长线磁致伸缩位移传感器的磁极化强度模型

长线磁致伸缩位移传感器是一种利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现位移测量的传感器.运用电磁学和铁磁学相关理论,构建了磁极化强度模型,讨论了该种传感器中扭转式弹性波的产生机理.通过建立有限元模型,使用ANSYS仿真平台进行了激励磁场的仿真模拟.理论模型对仿真结果数据的进一步计算获得了磁致伸缩线体内应力的分布特性.计算结果与实验数据的比较,证明了磁极化强度模型相关理论的合理性.为构建有效的弹性波信号,提高该种传感器检测精度提供了理论依据和实验数据.     

磁致伸缩触觉传感器的输出特性研究

基于逆磁致伸缩效应和仿生学原理设计了一种新型的磁致伸缩触觉传感器,应用传感器可以测试机械手抓取力和目标物体刚度,根据电磁学理论、逆磁致伸缩效应和胡克定理,建立了触觉传感器的接触力检测模型和刚度检测模型,制作了磁致伸缩触觉传感器,通过磁场调节装置优化了传感器结构,确定了接触力检测和刚度检测方法,对传感器的输出特性进行了理 论分析和实验验证。结果表明,在偏置磁场为2.56ｋＡ/ｍ 时,传感器在0~1Ｎ接触力下有较高的灵敏度,输出电压相对于未施加力时的最大变化值为22.8ｍＶ,该传感器具有结构简单、性能稳定等优点,可以满足机械手对触觉精确感知的要求。     

磁致伸缩力传感器输出特性及其影响因素分析

为揭示磁致伸缩力传感器的物理机制,研究了磁致伸缩传感器输出电压与核心元件磁特性的关系。基于磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应,使用片状Fe-Ga和Fe-Co合金设计一种新型的力传感器,根据霍尔效应原理和Jiles-Atherton模型推导了力传感器输出电压模型,通过传感器输出特性测试平台对传感器输出特性进行测试,实验结果表明在偏置磁场6kA/ｍ、 外力2N时,Fe-Ga合金力传感器的最大输出电压为112mV,Fe-Co合金力传感器最大输出电压为58mV,与输出电压模型具有较好的一致性,从物理机制层面上分析磁致伸缩力传感器输出电压的影响因素,确定力传感器的输出电压主要由偏置磁场、外力、以及传感器核心元件磁致伸缩(λ/ λｓ)和Ms/ λｓ1/ 2决定,并且传感器的输出电压与(λ/ λｓ2)１/2成正比,与(Ms/ λｓ１/2)成反比,揭示了磁致伸缩力传感器输出特性的物理机制。     

发明与专利

一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器 【摘要】本实用新型是一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器,属于声学传感器技术领域。本实用新型使用永磁铁在传感器附近产生偏置磁场,当漆包线两端加上交变电压时,会在钢绞线上产生交变磁场,由于铁磁材料存在磁致伸缩效应,在钢绞线中会产生局部的机械振动,这种振动会从激励源向两个方向同时传播,根据磁致伸缩逆效应而被接收传感器捕获到。     

基于流-热耦合模型的GMM智能构件温升控制系统设计

热效应对超磁致伸缩执行器中超磁致伸缩材料性能产生非常大的影响,从而影响超磁致伸缩执行器的定位精度;提出一种简化的强制水冷策略保证磁致伸缩材料温度恒定;同时建立了超磁致伸缩材料智能构件流-热多场耦合的有限元模型,运用COMSOLMultiphysics 3.4软件对模型进行仿真,仿真结果验证了模型的正确,进一步的实验结果证实了提出的温度控制策略的有效性。     

激励电流对超磁致伸缩换能器动态特性的影响

本文研究了不同激励电流脉冲宽度对超磁致伸缩换能器输出位移动态特性的影响。利用有限元分析软件ANSYS建立了超磁致伸缩换能器的二维轴对称有限元模型。通过压磁-压电比拟法,对不同激励电流脉冲宽度下不同发射头质量的超磁致伸缩换能器输出位移动态特性进行了模拟研究。结果表明:激励电流脉冲宽度大小不仅直接决定超磁致伸缩换能器瞬态输出位移的大小,而且决定超磁致伸缩换能器的最佳工作状态。此研究结果为超磁致伸缩换能器的优化与应用奠定了基础。     

逆磁致伸缩效应扭矩传感器的历史、现状、趋势

随着扭矩传感器应用领域的扩大，逆磁致伸缩扭矩传感器也得到不断的发展，本文简要地综述了基于逆磁致伸缩效应的扭矩传感器发展概况，介绍了它们的工作原理，结构特点，存在的问题及今后的发展趋势。     

超磁致伸缩换能器磁棒磁场及应变的数值仿真

研究不同驱动电流频率下超磁致伸缩棒的磁场和磁致伸缩应变,针对传统实验测量应变时将仪器置于磁棒内带来的破坏以及很难得到棒内任意点的应变分布问题,为实现换能器的功能,通过电磁理论和有限元理论建立了超磁致伸缩换能器磁场的有限元模型,并在ANSYS电磁场模块下对模型进行了仿真,分析了磁场轴向、径向均匀性及涡流效应对应变几何分布的影响.结果表明:频率增大,涡流效应增强,磁场轴向均匀性增加、径向均匀性减小,应变几何分布变化显著.结果表明对超磁致伸缩换能器驱动频率的选择及器件的设计具有一定的指导意义.     

差动式逆磁致伸缩应力传感器的设计

基于铁磁材料的逆磁致伸缩效应,设计了一种五磁极差动式应力传感器。通过初步实验,验证了其基本磁测性能,并认为该传感器具有灵敏度较高、可用于扭矩及其它形式应力检测等特点。     

大位移磁致伸缩传感器的弹性波建模与分析

磁致伸缩位移传感器是一种测量精度高,测量位移大的新型位移传感器.传感器设计涉及多学科交叉,难以建立统一数学模型.以FeGa材料作为磁致伸缩位移传感器的核心波导丝,建立了波导丝材料磁致伸缩弹性波振动模型,波导丝磁机耦合模型和信号检测模型;同时分析了弹性波信号的受限因素,信号衰减特性.在数学模型基础上,搭建磁致伸缩位移传感器系统,设计了扭转波信号检测电路.实验结果表明信号的输出随着传感距离的增加而减小,该模型对大位移磁致伸缩传感器研究有积极意义.     

Terfenol-D/SAW谐振器/Terfenol-D复合磁传感器

设计了一种由超磁致伸缩材料Terfenol-D和SAW谐振器构成的复合磁传感器,在磁场作用下,Terfenol-D沿长度方向伸缩,并将应力应变传递至SAW谐振器,使其产生应变,造成谐振频率改变,通过测量SAW谐振器谐振频率的变化来测量磁场强度.分析了该磁传感器的传感原理,建立了该复合磁传感器的静态模型,对弹性敏感元件进行了受力分析,根据压磁方程和受力平衡得到该磁传感器的静态特性.实验结果表明:该复合磁传感器灵敏度可达341.6Hz/Oe,较Terfenol-D/SAW谐振器结构灵敏度提高了3倍;测量谐振频率的分辨率为1Hz,SAW谐振器频率稳定度为0.1×10-6时,该磁传感器对磁场的分辨率为10-6T.     

Hysteresis compensation in a magnetostrictive linear position sensor

A new linear position sensor (Micrus) has been developed, based on the transmission of ultrasonic signals in a waveguide. Waves are generated at the cursor position by the magnetostrictive effect, and their times of flight to the ends of the waveguide are used to estimate the position of the mobile element. The choice of the generating/transmitting metal for this kind of sensor is discussed. We have found that the magnetic hysteresis inherent to the magnetostrictive phenomenon translates into measurement hysteresis, affecting the performance of the sensor. An explanation of the link between both effects is given, and a compensation technique based in focusing the ultrasonic generation is offered. This compensation technique is tested using an electromagnetic finite element method program and then empirically in the Micrus sensor, with satisfactory results.     

考虑磁场分布的精密磁致伸缩驱动器的涡流损耗特性研究

为了准确的计算棒状超磁致伸缩材料GMM(Giant Magnetostrictive Materials)的涡流损耗特性、提高控制超磁致伸缩执行器的位移精度,建立了考虑集肤效应的GMM棒涡流损耗模型.首先从麦克斯韦方程入手,推导出了棒状GMM的传统涡流损耗公式,接着讨论了集肤效应对于GMM棒内部磁场分布的影响,建立了考虑集肤效-应的棒状GMM涡流损耗公式,最后通过comsol多物理场有限元数值分析法及实验分析了GMA的温度特性.通过与传统涡流损耗对比可知,在低频时两种方法得到的结果基本一致,而在中高频时考虑集肤效应的涡流损耗公式可以更加准确的计算棒状GMM的涡流损耗.研究成果对提高GMA的控制精度、推进涡流损耗的研究具有重要意义.     

偏置磁场对超磁致伸缩致动器输出特性的影响分析

采用Terfenol-D棒作为超磁致伸缩致动器GMA(Giant Magnetostrictive Actuator)的主要材料,研制了有偏置磁场和无偏置磁场两种超磁致伸缩致动器,分析了具有分段式永磁偏置和无偏置致动器的结构及性能.基于安培定律、磁路基尔霍夫定律、叠加原理对致动器的磁场进行理论分析.为进一步分析磁场分布,创建三维模型,利用有限元仿真软件对GMA内部磁场进行分析和比较,仿真结果表明:分段式永磁偏置结构致动器能够达到理想的偏置要求,无磁场偏置的致动器在电流作用下磁场分布更均匀.实验结果表明:超磁致伸缩致动器输出位移和力的大小分别与Terfenol-D棒长度、直径呈正相关,施加偏置磁场能够改善超磁致伸缩致动器的动静态输出特性,提高致动器静态输出位移和力的线性度,消除动态输出位移与输出力的倍频现象,提高其输出精度.     

基于八角环二维力传感器抓取力控制研究

设计了一种小型八角环二维力传感器,利用ANSYS仿真软件对传感器进行了有限元和应变节点分析,通过传感器静态标定实验得到了标定解耦矩阵,解决了由于加工误差和应变计粘贴误差带来的力矩耦合问题.设计了二指平行手爪,搭建了基于力外环控制的夹持器系统.运用手爪测量了不同材料之间的最大静摩擦系数.实际的抓取实验验证了基于力比例控制的稳定抓取具有良好效果.     

基于GMM的轨道无线传感网络能量收集装置研究

随着轨道无线传感器网络技术的推广,改善无线传感器的供电问题显的刻不容缓。研究一种基于超磁致伸缩材料（GMM）的轨道振动能量收集器,将收集器安装于钢轨与轨道板之间,收集钢轨的振动能。建立车辆轨道垂向耦合模型,将钢轨垂向位移和支反力作为能量收集器的激振源。利用超磁致伸缩材料的维拉里效应,将振动能转换为电能。经过MATLAB理论分析,能量收集器大致能收集到能量大约237.1584 J。收集的电能足以解决无线传感器的供电问题。     

基于非晶合金的位移/位置传感技术新进展

非晶合金是一种具有长程无序、短程有序微观结构的新型软磁材料,以其独特性能在传感领域具有很大的应用潜力。按照磁致伸缩的强度不同,详细介绍高磁致伸缩和近零磁致伸缩非晶合金位移/位置传感器,重点对传感机理进行分析和比较,指出该传感技术发展的特点和趋势。     

ANSYS在腕力传感器结构设计中的应用

腕力传感器是一类重要的机器人传感器,腕力传感器的弹性体结构设计好坏直接影响到传感器的各项指标.由于腕力传感器结构复杂,各输出通道之间往往存在着干扰,通常采用实验的方法来进行标定,但标定的结果往往不够精确.利用所研制的一种新型机器人多维腕力传感器的结构,提出了一种利用有限元分析软件ANSYS对其维间干扰作定量分析的方法,分析结果证实了该传感器弹性体结构设计的合理性.