面向交变载荷的Galfenol合金力传感模型与测量方法研究

The endurances of piezo electric materials (PZT) and giant magnetostrictive materials (GMM, brand name Terfenol-D) are limited due to the brittleness of the materials. Continuous meansurements of pressure and tension cannot be achieved. Galfenol alloy is a kind of material with both mechanical strength and magnetic magnetostriction. The shortcomings of traditional smart materials can be overcomed by the development of this alloy. A novel measuring approach is proposed by using Galfenol alloy as the sensing component, in which the load can be measured continuously, even if the load changes with both direction and magnitude. Induced voltage can be generated due to the changing of the magnetic susceptibility of Galfenol. The mannitude and the direction of exterior load can be obtained by measuring the induced voltage. The three dimensional dynamic coupling model of the force sensor is developed first, in which the nonlinearity between susceptibility and exterior load can be reveled. Next, the demodulating method of induced voltge is studied based on the numerical caltulation of the model. The calibration of the force sensor is carried out by using experimental data. At last, the magnetic and mechanical properties of the sensor are studied by using finite element method,followed by the design and the implementation of the sensor..The researches conducted in the project are new explorations and attempts in the force sensing application of smart materials, which is significant to the innovation of traditional force sensing methods.

压电材料(PZT)和超磁致伸缩材料(GMM, 牌号Terfenol-D)由于脆性大的缺陷，承受能力有限，无法对拉力和压力负载进行连续测量。Galfenol合金具有优良的磁致伸缩特性和机械加工性能，可有效克服传统智能材料的缺陷。项目以Galfenol合金为敏感元件，提出一种可以对方向交变、大小随时间变化的负载进行连续测量的新方法，通过检测材料磁化率变化引起的感应电动势的变化来确定外加负载的大小与方向。项目首先建立力传感器三维磁-机耦合非线性动力学模型，揭示材料磁化率与外加负载的非线性耦合函数关系。其次在模型计算的基础上，研究传感器感应电动势信号的获取与解调方法，并对外加负载进行实验标定。最后基于有限元方法分析传感器的磁特性和机械特性，完成总体结构设计与样机实现。项目开展基于连续交变测量的力传感技术的研究，是对功能材料在力传感领域的一种新的探索和尝试，对于革新传统力检测方法具有重要意义。

压电材料（PZT）和稀土超磁致伸缩材料（Terfenol-D）脆性较大，其抗拉强度小于28 MPa。Galfenol合金是有别于这两种材料的一种新型功能材料，抗拉强度超过500 MPa。项目结合Galfenol合金优良的磁致伸缩特性和机械加工性能，提出了一种新的可以对方向交变、大小随时间变化的负载进行连续测量的新方法。项目围绕Galfenol合金的磁化过程与机理、力传感动力学耦合模型、传感信号提取以及传感机构样机研制四个方面展开研究，主要研究成果及研究发现有：.(1) 建立了考虑磁场、应力全偶合的三维力传感模型，实现了在动态条件下计算Galfenol合金磁化过程受外部应力载荷作用时的变化关系的目的；.项目首先建立了Galfenol材料受应力、磁场综合作用时的三维磁化模型，并以体积力密度和应力张量作为输入，建立了传感机构的动力学方程，将Galfenol合金的内部应力与动力学方程的应力张量进行耦合，建立了描述传感机构磁化过程及动力学响应的三维动力学耦合模型。.(2) 将Galfenol合金与Terfenol-D的力传感特性进行了对比研究，研究结果发现Galfenol合金更适合力传感器的设计与应用；.Galfenol与Terfenol-D是目前应用较多的两种典型磁致伸缩材料，通过两者在力传感特性上的对比研究发现，Galfenol合金内部存在退火应力，合金无需预紧装置，偏置较低时，Terfenol-D在应力作用下表现出负方向磁化强度。Galfenol磁化曲线磁滞较Terfenol-D小，并且对于偏置磁场敏感性更高。偏置较低时，方向交变载荷作用于Galfenol时，磁化强度均表现出明显变化，Galfenol合金更适合于力传感器上的设计与应用；.(3) 对力传感机构进行了优化设计，优化后传感机构的能量利用效率提高了500%；.课题组提出了一种新的传感结构设计方案，与现有的磁路结构进行对比发现，机构的能量利用效率提高了500%。.(4) 所设计的Galfenol力传感器实现了对交变载荷的测量，测量应力范围为±26 MPa；.Galfenol两端通过螺纹与夹具进行配合，可以承受方向交变的周期应力载荷。通过感应线圈及其调理电路，实现了对交变载荷的测量，测量范围为±26 MPa，这是依靠现有的Terfenol-D进行力传感测量无法实现的。