D0I:10.13374/j.issn1001-一053x.1984.04.008 北京钢铁学院学报 1984年第4期 压磁式测力传感器的工作 特性和工作原理 金物教研宝徐祖雄吴兵苏世璋 摘 要 实验研究了取向硅钢片压磁式测力器的交流工作特性和直流磁化规体。研究结果表明，硅钢片片型的取 向角对传感器的工作特性有重要影响，取向殊钢片传感器的工作机理主婴是应力下的喇壁移动过程。 压磁式测力传感器是利用铁磁材料的磁弹效应将力信号变换成电信号的力变换器。与 其它类型变换器相比，它具有输出功率大，抗干扰能力强，动态响应时间小，过载能力 大，寿命长，运行条件要求低等优点。因而是一种很有发展前途的测力装置。 本文仅研究pressductor force transducer:式传感器，以下简称为压头。 由于硅钢片是良好的软磁材料，更兼有强度高，价格便宜，合适的磁致伸缩系数，故 被广泛用做高承载能力的压头材料。但目前，取向硅钢片的各向异性对压头工作特性的影 响尚未给以足够的重视[1]，一般多从各向同性材料的观点出发，在利用冷轧取向硅钢片 时仅按垂直于和平行于轧向冲剪的硅钢片交叉迭放的粘结方式制取压头。因此，有必要深 入探讨硅钢片的取向对压头工作特性的影响。 一、压头工作特性的实验研究 压头材料选用0.35mm厚的Z1牌号冷 4孔5.5 压力P 轧取向硅钢片，经磁转矩仪测定，其平均 取向度为92%。设硅钢片的轧向与压力部 的夹角为日，制作了取向角分别为0°、 90°、30°、60°四种压头，并制作了0为 0°和90°两种片型的组合乐头，日为30°和 60°两种片型的组合压头。压头片型见右 图。每吨压力相当于1.54kg/mm2的应 31 力水平。 压头片型尺寸 1。交流全波整流工作特性 实际应用的压头的工作特性，即二次 81
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 压磁式测 力传感器的工作 特性和工作原理 金物教研 室 徐 祖 雄 吴 兵 苏世 璋 摘 要 实验 研究 了取向 硅 钢片 压磁式 力器的 交流工作特 性和直流 磁 化规 律 。 研究结果表明 ， 硅钢片片型的取 向 角对传感器的 工 作特性有 重 要影 响 ， 取向硅钢片传感器的 工 作 机理 主 要是 应力下的畴壁移动过 程 。 压磁式测 力 传感器是利 用铁磁材料 的磁 弹效应 将力信号变换成 电信号 的力变换器 。 与 其它类型变换 器 相比 ， 它具有输出功率大 ， 抗干扰能力强 ， 动态 响应 时 间小 ， 过 载 能 力 大 ， 寿命 长 ， 运行条件要 求低等优点 。 因而是一种很有 发展前途 的测 力装置 。 本文 仅研究 式传感器 ， 以 下简称为 压头 。 由于硅 钢片是 良好 的软磁材料 ， 更 兼有强度高 ， 价格便宜 ， 合适 的磁致伸缩系数 ， 故 被广泛 用做高承载能力 的压头材料 。 但 目前 ， 取 向硅 钢片的各向异性对压头工作特性 的影 响尚未 给以足 够 的重 视 〕 ， 一般多从 各向 同性材料 的观点 出发 ， 在 利用冷轧取 向硅 钢片 时仅按 垂直 于和平行于 轧向冲剪的硅钢 片交叉迭放 的粘结方式制取 压头 。 因此 ， 有必要深 入探讨硅钢片的取向对压头工作特性 的影响 。 一 、 压 头工 作特性 的实验研究 压头材料选 用 。 厚 的 。 牌号冷 轧取向硅钢片， 经磁转矩仪测定 ， 其平均 取向度为 。 设硅 钢片的轧向与压 力部 的夹角为 ， 制作 了取 向角分 别 为 、 。 、 。 、 “ 四 种压 头 ， 并布作 为 。 和 。 两 种 片型 的组 合压头 ， 为 。 和 。 两 种片型 的组合 压 头 。 压头片 型 见 右 图 。 每吨 压力相 当 于 “ 的 应 力水平 。 。 交流全波整流 工作特性 实际应用的压头 的工作特性 ， 即二 次 压 力 压 头 片型 尺 寸 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．04．008
输出信号除与压头本身固有的工作特性有关之外，还取决于所采用的二次仪表的类型和 特性。因此，为避免二次绕组回路电流对压头二次输出信号的影响，我们采用阻抗很大的 数字电压表直接测量二次绕组的感生电动势e,做为压头固有工作特性的标志。实验结果归 纳为图1和2。为了研究交流工作时压头中心区的磁化状态，我们用示波器测量了二次绕组 和一次激磁绕组的盛生电动势e2和：的波形图，并用作图积分法求出了压头中心区通过二 次绕组t,和一次激磁绕组1的磁通中：和中：的波形图（见图3和4)。 1…4.a1 t:(V) e2() 1.0 1.0 ③ 2.5Λ I=4.5A 0.8 15A 0.8 2.5A 0.G 1.5Λ 0.4 0=0 0=.90° 0.2 0.2 P(T) P(T) 2 0 @ c,(V) 0,=60° 1=4.54 0.4 0=30° 2.5Λ I=4,5A 1.5A 0.2 2.5A P(T> 0123 图1四种取向角的压头的交流全波整流工作特性 (一次绕组1=9匝，二次绕组：=26匝) c:(W) I=4.51 :( 1.6 (1) 1.0A (2) 1.2 0.5A I=4.5A 0.8 0=30°+60 =1.0A 0=0°+90° 0.5A 0, RT) P(T) 345 0 12 345 图2两种组合压头的交流全波整流工作特性 (n1=26匝，n1=26匝) 82
输 出信号除与压头本身固有的工作特性有关之外 ， 还取决于所采用的二 次仪 表 的 类型和 输 出信号 的影 响 ， 我们采用阻抗很大的 羲字电压表直接测量二 次绕组 的感生 电动势。 做为压头固有工 作特性的标志 。 实验结果归 纳为 图，和 ” 。 为 了研究交流工作时压头中心 区 的磁化状态 ， 我们用示波器测量了二咨毕组 和一 次激磁绕组 的盛生 电动势。 和 的波形 图 ， 并用作 图积分法求出了压头中心 区通过二 次绕组 和一次激磁绕组 的磁通中 和中 的波形图 见 图 和 竺 八 卜 石入 “ 共 艾 勺二 。 一每 俄 ② 户 ‘ 万八 二 人 ， 。图。。 · 二 人 人 去 玫丁 图 四种取向角的压头的交流全波整流工作特性 一次绕组 。 匝 ， 二次绕组 二 匝 七 议》 “ 协 “ ， 人 二 众 。 卜引 吕 心。 马 吐 人 二 一 、 汀 仃 丁 一 ‘ 一 弓 图 两种组合压头的交流全波整流工作特性 匝 ， 。 匝
P=0T .5r P=1.5T =3T 图30=0°压头在不同压力下的0，和心：波形图图40=90压头在不同压力下的Φ：波形图 (1=2A,:=9匝，n:=26匝) (I=2A,t1=9匝，n:=26匝) 2。相敏整流工作特性： E:(V) i=i.JA 0.03 (1) 1E:() (3) 0=0℃ 2.8Λ 0.16 0=90℃ I=1.4n 0.0小 小、2A -2.81 P(T)0.12 4.2A 0 0.08 -0.04 0.04 P(T) -0.08 0 一立23 5 (1) I=1.4A 1±1.4A 0.04 0=30 0=60 2.8Λ 0.05 2,8A 1.2A 0.06 -0.0 123 图5四种压头的相敏整流特性 (a1=26匝，n1=26匝) 83
『 必 只“ 犷 图 二 。 “ 压头在不同压力下的 和巾 波形图 ， 二 匝 ， 。 二 匝 图 二 的 “ 压头在不同压力下的中 波形 图 相教盆流工作特性 ， 。 二 匝 ， 匝 洲 二 斗 ℃ 声户曰 一 ， · 一 “ 八 人 几厂一飞 甘八甘 ︸ ℃ 〔 、 ， 」 二 。 ， 念 刃一飞 玫 ， 图 四种压头的相敏整流特性 二 匝 ， 。 二 匝
3。压头中心区在应力下的直流磁化规律 为了能正确理解压头的交流工作特性， 100) He 需要深入了解压头中心区在应力下的直流磁 化规律。用冲击电流计测量了压头中心区通 过绕组口1、nz的磁通中1、中z随激磁电流I和应 力6变化的规律。设压头中心区平均外磁场 He的方向在激磁绕组n1平面的法线上，平均 磁化矢量J在H,方向的投影为J,垂直于H。 方向上的投影为Jn(见图6)多并设J。= 中：/5，Jn=Φ：/s,S为绕组所围平面面积。 实验结果示于图7和图8中。 图6压头中心区磁化状态示意图 P(吨) P(电). 0 1 2 2 3 5 ,1200 J-1200 1=2A (高斯) I=2A 800 斯 400 (1)0=0° 0.5A 400 (3)0=90 400 如高斯) Jg400 (高斯) 40 -400 0 2 2 3 2 5 3 J,1200 0 2 1200 I=2A 【=2A (高斯) 800叶 1A 《高斯) 800 -05 400 (2)0=30 0.5A 400 (4)0=60 .400 40( 五（高断 0 (商斯) 0 -40 -400 0 3 5 0 P吨) p(吨) 图7压头中心区在不同激磁电流时的磁弹规律 84
压头中心区在应力下的直流峨化规捧 为 了能正 确理 解压 头 的交流工作特性 ， 需要深入 了解压 头 中心 区在应 力下 的直流磁 化规律 。 用 冲击 电流计测量 了压 头 中心 区通 过绕组 、 的磁通中 、 中 随激磁 电流 和应 力 变化 的规律 。 设压头 中心 区平 均 外 磁 场 的方 向在激磁绕组 ，平 面 的法 线上 ， 平 均 磁化矢 量 在 方 向的投影为 ，， 垂 直 于 。 方 向上 的投影为 见 图 ， 并设 ， 中 ， 二 中 ， 为绕组所 围平 面 面积 。 实验结果 示于 图 和图 中 。 一口 一 一 一 和一一划到出 一 一 厂卜 图 压头中心 区磁化状态示意图 吨 吨 厂 卜 入 于三 抢于干二旗妇 州 ‘ 。 ‘ 曰曰‘ ‘白 ‘ 吞‘ ，‘卜 吞一一一卜 叫 袱 一 ， ︵斯高︺ 几高︵斯 一 · 一 ‘ “ 人 卜 一‘ 乙二一一 · 林祠 了濡笃刃刃或 ， 卜 一 高︵ ︸斯 卜一 ‘ 卜 二万子石二汀二。 一夜怂奥 尸， ， 含 舀舀二乙盆一二二艺 甲 ，二一一侧 一 ‘ ‘ 二资盆二 一 二 ‘ 一 ’ 卜训 － ， 一 一 弓 一 一 一 ‘ 二乞 乞二 一 二 。 一 笼目翻目甲公亩‘ 奋目两确 卜口 吨 厂 吨 图 压头中心区在不同激磁电流时的磁弹规律
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