微弱应变测量传感器设计及应用*

郭敏强， 孙晓红

(郑州大学 信息工程学院 河南省激光与光电信息技术重点实验室，河南 郑州 450002)

0 引 言

磁致伸缩材料多为镍、铁、钴、铝类合金与镍铜钴铁氧陶瓷，其磁致伸缩系数一般只有10-5～10-6，应用多局限于超声换能器方面[1]。由稀土与过渡金属的合金或化合物组成的大磁致材料的磁致伸缩系数则可达2×10-3[2]，成为重要的功能材料之一，可用于有源减振、燃料喷射系统、液体和阀门控制、微定位、机械传动装置、振子和声纳等方面[3]。相对于国外，国内对于该材料的应用尚处于起步阶段，除了对该材料的研制开发比较晚外，另一个主要的原因是落后的材料的测量技术。对于磁致伸缩系数的测量大致有光干涉法、机械光杠杆法[4]和应变电阻法3种。光干涉法测量灵敏度高(当样品长为10 cm时，磁致伸缩系数的分辨率可达10-6数量级)，但样品的安装及光路调整和干涉条纹的记数都很不方便。应变片法是一种测量将磁致伸缩形变转换为应变电阻值的变化的方法[5]。

本文提出了一种微弱应变传感器，该传感器结合了非平衡电桥法新方法和应变片法以及测量需求设定的微小信号处理方法，改变了传统磁致伸缩仪器计算复杂、体积庞大、价格昂贵和读数误差大的缺陷，实现了结构紧凑简单、测量简洁快速、操作方便、测量结果精度高、应用范围广。

1 测量原理

1.1 HU—101型半导体应变电阻片测量法

使用HU—101—350型号的半导体应变片，主要技术参数为：基底尺寸5 mm×4 mm，硅片尺寸3×0.4×0.06，电阻值为350 Ω，灵敏系数S为120，电阻温度系数、灵敏温度系数都极小，工作温度在80 ℃下，具有灵敏系数大，机械滞后性小，阻值范围大，横向效应小等特点。

测试时，应变片牢固黏贴于测试体表面；当测试体受力发生形变时，应变片的敏感栅变形，其电阻值随之发生相应的变化。通过测试电路将测试体的形变信息转换成电信号输出显示[6]。由于磁致伸缩形变率正比于电阻变化率[3]，测量磁场内黏贴电阻应变片样品的磁致伸缩系数λ[3]为

(1)

式中C为应变电阻片的结构参数；R为应变电阻片的原阻值；K为测量系统的放大倍数。当电阻应变片长度发生ΔL/L变化时，电阻应变片的阻值变化为

(2)

由式(2)得出磁致伸缩系数为

(3)

由式(1)、式(2)，知S=1+2δ，为电阻应变片灵敏系数，由厂家提供。本文采用磁致伸缩材料为圆柱形棒状铁—镓(Fe-Ga)合金。

1.2 传感器测量精度

传感器中所使用AD的基准电压为2.485 V，要使传感器能检测到磁致伸缩材料在磁场中的变化量，则折合到电桥两端的电压变化量最小值必须大于12位AD的分辨率最小值。假设在一特定磁场下，磁致伸缩材料发生伸缩后，应变片的变化量为ΔR。实验中测得应变片的初始值为1 540.8 Ω，电路两端电压为14.5 V，AD此时的放大倍数为10，电桥的3个桥臂均使用1 540.8 Ω的精密电阻器，另一个桥臂连接磁致伸缩材料，可得如下不等式

(4)

计算可得ΔR≥0.012 89 Ω。

2 装置设计与实验

2.1 传感器装置设计

自行研制的微弱应变测量传感器主要由磁致伸缩系数测量装置、信号处理装置和控制面板三部分组成。测量装置由磁场发生装置、端口电路、磁致伸缩棒和应变片传感器等组成。测量时需要注意磁致伸缩棒在磁场的放置状态和应变片传感器在磁致伸缩棒上粘贴的形态。信号处理装置主要由放大器、滤波模块、A/D转换模块、电源、稳压电源和单片机组成。能够成功地对测量量进行处理，将模拟量转换为数字量，并传输至单片机，经过程序控制，实现了对磁致伸缩材料磁致伸缩系数的测量。控制面板可实现仪器的操作控制。

2.2 传感器实验过程

在温度为T=295 K条件下，将磁致伸缩材料置于磁场中，并复位，处于初态，磁场为零时，得到半导体应变片的阻值。每改变一次磁场，按下一次测量键，传感器便记录一次数据，如此重复。实验暂取30次测量，每次磁场变化2 mT，半导体应变电阻值变化ΔR，按确认键便可得到磁致伸缩材料在磁场中的变化曲线，移动键可以使图像发生移动。按切换键，进入到图像放大缩小界面，上下左右移动键可以调节图像大小，查看曲线全图或局部视图；再按一次切换键，进入到数据菜单，按上下键可以查看测量中传感器所记录的数据。按下复位键，则重新测量。

3 结果与分析

3.1 基础曲线测量

曲线的拟合公式为

R=1 540.293+0.043U

(5)

由经验公式(5)和图1可知桥臂电阻与桥端电压之间的关系为直线关系，符合非平衡电桥法测量的原理，能够用于实现磁致伸缩系数λ的测量，保证了其在理论上的测量是正确的。

图1 桥臂电阻R与桥端电压U之间的关系

3.2 测量数据制作曲线以及传感器曲线

图2的磁致伸缩曲线反映了Fe-Ga合金磁致伸缩材料在磁场中磁致伸缩系数λ随磁场变化的特点。起始时，随着磁场的增加，λ增幅较大，磁场在0～40 mT时，两者之间的关系接近为直线；在磁场为40～60 mT之间时，随着磁场的增加，λ增幅较小，直至最终接近一常数。从一定程度上说明了Fe-Ga合金磁致伸缩材料的伸缩性能在低磁场条件下比较好。当磁场强度较强时，λ的增幅减小是由于分子之间的相互作用力引起的。对曲线进行拟合可得

(6)

所拟合出的曲线从量化的角度反映了Fe-Ga合金磁致伸缩材料的性能。

图2 磁场与磁致伸缩系数λ的关系

4 工业应用展望

微弱应变测量传感器基于非平衡电桥原理建立，具有如下应用优势：

1)测量灵敏度高：基于非平衡电桥法和放大器AD524，可以实现在弱磁场中对磁致伸缩材料极小变化的精确测量。

2)采用连续、无损测试方法：实现磁场连续变化磁致伸缩系数的连续测量，由于材料不受压力或是其他因素影响，不会对材料造成损耗。

3)测量范围广：信号处理装置可以测量磁致伸缩棒的磁致伸缩系数，也可以测量其他的铁或碳钢材料，且不受测量范围限制。

4)仪器成本低：采用低廉的电子器件，较一般磁致伸缩系数测量仪器成本大幅度降低。

5 结 论

本文基于非平衡电桥法研制了微弱应变测量传感器，获得了磁场与Fe-Ga合金材料磁致伸缩系数的关系，测量结果与实验结果一致性较好。该传感器的应用可以降低生产成本，提高测量精度，改善测量范围，且携带方便，操作简单。在一定程度上解决了当前实验仪器研究中存在的超微弱信号极难测量和稳定性的问题，为以后的相关研究提供了范例，可用于实际测量，在实验室及工业生产中可作进一步推广。

参考文献:

[1] 王博文,葛景岩.巨磁致伸缩材料及其应用[J].沈阳工业大学学报,1998,20(3):64-67.

[2] 应启明,罗梓贤.稀土大磁致伸缩材料研究[J]. 稀土, 1999,20(1):72-74.

[3] 高 峰.超磁致伸缩材料特性测量的实验设计[J].武汉理工大学学报,2010(6)：410-411.

[4] Cochardt A W.A method of measuring magnetostriction[J].J Appl Phys,1954,25(1):91.

[5] 王乃丹,龙北玉,吴汉华,等.大磁致材料磁致伸缩参数自动测量仪的研制[J].云南大学学报:自然科学版,2005,27(5A):556-560.

[6] 李 蓉.基础物理实验教程[M].北京：北京师范大学出版社，2008：298-300.