非晶態(tài)合金是上世紀70年代以來迅速發(fā)展起來的一種新型功能材料，它具有良好的軟磁特性（低矯頑力、低鐵損、高磁導率、高磁致伸縮等：和顯著的壓磁效應(yīng)，是測力傳感器優(yōu)良的敏感材料。經(jīng)過30多年的研究，基于非晶態(tài)合金壓磁效應(yīng)的力傳感器取得了很大的成果。1978年，日本學者首先報道了用Fe基非晶態(tài)合金制成的力傳感器。隨著人們對非晶態(tài)合金制成的力學傳感器。隨著人們對非晶態(tài)合金性能了解的不斷加深，利用非晶態(tài)合金測量力、應(yīng)力和扭矩的傳感器層出不窮。目前，基于非晶態(tài)合金的測力傳感器在工業(yè)工程中發(fā)揮著重要作用，非晶態(tài)合金在測力傳感器中的應(yīng)用越來越受到重視。
一、非晶態(tài)合金壓磁效應(yīng)
通常非晶態(tài)合金傳感器測量力、應(yīng)力和扭矩都是基于非晶態(tài)合金的壓磁效應(yīng)。所謂壓磁效應(yīng)是指當磁場中的鐵磁材料受到機械力的所用時，在它的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，產(chǎn)生應(yīng)力σ，導致磁導率μ發(fā)生變化。磁導率的變化將導致線圈間耦合系數(shù)的變化，使輸出電勢發(fā)生變化。
壓磁效應(yīng)本質(zhì)上是材料的磁系統(tǒng)和機械彈性系統(tǒng)發(fā)生了能量交換。具體來講，如果改變磁感應(yīng)強度和磁場強度以增加材料的磁能，那么所增加的磁能中，就有一部分會轉(zhuǎn)變成彈性能，使材料的應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生改變；反之，如果通過改變應(yīng)力和應(yīng)變以增加材料的彈性能，那么所增加的彈性能中也有一部分會轉(zhuǎn)變成材料的磁能。
二、非晶態(tài)合金力傳感器
根據(jù)非晶態(tài)合金薄帶所裁剪的形狀可以設(shè)計出不同的測力傳感器結(jié)構(gòu)。典型的非晶態(tài)合金力傳感器結(jié)構(gòu)有門字型（如圖1所示）和線圈型（圖2所示）
下面以廣州澳金工業(yè)自動化系統(tǒng)有限公司門子型測力傳感器說明非晶態(tài)合金壓磁效應(yīng)的測力原理：N1為勵磁繞組，N2為測量繞組分別繞在磁芯兩側(cè)的柱體上（如圖1所示）磁力線沿abcd路徑閉合。根據(jù)壓磁效應(yīng)，在外力P作用下非晶態(tài)合金產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，沿ab和dc方向難以磁化，磁導率下降，使測量線圈中的感應(yīng)電動勢發(fā)生變化。然后設(shè)計檢測電路測量電動勢變化，根據(jù)電動勢就可以得出作用力的大小。
圖1中傳感器采用門字型沖片疊合而成，沖片用特制夾板夾緊。這種結(jié)構(gòu)的傳感器最大的難點是如何將非晶態(tài)合金沖片牢固地結(jié)合并且能保持原非晶態(tài)合金薄帶的性能。目前，有一種非晶態(tài)合金薄帶疊層片的制造方法能保持原非晶態(tài)合金薄帶優(yōu)良性能，且結(jié)合牢度高，其方法為在非晶態(tài)合金薄帶表面涂覆一層具有熱敏粘結(jié)特性的涂層，然后把一定片數(shù)的涂層非晶薄帶互相疊合并用夾板夾緊，放入熱處理爐中進行常規(guī)的去應(yīng)力退火。退火后，一定片數(shù)的非晶態(tài)合金薄帶就被涂層粘結(jié)成一體而成為疊層片。
圖2中用非晶態(tài)合金薄帶制成的圖形線圈，沿圓圈的直徑方向作用一小力，則可在非晶帶內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，而應(yīng)力的變化又使得帶的磁導率發(fā)生變化，進而導致測量線圈電動勢的變化。
圖3所示為一種新型傳感器結(jié)構(gòu)，講非晶態(tài)合金帶纏繞在圓柱體骨架上。這種傳感器結(jié)構(gòu)的磁路為開放磁路，而前面兩種都是閉合磁路。與前面兩種結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)是將非晶態(tài)合金層層緊緊纏繞在一起，不需要對非晶態(tài)合金薄帶進行粘接，并且能夠承受很大的力。雖然傳感器結(jié)構(gòu)不同導致磁路分析和檢測電路的不同，但是它們的測力原理都是基于壓磁效應(yīng)。
三、非晶態(tài)合金應(yīng)力傳感器
非晶態(tài)合金應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。將非晶態(tài)合金薄帶裁剪出一凸起部分，并在凸起部分分別纏繞勵磁線圈N1和測量線圈N2，此時凸起部分相當于線圈鐵芯。應(yīng)力傳感器的具體尺寸主要由所選非晶態(tài)合金材料允許應(yīng)力決定。
使用非晶態(tài)合金應(yīng)力傳感器測量應(yīng)力時，將非晶態(tài)合金應(yīng)力傳感器牢固地附著在被測材料的表面，使其整體沿縱向與被測工件同時發(fā)生變形，從而引起鐵芯中磁導率的變化，導致電感值改變，實現(xiàn)工件應(yīng)變的檢測。具體地講，對于λ＞0的鐵磁材料，根據(jù)壓磁效應(yīng)，被測材料受拉應(yīng)力時，與拉應(yīng)力平行方向的磁導率增大，即圖5中μAB變?yōu)?mu;AB+ΔμAB，μCD變?yōu)?mu;CD+ΔμCD，而與拉應(yīng)力垂直方向難以磁化，即與拉應(yīng)力垂直方向的磁導率減��；壓應(yīng)力的情況則相反。當在勵磁線圈通入一定頻率的交流電時，非晶態(tài)合金與被測材料便形成閉合磁路（如圖5所示）。
由圖4所示非晶態(tài)合金應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)只適用于測量單方向的拉應(yīng)力，如果主應(yīng)力方向未知，可以采用圖6所示的非晶態(tài)合金應(yīng)變花，將其粘貼在被測工件表面上。當被測工件承載時，x與y方向可分別測得σx和σy，通過公式就可以計算出主應(yīng)力。
四、非晶態(tài)合金扭矩傳感器
常用的扭矩測量方法大致可分為兩類：剪應(yīng)力法和扭轉(zhuǎn)變形法。利用非晶態(tài)合金測量扭矩同樣可以使用以上兩種方法。其中剪應(yīng)力法是基于非晶態(tài)合金的壓磁效應(yīng)測量軸的主應(yīng)力（應(yīng)變）來計算扭矩，基本原理如圖7所示。圖7所示為一傳動軸，在軸上粘貼一層具有明顯壓磁效應(yīng)的非晶態(tài)合金帶，當軸收到扭矩T時，軸和帶表面的應(yīng)力分布如圖所示。
基于剪應(yīng)力法非晶態(tài)合金扭矩傳感器從結(jié)構(gòu)上可分為同軸線圈式和正交磁頭式。同軸線圈式的典型結(jié)構(gòu)如圖8所示。將非晶態(tài)合金沿傳動軸的軸線成 ±45°方向粘貼，當傳動軸受扭矩為0時，此時希望非晶態(tài)合金薄帶存在單軸磁各向異性Kb，這就需要先給軸施加一定的扭矩，再把非晶態(tài)合金薄帶貼到軸體表面上去。當軸受到扭矩T時將會產(chǎn)生感生磁各向異性Ku,Ku和Kb這兩個單軸磁各向異性矢量合稱為KuT,非晶態(tài)合金的相對磁導率隨KuT的變化而變化。
正交磁頭式的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。這種結(jié)構(gòu)中，激勵線圈和檢測線圈被封裝成一個磁頭，磁頭正對著非晶態(tài)薄帶安裝。正交磁頭式由于磁頭和軸體分離安裝起來比較方便，但是從勵磁方式看，同軸線圈式勵磁效率明顯高于后者。
上述非晶態(tài)扭矩傳感器是基于非晶態(tài)合金的壓磁效應(yīng)來實現(xiàn)的，但由于應(yīng)力和磁導率之間的關(guān)系很難確定，所以測量精度不高。下面介紹兩種采用扭轉(zhuǎn)變形法的非晶態(tài)合金扭矩傳感器。
圖10所示是基于磁電感應(yīng)原理測量扭矩。在轉(zhuǎn)軸上A、B兩處分別附著一定厚度的非晶態(tài)合金薄帶條。磁電式傳感器探頭C和D對非晶態(tài)合金薄帶安裝。當轉(zhuǎn)軸不受轉(zhuǎn)矩作用時，兩傳感器輸出信號有一初始相位差。承載后，該相位差將隨非晶態(tài)合金薄帶所在橫截面之間的相對扭轉(zhuǎn)角的增加而增大，其大小與相對扭轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩成正比。
圖10中的傳感器是單純利用磁電感應(yīng)原理的，圖11所示的轉(zhuǎn)矩測量方法，既采用磁電感應(yīng)原理，又利用了非晶態(tài)合金的壓磁效應(yīng)。如圖，將非晶態(tài)合金薄帶沿軸線45°方向附著在轉(zhuǎn)軸上。然后，將磁電式傳感器沿45°對正非晶態(tài)合金薄帶條非接觸安裝。承載后，一方面該相位差將隨非晶態(tài)合金薄帶條所在橫截面之間的相對扭轉(zhuǎn)角的增加而增大，其大小與相對扭轉(zhuǎn)角、扭矩成正比；另一方面，根據(jù)壓磁效應(yīng)，沿拉應(yīng)力方向，磁導率增大，磁阻減小，使用過測量線圈的瞬時磁通量增加，導致傳感器輸出感應(yīng)電壓增強。與圖10中的傳感器相比大大提高了傳感器輸出信號的強度和靈敏度。
通過以上的介紹，非晶態(tài)合金在測力傳感器中的應(yīng)用主要是基于壓磁效應(yīng)和軟磁特性。試驗證明，非晶態(tài)合金應(yīng)用于測力傳感器是可行的。然而，通常非晶態(tài)合金測力傳感器需要對非晶態(tài)合金進行附著，并且附著效果對創(chuàng)拿起測量精度影響較大。目前，盡管有多種方法，如電鍍、噴涂、等離子、粘貼等，但是大部分附著工藝復雜。因此，需要尋找和研究適合非晶態(tài)合金的附著方法。在進行附著時如何保持非晶態(tài)合金的原有性能也是需要解決的問題。
|
