水轮机的安全是水轮发电机机组高效运行的基本保障。但水轮机在运转过程中,转轮长期承受水力激振力作用。为了准确判断水轮机转轮在激振力作用下的运行寿命,需利用动应力测试技术测量转轮应力大小及分布情况,优良的应力传感器性能是动应力测试精度的重要保证。目前市场上常见的应力传感器各有优势,但不能同时满足布线简单、体积小、使用寿命长、灵敏度高的应用要求。因此,本论文基于磁致伸缩逆效应,利用磁致伸缩材料作为敏感元件,设计的磁致伸缩应力传感器具有体积小、灵敏度高、使用寿命长、布线简单的特点,能够很好的应用于水轮机动应力测试中。论文的主要内容如下:1.阐述了磁致伸缩材料特性,并对不同磁致伸缩材料性能进行测试和比较,选定Galfenol为传感器敏感元件材料。基于体积最小设计原则,结合磁路设计原理,设计了磁路畅通的圆弧变截面结构的传感器磁芯,以水轮机动应力波动范围为参考,选用了符合设计要求的WSH202作为传感器转换结构,并依据力学原理及磁传导理论,为Galfenol设计了灵敏度高的敏感栅结构;在设计的结构基础上,阐述了磁致伸缩材料的力磁耦合本构模型,结合胡克定律及霍普金森定律,建立了传感器输出特性数学模型。2.基于有限元方法,以灵敏度最高为优化目标,优化了Galfenol的结构尺寸。在优化后的磁致伸缩应力传感器基础上,利用有限元仿真软件分析了不同线圈励磁电流、不同外力作用下核心元件Galfenol片上的应力情况及磁场分布,仿真结果表明应力及磁场均分布均匀,且测量范围及灵敏度符合设计要求。3.根据优化后的磁致伸缩应力传感器结构,制作了实验样机,并搭建了静态及动态实验平台测试传感器的静态应力测试性能及动态应力响应性能。实验结果表明,在0.1A、0.2A及0.3A线圈电流激励下,拉应力静态灵敏度最高可达6.062mV/MPa,压应力静态灵敏度最高可达5.743mV/MPa,且传感器动态响应良好。本论文设计和测试了敏感栅结构的磁致伸缩应力传感器,为水轮机动应力测试提供了新的应用参考,为该类型传感器的进一步研究提供理论及实验依据,使磁致伸缩应力传感器具有进一步应用的前景。