基于嵌入铁基纳米微晶合金应力敏感芯式力传感器

石延平，陈绍鹏，刘成文，侯金柱

(1．淮海工学院机械系，江苏连云港，222005 2．中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116)



基于嵌入铁基纳米微晶合金应力敏感芯式力传感器

石延平1，陈绍鹏2，刘成文1，侯金柱2

(1．淮海工学院机械系，江苏连云港，222005 2．中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116)

将铁基纳米微晶合金薄带缠绕并嵌入圆柱型应力敏感芯，利用压磁效应，使传感器实现拉压力测量。介绍了传感器的结构和原理，推导出传感器的输出特性方程。通过静态压缩试验，分析了传感器的激磁磁场强度、激磁电流强度、激磁频率以及温度变化对传感器输出的影响，得出了室温下传感器的静态特性。试验数据显示，传感器的最大非线性误差小于1.16%F．S，重复性误差为0.53% F．S，迟滞误差为0.36% F．S，平均灵敏度为1.14 mV/kN．对一般的工程应用是可行的。

拉压力传感器；铁基纳米微晶合金；压磁效应；试验

0 引言

压磁式拉压力传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作和寿命长等优点。传统的压磁式拉压力传感器由冲压成形的冷轧硅钢片，经热处理后叠成一定厚度，用环氧树脂粘合在一起，构成压磁敏感元件。由于硅钢材料磁滞回线较宽，所以传感器的磁滞误差较大，静态测量时误差可达4%。另外，环境温度改变会引起材料在磁化过程中磁特性的变化，导致传感器输出温漂大。在温度为10～110℃范围内，温漂可达0.5%～3%。此外，老化也会造成传感器灵敏度不稳定。所以长期以来较多应用于重工业行业[1-3]。

近年来铁基纳米微晶合金在各类传感器中的应用越来越广泛。这种材料具有高起始磁导率、低矫顽力、高饱和磁感应强度、高频下的低铁磁损耗及高磁性能温度稳定性，是目前综合磁性能最好的微晶合金材料[4-7]。商业用铁基纳米微晶合金大都是薄带或细丝形式，所以采用铁基纳米微晶合金作为应力敏感材料时，通常要设计力放大机构，或将铁基纳米微晶合金薄带粘贴于受力母材表面等，致使传感器结构与制造工艺复杂，成本提高。另外，软磁材料粘贴质量的好坏对测量精度影响。文中开发了一种通过缠绕铁基铁基纳米微晶合金薄带构成整体应力敏感磁芯的拉压力传感器。

1 传感器的结构与原理

图1所示为文中设计的拉压力传感器的基本结构。图中所示的铁基纳米微晶合金磁芯采用安泰科技生产的RN1型带材，厚为0.03 mm，宽为80 mm，将其紧密缠绕成套筒型并嵌入到应力敏感芯的凹槽中。为保证各层之间无气隙，在其表面涂刷特殊的粘合剂。待测载荷主要由应力敏感芯承受。在铁基纳米微晶合金磁芯套圆周表面分别缠绕激磁线圈N1和测量线圈N2，如图1右侧视图所示。预紧弹簧上端与承力板连接，下段固定在底座上，使铁基纳米微晶合金磁芯受到一定预紧力的作用。测压力时，从承力板上卸下拉环即可。为了对传感器进行温度补偿，在不承载的套筒芯轴表面缠绕温度补偿电感线圈。

图1 传感器基本结构图

当激磁线圈中加载交流电压时，交变磁通沿铁基纳米微晶合金磁芯柱与承力板以及底座形成闭式回路。根据压磁效应[8]，磁场中的铁磁材料受到应力作用时，其磁导率将发生改变。对饱和磁致伸缩系数为正的铁磁材料，沿拉应力方向磁导率增加，即磁阻减小；相反，沿压应力方向磁导率减少，即磁阻增大。显然载荷使处于弱磁场中的铁基纳米微晶合金磁芯中的磁导率发生改变，使磁路中的磁通改变，从而使测量线圈中感生出对应载荷大小的感生电动势。

为了进行温度补偿，传感器测量线圈中的感应电压采用图2所示的交流电桥输出。电桥的Z1和Z3臂为铁基纳米微晶合金磁芯磁柱上的测量线圈的阻抗。Z2和Z4臂为不承载套筒芯轴上的温度补偿电感线圈的阻抗。这样由温度引起的桥路中感抗的变化得以抵消，降低了温度对测量精度的影响。图中E为激磁电源电动势；L1、L3为测量线圈中的电感；Rs1、Rs3为测量线圈中的电阻；ZL为负载阻抗；U0为电桥输出电压。

图2 传感器输出交流电桥

2 传感器输出特性

在图2所示的交流电桥中，Z1和Z3为工作臂，即传感器阻抗。Z2和Z4为平衡臂，可以是纯电阻，或者是电感线圈。由平衡条件，Z1/Z3=Z2/Z4，同时有：Z1=Z3=Z=Rs+jωL，Z2=Z4，Rs1=Rs3=Rs，L1=L3=L．则在工作时，Z1=Z3=Z+ΔZ，式中，Rs为线圈电阻；ΔZ为测量线圈中阻抗增量。另外，当ZL为无穷大时，交流电桥的输出的电压幅值为

(1)

式中：ω激磁电流的角频率；ΔRs测量线圈中的电阻增量；ΔL为测量线圈中的电感增量；E为电桥供电电源。

激磁电压为

(2)

式中：Ri为激磁线圈电阻值；f为激磁频率；Li为激磁线圈电感值。

输出阻抗为

(3)

测量线圈中的电感L为

(4)

式中：Rm为闭合磁路中磁阻；l和S分别为铁基纳米微晶合金磁芯的长度和横截面积；μ为所采用铁基纳米微晶合金的磁导率。

测量线圈中的电感增量ΔL为

(5)

式中Δμ为对应铁基纳米微晶合金磁柱所受应力σ引起的磁导率的增量。

根据压磁原理，Δμ=kmσ，km为铁基纳米微晶合金磁柱的磁弹性系数，通过试验测定。

定义K=ΔZ/Z为传感器的灵敏度。测量线圈阻抗变为

(6)

则

(7)

即

(8)

根据参考文献[9]

(9)

式中：λS为铁芯材料的饱和磁致伸缩系数；BS为铁芯材料的饱和磁感应强度。

由式(9)知，为提高传感器灵敏度，应选饱和磁致伸缩系数λS大、磁导率越μ大，而饱和磁感应强度BS小的铁基纳米微晶合金材料。另外，线圈匝数比N2/N1越大，激磁电压越高，灵敏度也越高。

3 测量试验

传感器的输出性能和测量精度在很大程度上取决于合理确定主要参数，包括线圈匝数、激磁电流强度与频率、磁场强度以及预紧力等。最佳参数要通过试验确定。限于篇幅，文中仅论述有关激磁磁场、激磁电流强度和频率以及温度变化对传感器输出的影响。试验在材料拉伸试验机上进行。图3所示为试验原理框图。为了测试传感器的温度稳定性，将传感器置于专用恒温箱。

图3 试验装置及原理框图

激磁磁场强度对传感器的灵敏度和线性度有很大影响，过大和过小的激励都会出现严重的非线性和降低灵敏度。从理论上讲，最佳的磁场强度应满足两点：一是保证外加作用力所产生的磁能与外磁场及磁畴磁能之和接近相等；二是应使传感器工作在磁化曲线的线性段，这样使压磁敏感材料的磁导率成为应力的单值函数[10]。

最佳激磁磁场强度通过试验确定。当传感器的结构尺寸以及激磁线圈匝数确定后，调节激磁电流可改变激磁磁场强度。为确定最佳激磁磁场，在190 A/m、200 A/m、210 A/m和220 A/m 4种不同磁场强度激磁下，对传感器进行加载。根据试验[11]，当磁场强度比较小时，传感器输出灵敏度高，但线性度差；当磁场强度比较大时，情况正好相反。对于铁基纳米微晶合金，最佳磁场强度取为200 A/m．

改变激磁电流和频率，传感器的输出改变。图4所示激磁频率为500 Hz，激磁电流分别为10 mA、20 mA、30 mA、40 mA、50 mA时，传感器的加载输出曲线。

图4显示，增大激磁电流可以提高传感器的输出电压，但受线圈导线允许电流的限制。

图4 不同激磁电流对应的传感器输出电压

图5所示激磁电流为50 mA时，激磁频率分别为100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz时，传感器的加载输出曲线。图5显示，增大激磁频率不仅可以提高传感器的输出电压，而且也能减小非线性误差。但频率太大时传感器涡流损失增大。另外，压磁材料的磁导率也会随频率的增大而降低。同时，频率增大也会增强集肤效应，提高了温度误差。

图5 不同激磁频率对应的传感器输出电压

表1所示为25℃时的传感器拉伸试验数据。激磁电流强度为50 mA，频率为500 Hz．

根据表1所试验数据求得传感器的最大重复性误差为0.53% F．S，最大迟滞误差为0.36%F．S。平均最大非线性误差为1.16%F．S，平均灵敏度为1.14 mV/kN．图6是根据表1数据作出的加载载荷F与输出电压U关系曲线。

由图6看出，加载时，较大的非线性误差主要表现在零载荷与小载荷时，主要是由于预紧力不适当所致。通过反复调节预紧弹簧力，最终将非线性误差降低到1%以下。

为分析传感器的温度稳定性，在0～100℃范围进行压缩试验，其结果如表2所示。

表1 25℃时的静态压缩试验数据

图6 传感器静态特性曲线

测量温度/℃平均灵敏度/(mV·kN-1)加载载荷F/kN01020304050传感器输出电压U/mV011411310522334345657525114213104222344455575401142131072243444575756011421310822534545957680114314108226346459577100114314109228348460579

从表2中可以看出传感器有一定的温度零点漂移，其温漂系数为0.001 mV/℃．但传感器的输出灵敏度基本不随温度变化而改变。传统的压磁式测力传感器通常采用硅钢作为压磁材料，其温度系数可达0.02 mV/℃，这主要是由于其磁化特性(磁导率)随温度变化而变化的缘故。但对铁基铁基纳米微晶合金以及铁基纳米晶合金，当温度小于200 ℃时，其磁导率基本不随温度变化而变化，只有在材料的居里温度附近，磁导率才会发生较大的变化，即所谓Hopkinson 效应[12]。另外，线圈导线电阻会随温度变化而变化，由于本设计在测量桥路中采用了温度补偿，所以传感器输出在小于100℃范围基本不变。

3 结束语

根据上述理论和试验分析，在圆柱型应力敏感芯表面嵌入铁基纳米微晶合金薄带作为压磁元件的拉压力传感器，通过合理设计，对工程应用是可行的。其特点如下：

(1)待测载荷主要由圆柱型应力敏感芯承受，与采用铁基非晶态合金整体磁芯相比，传感器的量程更大；

(2)与晶体材料比，铁基纳米微晶材料的磁滞回线窄，矫顽力小，所以与采用硅钢片的压磁测力传感器比迟滞误差小；

(3)与晶体压磁材料比，如硅钢、坡莫合金等，铁基纳米微晶材料能够以更高频率激磁，而不致降低磁导率有太大的下降。所以能够通过提高激磁频率来提高传感器的输出灵敏度；

(4)有良好的温度稳定性。通过合理设计温度补偿电感和测量电桥，能够进一步降低传感器温度漂移。

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Force Sensor Based on Embedded Fe-Base NanometerCrystallite Alloy Stress Sensitive Core

SHI Yan-ping1，CHEN Shao-peng2，LIU Cheng-wen1，HOU Jin-zhu2

(1．Department of Mechanical Engineering，Huaihai Institute of Technology，Lianyungang，Jiangsu，222005，China；2．School of Mechatronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu，221116，China)

By wrapping Fe-based nanocrystalline alloy strip into a cylindrical stress-sensitive magnetic,a novel tension and compression force sensor was made based on magneto-elastic effect.The principle and structure of the sensor were presented,and its output characteristic equation was derived.By making a tensile and compression measuring experiment,the excitation magnetic field intensity,current intensity,frequency and temperature change of the sensor influence on its output were analyzed.The static characteristics and characteristics of the load cell were got.The experimental result shows the maximum linearity error of the load cell is less than1.16%F.S,repetitive error is 0.53% F.S,hysteresis error is 0.53% F.S and the average sensitivity is 1.14.The load cell can be used for general engineering applications.

tension and compression force sensor ; Fe-based nanocrystalline alloy；magneto-elastic effect；test

2013-10-13 收修改稿日期：2014-11-05

TP212

A

1002-1841(2015)01-0013-04

石延平(1958—)，教授，博士，主要从事机电一体化、测控技术等方面的教学与科研。 E-mail：shiyp@hhit．edu．cn；shiyp58@163．com