[發明專利]一種超磁致伸縮力傳感器

無效

• 申請號: 200910187712.8
• 申請日: 2009-09-26
• 公開（公告）號: CN101660959A
• 公開（公告）日: 2010-03-03
• 發明（設計）人: 賈振元;劉慧芳;王福吉;劉巍;葛春亞
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01L1/12
• 分類號: G01L1/12;G01L9/16
• 代理公司: 大連理工大學專利中心
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于磁致伸縮傳感器領域，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

現有的實用化力傳感器主要是電阻應變式和壓電式，電阻應變式力傳感器對粘合劑和粘貼技術的要求較高，工作頻率上限較低，主要用于靜態力和低頻動態力的測量。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，內部產生的機械應力導致材料相對磁導率發生變化的性質，把力輸入信號轉換成電磁信號輸出，具有結構牢固可靠、過載能力強、安裝簡單、適用于靜態和動態力的測量等優點。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小(10^-6～10^-5)，磁致伸縮逆效應較差，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，并且只能實現動態力測量，不能進行靜態力測量。

20世紀70年代初出現的具有大磁致伸縮系數的超磁致伸縮材料引發了由智能材料到智能器件的一場智能機電產業的革命，憑借室溫下大磁致伸縮系數(1500×10^-6～2000×10^-6)，高機電耦合系數，響應速度快等優異特性引起了國內外學術界及工業界的極大關注。國內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的執行器件，相對較成熟，而在力傳感器領域的研究報道甚少。我國河北工業大學樊長在等人研制的磁致伸縮力傳感器僅能測量靜態力，且以特斯拉計測量磁通密度，測量誤差較大，不能實際應用。目前尚無可同時測量靜態力和動態力的超磁致伸縮力傳感器的報道。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對現有磁致伸縮力傳感器技術的不足，設計一種以超磁致伸縮棒作為敏感元件，通過集成在內部的霍爾傳感器實現靜態力和動態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力和動態力的難題。

本發明采用的技術方案是：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構為軸對稱式結構；下導磁體14安裝在圓柱形外套1的內腔底部，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封裝在內部構成一個超磁致伸縮力傳感器。

本發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，實現了靜態力和動態力的同時測量，超磁致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，且該傳感器的響應速度快，結構簡單，牢固可靠。

附圖說明

圖1為超磁致伸縮力傳感器裝配圖剖面圖，其中，1-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為靜態力實驗系統示意圖，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為靜態力實驗結果，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-靜態力實驗結果曲線。

圖4為動態力實驗系統示意圖，其中，1-激振器，2-超磁致伸縮力傳感器，3-壓電力傳感器，4-左柔性連接桿，5-右柔性連接桿，6-激振器緊固螺釘，7-實驗平臺。

圖5為動態力實驗結果，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-動態力實驗結果曲線