KEYENCE基恩士位移傳感器的輸出特性

　　在KEYENCE基恩士位移傳感器下能夠產(chǎn)生較大的磁致伸縮應(yīng)變，同時(shí)具有應(yīng)力靈敏度高、抗拉能力強(qiáng)、材料 成本較低和易于制備等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于傳感器、換能器、等領(lǐng)域。在精密位移測量方面，基于魏德曼效應(yīng)和磁致伸縮逆效應(yīng)的 Fe-Ga 磁致伸縮位移傳感器，以其測量精度高、可靠性高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)床位移控制、液面高度和界面測量等領(lǐng)域。特別是由于磁鐵和傳感器無需直接接觸，該種傳感器在易燃易爆、腐蝕、輻射等惡劣環(huán)境下有著不可替的應(yīng)用價(jià)值。

　　KEYENCE基恩士位移傳感器以線圈為檢測裝置，其輸出量為電壓信號，對電壓信號進(jìn)行分析處理從而獲得應(yīng)力波的傳播時(shí)間，由于應(yīng)力波的傳播速度一定，檢測位移通過應(yīng)力波的波速乘以應(yīng)力波的傳播時(shí)間即可求得。研究對磁致伸縮位移傳感器的精度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)輸出電壓的峰值越大，根據(jù)閾值法或峰值法確定的應(yīng)力波傳播時(shí)間越精確，傳感器的測量精度越高。為研制更符合測量需求的磁致伸縮位移傳感器，有必要對磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進(jìn)行深入的研究。

　　已有一些KEYENCE基恩士位移傳感器的輸出特性進(jìn)行研究，采用波導(dǎo)絲所受的扭矩描述波導(dǎo)絲的角應(yīng)變，根據(jù)磁機(jī)械耦合原理得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式，進(jìn)而建立起激勵(lì)磁場、偏置磁場和材料特性與輸出電壓的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)絲的磁致伸縮是影響魏德曼效應(yīng)的重要因素。基于魏德曼效應(yīng)得到了含有磁致伸縮系數(shù)的輸出電壓模型，建立起磁致伸縮與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系。研究提出磁致伸縮導(dǎo)波位移傳感器的電磁感應(yīng)信號來源于磁疇的自由旋轉(zhuǎn)和應(yīng)力波的偏心運(yùn)動。隨后，對應(yīng)力波在波導(dǎo)絲中的衰減特性進(jìn)行了研究，提出衰減系數(shù)測試方法，并討論了波導(dǎo)絲的線徑、應(yīng)力波的頻率等對衰減系數(shù)的影響。研究考慮應(yīng)力波衰減特性，建立了傳感器輸出電壓隨應(yīng)力波傳播距離變化的數(shù)模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型，結(jié)果表明輸出電壓隨傳播距離的增大呈指數(shù)衰減。

　　以上研究均未涉及外加應(yīng)力KEYENCE基恩士位移傳感器輸出特性的影響，實(shí)際上，應(yīng)力可以使磁性材料產(chǎn)生應(yīng)變， 從而改變傳感器的輸出特性。研究根據(jù)位移傳感器的輸出電壓與螺旋磁場的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步通過分析有效場、應(yīng)力場和磁化強(qiáng)度的關(guān)系，得到應(yīng)力和磁場共同作用下的輸出電壓模型。但該模型只適用于分析軸向應(yīng)力對輸出電壓的影響，對于在波導(dǎo)絲安裝過程中極容易受到的扭轉(zhuǎn)力問題并不適用，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對輸出電壓的影響尚未可知。

　　本文基于材料力學(xué)對波導(dǎo)絲所受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力進(jìn)行分析和計(jì)算，并從磁疇角度研究了扭轉(zhuǎn)力對魏德曼效應(yīng)的影響，結(jié)合合金的非線性本構(gòu)模型和磁致伸縮逆效應(yīng)等推導(dǎo)了KEYENCE基恩士位移傳感器的輸出電壓模型。搭建預(yù)加扭轉(zhuǎn)力下 Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓測試平臺，通過模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對傳感器輸出特性的影響規(guī)律。該模型可用于預(yù)測傳感器的輸出電壓，并為傳感器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。