一种新型的磁弹性静力测量系统

　　1　引　　言

　　铁磁材料的磁特性会因为机械应力而发生变化,这种现象叫磁弹性效应。磁弹性力传感器就是根据这一原理制得的。将传感器与相应的信号处理单元结合起来,就构成了一个磁弹性测力系统。

　　传统的磁弹性测力系统,一般采用硅钢等材料作敏感材料。它具有抗干扰性能好、适用于恶劣环境等优点,主要应用在轧钢机、大吨位压力机等场合的力值测量上。硅钢、非晶合金(如铁镍合金)都属于磁弹性弱(即磁致伸缩系数λ小)、磁导率高的一类材料,在应力作用下其磁特性的相对变化不大,工作效率也比较低。传感器件由片状硅钢材料粘叠而成,为非整体件,其性能水平受到了相当程度的限制,制作工艺也比较复杂。

　　Tb-Dy-Fe单晶材料是国际上于八十年代开始进行应用开发的一种在室温下具有超磁弹性能的新型智能材料,具有磁弹性能好、藕合系数大、能量密度高等优点,被制作成各类高性能优结构的传感器、驱动器而应用在各种高技术领域[1][2]。国际上只有美国等几个发达国家能够规模生产这种材料(即:Terfenol-D材料)。九十年代初武汉工业大学在国内率先制备出这种材料[3],其性能已达到国外同类材料Terfenol-D的水平,并进行了一些应用开发[4][5]。在上述这些应用系统中,Tb-Dy-Fe单晶器件或是工作在将动态弹性能转换为动态电磁能形式,或是工作在将电磁能转换为弹性能的形式(或者反之),尚未见到介绍关于静态弹性能转换为电磁能这一应用形式的报道。

　　Tb-Dy-Fe单晶的磁致伸缩系数是传统铁磁材料的几十至一百倍以上,相对磁导率则低于10,具有磁弹性强、磁导率低的特点,当受到机械应力作用时,磁性能的相对变化比较大。因此从本质上具有较强的磁弹性传感性能,并且可适用于较高的工作频率。由此,最近我们以Tb-Dy-Fe单晶作为敏感元件研制完成了采用静态弹性能转换为动态电磁能的工作方式的磁弹性静力测量系统。下面,对这一系统进行具体分析和介绍。

　　2　Tb-Dy-Fe单晶的特性描述

　　2.1　基本原理

　　Tb-Dy-Fe单晶材料的弹性应变和磁感应强度的变化均与机械应力和外加磁场有关,它们的数学关系如式(1)、(2)所示:

　　式中,SH、μT、d依次为在恒定磁场强度下材料的顺度(受阻条件)、在恒定应力下材料的磁导率、耦合系数。ε、B、T、H分别表示应变、磁感应强度、应力和磁场强度。

　　根据式(1)、(2)可以推出:只要有能量被转换到弹性系统,磁导率就从本征值μT下降。在恒定应变下,弹性系统中,贮藏着最大的能量。同样,当能量从弹性能转变为磁能时,顺度(即受阻条件)就会增加。当外加的应力使磁矩旋转离开其平衡值时,能量就会发生转换。可被转换的磁能的最大部分为可被转换的弹性能的最大部分也为这里的k叫做磁机械耦合系数,其值已达0.72以上[6][7]。由于该材料的磁弹性能好,k值又高,因此当外加应力作用其上时会发生一定量的能量转换。测量与该转换能量相关的信号就能知道外加应力的大小。