專利名稱：一種新型電感式應(yīng)變花的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工件應(yīng)變的測量裝置，特別是一種新型電感式應(yīng)變花。

背景技術(shù)：
應(yīng)變花是一種具有兩個或兩個以上不同軸向敏感柵或測量軸的應(yīng)變傳感器，用于確定平面應(yīng)力場中主應(yīng)變的大小和方向。傳統(tǒng)的應(yīng)變花是電阻應(yīng)變計，其敏感柵由金屬絲或金屬箔制成。這種應(yīng)變計輸出小，靈敏度一般，受溫度變化影響較大，測量電路復(fù)雜，抗干擾能力差，不適合惡劣環(huán)境工作，粘接質(zhì)量對測量精度影響很大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種信號輸出強(qiáng)、靈敏度高的新型電感式應(yīng)變花。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，一種新型電感式應(yīng)變花，其特點(diǎn)是采用厚度為0.01-0.035mm的Fe-Ni基非晶態(tài)合金薄片，裁剪成在頂端相連的三條臂帶，三條臂帶之間的夾角均為45°，在每條臂帶上裁剪一個“門”型破口，并垂直折起形成“門”型磁極，在每個磁極上都纏繞有勵磁繞組的測量繞組，“門”型磁極與臂帶本體形成封閉磁路。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題還可以通過以下技術(shù)方案來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，臂帶為長方形，長為20-30mm，寬為10-18mm，“門”型磁極的高度為5-8mm。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題還可以通過以下技術(shù)方案來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，磁場強(qiáng)度H＝200-400A/m，勵磁繞組匝數(shù)N1＝6-8，測量繞組匝數(shù)N2＝12-16，勵磁頻率f＝0.8-5kHz。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用Fe-Ni基非晶態(tài)合金薄片，裁剪成“門”型磁極，基于鐵磁材料的維里拉(Villira)效應(yīng)。使用時，將應(yīng)變花臂帶本體焊接在被測應(yīng)變的工件表面。當(dāng)主應(yīng)變方向未知時，應(yīng)變花按任意方向焊接，每條臂帶上的勵磁線圈分別接通勵磁電流；當(dāng)主應(yīng)變方向已知時，將應(yīng)變花互相垂直的臂帶分別沿主應(yīng)力方向焊接并將其上的勵磁線圈接通勵磁電流，而另一條臂帶處于不工作狀態(tài)。由于應(yīng)變花各測量臂帶與被測工件同時變形，從而引起臂帶磁路中磁導(dǎo)率改變，導(dǎo)致電感值改變。封閉磁路中磁阻的變化將引起磁通的變化，從而在測量繞組中產(chǎn)生與應(yīng)力變化相應(yīng)的感應(yīng)。通過對電感式應(yīng)變花進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際測量電壓，計算出應(yīng)變。
其主要優(yōu)點(diǎn)1.信號輸出強(qiáng)，靈敏度高；2.能夠采用較高的勵磁頻率，以擴(kuò)大其頻響范圍；3.允許應(yīng)變花在高溫下穩(wěn)定工作，最高工作溫度可達(dá)210℃；4.采用焊接附著方法，避免了因粘接而產(chǎn)生的蠕變、機(jī)械滯后、非線性等誤差；5.使用壽命長。



圖1為本發(fā)明應(yīng)變花的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2為“門”型磁極的結(jié)構(gòu)圖。
圖3為測量電路原理方框圖。

具體實(shí)施例方式 一種新型電感式應(yīng)變花，采用厚度為0.01-0.035mm的Fe-Ni基非晶態(tài)合金薄片，裁剪成在頂端相連的三條臂帶1，三條臂帶之間的夾角均為45°，在每條臂帶上裁剪一個“門”型破口，并垂直折起形成“門”型磁極2，在每個磁極上都纏繞有勵磁繞組的測量繞組，“門”型磁極與臂帶本體形成封閉磁路。臂帶為長方形，長為20-30mm，寬為10-18mm，“門”型磁極的高度為5-8mm。
一、工作原理 本發(fā)明的電感式應(yīng)變花是基于鐵磁材料的維里拉(Villira)效應(yīng)。使用時，將應(yīng)變花焊接在被測應(yīng)變的工件表面。當(dāng)主應(yīng)變方向未知時，應(yīng)變花按任意方向焊接，每條臂帶上的勵磁線圈分別接通勵磁電流；當(dāng)主應(yīng)變ε1和ε2方向已知時，將應(yīng)變花OA和OB臂帶分別沿ε1和ε2方向焊接并將其上的勵磁線圈接通勵磁電流，而使OC臂帶處于不工作狀態(tài)。由于應(yīng)變花各測量臂帶與被測工件同時變形，從而引起臂帶磁路中磁導(dǎo)率改變，導(dǎo)致電感值改變。
電感應(yīng)變花的磁路分析如圖所示，當(dāng)勵磁線圈N1通入具有一定頻率的交流電I時，便在勵磁線圈中產(chǎn)生了交變磁通φ。
式中，e1——磁動勢； Rmi——封閉磁路中相應(yīng)各段的磁阻； i1——勵磁電流瞬時值； N1——勵磁繞組匝數(shù)； li——封閉磁路中相應(yīng)各段長度； si——封閉磁路中相應(yīng)各段截面積； μi——封閉磁路中相應(yīng)各段。
根據(jù)Villira效應(yīng)，當(dāng)被磁化的鐵磁材料受到應(yīng)力作用時，由于磁致伸縮的各向異性，拉應(yīng)力將使λs為正的材料磁化方向轉(zhuǎn)向拉應(yīng)力的平行方向，即與拉應(yīng)力平行方向的磁導(dǎo)率增大(磁阻減小)，而在與拉應(yīng)力垂直方向難以磁化，即與拉應(yīng)力垂直方向的磁導(dǎo)率減小(磁阻增大)；壓應(yīng)力的情況則相反。封閉磁路中磁阻的變化將引起磁通φ的變化，從而在測量繞組中N2中產(chǎn)生與應(yīng)力變化相應(yīng)的感應(yīng)。
二、電感式應(yīng)變花的輸出特性 1.測量繞組輸出電壓變化量 由于電感式應(yīng)變花的鐵芯在交變磁場作用下，所以鐵芯中的磁通φ在時間上要滯后于磁動勢(F)，因此，鐵芯的磁阻是一個復(fù)數(shù)阻抗 式中，Rm為鐵芯磁阻；Xm為鐵芯磁滯和渦流損耗，對于非晶態(tài)合金薄帶，Xm可以忽略，即Zm＝Rm。
測量線圈可等效為導(dǎo)線電阻R與線圈電感L串聯(lián)電路，所以有 Z＝R+jωL 而 則 若略去R＝0，Xm＝0，則線圈阻抗變?yōu)? 則 所以 故測量繞組輸出電壓的變化量為 而根據(jù)鐵磁學(xué)理論
λS為鐵芯材料的飽和磁致伸縮系數(shù)；BS為鐵芯材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。所以 式中，ω為勵磁電源頻率；N1和N2分別為勵磁繞組和測量繞組匝數(shù)；S為封閉磁路截面積；l為封閉磁路長度；I為勵磁電流強(qiáng)度；σ為外力引起材料的內(nèi)應(yīng)力。
根據(jù)Villira效應(yīng) μ＝kσ＝kEε(10) 式中，k為比例系數(shù)；E鐵芯材料的彈性模量系數(shù)；ε為外力引起材料的應(yīng)變。
則(10)為
上式說明測量繞組輸出電壓是被測材料所受應(yīng)變的函數(shù)，即U2＝f(ε)，但如果要使用該式計算電感式應(yīng)變花的輸出電壓，就要根據(jù)(10)式，通過試驗(yàn)標(biāo)定出系數(shù)k。但測量磁導(dǎo)率比測量電壓麻煩，所以實(shí)際應(yīng)用時，通過對電感式應(yīng)變花進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，直接確定出U2＝f(ε)的具體表達(dá)式，然后根據(jù)實(shí)際測量電壓，利用標(biāo)定出的方程，計算出應(yīng)變。
2.被測材料主應(yīng)變或主應(yīng)力及其方向的確定 在平面應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力的變化引起材料表面磁導(dǎo)率張量的變化，即在某一方向上應(yīng)力的變化，會引起兩個方向上磁導(dǎo)率的變化。也就是說，沿應(yīng)變花測量軸的輸出電壓不僅與沿該測量軸的應(yīng)變有關(guān)外，還與垂直于測量軸方向或與測量軸成任意角度的應(yīng)變有關(guān)。所以應(yīng)變花輸出電壓與應(yīng)變間的方程應(yīng)該是多元方程。
當(dāng)主應(yīng)變方向已知時，該方程為 式中，εx、εy為應(yīng)變花相互垂直的測量軸方向的應(yīng)變，也是主應(yīng)變；Ux、Uy分別為兩個主方向上的測量電壓；Kxx為x測量軸方向的縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)；Kyy為y測量軸方向縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)；Kxy為x測量軸方向的橫向應(yīng)變靈敏度系數(shù)；Kyx為y測量軸方向的橫向應(yīng)變靈敏度系數(shù)。
當(dāng)主應(yīng)變方向未知時，該方程為 式中，εx、εy、εz分別為沿0°測量軸方向、90°測量軸方向、45°測量軸方向的應(yīng)變；Ux、Uy、Uz分別為各對應(yīng)測量軸上的測量電壓；Kxx、Kyy、Kzz分別為各對應(yīng)測量軸上的縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)；Kxy、Kxz分別為x測量軸方向的y向(90°)靈敏度系數(shù)和z向(45°)靈敏度系數(shù)；Kyx、Kyz分別為y測量軸方向的x向(0°)靈敏度系數(shù)和z向(45°)靈敏度系數(shù)；Kzx、Kzy分別為z測量軸方向的x向(0°)靈敏度系數(shù)和y向(90°)靈敏度系數(shù)。
上述各靈敏度系數(shù)只需在單向應(yīng)力狀態(tài)下試驗(yàn)標(biāo)定。如要標(biāo)定縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)Kxx、Kyy、Kzz，首先在試件上粘貼電感應(yīng)變花，然后沿x、y、z方向多次加載，并記錄每次加載時測量線圈中的輸出電壓，再利用最小二乘法求得縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)，即輸出電壓/計算應(yīng)變；如要標(biāo)定Kxy，則沿試件x方向加載，記錄應(yīng)變花y向測量軸上的輸出電壓，也用最小二乘法求得x測量軸方向的y向應(yīng)變靈敏度系數(shù)Kxy。其它靈敏度系數(shù)依此類推。
利用(12)、(13)就可以求得各測量軸方向上的應(yīng)變。當(dāng)主應(yīng)變方向未已知時，測量軸方向上的應(yīng)變就是主應(yīng)變，即εx＝ε1，εy＝ε2，則主應(yīng)力值為 式中，μ為被測材料的泊松比。
當(dāng)主應(yīng)變方向未知時，主應(yīng)力值為 最大主應(yīng)力與x軸的夾角α 三、電感應(yīng)變花材料選擇及主要參數(shù)確定 根據(jù)(8)式，作為電感應(yīng)變花的軟磁材料要求飽和磁致伸縮系數(shù)λS大、磁導(dǎo)率μ大和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS小。目前能夠利用的軟磁材料有坡莫合金、硅鋼片以及非晶態(tài)合金。非晶態(tài)合金是一種新型材料，由于其具有突出的軟磁特性，所以近年來得到廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明采用Fe-Ni基非晶態(tài)輥剪帶材，其主要技術(shù)參數(shù)為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs＝1.50T，居里溫度Tc＝410℃，飽和磁致伸縮系數(shù)λs＝27×10-6，電阻率ρ＝130μΩ·cm，最大導(dǎo)磁率μ＞25×104(縱向磁場退火)，抗拉強(qiáng)度σs＝1500MPa，硬度Hv＝960kg/mm2。此種材料經(jīng)微晶化退火處理后，可獲得更大的Δμ/μ值。
電感應(yīng)變花的靈敏度和精度在很大程度決定于壓磁材料的磁場強(qiáng)度，而磁場強(qiáng)度取決于勵磁勵磁繞組匝數(shù)。故選 磁場強(qiáng)度H＝200-400A/m，勵磁繞組匝數(shù)N1＝6-8，測量繞組匝數(shù)N2＝12-16，勵磁頻率f＝0.8-5kHz。
其它參數(shù)可根據(jù)上述參數(shù)計算求得。
四、電感式應(yīng)變花的測量電路 電感應(yīng)變花的測量電路如圖所示。能夠適應(yīng)電感應(yīng)變花的測量電路有多種，圖中所示為比較簡單的一種。
權(quán)利要求
1.一種新型電感式應(yīng)變花，其特征在于采用厚度為0.01-0.035mm的Fe-Ni基非晶態(tài)合金薄片，裁剪成在頂端相連的三條臂帶，三條臂帶之間的夾角均為45°，在每條臂帶上裁剪一個“門”型破口，并垂直折起形成“門”型磁極，在每個磁極上都纏繞有勵磁繞組的測量繞組，“門”型磁極與臂帶本體形成封閉磁路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型電感式應(yīng)變花，其特征在于臂帶為長方形，長為20-30mm，寬為10-18mm，“門”型磁極的高度為5-8mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型電感式應(yīng)變花，其特征在于磁場強(qiáng)度H＝200-400A/m，勵磁繞組匝數(shù)N1＝6-8，測量繞組匝數(shù)N2＝12-16，勵磁頻率f＝0.8-5kHz。
全文摘要
一種新型電感式應(yīng)變花，采用Fe-Ni基非晶態(tài)合金薄片，裁剪成在頂端相連的三條臂帶，三條臂帶之間的夾角均為45°，在每條臂帶上裁剪一個“門”型破口，并垂直折起形成“門”型磁極，在每個磁極上都纏繞有勵磁繞組的測量繞組，“門”型磁極與臂帶本體形成封閉磁路?；阼F磁材料的維里拉效應(yīng)。將應(yīng)變花臂帶本體焊接在被測應(yīng)變的工件表面，由于臂帶與被測工件同時變形，從而引起臂帶磁路中磁導(dǎo)率改變，導(dǎo)致電感值改變。封閉磁路中磁阻的變化將引起磁通的變化，從而在測量繞組中產(chǎn)生與應(yīng)力變化相應(yīng)的感應(yīng)。通過對電感式應(yīng)變花進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際測量電壓，計算出應(yīng)變。其信號輸出強(qiáng)，靈敏度高；能夠采用較高的勵磁頻率，使用壽命長。
文檔編號G01B7/24GK101701790SQ200910233339
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者石延平 申請人:淮海工學(xué)院