See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/222059440
Mechanical sensors and actuators
ARTICLE in SENSORS AND ACTUATORS A PHYSICAL · SEPTEMBER 2003
Impact Factor: 1.9 · DOI: 10.1016/S0924-4247(03)00153-5
CITATIONS READS
67 146
- AUTHOR:
INRIM Istituto Nazionale di Ricerca Metrolohellip;
112 PUBLICATIONS 1,073 CITATIONS
|
All in-text references underlined in blue are linked to publications on ResearchGate, |
Available from: M. Pasquale |
|
letting you access and read them immediately. |
Retrieved on: 26 February 2016 |
Sensors and Actuators A 106 (2003) 142–148
Mechanical sensors and actuators
M. Pasquale
IEN Galileo Ferraris, Strada delle Cacce 91, 10135 Torino, Italy
Abstract
A review on mechanical sensing techniques based on magnetic methods is presented, with special focus on strain sensing in civil engineering. Some examples and features of magnetic actuation with giant magnetostrictive and magnetic shape memory alloys will be shown.
copy; 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.
Keywords: Magnetic sensors; Magnetic actuators; Magnetic shape memory; Magnetostriction
1. Introduction
Mechanical sensors are used in countless applications, and while attempting a general description it is helpful to define a limited number of categories which fall under this name. A nonexhaustive but rather complete list of mechanical sensors is given by the IEEE Sensors council, where we find metallic, thin film, thick film, and bulk strain gages; pressure sensors; accelerometers; angular rate sensors; displacement transduc-ers; force sensors; bulk and surface acoustic wave sensors; ultrasonic sensors; flow meters; and flow controllers. We can concentrate on sensors and transducers which rely on direct or inverse magnetostrictive and magnetoelastic effects and reduce the above list to strain and force sensors, torque sen-sors, and displacement sensors. Magnetostrictive actuation is a more limited subject; a high energy is needed to produce large magnetic fields and achieve saturation magnetization and thus strain. Only a limited number of specialized appli-cations are known today, but the number is increasing, and smart design can also decrease the energy input. Recently a new class of magnetically activated shape memory materials has been recognized, and a completely new set of physical phenomena, leading to very large strain at low load, started to be investigated. In all these cases, structural analysis, leading to magnetic anisotropy evaluation and control, leads to the successful applications of these magnetic materials. A proper control of anisotropy is even more crucial in the case of thin magnetic films, due to the interplay between the thermal and magnetomechanical characteristics of the film and the thermal and mechanical properties of the substrate.
Tel.: 39-011-391-9820; fax: 39-011-391-9834. E-mail address: pasquale@ien.it (M. Pasquale).
0924-4247/$ – see front matter copy; 2003 Elsevier B.V. All rights reserved. doi:10.1016/S0924-4247(03)00153-5
In any case we should be aware that magnetic materials always have hysteretic characteristics, which may have to be taken into account in the design and operation of the transducers.
2. Issues in magnetic sensing and actuation
While direct magnetostriction—deformation induced by field—is used for actuation, typical magnetic sensor appli-cations rely on the inverse magnetostrictive effect, where magnetic properties are modified by the application of a stress. In either case a detailed description of the mag-netomechanical behavior of a material is far from trivial, since magnetostrictive properties, which are related to the mechanical behavior of a material, are naturally described by tensor quantities. To further complicate matters, both the mechanical and magnetization behavior of materials are typically hysteretic processes which dissipate energy and where a multiplicity of states is available, depending on past history. Given the intrinsic high complexity of the physics, we typically choose a practical approach—where some strong simplifications and assumptions must be made—to allow an acceptably simple description of the phenomena.
The magnetostrictive process relating the magnetic and mechanical material states can be roughly described with the two coupled line
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
机械传感器和执行器
M. Pasquale
摘要
基于磁法的机械传感技术综述，重点介绍了土木工程中应变传感的研究发展。超磁致伸缩和磁性形状记忆合金的磁力驱动的实例和特点。
关键词：磁传感器；磁场；磁形状记忆；磁致伸缩
- 引言
机械传感器被用于在无数的应用程序，并在试图描述它是有助于定义一个有限数量的类别，根据这个名字。不完全而完整的列表的机械传感器是由IEEE传感器会给出，我们发现金属、薄膜、厚膜、体应变计；压力传感器；加速度；角速度传感器；位移传感器ERS；力传感器；体积和表面声波传感器；超声波传感器；流量计；流量控制器。我们可以专注于传感器和依靠直接或逆磁致伸缩和磁弹性效应和减少上述列表的应变和力传感器、扭矩传感器、位移传感器。磁致伸缩致动是一个更为有限的学科，需要一个高能量产生大的磁场，实现饱和磁化强度，从而应变。只有数量有限的专业应用是目前已知，但增加的数量，和聪明的设计也可以减少能量输入。最近，一类新的磁激活形状记忆材料已被确认，和一个完全新的物理现象，导致非常大的应变，在低负载，开始进行调查。在所有这些情况下，结构分析，导致磁各向异性的评价和控制，导致这些磁性材料的成功应用。适当控制中的各向异性的磁性薄膜的情况下更为重要，由于膜的热磁特性和基板的热性能和力学性能之间的相互作用。在任何情况下，我们应该知道，磁性材料总是有滞回特性，这可能是考虑到在设计和操作的传感器。
- 磁传感和驱动的问题
而引起的磁致伸缩变形场的直接用于驱动，典型的磁传感器应用依靠逆磁致伸缩效应，在磁特性的应力中的应用改进。在任何情况下，详细描述了材料的磁netomechanical行为是微不足道的，因为磁致伸缩性能，是一种材料的力学性能有关，用张量描述自然。为了进一步复杂化，材料的机械和磁化行为通常是滞后的过程，耗散能量和多个状态的多样性，根据过去的历史。由于物理的内在复杂性高，我们一般都会选择一个实用的方法，其中一些强大的简化和假设必须允许的现象可以简单的描述。
与磁性和机械的材料状态有关的磁致伸缩过程可以粗略地描述与耦合的线性方程组。这些方程NE忽略温度的影响，已减少到标量形式的应力/应变和外加磁场沿z方向共线。在几个国家的力学参数（应变ε磁致伸缩方程出现，应力sigma;，杨氏模量在恒定场EYH），磁性参数（外加磁场H，诱导B，在恒定应力micro;sigma;渗透），两磁系数（轴向应变系数，d33 = Dε/ DH |sigma;，及其逆，d33 =分贝/ Dsigma;| H）
|
ε = |
sigma; |
d33H, |
(1) |
|
EyH |
|||
|
B = d33sigma; micro;sigma; H. |
(2) |
||
这些方程应该被认为是作为第一近似的磁致伸缩材料的耦合的机械和磁特性分析。方程（1）表明，磁致伸缩体的变化与应力应变和磁场。当应力sigma;用于磁致伸缩样品，将应变和弹性模量的影响是EYH成反比。外加磁场H也可以改变样品的长度，和H的作用是由压磁系数d33缩放。弹性模量和压磁系数从一个不同的磁致伸缩材料的未来。不幸的是，正如B =micro;H法可以作为一种材料的磁特性的一个非常粗略的近似，上述方程可以不考虑磁和力学非线性和滞后现象；但是他们是一个很好的出发点来分析一个具有磁致伸缩性能的主体行为。
3.机械传感技术
根据方程。（1）和（2）我们可以用磁致伸缩材料转换维度转变成电信号能够被进一步处理。磁致伸缩传感器可分为无源或有源传感器依赖转导的类型：被动传感器可以依靠逆磁致伸缩测量大多数力学量如负载/力/压力和流量，而有源传感器可以获得更高的灵敏度和线性行为，正如在基于载波技术在变压器式传感器的情况下大多数的磁场传感器。
4.磁弹性应变计和压力传感器
许多Fe，Ni，或在薄/厚膜，丝带的基于表单的磁性材料，或散装可以成功地用于对变形敏感元件。许多类型的磁应变计可以构造和工作原理是基于逆磁致伸缩，在直流或交流的通透性的改变所施加的压缩或拉伸应力引起的（图1和式。（1）及（2））。一个明确的例子是：在图1所示的非晶态TbFe薄膜具有大的磁致伸缩（最多lambda;的asymp;4times;10minus;4）和零应力状态[ 4 ] 1–较强的平面内各向异性。从图中我们可以
图1.一个1米厚的外经贸局非晶薄膜在200 M Si衬底的拉伸和压缩应力下的磁滞回线。可以利用磁性渗透率变化的传感应用。
观察到的面内各向异性随拉伸应力和矫顽力和剩磁消失时的压应力，表示出平面各向异性是发达。这些特性可能被利用，应采用励磁和拾取线圈感应，其中最大磁导率变化将出现在输出峰值电压也不同。
磁致伸缩材料可以为特定的应用正或负磁致伸缩值通过调节组合物产生合适的磁性条件导致线性磁场的条件下，可以通过后处理制备或通过场/应力退火，以诱导各向异性的期望程度。作为一个例子，我们可以研究一种无定形的CoFeB合金小负磁致伸缩监测静态或动态荷载作用下混凝土结构的变形应力下的行为。磁软的非晶薄带（厚度小于30米），有一个小的矫顽场和波多黎各的各向异性，在外部应力特别敏感，他们可以在几赫兹的无涡流屏蔽不利影响兴奋。一旦带应力或磁场退火可以在很宽的范围内施加拉伸或压缩应力/变形获得高度的线性响应的透气性，钢筋混凝土结构中可能达到sigma;asymp;500 MPa和2εasymp;times;10minus;3。由于特别宽的应力和去形成范围薄的磁性薄膜在刚性硅衬底上不耦合以及机械。可事实不然，在混凝土加固用钢开发和CoFe基非晶薄带具有比较稳定的机械特性。用应力退火导致强烈的横向各向异性适当优化后（如图2所示，插图）才能达到理想的线性磁特性曲线如图2所示。感知范围广泛的应力可能是由于拉应力和小负磁致伸缩的组合。应该注意的是，这种组合会导致拉伸应力下的横向各向异性的增加，但在实际应用应力的实际水平，导致传感器的饱和度。
力传感器和基于MAG netostrictive带或薄膜应变计可以采用一个线圈缠绕在磁tostrictive元件来检测机械负载阻抗的变化[ 5 ]。几种电路的配置是可能的一个或两个线圈。一一线圈电路的力/应变可以检测出含有MAG netostrictive元件RLC电路的电感变化，例如在测量谐振频率的变化。在一二个线圈电路的情况下我们可以把初级线圈的电流恒定，检测变化的输出电压从次级线圈或更好，我们可以用一个恒流工作模式，这是更敏感的磁致伸缩材料的结构变化。在这种类型的测量我们修改励磁电流保持恒定的检测线圈输出电压。与传统的测力传感器采用应变计相比，这些力传感器更简单，并产生输出电压信号高三个数量级。力传感器的另一种可能的配置依赖于在一个恒定的外加磁场的峰值磁化的变化。文献[ 8 ]的一套电滞回线采用正弦激磁电流的非晶磁粉芯获得，每个回路是随施加的力了。该方法具有良好的线性低的应用应力水平（gt; 1%偏差高达2.5兆帕）。应该特别注意的是，在接近饱和的磁化强度的情况下，材料的磁滞特性没有直接影响所测量的量，因为研究的性质是不影响环路面积。
图2.线性磁滞回线测量施加的拉应力在一个应力水平的增加退火非晶合金带。最大拉伸应力：350兆帕。插图显示了横向结构域。纵向方向，上下–；照片尺寸，0，9times;1.7 mm2。F. Fendrich L.克劳斯的礼貌（中国科学院布拉格）。
5.扭矩传感器
正如在力的测量的情况下我们可以利用逆磁致伸缩效应通过扭转应力在我们的传感器感应磁化变化检测扭矩。扭矩的测量在各种各样的应用，如旋转的机器是有用的，高功率的发动机，并在汽车领域，在低扭矩的测量可用于动力转向。几种可能的音型可用于传感器的磁化可以直接测量（如被动传感器），或在激励作为一个耦合电路[ 6 ]在渗透或电感的变化。在略带磁性轴磁致伸缩材料可采用多种技术结合的案例（粘合，粘接、钎焊、等离子喷涂等），或如果轴是合理的铁它本身可以被用于测量，一个适当的磁化后。一个可能的配置依赖于一个或2个循环磁化环。作为一个扭矩适用于轴的磁场是在五环附近产生，所施加的扭转应力成正比。两环磁netized在相反的方向上增加输出磁场信号（见图3）[ 9 ]，它可以通过霍尔探头或其他领域的传感器检测。一个有趣的例子，[ 7 ]是一个钻头扭矩测试：一个线圈缠绕在钻头包括柄和长笛的一部分。两系列反对线圈、一设置在凹槽和一柄，使渗透率的测量。柄部的透气性变化的转矩比长笛和两个线圈的输出电压的年龄差是施加的扭矩比例不敏感。在一个轴扭矩测量的另一个可能的配置依赖于非晶磁性材料的饱和磁化强度两地区的差异，其目的是与雪佛龙几何（见图4和参考文献[ 10 ]）。在特定情况下，钴基，负磁致伸缩（lambda;的asymp;minus;6times;10minus;6）用的是丝带，剪一个雪佛龙的形状。磁性V型两种模式连接到非磁性轴镜像对称。由于不同的几何模式，被磁化的沿轴线通过施加恒定电流的螺线管，有不同的取向与变扭应力应用的磁各向异性。在一个模式的材料会受到预压应力为主，其他模式将受到拉伸应力。这种差异导致一种不平衡的磁化，可以检测由2个拾取线圈串联连接的反对[ 10 ]。
图3.双环转矩传感器由9。每一环在相反方向上被循环磁化。应用力矩引起的旋转圆周方向的剩磁。
图4.从[ 10 ]非磁性轴扭矩传感器。负磁netostrictive箭头附有镜面对称和磁化沿轴由一个恒定磁场的电磁。由于扭转应力在晋级的磁化强度的差异是由拾波线圈的测量。
6.位移传感器
许多位置传感器使用磁tostrictive线构成（即镍丝）和位置检测是通过威德曼效应得到。威德曼效应是一个本地化的机械扭转由于一个圆形场叠位置和纵向电场的两个来源，分别为：（一）产生的脉冲电流通过电线传播和（b）纵向磁场产生的沿线的某个位置的永久磁铁。该传感器可以以这种方式构建：一个电脉冲从源端向另一端的一端传播。随着脉冲和连接环场达到永磁体局部机械扭转的位置（威德曼效应），和机械波的传播都开始向线端在适当的
声音的速度（在5000米/秒的范围内）。自电
radic;
信号传播在更高的速度，1 /micro;ε，磁铁的位置可以计算的脉冲发射的时间和在源端的机械波到达之间的延迟。在另一端，通常有一个阻尼器来吸收机械波，避免回声。机械波探测器可以用一个在扭转波的到来和一个拾取线圈时，非晶薄带将改变其磁导率。在某些情况下，可以使用压电材料。这个类型的几个位置传感器可以在市场上找到，具有不同的空间分辨率和不同的最大距离，高达50米的毫米分辨率（见图5）。
其他类型的位移传感器是基于MAG netostrictive延迟线，在当前对磁致伸缩线正交的线脉冲产生的脉冲磁场和耦合弹性波在线。再次，声波传播通过磁致伸缩延迟线和由接收单元检测。在这种情况下，它是可以检测到的导线和接收器之间的距离。这种配置的若干变化可能在讨论] [11。12].
7.超磁致伸缩和磁性形状记忆合金的驱动
磁致伸缩驱动一般是基于焦耳效应，描述一个球体变磁场的应用后一个椭球形状的变化，这种效果是通常使用的高度各向异性的几何，即产生径向振动棒或由连接杆环的长度变化。通常用于驱动材料的磁致伸缩的元素如镍、钴、铁、合金、铁氧体和一些合作的基础。这些材料具有磁致伸缩通常低于1times;10minus;4。近年来（1970–1980），材料的发现和发展之后（散装、叠片、粉）和其他稀土超磁致伸缩材料（2.4times;10minus;3）已经有越来越多的基于磁致伸缩致动器的应用。磁致伸缩驱动与常规材料直接与压电材料如钛酸钡和锆钛酸铅（PZT）的竞争，而在高功率应用中我们只能用Terfenol-D的情况
在最近的时间出现了磁性形状记忆材料的发现（Ni2MnGa和FePd）可以达到应变达6%由于重排的马氏体结构由磁场引起的。尽管，尽管各种可用的材料，应该注意的是，纯镍仍然是许多应用的首选材料，由于低成本和银过程导致两Terfenol-D，性能衰减的情况下，压电材料的形状记忆。
8.磁致伸缩致动器
执行器的几种类型已开发利用磁致伸缩，磁致伸缩合金成分tb0.3dy0.7fe1.92（或低温对口特尔奇NOL，最大有0.5%株tb0.3dy0.7zn1），其中包括声纳、减振器、喷油器、阀交流机构，声喇叭，等不幸的是材料是昂贵的，尤其是在面向联系单大尺寸晶体的最终形式，它能够实现在2times;10minus;3或以上范围的最大应变的唯一结构（2.4times;10minus;3）。商业级单晶体通常达到1.6的应变times;10minus;3但由于价格问题，许多应用程序依赖于低性能但更便宜的晶体，多晶体，或粘结粉。下端材料、聚合物粘结nonori型粉末，仍然可以在饱和度达到良好的6.5times;10minus;4株[ 13 ]，可用于动态应用程序超过10千赫。应该指出的是，相对于单晶或多晶材料，这需要一个较为高的应用领域，实现一个给定的感应，由于较低的密度和磁场对复合粉体的影响。复合粉山姆普莱斯是便宜，因为他们可以直接从磨多晶的混合聚合物粘结剂和压实的高压下。他们可以在压实过程中
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[147902]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
