基于超磁致伸縮材料的應力波傳感器設計

中北大學 李 園 邢 磊 劉芮君

基于超磁致伸縮材料的應力波傳感器設計

中北大學 李 園 邢 磊 劉芮君

超磁致伸縮材料是一種新型功能材料，具有逆磁致伸縮效應，基于此效應可以制作出將機械能轉換成電能的傳感器。該傳感器不需外部供電即可具有較大的電壓輸出信號，可以很容易被測量到并轉化為數字信號，是一種新型的應力波傳感器。

一、傳感器結構與原理

超磁致伸縮應力波傳感器的結構如圖1所示。圓柱形超磁致伸縮棒位于傳感器的中心部位，外邊套著線圈骨架，感應線圈和偏置線圈分別繞在線圈骨架的里層和外層。超磁致伸縮棒上下分別由底座和頂桿固定，頂桿下方有預壓彈簧支撐。外部有外殼和端蓋，將內部部件通過螺釘固定。外殼與端蓋之間有螺口連接，可以調節預應力大小。在底座與外殼上部之間有一空隙，用于信號放大的電路板安裝于其內。

傳感器工作時，動態應力F（t）通過頂桿傳送至傳感器，超磁致伸縮棒的磁化強度M發生變化，從而改變磁感應強度。當感應線圈內磁通量發生變化時，由于電磁感應，線圈兩端感應出電壓信號，從而將機械能轉化為電能。超磁致伸縮棒處在動態力F（t）、預壓彈簧提供的預壓力σ0以及偏置線圈提供的偏置磁場H0的作用之下，動態力F（t）為驅動力，σ0和H0為偏置工作條件。

超磁致伸縮棒在一定偏執磁場下磁化強度的變化，主要是受磁場和應力作用引起磁疇發生變化而導致的。當無外磁場存在時，磁疇方向會自發地取向磁性材料內部各向異性能FK的最小值方向。……