基于磁性形状记忆合金的预压型力传感器数据采集装置设计

2019-04-04张贤才严思甜黄林华

冶金与材料 2019年1期

张贤才，严思甜，黄林华

（湖南科技学院土木与环境工程学院，湖南永州 425199）

目前，压电式力传感器的测量是基于压电材料的压电效应进行的，即当压电材料受到应力的作用时，压电板的两侧会聚集异号电荷，通过测量压电板两侧的电压差便可得外加力的大小。由于压电材料比较脆，无法承受较大的载荷，无法用于力很大的场合，并且压电材料仅可对动态载荷进行测量，无法对静态和准静态的载荷进行测量，故限制了其应用。

形状记忆合金具有变形恢复的特点，在加热状态会呈现两种不同的相结构，并且该过程通过温度的循环可反复获得，用这两种形状记忆效应获得的应变比简单的热膨胀要大很多，在低频和大行程驱动方面有显著优点，但由于其受温度控制，限制了其应用。

超磁致伸缩材料在磁场的作用下磁致伸缩应变量大、能量密度高及响应速度快等优点，具有结构紧凑、输出功率大的特点，但由于超磁致伸缩材料含有大量价格昂贵的金属（Tb），导致其成本增加，在某种程度上限制了其应用。

1 磁性形状记忆合金的预压型力传感器数据采集装置设计

为了解决上述技术问题，文章设计了一种可实现对静态、动态及交变荷载下的负载进行连续测量的基于磁性形状记忆合金的预压型力传感器数据采集装置，如图1所示。

如图1所示，该装置包括数据采集单元和预压型力传感器单元，预压型力传感器单元包括圆筒形外壳，外壳内设有输出轴，输出轴上部从上端盖伸出，输出轴中部设有环形挡板，环形挡板与上端盖之间设有上部永磁体，外壳底部设有下部永磁体，沿外壳内壁依次放置线圈骨架，线圈骨架上设有激励线圈，下部永磁体与环形挡板之间设有弹簧，弹簧内设有磁性形状记忆合金棒；数据采集单元包括控制器、数据采集卡、磁通计、应变仪、应变片和传感器。

图1 磁性形状记忆合金的预压型力传感器数据采集装置结构示意图

2 磁性形状记忆合金的预压型力传感器数据采集装置的实施方案

预压型力传感器单元包括圆筒形外壳4、激励线圈7、磁性形状记忆合金棒8、输出轴11，圆筒形外壳4的上下两端分别用上端盖10、下端盖2进行封堵以形成安装腔，下端盖2的下表面中部设有螺孔1，上端盖10与外壳4之间、下端盖2与外壳4之间均为螺纹连接，形成一个封闭的安装腔，防止磁泄露，上端盖10、下端盖2与外壳4均采用导磁性能较好的电工纯铁制造而成，实现磁场的传导；安装腔内设有输出轴11，其上部从上端盖10的中心孔伸出，输出轴11的中部设有与外壳4内径相匹配的环形挡板19，与上端盖10之间设有上部永磁体9，下端盖2的上表面中部设有凸块20，安装腔底部设有下部永磁体3并且套装在凸块20上，沿外壳4内壁环形放置一线圈骨架5，其上下两端分别与环形挡板19、下部永磁体3相接触，线圈骨架5上设有激励线圈7，下部永磁体3与环形挡板19之间设有螺旋形弹簧6，通过上端盖10的螺纹调节使弹簧6处于压缩状态，对下部永磁体3和输出轴11施加一定大小的力，并保证下永磁体的位置不发生变化；弹簧6内设有磁性形状记忆合金棒8，其下端与凸块20连接，上端与输出轴11的下端连接，两端与凸块20、输出轴11均为螺纹连接，下端盖2、磁性形状记忆合金棒8、输出轴11和外壳4形成一个完整的磁回路，便于磁场传导。上部永磁体9和下部永磁体3均为圆环状，上部永磁体9和下部永磁体3向对面的极性相反。

数据采集单元包括控制器14、数据采集卡15、电源16、磁通计17、应变仪18、应变片13和传感器12，应变片13和传感器12安装在磁性形状记忆合金棒8上，应变片13测量磁性形状记忆合金棒8的应变，传感器12测量偏置磁场；应变片13、传感器12的信号输出端分别与应变仪18、磁通计17的信号输入端相连，电源16分别与应变仪18、磁通计17相连，为应变仪18、磁通计17提供工作电源；应变仪18、磁通计17用于测量激励线圈7产生的感应电压及磁感应强度；应变仪18、磁通计17的输出端与数据采集卡15的输入端相连，数据采集卡15的输出端与控制器14相连，从而获得外加负载的大小和方向。

本装置中，预压型力传感器单元是核心，磁性形状记忆合金棒8是力传感器单元的核心，由于磁性形状记忆合金棒8两端分别与下端盖2和输出轴11螺纹连接，外加载荷通过输出轴11就能很好地传递到磁性形状记忆合金棒8上；同时，在测量过程中，由于下端盖2通过螺孔1固定，故载荷就能较好的作用在磁性形状记忆合金棒8上，使本装置可以对静态、准静态和交变载荷进行测量。