基于壓磁效應(yīng)的測(cè)力傳感器性能優(yōu)化

董俊威

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

0 引言

低應(yīng)力檢測(cè)在殘余應(yīng)力測(cè)量、產(chǎn)品性能檢測(cè)等方面具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，殘余應(yīng)力不僅是破壞結(jié)構(gòu)件的主要因素之一，而且會(huì)影響測(cè)量儀器的精度?，F(xiàn)階段主要利用盲孔法、切條法或剝層法測(cè)量殘余應(yīng)力，但這3種方法均會(huì)破壞材料的表面結(jié)構(gòu)，從而破壞樣品。利用X?ray探測(cè)的光學(xué)儀器可以通過光反射前后的相位差對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行無損檢測(cè)，但是造價(jià)昂貴，不能廣泛用于工業(yè)測(cè)量?，F(xiàn)有的壓磁效應(yīng)測(cè)力傳感器能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量且易加工，但存在無法測(cè)量低應(yīng)力和線性度及靈敏度較低的問題［1］。因此需要對(duì)壓磁效應(yīng)測(cè)力傳感器的敏感材料性能進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以拓寬其測(cè)量量程。

1 壓磁效應(yīng)測(cè)力傳感器的原理及輸出特性

1.1 壓磁效應(yīng)測(cè)力傳感器原理

壓磁效應(yīng)測(cè)力傳感器的工作原理如圖1所示。測(cè)力傳感器采用磁導(dǎo)率很高的軟磁材料硅鋼作為磁芯，其能使勵(lì)磁線圈提供的磁動(dòng)勢(shì)大部分落在敏感材料上。U型磁芯下面是壓磁材料即敏感材料，磁芯與敏感材料的距離為1 mm。勵(lì)磁線圈通入交流電后會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)進(jìn)入到敏感材料內(nèi)部，通過感應(yīng)磁極回到勵(lì)磁磁極，形成一個(gè)封閉的磁回路，磁回路中每一處磁通量相等；被測(cè)物表面的拉 （壓）應(yīng)力轉(zhuǎn)移到敏感材料上。由于敏感材料的壓磁效應(yīng)，致使敏感材料磁導(dǎo)率增大 （減?。?，磁路中磁阻隨之減小 （增大），造成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大 （減?。?；且外力越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，兩者成線性關(guān)系［2］。

1.2 壓磁效應(yīng)測(cè)力傳感器的輸出特性

敏感材料為厚0．03 mm、寬30 mm的鐵基101非晶薄帶，其磁性能參數(shù)見表1。測(cè)力傳感器的最佳頻率激勵(lì)為1 MHz，最佳交流電為400 mA，勵(lì)磁線圈43匝，測(cè)量線圈50匝，其輸出特性見表2與圖2。

表1 鐵基非晶薄帶磁性能參數(shù)

表2 傳感器不同頻率下的靈敏度

由表2可知：測(cè)力傳感器的靈敏度隨著激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離最佳頻率而逐漸減小，當(dāng)頻率變到1 kHz時(shí)，靈敏度降低了60%。即使在最佳頻率下，靈敏度僅有1．369 8 mV／kN，比較低。此外，測(cè)力傳感器不能測(cè)量5 kN以下的應(yīng)力，而且傳感器的線性度較差。用相關(guān)系數(shù)的平方值R2來表征線性度，R2越接近1，表示線性度越高，此時(shí)傳感器的R2僅為 0．981 4。

2 改進(jìn)方法

鐵基非晶材料磁導(dǎo)率變化與機(jī)械應(yīng)力之間有如下的關(guān)系［3］：

式中：σ為機(jī)械應(yīng)力，Pa；μ為壓磁材料的磁導(dǎo)率因數(shù)；λm為壓磁材料的飽和磁致伸縮因數(shù)；Bm為壓磁材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；Km為機(jī)電轉(zhuǎn)化效率，%。

由式（1）～（2）可知：要提高傳感器的靈敏度，就需要較大的磁導(dǎo)率μ及飽和磁致伸縮因數(shù)λm，較小的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm。下面依次從理論上比較分析傳感器敏感材料在退火前后的磁性能參數(shù)。

鐵基非晶材料磁性參數(shù)與退火溫度的關(guān)系如圖3～5所示［4］?？梢钥闯?，在退火溫度為420℃時(shí)，材料的飽和磁致伸縮因數(shù)λm比沒退火時(shí)的大15倍左右；在退火溫度接近于500℃時(shí)，材料的磁導(dǎo)率μ迅速增大，比沒退火時(shí)的增大40倍左右；材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm雖然隨退火溫度的增大而增大，但增大的幅度很小，最大只能增大2倍左右。

比較后可以看出，鐵基非晶材料退火后的機(jī)電轉(zhuǎn)化效率Km最大可提高37倍左右。綜合考慮后在480℃進(jìn)行退火處理是比較合適的。

3 靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)時(shí)，著重分析敏感材料退火后的傳感器在5 kN以下的靜態(tài)特性，如最佳頻率、線性度和靈敏度。試驗(yàn)臺(tái)架示意如圖6所示。由磁芯、勵(lì)磁線圈、感應(yīng)線圈、鐵基非晶薄帶構(gòu)成傳感器。通過信號(hào)發(fā)生器控制激勵(lì)源的大小與頻率，通過砝碼對(duì)軸進(jìn)行加載。懸臂梁為鋼軸，其上表面作為被測(cè)面，鐵基非晶薄帶貼在被測(cè)面上測(cè)量應(yīng)力。試驗(yàn)過程中，傳感器的磁芯由落地支架固定，落地支架由下半部分固定支架與上半部分活動(dòng)支架組成，在活動(dòng)支架末端與固定支架上端分別開通滑槽，然后用螺栓、螺母進(jìn)行鏈接，用以調(diào)整傳感器與被測(cè)面的間距。傳感器與被測(cè)面的間距為1 mm，勵(lì)磁線圈43匝，測(cè)量線圈50匝。

理論上，頻率會(huì)影響交變磁場(chǎng)透入材料的深度，進(jìn)而影響磁路中磁阻的大小，最終影響傳感器的靈敏度［5］。故傳感器在線圈匝數(shù)、電壓幅值相同的條件下，激勵(lì)頻率不同，靈敏度亦不同。交變磁場(chǎng)的穿透性能表達(dá)式如下［6］：

式中：h為交變磁場(chǎng)穿透材料的深度，m；w為交變磁場(chǎng)的圓頻率，rad／s；μ為壓磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率因數(shù)；γ為壓磁材料的電導(dǎo)率，s／m。

經(jīng)計(jì)算，截止頻率為1．36×104Hz。若頻率比截止頻率低，磁場(chǎng)會(huì)穿透非晶薄帶；若頻率太高，磁場(chǎng)無法進(jìn)入薄帶。此時(shí)靜態(tài)試驗(yàn)的激勵(lì)源為±1．5 V、頻率變化的正弦波。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨激勵(lì)頻率的變化如圖7所示。

由圖7可知：敏感材料退火后，傳感器最佳頻率在60 kHz左右，而未退火時(shí)傳感器的最佳頻率在1 MHz左右，可見敏感材料退火可極大程度地降低傳感器對(duì)激勵(lì)頻率的要求。

在60 kHz以前，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著頻率升高而急劇增大。因?yàn)轭l率越大，穿過壓磁材料薄帶的深度就越小，受到的磁阻也越小，所以此頻率下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大。當(dāng)頻率超過60 kHz后，隨著頻率增大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)急劇地減小。因?yàn)轭l率足夠高時(shí)，有一部分正弦波直接被敏感材料表面反射掉，從而削弱激勵(lì)信號(hào)的能量，故高頻率下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變?。?］。同時(shí)，最佳頻率60 kHz高于理論上的最低截止頻率13．4 kHz，與理論符合。

載荷靜態(tài)試驗(yàn)在最佳頻率下進(jìn)行，采用60 kHz、 ±1．5 V的正弦波作為激勵(lì)源，然后在軸上依次施加載荷。敏感材料退火后，傳感器輸出特性如圖8所示。

由圖8可知：敏感材料退火后的傳感器不僅能很好地在低應(yīng)力下工作，而且提高了靈敏度與線性度。敏感材料退火后的傳感器，在最佳頻率下的靈敏度為 1．920 0 mV／kN， 比未退火時(shí)的 1．369 8 mV／kN靈敏度提高了40．17%；傳感器在敏感材料退火后的線性度為0．998 4，比未退火時(shí)的0．981 4線性度提高了1．73%。

產(chǎn)生這些區(qū)別的根本原因是，鐵基非晶材料在微觀結(jié)構(gòu)上只存在小區(qū)間的短序列，沒有長序列，它只在近鄰或次鄰原子的鍵合處具有一定的規(guī)律性，于是其內(nèi)部原子在三維空間上呈拓?fù)錈o序狀排列，導(dǎo)致磁晶的各向異性遠(yuǎn)大于各項(xiàng)同性［8］。鐵基非晶材料退火后形成鐵基納米晶。尺寸為納米數(shù)量級(jí)的鐵磁微粒間存在鐵磁交換耦合作用，致使磁晶各向異性大大削弱，各向同性增強(qiáng)，磁導(dǎo)率與飽和磁致伸縮因數(shù)隨之增大，從而使敏感材料具有更高的機(jī)電轉(zhuǎn)化效率，傳感器的線性度與靈敏度隨之提高［9］。

4 結(jié)論

壓磁效應(yīng)測(cè)力傳感器在其敏感材料 （鐵基非晶材料）退火后，不僅拓展了量程，能很好地測(cè)量殘余應(yīng)力，而且線性度與靈敏度上均有較大的提高?；谠囼?yàn)條件的限制，未對(duì)壓磁效應(yīng)測(cè)力傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。從理論上分析，鐵基非晶材料退火后，內(nèi)部損耗和剩磁均小，所以磁滯效應(yīng)肯定也會(huì)小，就會(huì)有更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及更寬的頻率響應(yīng)范圍。還可以根據(jù)具體的要求，選擇不同的退火工藝，將傳感器敏感材料某方面的性能大幅度地提高。