磁致伸縮材料鐵鎵合金（Galfenol）具有在低磁場下應(yīng)變高、滯后小和應(yīng)力靈敏度高等優(yōu)點。相比于稀土磁致伸縮材料（Terfenol-D）和壓電材料，鐵鎵合金具有脆性小、抗拉強度高等良好的機械性能，可廣泛應(yīng)用于換能器、傳感器和振動能量采集器等領(lǐng)域。利用Galfenol的壓磁效應(yīng)可研制磁致伸縮位移傳感器、磁致伸縮應(yīng)變傳感器和磁致伸縮壓力傳感器等。

壓磁系數(shù)是指單位應(yīng)力引起磁致伸縮材料磁感應(yīng)強度的變化量，因而壓磁系數(shù)與磁致伸縮壓力傳感器的靈敏度密切相關(guān)。

• 陽昌海等利用磁致伸縮非線性本構(gòu)模型推導(dǎo)了零應(yīng)力下的壓磁系數(shù)與偏置磁場的關(guān)系，確定了偏置磁場對磁致伸縮/彈性/壓電層狀復(fù)合材料的磁電效應(yīng)和諧振頻率的影響規(guī)律。
• 周浩渺等基于等效電路法建立了非線性磁電系數(shù)模型的本構(gòu)關(guān)系，研究了在預(yù)應(yīng)力和偏置磁場作用下磁致伸縮/壓電/磁致伸縮層狀磁電復(fù)合材料的磁電效應(yīng)。
• 有學(xué)者通過實驗研究了壓應(yīng)力和拉應(yīng)力對壓磁系數(shù)的影響，通過擬合得到壓磁系數(shù)對應(yīng)力的變化曲線。
• 有學(xué)者設(shè)計的磁致伸縮壓力傳感器采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，可測試0~6N的動態(tài)力，并通過實驗得到了傳感器的輸出特性，確定了偏置磁場為4.8kA/m時，傳感器輸出峰值達(dá)到最大。可見壓磁系數(shù)與偏置磁場和應(yīng)力之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此研究偏置磁場和應(yīng)力對壓磁效應(yīng)的影響，對磁致伸縮傳感器的設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。

本文基于非線性壓磁方程，利用COMSOL有限元仿真軟件研究了應(yīng)力和偏置磁場對壓磁效應(yīng)的影響，分析了壓磁系數(shù)隨應(yīng)力和偏置磁場的變化規(guī)律，得出小應(yīng)力下最大壓磁系數(shù)對應(yīng)的偏置磁場。參考懸臂梁結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)用鐵鎵合金設(shè)計制作了一種新型的力傳感器，用于機械手對抓取力的測量。結(jié)合非線性本構(gòu)模型和JA模型，推導(dǎo)了傳感器測試力的輸出模型。搭建了磁致伸縮力傳感器的實驗平臺，驗證了應(yīng)力和偏置磁場對壓磁系數(shù)的影響，同時驗證了傳感器輸出模型的有效性。

圖7 傳感器結(jié)構(gòu)

圖8 傳感器測試平臺

結(jié)論

基于非線性壓磁方程，采用COMSOL有限元仿真軟件對片狀鐵鎵合金懸臂梁進(jìn)行建模，研究了偏置磁場和應(yīng)力對壓磁系數(shù)的影響規(guī)律。設(shè)計制作了一種新型力傳感器，應(yīng)用電磁學(xué)理論、壓磁效應(yīng)，建立了傳感器測試力的輸出電壓模型。計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，表明建立的模型可描述力傳感器的輸出特性。

由仿真和實驗結(jié)果可知，偏置磁場強度為4.5 kA/m時，壓磁系數(shù)達(dá)到最大值17.5 T/GPa。傳感器的測力范圍為0~4N，在0~2N范圍力具有較高測試靈敏度，在2~4N范圍力的測試靈敏度略微低。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等優(yōu)點，可滿足對力精確感知的要求。