基于纳米晶合金磁弹性效应荷重传感器的研究

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纳米晶软磁合金材料是继非晶态合金材料之后软磁材料领域的又一重大进展,这种材料是目前综合磁性能最好的软磁合金材料。纳米晶合金材料具有的高性能的磁特性是它可以作为敏感材料研制新型传感器的基础。磁弹性效应是铁磁材料固有的特性。和传统的磁弹性材料及非晶态合金相比,Fe基纳米晶合金的机电转换效率更高,更适合作为磁弹性材料。为此,利用Fe基纳米晶合金开发研究新型磁弹性荷重传感器,可以提高磁弹性传感器的性能,进一步扩大其应用范围。本文首先从理论上探讨了Fe基纳米晶合金磁弹性效应原理,分析了利用Fe基纳米晶合金薄带辅助磁测应力的方法。在此基础上设计一种基于纳米晶合金磁弹性效应的三磁极新型荷重传感器结构,利用有限元分析软件ANSYSWorkbench对传感器结构进行静力结构分析,得出中间梁形变量与加载力之间的线性关系,进而验证传感器弹性体模型的正确性,并对传感器的工作磁路进行了分析,推导出了传感器在理想情况下的输出方程。其次,根据传感器的特点,设计了基于交流电感电桥的测量电路。为了实现数据采集的实时性与准确性,采集系统采用虚拟仪器技术,即使用美国NI公司基于LabVIEW开发环境的cDAQ数据采集系统平台。最后,对所设计的传感器进行静态加载试验。通过数组对比试验确定传感器最佳工作条件,得出了传感器在此条件下的静态输出特性。试验结果表明,该传感器的最大非线性误差为1.168%,最大重复性误差为2.340%,最大灵敏度为0.0529mV/Kg,最大综合误差为3.767%。综上,本文设计的传感器是可行的,具有良好的工程应用前景。
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