[发明专利]一种超磁致伸缩力传感器

说明书

技术领域

本发明属于磁致伸缩传感器领域，特别涉及一种以超磁致伸缩棒为敏感元件的磁致伸缩力传感器。

背景技术

现有的实用化力传感器主要是电阻应变式和压电式，电阻应变式力传感器对粘合剂和粘贴技术的要求较高，工作频率上限较低，主要用于静态力和低频动态力的测量。压电式力传感器的电荷易“跑矢”，并且信号放大需要电荷放大器。磁致伸缩力传感器是近几年新兴的传感器，是利用铁磁材料在外力的作用下，内部产生的机械应力导致材料相对磁导率发生变化的性质，把力输入信号转换成电磁信号输出，具有结构牢固可靠、过载能力强、安装简单、适用于静态和动态力的测量等优点。目前的磁致伸缩力传感器主要以硅钢片、坡莫合金、铁等为核心材料，但这些材料的磁致伸缩系数小(10^-6～10^-5)，磁致伸缩逆效应较差，材料的敏感性较差。美国韦恩州立大学的Darrell K.Kleinke和H.Mehmet Uras研制的磁致伸缩力传感器的敏感元件材料为18#钢，敏感性较低，并且只能实现动态力测量，不能进行静态力测量。

20世纪70年代初出现的具有大磁致伸缩系数的超磁致伸缩材料引发了由智能材料到智能器件的一场智能机电产业的革命，凭借室温下大磁致伸缩系数(1500×10^-6～2000×10^-6)，高机电耦合系数，响应速度快等优异特性引起了国内外学术界及工业界的极大关注。国内外对超磁致伸缩材料的研究主要集中在基于磁致伸缩效应的执行器件，相对较成熟，而在力传感器领域的研究报道甚少。我国河北工业大学樊长在等人研制的磁致伸缩力传感器仅能测量静态力，且以特斯拉计测量磁通密度，测量误差较大，不能实际应用。目前尚无可同时测量静态力和动态力的超磁致伸缩力传感器的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有磁致伸缩力传感器技术的不足，设计一种以超磁致伸缩棒作为敏感元件，通过集成在内部的霍尔传感器实现静态力和动态力测量的超磁致伸缩力传感器，解决了磁致伸缩力传感器灵敏度低以及不能同时测量静态力和动态力的难题。

本发明采用的技术方案是：一种超磁致伸缩力传感器其特征在于以超磁致伸缩棒8作为敏感元件，超磁致伸缩力传感器整体结构为轴对称式结构；下导磁体14安装在圆柱形外套1的内腔底部，霍尔传感器13通过非导磁性胶15固定在下导磁体14上表面的中心处，绕有激励线圈10的线圈骨架9安装在下导磁体14的上部，不锈钢钢圈12、下导磁垫片11、超磁致伸缩棒8从下至上依次安装在线圈骨架9的内孔中，不锈钢钢圈12与下导磁垫片11和超磁致伸缩棒8的总体高度低于线圈骨架9的高度，上导磁垫片7安装在超磁致伸缩棒8的上面，中心处带有通孔的上导磁体6和端盖5从下至上依次安装在线圈骨架9的上部，碟形弹簧4安装在端盖5上部，阶梯轴形状的施力轴3依次穿过顶盖2、碟形弹簧4、端盖5、上导磁体6中心处的通孔，施力轴3细轴的端面与上导磁垫片7的上表面接触，外套1上部和顶盖2分别有外螺纹和内螺纹，通过螺纹配合将碟形弹簧4压缩，并将碟形弹簧4、端盖5、上导磁体6、上导磁垫片7、超磁致伸缩棒8、线圈骨架9、激励线圈10、下导磁垫片11、不锈钢钢圈12、霍尔传感器13、下导磁体14、非导磁性胶15封装在内部构成一个超磁致伸缩力传感器。

本发明的显著特点是以超磁致伸缩棒8作为敏感元件，其外部套有不锈钢钢圈12的霍尔传感器13测量磁通密度，实现了静态力和动态力的同时测量，超磁致伸缩力传感器具有放大输出信号的特性，不需要额外的放大电路，且该传感器的响应速度快，结构简单，牢固可靠。

附图说明

图1为超磁致伸缩力传感器装配图剖面图，其中，1-外套、2-顶盖、3-施力轴、4-碟形弹簧、5-端盖、6-上导磁体、7-上导磁垫片、8-超磁致伸缩棒、9-线圈骨架、10-激励线圈、11-下导磁垫片、12-不锈钢钢圈、13-霍尔传感器、14-下导磁体、15-非导磁性胶。

图2为静态力实验系统示意图，其中，1-超磁致伸缩力传感器，2-压力机，3-安装座，4-紧固螺钉。

图3为静态力实验结果，其中，横坐标F-作用在超磁致伸缩力传感器上的力，纵坐标U-超磁致伸缩力传感器的输出电压，a-静态力实验结果曲线。

图4为动态力实验系统示意图，其中，1-激振器，2-超磁致伸缩力传感器，3-压电力传感器，4-左柔性连接杆，5-右柔性连接杆，6-激振器紧固螺钉，7-实验平台。

图5为动态力实验结果，横坐标t-时间，纵坐标U-超磁致伸缩力传感器的输出电压，b-动态力实验结果曲线