仿生磁致伸缩触觉传感阵列设计与输出特性

受动物毛发的触觉机理启发,该文采用磁敏材料Galfenol细丝设计一种仿生磁致伸缩触觉传感单元.基于逆磁致伸缩效应、线性压磁方程和材料力学原理建立传感单元的输出特性模型,根据模型参数对传感单元进行结构优化以降低空间体积.在COMSOL中搭建传感阵列模型,分析阵列中磁场干扰对输出结果的影响.对3×3传感阵列进行输出特性测试,并将其装载于机械手上进行抓取实验.在H=1.6kA/m的偏置磁场下,传感单元在0～3N作用力下传感阵列输出电压呈线性变化,灵敏度为14.52mV/N,响应时间为30ms;在2N作用力下传感阵列的输出电压均值为96.94mV,灵敏度为48.47mV/N.实验结果表明,研制的传感阵列具有良好的稳定性与灵敏度,应用于机械手抓取物体时能够精确感知接触力信息.     

光纤传感器在电磁测量方面的应用

光纤传感器是70年代兴起的、以光与电子综合技术为基础的新型传感装置.本文综述了光纤传感器的主要特点和分类,分别介绍了测量电流、磁场、电压和电场的各种光纤传感器,这些传感器各自基于磁致伸缩效应、电致伸缩效应、光Faraday效应及Pockels效应.最后讨论了国内外的发展动向.     

Mg2+-Zr4+复合取代对CoFe2O4磁致伸缩材料性能的影响

为了实现钴铁氧体在低磁场下有较高的应变灵敏度,采用Mg2+-Zr4+协同取代的方式,通过固相合成法制备了CoFe2O4磁致伸缩材料,并研究了Mg2+-Zr4+复合取代对材料的微观结构、饱和磁化强度、磁致伸缩性能及应变灵敏度的影响.结果表明,在1300℃烧结的样品均为纯净的尖晶石相,并且随着Zr4+离子取代量的增加,材料的饱和磁化强度与磁晶各向异性常数呈现增大趋势,磁致伸缩系数减小,应变灵敏度先增大后减小.在Mg2+取代量为0.05、Zr4+取代量为0.02时,低磁场域下CoFe2O4磁致伸缩材料的应变灵敏度达到最高值,为4.3×10–9 A/m,可应用于磁传感器等领域.     

高Q值超低功耗谐振式磁传感器的设计与实现

针对现有谐振式磁传感器原理不能同时实现高品质因数(Q)和低功耗的缺点,利用双端固定石英音叉谐振器与铁镓磁致伸缩合金片复合,设计了一种隔离磁机阻尼的高Q值、数字频率输出的超低功耗谐振式磁传感器。利用音叉谐振器结构的解耦特性,设计应力耦合传递结构,隔离了磁致伸缩材料磁机阻尼,从而保证复合传感器Q值与音叉谐振器Q值相当。在磁场作用下,磁致伸缩力传递到音叉谐振器,由于音叉力敏感特性,实现磁-力-频率转换。制备了铁镓合金/石英音叉谐振器复合敏感结构,测试表明,在低气压封装条件下的品质因数约为16 764,门振荡电路功耗约为124.8μW,在线性区灵敏度为3.05 Hz/Oe,分辨率为6 mOe。     

紧凑型光纤腔磁传感器研究与设计

利用光学精密检测手段,结合高灵敏紧凑型光纤腔磁敏感单元,从理论和实验两方面研究了微弱磁信号敏感的传感系统。开发了紧凑型光纤腔磁敏感单元的制备工艺,长度为3 m的单模光纤紧凑绕制在直径为3 cm的超磁致伸缩材料Terfenol-D (Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.95)结构上。利用质量因子为1.9×10⁷提升检测灵敏度,多圈绕制有利于外部磁扰动导致的光纤腔形变放大,而外部磁扰动导致Terfenol-D径向方向的伸缩,进而引起光纤腔长和共振频率的改变。实验结果表明,在158 mT的静磁增强下,直流磁场传感灵敏度为6.9 MHz/mT,交流磁场传感灵敏度为27.74 kHz/μT,系统本征噪声为623.298 nT/Hz^1/2@100 kHz。所提出的磁传感方案,及制备的传感系统在微弱信号的测试领域具有广阔的应用前景。     

GMM-FBG光纤电流传感器结构优化及温补模型

为解决FBG中心波长和GMM磁致伸缩系数温度敏感而影响GMM-FBG光纤电流传感器交流响应灵敏度和准确度的问题,提出在GMM-FBG传感模型中引入温度参数校准电流输出值的方法。依据法拉第电磁理论,采用有限元分析方法设计提高GMM磁耦率和均化磁场分布的磁路结构。构建波长解调系统实验平台,测试温度在20～70℃范围传感器不同电流对应的波长响应幅值,实验研究表明:GMM-FBG电流传感器灵敏度随温度升高而下降,且与被测电流值大小正相关。在分析传感器温度响应特性基础上,利用数学拟合方法建立了具有温度补偿系数的GMM-FBG电流传感数学模型,且将该模型用于40℃时60 A电流检测实验,电流检测准确度提高了4. 8%。     

全柔性电容式触觉传感阵列设计与实验

针对现有机器人触觉传感器存在可穿戴性与可移植性差、不易维护及扩展等缺点,设计了一种可用于机器人敏感皮肤的全柔性电容式触觉阵列传感器。以炭黑填充硅橡胶作为电容式触觉传感器的弹性电介质,聚酰亚胺为柔性基体,有机硅导电银胶和金属膜为上、下两柔性极板,共同构成压力敏感单元,并排列成可拼接式阵列结构。分析并介绍电容式柔性触觉传感器的工作原理、结构设计及电容阵列信号采集与处理系统。实验结果表明,该全柔性电容式触觉阵列传感器及信号提取系统具有良好的稳定性与灵敏度,可用作人工智能皮肤实现全触觉感知。     

基于磁敏Z元件触觉传感器的研制

介绍一种新型磁敏传感元件：Ｚ元件,对其伏安特性和磁特性进行研究,给出了实验结果。用该元件研制了阵列式触觉传感器,设计了由单片机控制的阵列扫描电路、数据采集电路以及接口电路,实现了触觉的测量。由于Ｚ元件的特殊特性,其应用电路极其简单。     

基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流传感器

电流是电气领域进行监测和设备保护的关键参数,精确测量电流参量能确保电力设备运行的安全。提出了基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流传感器的设计方案,将工频大电流通过Rogowski线圈得到采样电流,采样电流通过驱动线圈能够产生一定强度的磁场,超磁致伸缩材料在磁场力作用下形变带动粘贴的光纤Bragg光栅伸缩,通过测量其中心波长变化量来测量电流值。利用ANSYS有限元分析软件确定了驱动线圈的直径为3 cm,仿真得产生磁场强度在超磁致伸缩材料产生应变的线性区域(100~200 MPa)。传感器分辨率在1 pm/A,灵敏度为0.034 61 pm/A,实现可探测母线电流的传感器的结构设计。     

集磁式OCS磁特性随温度变化的研究

温漂问题是制约集磁式光学电流传感器实用化的瓶颈之一,目前研究集中在光学器件温度特性分析与补偿方面,缺乏对传感头磁特性随温度变化的分析。实际应用中磁导率和气隙长度随温度变化,使气隙磁场强度改变并影响测量准确度,因此有必要对传感头磁特性随温度变化情况进行分析。本文分析了铁磁材料磁滞回线随温度变化的情况,并在J-A模型的基础上建立带温度系数的磁滞模型;提出热膨胀系数和磁致伸缩系数的近似表达式,修正了热膨胀和磁致伸缩对气隙长度的影响;最后建立集磁环附加温度参数和气隙参数的磁滞模型,分析磁特性随温度变化情况。基于该模型提出一种具有稳定温度特性的传感头设计方法,以铁基非晶合金为例进行了仿真和实验验证,二者结果吻合,证明了模型和设计方法的有效性。