中北大学 李 园 邢 磊 刘芮君

基于超磁致伸缩材料的应力波传感器设计

中北大学 李 园 邢 磊 刘芮君

超磁致伸缩材料是一种新型功能材料，具有逆磁致伸缩效应，基于此效应可以制作出将机械能转换成电能的传感器。该传感器不需外部供电即可具有较大的电压输出信号，可以很容易被测量到并转化为数字信号，是一种新型的应力波传感器。

一、传感器结构与原理

超磁致伸缩应力波传感器的结构如图1所示。圆柱形超磁致伸缩棒位于传感器的中心部位，外边套着线圈骨架，感应线圈和偏置线圈分别绕在线圈骨架的里层和外层。超磁致伸缩棒上下分别由底座和顶杆固定，顶杆下方有预压弹簧支撑。外部有外壳和端盖，将内部部件通过螺钉固定。外壳与端盖之间有螺口连接，可以调节预应力大小。在底座与外壳上部之间有一空隙，用于信号放大的电路板安装于其内。

传感器工作时，动态应力F（t）通过顶杆传送至传感器，超磁致伸缩棒的磁化强度M发生变化，从而改变磁感应强度。当感应线圈内磁通量发生变化时，由于电磁感应，线圈两端感应出电压信号，从而将机械能转化为电能。超磁致伸缩棒处在动态力F（t）、预压弹簧提供的预压力σ0以及偏置线圈提供的偏置磁场H0的作用之下，动态力F（t）为驱动力，σ0和H0为偏置工作条件。

超磁致伸缩棒在一定偏执磁场下磁化强度的变化，主要是受磁场和应力作用引起磁畴发生变化而导致的。当无外磁场存在时，磁畴方向会自发地取向磁性材料内部各向异性能FK的最小值方向。当有外界磁场存在时，磁性材料内部总的自由能会因外磁场的作用而发生变化，各向异性能FK的最小值方向也发生改变，磁畴的取向也因此而转向新的方向，沿着外磁场的方向。而当磁性材料中有应力存在时，磁化强度M取向于由磁体中应力引起的磁弹性应力能Fσ与各向异性能FK之和的最小值。若Fσ远大于FK，则磁体自发的磁化强度M只有取向与应力垂直的方向，应力能才最低。总之，外磁场的作用使磁畴转至磁场的方向（即与棒的长度方向一致），而应力的作用使磁化强度M的方向转向垂直于压力的方向（基于棒的长度方向垂直）。由此可见，加入适当的偏置磁场H0和预压力σ0可以增大磁化强度M的变化范围，从而增强传感器的效果。

磁化强度M的变化可以使磁感应强度B发生变化，由电磁学原理可知，B与M的关系为：

由电磁感应定理可知，超磁致伸缩棒中的磁感应强度B的改变使感应线圈两端产生感应电压U：

式（2）中，N为线圈的匝数，A为线圈的横截面积。

由式（2）可知，感应线圈的感应电压U与线圈的匝数N、横截面积A以及超磁致伸缩棒中的磁感应强度B的变化率成正比。由式（1）以及前述内容可知，磁感应强度B的变化与偏置线圈提供的偏置磁场H0、预压弹簧提供的预压力σ0以及外界的动态应力F(t)密切相关。

二、放大电路设计

传感器线圈直接输出的电压信号较小，需要经过放大电路放大后才能被数据采集系统采集。

放大电路设计如图2所示。+IN和-IN为信号输入端，接到传感器线圈的两端，OUT为输出。R1为一个最大阻值为20k可调电阻，可以调节放大器的增益， R2和R3为一对串联分压电阻，为放大器REF管脚提供基准电压。电路采用+5V单电源供电。

三、性能测试

在完成传感器样机后，在标准振动台下对传感器进行了测试。振动测试系统使用的是德国TIRA公司生产的TIRAVIB5550型振动台系统。将振动台激振力幅值设为40N固定不变，频率设为5-3000Hz扫频，放大电路增益设为100，可以得到传感器输出电压峰—峰值VP-P与输入振动信号频率fn之间的关系如图3所示。从图中可以看出，在300Hz以上输出电压峰—峰值与振动频率基本呈线性关系。

四、结论与建议

在本文中，设计了一种基于超磁致伸缩材料的应力波传感器，并测试了其在不同频率的性能。通过实验显示，该传感器在300Hz以上频率有良好的性能，使用该传感器进行应力波检测具有较好的检测效果。在后续工作中，将进一步对其性能进行测试，优化传感器的结构设计，解决其低频响应的不足。