磁致伸缩压力传感器设计及其输出特性

研究了铁镓合金(Galfenol)的磁致伸缩特性,提出一种基于Galfenol的新型磁致伸缩压力传感器,以实现机器人的触觉力精确感知。该传感器利用磁致伸缩逆效应将压力转换为电压信号,从而完成对压力的精确测量。设计、制作了磁致伸缩压力传感器,采用双永磁体回形磁路优化了压力传感器的磁场。对传感器进行了理论分析与实验研究,讨论了偏置条件、外压力等因素对输出电压峰值的影响。实验结果表明,在偏置磁场为4.8kA/m、施加的压力为2.5Hz、6N时,传感器的输出电压峰值达16mV,且输出电压峰值与压力呈较好的线性关系。研制的传感器具有结构简单、线性度好、反应速度快等特点,可以满足机器人触觉感知的需求,也可应用于其他领域的压力测量。     

磁致伸缩-磁翻板一体化强酸强碱罐液位检测装置的研究

基于磁致伸缩液位传感器和磁翻板液位检测装置的工作原理,将磁致伸缩传感器和磁翻板液位计组合,通过实验再将磁致伸缩和磁翻板装置共用一个磁浮子,并结合单片机缓和GSM技术实现了磁致伸缩-磁翻板一体化液位检测装置对强酸、强碱罐酸碱液位的非接触式测量.     

用于机械手稳定抓取的磁致伸缩触觉传感器设计与研究

针对智能机械手抓取物体时的滑动问题,为了给机械手提供滑动信号,利用铁镓合金(Galfenol)的逆磁致伸缩效应设计了一种高灵敏度的磁致伸缩触觉传感器。根据逆磁致伸缩效应、欧拉-伯努利梁结构力学原理和胡克定理,建立了触觉传感器的摩擦力测试模型,利用该传感器进行了滑动检测,对采集的滑动信号作了离散小波变换,分析了不同抓取力下滑动信号的DWT细节系数,通过设置阈值为0.05来控制机械手抓取物体。实验结果表明:在偏置磁场为4.2 kA/m,施加的摩擦力为4 N时,传感器输出电压峰值为256 mV,灵敏度达到64 mV/N,将传感器安装在机械手上,可以为机械手提供稳定抓取的控制信号。     

磁致伸缩效应在圆管中激励纵向导波的理论和试验研究

分析了导波在圆管中传播的模态,探讨了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩作用力模型。纵向导波由平行于圆管轴向的磁致伸缩力的作用而产生,磁致伸缩力除与被检测材料的特性有关外,主要取决于设置的静态偏置磁场和交变磁场的耦合作用。根据该模型设计了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩传感器,试验中获得了纵向导波,并通过磁致伸缩传感器对圆管分别作用不同的静态偏置磁场和交变磁场,试验研究两者对激励的纵向导波的影响。结果表明：作用于圆管上的静态偏置磁场与激励的纵向导波幅值呈抛物线关系,在低偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加而增大,在高偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加反而减小。导波在圆管中传播时,存在多模式和频散特性,交变磁场大小与激励的纵向导波幅值之间呈非线性关系。     

磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法

偏置磁场与磁致伸缩纵向导波传感器换能效率密切相关,为了解决磁致伸缩纵向导波检测中缺少传感器换能效率估计手段的问题,提出了一种估计永磁式磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的方法。首先,从磁致伸缩导波能量转换的角度出发,建立了截面区域偏置磁场强度与导波接收信号幅值间的关系;其次,根据磁致伸缩纵向导波偏置磁场的作用机理,针对管道内磁场不均匀现象,提出了磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的评估方法;然后,通过有限元仿真及实验对通过管道表面空气中的磁场强度表征管道内偏置磁场的可行性进行了验证;最后,通过实验确定了方法的有效性。该方法通过测量管道外表面空气中周向多个位置的轴向磁场强度表征管道截面内偏置磁场强度,利用偏置磁场强度与导波通过信号幅值关系曲线得到不同区域单元振动对导波信号的能量贡献计算得到加权幅值,并以此幅值为依据估计传感器的换能效率。实现了对磁致伸缩导波传感器换能效率的估计,为仪器智能化研究提供了基础。     

磁致伸缩位移传感器检测信号分析

实验研究了磁致伸缩位移传感器的探测电压信号,以便提高磁致伸缩位移传感器的检测精度。分析和验证了波导丝材料、驱动脉冲电流、检测线圈等参数对磁致伸缩位移传感器输出电压的影响规律。对检测线圈进行了优化设计,基于实验数据确定了传感器的各项参数值。实验发现磁致伸缩系数大、魏德曼效应显著的Fe-Ga材料作为波导丝,可明显提高电-磁-机械能的转换效率,获得较大的检测电压信号。研制了新型Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器样机,并与Fe-Ni波导丝传感器进行了性能对比。结果表明,与Fe-Ni波导丝相比,Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器的检测信号明显增强,信噪比显著提高,其检测电压信号幅值比Fe-Ni波导丝检测电压信号幅值提高了40mV,相应的传感器精度提高了2倍。     

深度与形貌检测的仿生磁致伸缩触觉传感器设计及实验测试

物体表面形貌深度信息对于智能机器人检测物体表面特征、人机交互具有重要意义。 受动物毛发感知机理启发,设 计了一种新型仿生磁致伸缩触觉传感器单元及阵列;基于逆磁致伸缩效应、欧拉-伯努利梁理论和胡克定律,推导了深度检 测的输出电压模型。 仿真研究确定了最佳偏置磁场和阵列间距,实验测试了传感器单元在静态和动态下的输出特性,在 0. 05~ 4. 8 mm 深度检测范围内,灵敏度为 185. 72 mV/ mm,响应时间和恢复时间分别为 31 ms 和 43 ms,且具有良好的重复 性,传感器阵列中单元之间输出电压的耦合影响不超过 2. 4% 。 将传感器单元及阵列安装在机械手上,选择合适的滑动速度 滑过不同物体表面时,根据输出电压波形精确测量各种深度和形貌,结果表明该传感器单元和阵列可为深度与形貌检测提 供参考。     

磁致伸缩与磁弹一体化传感器的研制

为开发具有缺陷检测与应力测量双功能的单体传感器,设计出一种包括静态偏置磁路和内、外层感应线圈的一体化传感器结构,可工作于磁致伸缩与磁弹传感器两种模式。结合磁致伸缩与磁弹基本理论,以能量转换效率和应力测量灵敏度为指标,采用有限元仿真法对一体化传感器的偏置磁场进行优化选取。一体化传感器的试验测试结果表明,传感器工作于磁致伸缩传感器模式时,可在直径6.3 mm钢杆中激励产生L(0,1)模态超声导波并有效检测出宽度和深度均为1 mm的槽型缺陷,增加外层感应线圈的驱动直流可对静态偏置磁场强度进行补偿以使接收的缺陷回波信号幅值增加,提高传感器的缺陷检测能力;工作于磁弹传感器模式时,随激励信号幅值增大,传感器的应力测量灵敏度和测量结果线性度均有提高,其中测量结果线性拟合确定系数最高达0.992 4,表明一体化传感器可用于高精度应力测量。     

磁场加载方式对磁电器件磁电效应影响的研究

将磁致伸缩材料(Terfenol-D)和压电材料(PZT-8)复合,利用谐振原理构造了一种磁电器件.当激励磁场的频率等于或者接近于Terfenol-D的固有频率时,Terfenol-D将驱动PZT-8振动并发生共振,压电材料的输出电压将达到极大.在不同的偏置磁场和交变磁场的加载方式下,研究了谐振状态下的磁电层合器件在强、弱偏置磁场强度下的磁电特性,研究表明,当偏置磁场和交变磁场分别沿长度和宽度方向施加时,相比在弱磁场下,强磁场下磁电层合器件的磁电电压系数分别提高了43.3%和近2倍.     

磁致伸缩位移传感器信号处理电路的研究与实现

介绍磁致伸缩传感器的工作原理及实现机制此传感器利用磁致伸缩效应,根据发射端的激励脉冲电流,产生脉冲磁场,设计发射脉冲与回波信号的时间差计算活动磁铁的位置.设计并实现了激励脉冲发射电路、滤波、信号放大、电压比较、检波等信号处理电路.由于磁致伸缩材质和扭转波的传播特性,以及电子测量电路对于精确测时功能的实现,使得该传感器同时具有精度高、测量大位移、寿命长、安装简便,适用范围广等优点.     

A novel magnetostrictive static force sensor based on the giant magnetostrictive material

In order to realize static force measuring and improve the sensitivity of magnetostrictive force sensor, a novel magnetostrictive static force sensor with giant magnetostrictive material rod is presented. A Hall sensor integrated in the sensor is used to measure magnetic flux density variation under force. A special structure surrounding Hall sensor is proposed to improve the sensitivity. The design method of the giant magnetostrictive force sensor is expounded firstly. The magnetic characteristics are analyzed by FEM. A model is developed based on the coupled linear magnetomechanical constitutive equations and the experimental result shows that the model is good at reflecting the force. The optimal bias magnetic field and sensitivity are studied through experiments. The sensor sensitivity is 6.14 times higher than that of the sensor which dose not have a stainless steel ring. The paper lays a foundation for the development of magnetostrictive force sensor with giant magnetostrictive material.     

超磁致伸缩力传感器及其实验研究

超磁致伸缩材料具有相对磁导率高、磁机转换率高等优良特性,对于传感器装置是一种很好的材料.文中基于维拉里效应原理完成了超磁致伸缩力传感器的设计,并利用有限元分析方法验证了所设计传感器磁场分布的合理性.提出了基于电感测童力传感器输出特性的方法,并进行了实验,确定了该传感器的灵敏度最高状态的最佳偏置磁场强度;并测量了0～10(3)作用力下传感器的输出特性,实验结果表明该传感器输出特性良好,可用于高精度要求的场合.     

永磁体对磁致伸缩位移传感器波导丝扭转应变的影响分析

为提高磁致伸缩位移传感器输出电压幅值,对波导丝的扭转应变进行研究.基于电磁学与理论力学相关理论建立了波导丝扭转应变的数学模型及三维有限元仿真模型,对波导丝扭转应变的影响因素进行分析.并进行实验,得出相对应的传感器输出电压变化情况.结果表明,传感器输出电压与波导丝发生的扭转应变量最大值变化趋势一致,两者均随着永磁体充磁、...     

新型磁性液体微压差传感器的设计及耐压分析

传感器是磁性液体的重要应用领域之一。为弥补现有磁性液体微压差传感器的不足,设计了一种新型的磁性液体微压差传感器,该传感器的复合磁芯由磁导率高的1Cr13和永久磁铁构成,磁性液体被吸附在永久磁铁的端部形成环状起到润滑和密封的作用,敏感元件采用1Cr13,转换元件采用对称线圈。当磁芯进入线圈后,使得线圈电感发生变化,电桥电路输出明显的电压信号。在此基础上,提出了回复力的线性程度和磁性液体环的耐压能力决定了磁性液体微压差传感器的量程范围,并通过理论推导、仿真分析和实验研究的手段证明了磁性液体环的密封耐压能力能够满足磁性液体微压差传感器的测量要求。该传感器体积小、成本低、便于安装,具有很强的实用价值。     

自感式拉力传感器理论模型与实验研究

基于逆磁致伸缩效应,在杆件结构弹性范围内改善了传统磁通量传感器的拉力测量方法,设计一种基于自感式原理的新型拉力传感器,建立传感器的理论模型,深入讨论拉力与自感电压之间的关系。为了准确获取自感电压和拉力的关系表达式,提出能够测量包含拉力信息的自感电压测试方法,合理地搭建实验测量平台。实验结果表明,在交流磁场的激励下,传感器的自感电压和拉力之间存在线性关系,针对所设计的便于安装的套筒自感式拉力传感器,在杆件结构弹性范围内进行6次重复性实验以减少误差,结果显示传感器的最大重复性误差为0.81%,传感器的灵敏度为14.6 mV/kN,自感电压和拉力的相关系数达到0.999,理论和实验相符合,进一步验证了理论模型的合理性。     

单磁铁的静态磁场和悬浮力分析

以上海TR高速磁悬浮列车为分析对象,用ANSYS软件建立单磁铁模型,对其额定工况进行了静态磁场分析,着重分析了励磁电流和气隙高度的变化对悬浮力的影响,为悬浮电磁铁优化设计和磁浮列车的静止悬浮稳定性控制提供了依据。最后,通过电磁铁组合模型的静态磁场分析,证明了单磁铁分析结果的准确性。