基于GMM逆效應壓力傳感器的結構設計與研究

崔路飛 王傳禮 喻曹豐 熊美俊

摘 ?要： 從傳統壓力傳感器結構和超磁致伸縮材料逆效應原理入手，通過對閉合磁路和偏置磁場的研究，設計出一種新型的超磁致伸縮壓力傳感器，通過結構內部的霍爾傳感器測量磁通量實現靜態力的測量。利用Comsol軟件進行有限元仿真，重點研究閉合磁路對磁通量的影響以及偏置磁場對傳感器輸出特性的影響規律。仿真結果表明：當采用閉合磁路裝置時，能夠對磁通進行引導，幾乎沒有漏磁通現象;存在一個最佳偏置電流（偏置磁場）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壓力傳感器的深入研究提供了一種技術途徑。

關鍵詞： 超磁致伸縮逆效應; 閉合磁路; 偏置磁場; 超磁致伸縮壓力傳感器; 有限元仿真; 靈敏度

中圖分類號： TN602?34; TN03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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化率高，尤其在電磁和機械能可逆轉化之間[1?2]，憑借響應速度快、應變大、低頻響應好、頻帶寬等特點被譽為21世紀高科技戰略資源材料[3?5]。其中，超磁致伸縮逆效應是超磁致伸縮材料一個非常重要的特性，即對GMM施加外力時，GMM周圍的磁通量會發生變化，這種現象被稱為維拉里效應[6]。通過對磁通量的測量實現對力的測量，這對傳感器來說具有極大的研究價值。雖然超磁致伸縮材料本身具有許多優點，但是超磁致伸縮傳感器的研究尚處于起步階段，對其報道較少。文獻[7?8]設計了超磁致伸縮力傳感器并進行了實驗，驗證了力傳感器的可行性，但沒有考慮內部漏磁現象。

本文在此基礎上設計了超磁壓力傳感器結構，并對該傳感器結構進行二維有限元仿真分析，得到閉合磁路裝置能夠對磁通進行引導，提高了傳感器線性度和測量范圍，這對用霍爾傳感器測量磁通量的變化并轉化為電壓信號的輸出來說，具有特殊意義。同時，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力傳感器的深入研究提供了一種方法與技術途徑。

1 ?超磁致伸縮力傳感器的基本原理與結構設計

超磁致伸縮力傳感器的結構如圖1所示。其結構分為三個部分，分別為閉合磁路裝置、偏置磁場裝置、測量裝置。即外力直接作用在頂桿上，然后傳遞給導磁塊，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生變化，最后用霍爾傳感器測量磁通量。導磁塊、上導磁體、圓筒磁軛、下導磁體形成閉合的磁路。目前，偏置磁場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線圈提供偏置磁場，以實現對偏置磁場的實時調節。用霍爾傳感器檢測磁通量的變化，其周圍增加一個不銹鋼鋼環結構，以實現對超磁致伸縮力傳感器靈敏度的提高。端蓋與殼體通過內槽螺釘連接固定，對內部起到保護作用。

2.2 ?磁場仿真與分析

用Comsol軟件對超磁致伸縮力傳感器進行有限元仿真時，其端蓋、殼體、預緊彈簧、內槽螺釘、預緊螺栓等結構影響特別小，可以忽略。

為了研究閉合磁路結構對磁通量的影響，在線圈中通入電流[I=]2 A的情況下，得到仿真結果如圖2，圖3所示。圖2是沒有閉合磁路結構僅有隔磁結構情況下的磁通量分布圖，圖3是有閉合磁路結構情況下的磁通量分布圖。

通過圖3與圖2進行對比發現，只有隔磁結構并沒有起到隔磁效果，而有閉合磁路結構的圖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域，閉合磁路幾乎沒有漏磁現象。這對用霍爾傳感器測量磁通量并轉化為電壓的過程顯然是合理的。

3 ?偏置磁場對傳感器輸出特性的影響

在傳感器工作模式下，適當的偏置磁場使GMM棒剛好進入以磁疇偏轉為主的階段，導致傳感器感知力的能力將增強[10]。為了確定偏置磁場對傳感器輸出特性的影響規律并確定最佳偏置磁場以提高傳感器的靈敏度，對傳感器在不同的偏置磁場下進行仿真。

3.1 ?偏置磁場有限元分析

對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對其進行仿真，仿真出不同偏置電流下傳感器輸出電壓與外力之間的關系，其結果如圖4所示。

從圖4中可以看出：外力在1 500 N以內線性關系較好，且隨著外力不斷增大，輸出電壓不斷減小;當偏置電流不斷增大時，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，得出的數據結果導入Origin中，最后繪制出傳感器輸出電壓變化量的絕對值與外力之間的關系，如圖5所示。

由圖5可知，當偏置電流從0 A增加到2.4 A時，傳感器輸出電壓變化量在逐漸增大，并在2.4 A達到最大。當偏置電流繼續增加時，電壓變化量就會減小。這是因為在偏置電流為2.4 A時，超磁致伸縮材料剛好達到磁飽和狀態，也就是磁疇已經偏轉到與GMM棒平行的方向，這時材料的敏感性最強。但是當磁場過強，在施加外力時，磁疇偏轉到垂直GMM棒方向就越困難，所以傳感器的靈敏度就會下降。因此，傳感器在偏置電流為2.4 A時，產生最佳偏置磁場。

3.2 ?傳感器的靈敏度

靈敏度是指傳感器達到穩定工作狀態時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[11]，且靈敏度的大小直接影響傳感器信號的測量。

非線性傳感器的靈敏度用[dYdx]表示，其數值為對應的最小二乘法曲線擬合的斜率。利用Comsol軟件對超磁致伸縮傳感器進行仿真，仿真出最佳偏置電流為2.4 A時，施加的外力與傳感器輸出電壓的相關數據如表1所示。

為了直觀反映出傳感器靈敏度，對表1傳感器輸出電壓的數據進行統一化處理，處理的公式如下：

[UX=U0-Un] （8）

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

則統一化處理后的電壓靈敏度定義為：

[K=dUXdF] （9）

通過式（8）得到統一化處理后的傳感器輸出電壓變化量[UX]與外力[F]之間的關系曲線，再通過Oringe軟件中的最小二乘法進行擬合，擬合后的直線如圖6所示。

通過圖6可得出：最小二乘法擬合后的直線表達式為：[UX=0.44F]，其相關系數[R2=]0.999，即所建立的擬合直線與數據擬合得很好。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 ?語

本文設計了一種超磁致伸縮力傳感器的結構，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對傳感器輸出特性的影響。然后通過仿真分析表明：

1） 閉合磁路結構使磁通密度分布合理且磁路完整，閉合磁路幾乎沒有漏磁現象，這對用霍爾傳感器測量磁通量并轉化為電壓的過程顯然是合理的。

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

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