基于GMM逆效應(yīng)壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

崔路飛 王傳禮 喻曹豐 熊美俊

摘 ?要： 從傳統(tǒng)壓力傳感器結(jié)構(gòu)和超磁致伸縮材料逆效應(yīng)原理入手，通過(guò)對(duì)閉合磁路和偏置磁場(chǎng)的研究，設(shè)計(jì)出一種新型的超磁致伸縮壓力傳感器，通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的霍爾傳感器測(cè)量磁通量實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力的測(cè)量。利用Comsol軟件進(jìn)行有限元仿真，重點(diǎn)研究閉合磁路對(duì)磁通量的影響以及偏置磁場(chǎng)對(duì)傳感器輸出特性的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明：當(dāng)采用閉合磁路裝置時(shí)，能夠?qū)Υ磐ㄟM(jìn)行引導(dǎo)，幾乎沒(méi)有漏磁通現(xiàn)象;存在一個(gè)最佳偏置電流（偏置磁場(chǎng)）使得傳感器的靈敏度最高，求得靈敏度為0.44 mV/N。這為后面超磁致伸縮逆效應(yīng)壓力傳感器的深入研究提供了一種技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞： 超磁致伸縮逆效應(yīng); 閉合磁路; 偏置磁場(chǎng); 超磁致伸縮壓力傳感器; 有限元仿真; 靈敏度

中圖分類號(hào)： TN602?34; TN03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）23?0164?03

Abstract： On the basis of the structure of traditional pressure sensor and the principle of inverse effect of GMM （giant magnetostrictive material）， a new type of giant magnetostrictive pressure sensor is designed by studying the closed magnetic circuit and bias magnetic field. The static force can be measured by measuring the magnetic flux with Hall sensor inside the designed sensor. The finite element simulation is carried out by Comsol software， and the influence of closed magnetic circuit on magnetic flux and the influence of bias magnetic field on the output characteristics of the sensor are studied. The simulation results show that， when the closed magnetic circuit device is used， the magnetic flux can be guided and there is almost no leakage magnetic flux; the presence of an optimum bias current （bias magnetic field） maximizes the sensor′s sensitivity， which is 0.44 mV/N. It provides a technical approach for the further study of giant magnetostrictive inverse effect pressure sensor.

Keywords： giant magnetostrictive inverse effect; closed magnetic circuit; bias magnetic field; giant magnetostrictive pressure sensor; finite element simulation; sensitivity

0 ?引 ?言

超磁致伸縮材料具有能量轉(zhuǎn)化率高，尤其在電磁和機(jī)械能可逆轉(zhuǎn)化之間[1?2]，憑借響應(yīng)速度快、應(yīng)變大、低頻響應(yīng)好、頻帶寬等特點(diǎn)被譽(yù)為21世紀(jì)高科技戰(zhàn)略資源材料[3?5]。其中，超磁致伸縮逆效應(yīng)是超磁致伸縮材料一個(gè)非常重要的特性，即對(duì)GMM施加外力時(shí)，GMM周圍的磁通量會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為維拉里效應(yīng)[6]。通過(guò)對(duì)磁通量的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)力的測(cè)量，這對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)具有極大的研究?jī)r(jià)值。雖然超磁致伸縮材料本身具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是超磁致伸縮傳感器的研究尚處于起步階段，對(duì)其報(bào)道較少。文獻(xiàn)[7?8]設(shè)計(jì)了超磁致伸縮力傳感器并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了力傳感器的可行性，但沒(méi)有考慮內(nèi)部漏磁現(xiàn)象。

本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了超磁壓力傳感器結(jié)構(gòu)，并對(duì)該傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維有限元仿真分析，得到閉合磁路裝置能夠?qū)Υ磐ㄟM(jìn)行引導(dǎo)，提高了傳感器線性度和測(cè)量范圍，這對(duì)用霍爾傳感器測(cè)量磁通量的變化并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的輸出來(lái)說(shuō)，具有特殊意義。同時(shí)，得到了最佳偏置電流以提高傳感器的靈敏度，這為后面超磁致伸縮逆效應(yīng)力傳感器的深入研究提供了一種方法與技術(shù)途徑。

1 ?超磁致伸縮力傳感器的基本原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超磁致伸縮力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分，分別為閉合磁路裝置、偏置磁場(chǎng)裝置、測(cè)量裝置。即外力直接作用在頂桿上，然后傳遞給導(dǎo)磁塊，再傳遞給超磁致伸縮棒，超磁致伸縮棒在外力作用下其周圍磁通量發(fā)生變化，最后用霍爾傳感器測(cè)量磁通量。導(dǎo)磁塊、上導(dǎo)磁體、圓筒磁軛、下導(dǎo)磁體形成閉合的磁路。目前，偏置磁場(chǎng)施加方式主要分為電流偏置式和永磁偏置式[9]。本文采用直流電流的激勵(lì)線圈提供偏置磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)偏置磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。用霍爾傳感器檢測(cè)磁通量的變化，其周圍增加一個(gè)不銹鋼鋼環(huán)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超磁致伸縮力傳感器靈敏度的提高。端蓋與殼體通過(guò)內(nèi)槽螺釘連接固定，對(duì)內(nèi)部起到保護(hù)作用。

2.2 ?磁場(chǎng)仿真與分析

用Comsol軟件對(duì)超磁致伸縮力傳感器進(jìn)行有限元仿真時(shí)，其端蓋、殼體、預(yù)緊彈簧、內(nèi)槽螺釘、預(yù)緊螺栓等結(jié)構(gòu)影響特別小，可以忽略。

為了研究閉合磁路結(jié)構(gòu)對(duì)磁通量的影響，在線圈中通入電流[I=]2 A的情況下，得到仿真結(jié)果如圖2，圖3所示。圖2是沒(méi)有閉合磁路結(jié)構(gòu)僅有隔磁結(jié)構(gòu)情況下的磁通量分布圖，圖3是有閉合磁路結(jié)構(gòu)情況下的磁通量分布圖。

通過(guò)圖3與圖2進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，只有隔磁結(jié)構(gòu)并沒(méi)有起到隔磁效果，而有閉合磁路結(jié)構(gòu)的圖3磁通密度分布合理，磁路完整，且磁通密度主要分布在磁路區(qū)域，閉合磁路幾乎沒(méi)有漏磁現(xiàn)象。這對(duì)用霍爾傳感器測(cè)量磁通量并轉(zhuǎn)化為電壓的過(guò)程顯然是合理的。

3 ?偏置磁場(chǎng)對(duì)傳感器輸出特性的影響

在傳感器工作模式下，適當(dāng)?shù)钠么艌?chǎng)使GMM棒剛好進(jìn)入以磁疇偏轉(zhuǎn)為主的階段，導(dǎo)致傳感器感知力的能力將增強(qiáng)[10]。為了確定偏置磁場(chǎng)對(duì)傳感器輸出特性的影響規(guī)律并確定最佳偏置磁場(chǎng)以提高傳感器的靈敏度，對(duì)傳感器在不同的偏置磁場(chǎng)下進(jìn)行仿真。

3.1 ?偏置磁場(chǎng)有限元分析

對(duì)偏置線圈施加不同的電流，其電流分別為0.8 A，1.6 A，2.4 A，3.2 A。用Comsol對(duì)其進(jìn)行仿真，仿真出不同偏置電流下傳感器輸出電壓與外力之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出：外力在1 500 N以內(nèi)線性關(guān)系較好，且隨著外力不斷增大，輸出電壓不斷減小;當(dāng)偏置電流不斷增大時(shí)，輸出電壓也在不斷增大。為了找出最佳偏置電流，使用Comsol軟件進(jìn)行仿真，在相同力的情況下，將偏置電流范圍從0～4 A， 間隔為0.4 A，得出的數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入Origin中，最后繪制出傳感器輸出電壓變化量的絕對(duì)值與外力之間的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)偏置電流從0 A增加到2.4 A時(shí)，傳感器輸出電壓變化量在逐漸增大，并在2.4 A達(dá)到最大。當(dāng)偏置電流繼續(xù)增加時(shí)，電壓變化量就會(huì)減小。這是因?yàn)樵谄秒娏鳛?.4 A時(shí)，超磁致伸縮材料剛好達(dá)到磁飽和狀態(tài)，也就是磁疇已經(jīng)偏轉(zhuǎn)到與GMM棒平行的方向，這時(shí)材料的敏感性最強(qiáng)。但是當(dāng)磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，在施加外力時(shí)，磁疇偏轉(zhuǎn)到垂直GMM棒方向就越困難，所以傳感器的靈敏度就會(huì)下降。因此，傳感器在偏置電流為2.4 A時(shí)，產(chǎn)生最佳偏置磁場(chǎng)。

3.2 ?傳感器的靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅鬟_(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)其輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比，是傳感器最主要的性能指標(biāo)[11]，且靈敏度的大小直接影響傳感器信號(hào)的測(cè)量。

非線性傳感器的靈敏度用[dYdx]表示，其數(shù)值為對(duì)應(yīng)的最小二乘法曲線擬合的斜率。利用Comsol軟件對(duì)超磁致伸縮傳感器進(jìn)行仿真，仿真出最佳偏置電流為2.4 A時(shí)，施加的外力與傳感器輸出電壓的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

為了直觀反映出傳感器靈敏度，對(duì)表1傳感器輸出電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化處理，處理的公式如下：

[UX=U0-Un] （8）

式中：[UX]為當(dāng)施加一定外力時(shí)傳感器輸出電壓的凈變化;[U0]為當(dāng)外力為0時(shí)，傳感器輸出的電壓;[Un]為有外力作用時(shí)，傳感器輸出的電壓。

則統(tǒng)一化處理后的電壓靈敏度定義為：

[K=dUXdF] （9）

通過(guò)式（8）得到統(tǒng)一化處理后的傳感器輸出電壓變化量[UX]與外力[F]之間的關(guān)系曲線，再通過(guò)Oringe軟件中的最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合后的直線如圖6所示。

通過(guò)圖6可得出：最小二乘法擬合后的直線表達(dá)式為：[UX=0.44F]，其相關(guān)系數(shù)[R2=]0.999，即所建立的擬合直線與數(shù)據(jù)擬合得很好。擬合后的直線斜率代表此傳感器的靈敏度，因此傳感器的靈敏度為0.44 mV/N。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種超磁致伸縮力傳感器的結(jié)構(gòu)，介紹了其工作原理，并分析了磁通量的分布情況與偏置磁場(chǎng)對(duì)傳感器輸出特性的影響。然后通過(guò)仿真分析表明：

1） 閉合磁路結(jié)構(gòu)使磁通密度分布合理且磁路完整，閉合磁路幾乎沒(méi)有漏磁現(xiàn)象，這對(duì)用霍爾傳感器測(cè)量磁通量并轉(zhuǎn)化為電壓的過(guò)程顯然是合理的。

2） 超磁致伸縮力傳感器存在最佳的偏置磁場(chǎng)使傳感器靈敏度最高，求得靈敏度為0.44 mV/N，且傳感器的最佳偏置電流為2.4 A。

參考文獻(xiàn)

[1] YANG Qingxin， YAN Rongge， FAN Changzai， et al. A magneto?mechanical strongly coupled model for giant magnetostrictive force sensor [J]. IEEE transactions on magnetics， 2007， 43（4）： 1437?1440.

[2] 鐘長(zhǎng)鳴.基于GMM薄膜聲音傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2017.

[3] 喻曹豐，王傳禮，鄧海順，等.超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器磁場(chǎng)性能分析與優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造工程，2015（8）：136?140.

[4] 張慧.新型超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及性能研究[D].上海：應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，2016.

[5] YADAV S， SHARMA P， YAMASANI P， et al. A prototype micro?thermoelectric power generator for micro?electromechanical systems [J]. Applied physics letters， 2014， 104（12）： 123903.

[6] 翁玲.超磁致伸縮振動(dòng)傳感器的模型與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2008.

[7] 攀長(zhǎng)在，楊慶新，閆榮格，等.超磁致伸縮力傳感器的模型研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（3）：40?42.

[8] 劉慧芳，賈振元，王福吉，等.超磁致伸縮力傳感器及其實(shí)驗(yàn)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）：832?836.

[9] 譚先濤.超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[10] 唐志峰.超磁致伸縮執(zhí)行器的基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[11] 王化祥.傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.