基于磁致伸缩效应的无线无源压力传感器的研究

2015-12-02谭益松任立敏张海波

制造业自动化 2015年18期

谭益松，任立敏，张海波

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

（东北电力大学机械工程学院，吉林 132012）

0 引言

压力传感器是工业生产中较为重要的一种传感器，其广泛应用于各种工业自动控制场合，涉及到机床、自动化加工、航空航天等众多领域[1,2]。目前常用的压力传感器大致分为两类：一种是机械结构型的，这类压力传感器以弹性元件的形变指示压力，结构简单，但是这种类型的传感器结构尺寸大、质量重，而且不能提供电学输出[3,4]；第二种是半导体型的，这类压力传感器利用材料的压阻、压电等物性效应检测压力，具有体积小、质量轻、准确度高、温度特性好等一系列优点，并且能够提供电学输出[5,6]。

上述两种压力传感器在实际使用过程中，机械结构型不能提供电输出，半导体型虽然能够提供电输出，但是需要在传感器上及其外围布置引线，通过引线将压力信号输出。然而，在一些高速旋转机械和内部构造复杂的机械结构上，引线无法布置，从而导致内部压力信号检查的中断或复杂化，这在一定的程度上限制了力传感器的应用，影响了精密机械功能的发挥。

近年来得到广泛研究的磁致伸缩效应在解决传感器无线无源信号传输方面起到了积极的作用[7～11]。

所谓磁致伸缩效应，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度发生变化的现象。而铁磁性材料受到机械力的作用时，它的内部产生应变，导致导磁率发生变化，产生压磁效应，即磁致伸缩效应的逆效应。磁致伸缩的逆效应发生时，可以通过麦克斯韦电磁感应方式获得测量信号，而且不需要向磁致伸缩材料本身提供电能，具有无线无源传输特性[12～14]，无需通过布置引线就可以测量到应变值，具有使用方便简单，能够实现高速旋转机械、复杂结构内部信号测量的目的。磁致伸缩效应自18世纪40年代被发现以来，因为一直未发现具有较大的磁致伸缩系数的材料，而未得到充分的重视。直到上个世纪60、70年代，磁致伸缩材料得到较大的突破以后，才产生了较快的发展[15,16]。

本文以压力传感器为研究对象，运用磁致伸缩逆效应研制出两种具有无线、无源特性的压力传感器，并且对每一种压力传感器进行性能测试，获得了所研制压力传感器性能曲线，并给出相应的分析。

1 传感器理论与设计

1.1 传感器理论分析

根据磁致伸缩逆效应的原理，在外界应力的作用下，磁致伸缩材料的磁导率µ将发生变化，变化的磁导率µ会进一步导致磁感应强度B的的变化，其原理图1所示。

图1 磁致伸缩材料的磁导率变化曲线

在图1中，µ0代表施加压力前的磁导率，µ1代表施加压力以后的磁导率。从图1可以看出，在同样的磁场强度H下，受到外界压力的磁致伸缩材料会输出一个强度更高的磁感应强度B，反映在感应线圈上将会获得一个变高的感应电压，感应电压是外界压力的一个体现，通过这种方式可以无线感知外界压力的变化，且传感器本身不需要布置引线提供电气连接，具有无线无源的特点。

1.2 传感器设计

本文设计的压力传感器的结构如图2所示。传感器主要由三部分构成，分别是位于底部保护基体、位于中间粘接剂和位于顶部的磁致伸缩敏感材料。位于传感器顶层的是磁致伸缩敏感材料，其主要作用是感知保护基体的应变，将感知到的应变以变化的磁感应强度的形式无线向外传输；由于磁致伸缩材料厚度比较薄，难以直接承受较大的外界载荷，影响了压力传感器在大测量范围内的使用，所以本文采用外加基体的方法保护磁致伸缩敏感材料，保护基体承受外力F的作用，并且内部以应变的方式反映外力F的变化；在磁致伸缩材料和保护基体之间通过高强度的金属粘接剂连接，保证保护基体和磁致伸缩敏感材料能够同步均匀发生变化。由于磁致伸缩材料的厚度较小（30μm），保护基体的厚度较大（>0.45mm），二者的相对差值比较大（0.45mm：30μm>13:1），所以在此种压力传感器的分析中，由于磁致伸缩材料引起的传感器刚度的变化可以忽略不计。

图2 传感器的构成

保护基体在外力F的作用下，应变可以由式(1)获得：

其中，ε代表保护基体的应变，F表示外力，E代表材料的杨氏弹性模量，A表示保护基体截面面积。

从式(1)可以得出，保护基体的应变ε由保护基体的横截面积A和材料的杨氏弹性模量E决定，因此本文分别选择两种不同的材料：不锈钢和铝合金作为保护基体材料制作传感器，进行不同特性的传感器性能的测试。保护基体的特性分析如表1所示。

表1 保护基体材料特性

本文采用微型数控机床加工不锈钢、铝合金保护基体，保护基体与磁致伸缩材料具有相同的宽度，然后通过高强度金属粘接剂将磁致伸缩材料与不锈钢、铝合金保护基体粘接，并且在室温中凝固24小时，使金属胶达到最大的强度，实际加工完毕的两种传感器实物如图3所示。

图3 两种传感器实物图

2 传感器实验与分析

2.1 传感器实验系统

本文搭建的实验系统框图如图4所示。信号发生器产生正弦振荡信号，正弦振荡信号经由信号放大器进行电流放大后输入激励线圈，激励线圈提供磁致伸缩材料工作所需要的交变激励信号。检测线圈通过电磁感应原理检测磁致伸缩材料的输出，并且将感应获得的信号输入到频谱分析仪中，通过频谱分析仪获得所需要的信号，最后将频谱分析仪获得信号输入到计算中进行分析，最后获得外界压力信号。

图4 无线传感器实验系统

2.2 实验结果分析

本文将两种传感器放入到检测线圈中，然后通过砝码进行加载，在加载的过程中逐一记录输出值，获得的两种传感器的输出如图5所示。

图5 力传感器输出

图6 力传感器输出

从图5(a)可以看出，传感器1 的输入压力范围是0～14 N，传感器输出的有效电压范围是0.38mV～0.48mV，传感器1的理想输出是指数曲线，从图中可以看出，测试点均匀的分布在理想曲线两侧；在图5(b)中，输入压力的范围是0～35N，有效测量电压的输出范围是1.8mV～2.3mV，输入和输出的分布合理，传感器的性能稳定。

为了对两种传感器的漂移和回滞性能进行分析，本文对两种传感器分别进行了多个循环的加载卸载试验，获得了传感器的循环作用曲线如图6所示。

从图6中可以看出，随着外力加载卸载试验的进行，两种传感器都表现出稳定的特性，输出误差在系统可以接受的范围内，两种传感器不存在明显的漂移和回滞。