基于压磁效应的测力传感器性能优化

董俊威

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

0 引言

低应力检测在残余应力测量、产品性能检测等方面具有广泛的应用场景。例如，残余应力不仅是破坏结构件的主要因素之一，而且会影响测量仪器的精度。现阶段主要利用盲孔法、切条法或剥层法测量残余应力，但这3种方法均会破坏材料的表面结构，从而破坏样品。利用X⁃ray探测的光学仪器可以通过光反射前后的相位差对残余应力进行无损检测，但是造价昂贵，不能广泛用于工业测量。现有的压磁效应测力传感器能实现非接触测量且易加工，但存在无法测量低应力和线性度及灵敏度较低的问题［1］。因此需要对压磁效应测力传感器的敏感材料性能进行适当优化，以拓宽其测量量程。

1 压磁效应测力传感器的原理及输出特性

1.1 压磁效应测力传感器原理

压磁效应测力传感器的工作原理如图1所示。测力传感器采用磁导率很高的软磁材料硅钢作为磁芯，其能使励磁线圈提供的磁动势大部分落在敏感材料上。U型磁芯下面是压磁材料即敏感材料，磁芯与敏感材料的距离为1 mm。励磁线圈通入交流电后会产生交变磁场进入到敏感材料内部，通过感应磁极回到励磁磁极，形成一个封闭的磁回路，磁回路中每一处磁通量相等；被测物表面的拉 （压）应力转移到敏感材料上。由于敏感材料的压磁效应，致使敏感材料磁导率增大 （减小），磁路中磁阻随之减小 （增大），造成感应电动势增大 （减小）；且外力越大，感应电动势越大，两者成线性关系［2］。

1.2 压磁效应测力传感器的输出特性

敏感材料为厚0．03 mm、宽30 mm的铁基101非晶薄带，其磁性能参数见表1。测力传感器的最佳频率激励为1 MHz，最佳交流电为400 mA，励磁线圈43匝，测量线圈50匝，其输出特性见表2与图2。

表1 铁基非晶薄带磁性能参数

表2 传感器不同频率下的灵敏度

由表2可知：测力传感器的灵敏度随着激励频率远离最佳频率而逐渐减小，当频率变到1 kHz时，灵敏度降低了60%。即使在最佳频率下，灵敏度仅有1．369 8 mV／kN，比较低。此外，测力传感器不能测量5 kN以下的应力，而且传感器的线性度较差。用相关系数的平方值R2来表征线性度，R2越接近1，表示线性度越高，此时传感器的R2仅为 0．981 4。

2 改进方法

铁基非晶材料磁导率变化与机械应力之间有如下的关系［3］：

式中：σ为机械应力，Pa；μ为压磁材料的磁导率因数；λm为压磁材料的饱和磁致伸缩因数；Bm为压磁材料的饱和磁感应强度，T；Km为机电转化效率，%。

由式（1）～（2）可知：要提高传感器的灵敏度，就需要较大的磁导率μ及饱和磁致伸缩因数λm，较小的饱和磁感应强度Bm。下面依次从理论上比较分析传感器敏感材料在退火前后的磁性能参数。

铁基非晶材料磁性参数与退火温度的关系如图3～5所示［4］。可以看出，在退火温度为420℃时，材料的饱和磁致伸缩因数λm比没退火时的大15倍左右；在退火温度接近于500℃时，材料的磁导率μ迅速增大，比没退火时的增大40倍左右；材料的饱和磁感应强度Bm虽然随退火温度的增大而增大，但增大的幅度很小，最大只能增大2倍左右。

比较后可以看出，铁基非晶材料退火后的机电转化效率Km最大可提高37倍左右。综合考虑后在480℃进行退火处理是比较合适的。

3 静态试验验证

试验时，着重分析敏感材料退火后的传感器在5 kN以下的静态特性，如最佳频率、线性度和灵敏度。试验台架示意如图6所示。由磁芯、励磁线圈、感应线圈、铁基非晶薄带构成传感器。通过信号发生器控制激励源的大小与频率，通过砝码对轴进行加载。悬臂梁为钢轴，其上表面作为被测面，铁基非晶薄带贴在被测面上测量应力。试验过程中，传感器的磁芯由落地支架固定，落地支架由下半部分固定支架与上半部分活动支架组成，在活动支架末端与固定支架上端分别开通滑槽，然后用螺栓、螺母进行链接，用以调整传感器与被测面的间距。传感器与被测面的间距为1 mm，励磁线圈43匝，测量线圈50匝。

理论上，频率会影响交变磁场透入材料的深度，进而影响磁路中磁阻的大小，最终影响传感器的灵敏度［5］。故传感器在线圈匝数、电压幅值相同的条件下，激励频率不同，灵敏度亦不同。交变磁场的穿透性能表达式如下［6］：

式中：h为交变磁场穿透材料的深度，m；w为交变磁场的圆频率，rad／s；μ为压磁材料的相对磁导率因数；γ为压磁材料的电导率，s／m。

经计算，截止频率为1．36×104Hz。若频率比截止频率低，磁场会穿透非晶薄带；若频率太高，磁场无法进入薄带。此时静态试验的激励源为±1．5 V、频率变化的正弦波。感应电动势随激励频率的变化如图7所示。

由图7可知：敏感材料退火后，传感器最佳频率在60 kHz左右，而未退火时传感器的最佳频率在1 MHz左右，可见敏感材料退火可极大程度地降低传感器对激励频率的要求。

在60 kHz以前，感应电动势随着频率升高而急剧增大。因为频率越大，穿过压磁材料薄带的深度就越小，受到的磁阻也越小，所以此频率下感应电动势就越大。当频率超过60 kHz后，随着频率增大，感应电动势急剧地减小。因为频率足够高时，有一部分正弦波直接被敏感材料表面反射掉，从而削弱激励信号的能量，故高频率下的感应电动势变小［7］。同时，最佳频率60 kHz高于理论上的最低截止频率13．4 kHz，与理论符合。

载荷静态试验在最佳频率下进行，采用60 kHz、 ±1．5 V的正弦波作为激励源，然后在轴上依次施加载荷。敏感材料退火后，传感器输出特性如图8所示。

由图8可知：敏感材料退火后的传感器不仅能很好地在低应力下工作，而且提高了灵敏度与线性度。敏感材料退火后的传感器，在最佳频率下的灵敏度为 1．920 0 mV／kN， 比未退火时的 1．369 8 mV／kN灵敏度提高了40．17%；传感器在敏感材料退火后的线性度为0．998 4，比未退火时的0．981 4线性度提高了1．73%。

产生这些区别的根本原因是，铁基非晶材料在微观结构上只存在小区间的短序列，没有长序列，它只在近邻或次邻原子的键合处具有一定的规律性，于是其内部原子在三维空间上呈拓扑无序状排列，导致磁晶的各向异性远大于各项同性［8］。铁基非晶材料退火后形成铁基纳米晶。尺寸为纳米数量级的铁磁微粒间存在铁磁交换耦合作用，致使磁晶各向异性大大削弱，各向同性增强，磁导率与饱和磁致伸缩因数随之增大，从而使敏感材料具有更高的机电转化效率，传感器的线性度与灵敏度随之提高［9］。

4 结论

压磁效应测力传感器在其敏感材料 （铁基非晶材料）退火后，不仅拓展了量程，能很好地测量残余应力，而且线性度与灵敏度上均有较大的提高。基于试验条件的限制，未对压磁效应测力传感器的动态特性进行研究。从理论上分析，铁基非晶材料退火后，内部损耗和剩磁均小，所以磁滞效应肯定也会小，就会有更高的动态响应速度及更宽的频率响应范围。还可以根据具体的要求，选择不同的退火工艺，将传感器敏感材料某方面的性能大幅度地提高。