铁镓合金Galfenol是典型的磁致伸缩材料之一,在外部磁场与机械载荷作用下将产生磁致伸缩变化,具有中等的磁致伸缩性能以及优良的机械性能。不同于压电、光纤和记忆合金等智能材料,Galfenol合金的脆性小,具有较强的抗拉和抗压强度,在冲击力检测领域具有较大的潜力和优势。本文采用铁镓合金Galfenol作为敏感元件进行了冲击力传感器结构的研发,对Galfenol合金的冲击力检测机理进行了一系列的研究:(1)以磁致伸缩材料Galfenol合金作为敏感元件,设计了基于该合金的冲击力传感器结构,根据敏感元件的形状不同分为基于棒结构与基于梁结构两种传感器。从磁畴理论出发对传感器的力传感原理进行了描述,推导了铁镓合金Galfenol的自由能公式,在此基础上建立了铁镓合金Galfenol的磁化率模型,求解出传感器的灵敏度与应力之间的关系,将传感器的灵敏度关系利用应变关系进行表征。(2)基于连续体的振动理论,考虑敏感元件的阻尼效应,建立了敏感元件的动力学模型,采用振型叠加法和杜哈梅积分求解了动力学模型。在相同的输入冲击力的作用下对比了两种结构敏感元件的动力学模型的输出。(3)提出了等截面工字梁与变截面工字梁两种结构,建立了这两种结构的动力学模型,采用正交设计法得到了两种结构的优化尺寸,以此进一步提升了传感器的灵敏度。然后对四种结构(等截面棒、等截面梁、等截面工字梁以及变截面工字梁)在相同幅值和脉冲宽度的冲击力作用下表征灵敏度的应变输出进行了对比。(4)对磁滞现象进行了描述与解释。基于磁畴理论、微磁学以及Weiss分子场理论,结合Jiles-Atherton模型,考虑应力变化率对磁化过程的影响,建立了铁镓合金Galfenol的磁-机耦合模型。采用MATLAB软件对Galfenol合金的磁-机耦合模型进行了仿真,通过数值求解的方法得到磁化强度曲线。将仿真计算的结果与试验结果进行对比,两者的吻合性较好,验证了模型的可靠性与准确性。(5)针对铁镓合金Galfenol的冲击特性,分别对基于棒结构敏感元件的传感器与变截面工字梁结构敏感元件的传感器进行了加工,搭建了相应的试验平台进行了对比试验研究。对基于变截面工字梁结构敏感元件的传感器进行了进一步的试验研究,采用Levenberg-Marquardt法对传感器进行了标定,并通过试验验证了标定函数的准确性。以上研究为铁镓合金Galfenol在冲击力检测领域中的应用奠定了一定的基础。