譚益松，任立敏，張海波

TAN Yi-song, REN Li-min, ZHANG Hai-bo

（東北電力大學 機械工程學院，吉林 132012）

0 引言

壓力傳感器是工業(yè)生產中較為重要的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業(yè)自動控制場合，涉及到機床、自動化加工、航空航天等眾多領域[1,2]。目前常用的壓力傳感器大致分為兩類：一種是機械結構型的，這類壓力傳感器以彈性元件的形變指示壓力，結構簡單，但是這種類型的傳感器結構尺寸大、質量重，而且不能提供電學輸出[3,4]；第二種是半導體型的，這類壓力傳感器利用材料的壓阻、壓電等物性效應檢測壓力，具有體積小、質量輕、準確度高、溫度特性好等一系列優(yōu)點，并且能夠提供電學輸出[5,6]。

上述兩種壓力傳感器在實際使用過程中，機械結構型不能提供電輸出，半導體型雖然能夠提供電輸出，但是需要在傳感器上及其外圍布置引線，通過引線將壓力信號輸出。然而，在一些高速旋轉機械和內部構造復雜的機械結構上，引線無法布置，從而導致內部壓力信號檢查的中斷或復雜化，這在一定的程度上限制了力傳感器的應用，影響了精密機械功能的發(fā)揮。

近年來得到廣泛研究的磁致伸縮效應在解決傳感器無線無源信號傳輸方面起到了積極的作用[7～11]。

所謂磁致伸縮效應，是指鐵磁體在被外磁場磁化時，其體積和長度發(fā)生變化的現(xiàn)象。而鐵磁性材料受到機械力的作用時，它的內部產生應變，導致導磁率發(fā)生變化，產生壓磁效應，即磁致伸縮效應的逆效應。磁致伸縮的逆效應發(fā)生時，可以通過麥克斯韋電磁感應方式獲得測量信號，而且不需要向磁致伸縮材料本身提供電能，具有無線無源傳輸特性[12～14]，無需通過布置引線就可以測量到應變值，具有使用方便簡單，能夠實現(xiàn)高速旋轉機械、復雜結構內部信號測量的目的。磁致伸縮效應自18世紀40年代被發(fā)現(xiàn)以來，因為一直未發(fā)現(xiàn)具有較大的磁致伸縮系數(shù)的材料，而未得到充分的重視。直到上個世紀60、70年代，磁致伸縮材料得到較大的突破以后，才產生了較快的發(fā)展[15,16]。

本文以壓力傳感器為研究對象，運用磁致伸縮逆效應研制出兩種具有無線、無源特性的壓力傳感器，并且對每一種壓力傳感器進行性能測試，獲得了所研制壓力傳感器性能曲線，并給出相應的分析。

1 傳感器理論與設計

1.1 傳感器理論分析

根據磁致伸縮逆效應的原理，在外界應力的作用下，磁致伸縮材料的磁導率μ將發(fā)生變化，變化的磁導率μ會進一步導致磁感應強度B的的變化，其原理圖1所示。

圖1 磁致伸縮材料的磁導率變化曲線

在圖1中，μ0代表施加壓力前的磁導率，μ1代表施加壓力以后的磁導率。從圖1可以看出，在同樣的磁場強度H下，受到外界壓力的磁致伸縮材料會輸出一個強度更高的磁感應強度B，反映在感應線圈上將會獲得一個變高的感應電壓，感應電壓是外界壓力的一個體現(xiàn)，通過這種方式可以無線感知外界壓力的變化，且傳感器本身不需要布置引線提供電氣連接，具有無線無源的特點。

1.2 傳感器設計

本文設計的壓力傳感器的結構如圖2所示。傳感器主要由三部分構成，分別是位于底部保護基體、位于中間粘接劑和位于頂部的磁致伸縮敏感材料。位于傳感器頂層的是磁致伸縮敏感材料，其主要作用是感知保護基體的應變，將感知到的應變以變化的磁感應強度的形式無線向外傳輸；由于磁致伸縮材料厚度比較薄，難以直接承受較大的外界載荷，影響了壓力傳感器在大測量范圍內的使用，所以本文采用外加基體的方法保護磁致伸縮敏感材料，保護基體承受外力F的作用，并且內部以應變的方式反映外力F的變化；在磁致伸縮材料和保護基體之間通過高強度的金屬粘接劑連接，保證保護基體和磁致伸縮敏感材料能夠同步均勻發(fā)生變化。由于磁致伸縮材料的厚度較?。?0μm），保護基體的厚度較大（>0.45mm），二者的相對差值比較大（0.45mm：30μm>13:1），所以在此種壓力傳感器的分析中，由于磁致伸縮材料引起的傳感器剛度的變化可以忽略不計。

圖2 傳感器的構成

保護基體在外力F的作用下，應變可以由式(1)獲得：

其中，ε代表保護基體的應變，F(xiàn)表示外力，E代表材料的楊氏彈性模量，A表示保護基體截面面積。

從式(1)可以得出，保護基體的應變ε由保護基體的橫截面積A和材料的楊氏彈性模量E決定，因此本文分別選擇兩種不同的材料：不銹鋼和鋁合金作為保護基體材料制作傳感器，進行不同特性的傳感器性能的測試。保護基體的特性分析如表1所示。

表1 保護基體材料特性

本文采用微型數(shù)控機床加工不銹鋼、鋁合金保護基體，保護基體與磁致伸縮材料具有相同的寬度，然后通過高強度金屬粘接劑將磁致伸縮材料與不銹鋼、鋁合金保護基體粘接，并且在室溫中凝固24小時，使金屬膠達到最大的強度，實際加工完畢的兩種傳感器實物如圖3所示。

圖3 兩種傳感器實物圖

2 傳感器實驗與分析

2.1 傳感器實驗系統(tǒng)

本文搭建的實驗系統(tǒng)框圖如圖4所示。信號發(fā)生器產生正弦振蕩信號，正弦振蕩信號經由信號放大器進行電流放大后輸入激勵線圈，激勵線圈提供磁致伸縮材料工作所需要的交變激勵信號。檢測線圈通過電磁感應原理檢測磁致伸縮材料的輸出，并且將感應獲得的信號輸入到頻譜分析儀中，通過頻譜分析儀獲得所需要的信號，最后將頻譜分析儀獲得信號輸入到計算中進行分析，最后獲得外界壓力信號。

圖4 無線傳感器實驗系統(tǒng)

2.2 實驗結果分析

本文將兩種傳感器放入到檢測線圈中，然后通過砝碼進行加載，在加載的過程中逐一記錄輸出值，獲得的兩種傳感器的輸出如圖5所示。

圖5 力傳感器輸出

圖6 力傳感器輸出

從圖5(a)可以看出，傳感器1 的輸入壓力范圍是0～14 N，傳感器輸出的有效電壓范圍是0.38mV～0.48mV，傳感器1的理想輸出是指數(shù)曲線，從圖中可以看出，測試點均勻的分布在理想曲線兩側；在圖5(b)中，輸入壓力的范圍是0～35N，有效測量電壓的輸出范圍是1.8mV～2.3mV，輸入和輸出的分布合理，傳感器的性能穩(wěn)定。

為了對兩種傳感器的漂移和回滯性能進行分析，本文對兩種傳感器分別進行了多個循環(huán)的加載卸載試驗，獲得了傳感器的循環(huán)作用曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，隨著外力加載卸載試驗的進行，兩種傳感器都表現(xiàn)出穩(wěn)定的特性，輸出誤差在系統(tǒng)可以接受的范圍內，兩種傳感器不存在明顯的漂移和回滯。

3 結論

1）設計了兩種基于磁致伸縮效應的無線無源壓力傳感器；

2）通過實驗測試獲得了兩種傳感器壓力-電壓指數(shù)輸出曲線；

3）分別對兩種傳感器的漂移和回滯特性進行分析，獲得了兩種傳感器的循環(huán)作用曲線。

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