材料是一種新型功能材料，具有逆磁致伸縮效應(yīng)，基于此效應(yīng)可以制作出將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的傳感器。該傳感器不需外部供電即可具有較大的電壓輸出信號(hào)，可以很容易被測(cè)量到并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，是一種新型的應(yīng)力波傳感器。

一、傳感器結(jié)構(gòu)與原理

超磁致伸縮應(yīng)力波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓柱形超磁致伸縮棒位于傳感器的中心部位，外邊套著線圈骨架，感應(yīng)線圈和偏置線圈分別繞在線圈骨架的里層和外層。超磁致伸縮棒上下分別由底座和頂桿固定，頂桿下方有預(yù)壓彈簧支撐。外部有外殼和端蓋，將內(nèi)部部件通過(guò)螺釘固定。外殼與端蓋之間有螺口連接，可以調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力大小。在底座與外殼上部之間有一空隙，用于信號(hào)放大的電路板安裝于其內(nèi)。

傳感器工作時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力F（t）通過(guò)頂桿傳送至傳感器，超磁致伸縮棒的磁化強(qiáng)度M發(fā)生變化，從而改變磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)感應(yīng)線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化時(shí)，由于電磁感應(yīng)，線圈兩端感應(yīng)出電壓信號(hào)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。超磁致伸縮棒處在動(dòng)態(tài)力F（t）、預(yù)壓彈簧提供的預(yù)壓力σ0以及偏置線圈提供的偏置磁場(chǎng)H0的作用之下，動(dòng)態(tài)力F（t）為驅(qū)動(dòng)力，σ0和H0為偏置工作條件。

超磁致伸縮棒在一定偏執(zhí)磁場(chǎng)下磁化強(qiáng)度的變化，主要是受磁場(chǎng)和應(yīng)力作用引起磁疇發(fā)生變化而導(dǎo)致的。當(dāng)無(wú)外磁場(chǎng)存在時(shí)，磁疇方向會(huì)自發(fā)地取向磁性材料內(nèi)部各向異性能FK的最小值方向。當(dāng)有外界磁場(chǎng)存在時(shí)，磁性材料內(nèi)部總的自由能會(huì)因外磁場(chǎng)的作用而發(fā)生變化，各向異性能FK的最小值方向也發(fā)生改變，磁疇的取向也因此而轉(zhuǎn)向新的方向，沿著外磁場(chǎng)的方向。而當(dāng)磁性材料中有應(yīng)力存在時(shí)，磁化強(qiáng)度M取向于由磁體中應(yīng)力引起的磁彈性應(yīng)力能Fσ與各向異性能FK之和的最小值。若Fσ遠(yuǎn)大于FK，則磁體自發(fā)的磁化強(qiáng)度M只有取向與應(yīng)力垂直的方向，應(yīng)力能才最低?？傊獯艌?chǎng)的作用使磁疇轉(zhuǎn)至磁場(chǎng)的方向（即與棒的長(zhǎng)度方向一致），而應(yīng)力的作用使磁化強(qiáng)度M的方向轉(zhuǎn)向垂直于壓力的方向（基于棒的長(zhǎng)度方向垂直）。由此可見(jiàn)，加入適當(dāng)?shù)钠么艌?chǎng)H0和預(yù)壓力σ0可以增大磁化強(qiáng)度M的變化范圍，從而增強(qiáng)傳感器的效果。

磁化強(qiáng)度M的變化可以使磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化，由電磁學(xué)原理可知，B與M的關(guān)系為：

由電磁感應(yīng)定理可知，超磁致伸縮棒中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的改變使感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓U：

式（2）中，N為線圈的匝數(shù)，A為線圈的橫截面積。

由式（2）可知，感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓U與線圈的匝數(shù)N、橫截面積A以及超磁致伸縮棒中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化率成正比。由式（1）以及前述內(nèi)容可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化與偏置線圈提供的偏置磁場(chǎng)H0、預(yù)壓彈簧提供的預(yù)壓力σ0以及外界的動(dòng)態(tài)應(yīng)力F(t)密切相關(guān)。

二、放大電路設(shè)計(jì)

傳感器線圈直接輸出的電壓信號(hào)較小，需要經(jīng)過(guò)放大電路放大后才能被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

放大電路設(shè)計(jì)如圖2所示。+IN和-IN為信號(hào)輸入端，接到傳感器線圈的兩端，OUT為輸出。R1為一個(gè)最大阻值為20k可調(diào)電阻，可以調(diào)節(jié)放大器的增益， R2和R3為一對(duì)串聯(lián)分壓電阻，為放大器REF管腳提供基準(zhǔn)電壓。電路采用+5V單電源供電。

三、性能測(cè)試

在完成傳感器樣機(jī)后，在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)下對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)使用的是德國(guó)TIRA公司生產(chǎn)的TIRAVIB5550型振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。將振動(dòng)臺(tái)激振力幅值設(shè)為40N固定不變，頻率設(shè)為5-3000Hz掃頻，放大電路增益設(shè)為100，可以得到傳感器輸出電壓峰—峰值VP-P與輸入振動(dòng)信號(hào)頻率fn之間的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，在300Hz以上輸出電壓峰—峰值與振動(dòng)頻率基本呈線性關(guān)系。

四、結(jié)論與建議

在本文中，設(shè)計(jì)了一種基于超磁致伸縮材料的應(yīng)力波傳感器，并測(cè)試了其在不同頻率的性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)顯示，該傳感器在300Hz以上頻率有良好的性能，使用該傳感器進(jìn)行應(yīng)力波檢測(cè)具有較好的檢測(cè)效果。在后續(xù)工作中，將進(jìn)一步對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決其低頻響應(yīng)的不足。