螺旋磁场与应力作用下磁致伸缩位移传感器的输出特性研究

摘要

磁致伸缩位移传感器具有非接触测量、精度高、寿命长、安全可靠性高等优点，可广泛应用于自动控制、超精密机械加工、机器人智能控制等领域。针对当前研究中存在的波导丝磁致伸缩特性测试困难、难以应用理论模型进行分析和计算传感器的输出特性、未考虑螺旋磁场与应力共同作用对传感器输出特性的影响等问题，本文开展了磁致伸缩位移传感器输出特性的研究工作。 首先，提出了波导丝磁致伸缩的测试方法，测量了不同规格波导丝的磁特性，分析了真空磁场热处理后波导丝的磁致伸缩性能，研究了魏德曼效应与螺旋磁场的关系，通过实验对比选用直径0.5mm的铁镓丝作为磁致伸缩位移传感器的敏感元件。 其次，从磁畴角度分析了磁致伸缩位移传感器的信号产生机理，阐述了波导丝中应力波的传播过程。应用磁学理论建立了磁致伸缩位移传感器的输出特性模型，计算了磁致伸缩位移传感器的输出电压。模型仿真与实验数据表明，当保持激励磁场与偏置磁场强度相等时，传感器的输出电压与螺旋磁场强度成正比。 再次，依据铁镓材料的力学性能，结合J-A模型有效场的概念，在螺旋磁场模型的基础上，建立了螺旋磁场与应力共同作用下磁致伸缩位移传感器的输出特性模型，确定了模型参数，应用模型计算了磁致伸缩位移传感器的输出特性。计算结果表明为确保传感器有更好的输出特性，应控制加载在传感器上的拉应力在50MPa以内。 最后，制作了磁致伸缩位移传感器样机，搭建实验平台，通过实验研究了螺旋磁场与应力作用下磁致伸缩位移传感器的输出特性，确定了偏置磁场、激励磁场、应力对位移传感器输出特性的影响。实验数据与数值计算结果相一致，对所建立的磁致伸缩位移传感器输出特性模型的正确性进行了验证。结果表明：当偏置磁场与激励磁场强度均为3.5KA/m，拉力值5MPa时，铁镓磁致伸缩位移传感器的输出感应电压为57.1mV。研究表明设计制作的传感器样机的线性度为0.035%，重复性为0.0045%，迟滞性为0.00319%。 本文提出的磁致伸缩丝状材料磁特性的测试方法与螺旋磁场与应力共同作用下磁致伸缩位移传感器的输出特性模型，在国内外尚属首次。该研究成果将为波导丝材料磁致伸缩特性的测量与魏德曼效应研究提供一种可行的方法，并为更深入地研究磁致伸缩位移传感器的输出特性提供了理论依据。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 磁致伸缩与磁-机械耦合理论

1.1.1磁致伸缩及其效应

1.1.2 磁-机械耦合理论

1.1.3外磁场和应力作用下材料的磁畴与磁化过程

1.2磁致伸缩材料及应用

1.2.1磁致伸缩材料

1.2.2磁致伸缩材料的应用

1.2.3磁致伸缩波导丝的应用

1.3磁致伸缩位移传感器的理论研究

1.3.1魏德曼效应

1.3.2磁致伸缩位移传感器的理论

1.3.3理论研究存在的问题

1.4论文研究内容

第二章 磁致伸缩位移传感器的磁场分析与结构设计

2.1波导丝材料的磁致伸缩特性

2.1.1波导丝材料制备及磁致伸缩测试方法

2.1.2波导丝材料的磁致伸缩特性与分析

2.1.3磁场热处理对Fe83Ga17波导丝的磁致伸缩性能影响

2.2磁致伸缩位移传感器的磁场分析

2.2.1 永磁体产生的偏置磁场

2.2.2 脉冲电流产生的激励磁场

2.2.3 由偏置磁场与激励磁场耦合成的螺旋磁场

2.3磁致伸缩位移传感器的结构设计

2.3.1传感器的基本结构

2.3.2永磁体的特性、形状与尺寸

2.3.3检测装置设计与优化

2.4 本章小结

第三章 磁致伸缩位移传感器的输出特性研究

3.1磁致伸缩位移传感器的信号激励原理

3.2传感器的输出特性模型

3.2.1传感器感应电压与磁感应强度的关系

3.2.2磁感应强度与磁致伸缩材料应变的关系

3.2.3磁致伸缩材料应变与扭矩的关系

3.2.4螺旋磁场作用下传感器的输入—输出模型

3.3输出特性模型的参数确定

3.3.1 磁致伸缩材料的参数确定

3.3.2脉冲驱动电流的参数确定

3.3.3检测线圈的参数确定

3.4输出特性的理论计算与实验研究

3.4.1激励磁场对输出电压的影响

3.4.2偏置磁场对输出电压的影响

3.4.3 螺旋磁场对输出电压的影响

3.4.4 磁致伸缩位移传感器的样机制作与输出特性测试

3.5 本章小结

第四章 螺旋磁场与应力共同作用下磁致伸缩位移传感器的输出电压

4.1螺旋磁场与应力共同作用下传感器的输出特性模型

4.2输出特性模型的参数

4.3螺旋磁场与应力共同作用下传感器输出特性计算

4.3.1 螺旋磁场与拉应力共同作用下的传感器输出电压

4.3.2 螺旋磁场与压应力共同作用下的传感器输出电压

4.4 本章小结

第五章 螺旋磁场与应力共同作用下磁致伸缩位移传感器的实验研究

5.1螺旋磁场与拉应力共同作用下传感器的输出特性

5.1.1 螺旋磁场与拉应力作用下传感器的输出特性

5.1.2 等效拉应力作用下传感器的输出特性

5.2 等效压应力作用下传感器的输出特性

5.3磁致伸缩位移传感器样机的性能测试与分析

5.3.1传感器的线性度

5.3.2传感器的重复性

5.3.3传感器的迟滞

5.3.4传感器的精度分析

5.3.5传感器的误差分析

5.4 本章小结

第六章 结论

6.1 论文工作总结

6.2 主要创新点

6.3 需要进一步研究的工作

参考文献

攻读博士期间所取得研究成果

致谢