專利名稱：非晶態合金應變計的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于機械應力的測量的裝置，特別是一種非晶態合金應變計。
背景技術：
測量應力的技術和方法有多種，與非金態合金應變計相近的是電阻應變計，又稱為電阻應變片，電阻應變片的工作原理是基于它的應變效應。使用應變片測量構件應力或應變時，將電阻應變片粘貼于被測構件表面，應變片和零件一起變形，由于片內金屬絲尺寸和電阻率都產生變化，金屬絲的電阻值也產生變化，通過測量電路(電阻應變儀)測出電阻值的變化即可求得應變或應力的大小。電阻應變計是目前測量應變、荷重、拉力、壓力等物理量的常用技術，但也存在一些缺點常規應變片在大應變狀態下，電阻變化率與應變的關系呈現較大的非線性，半導體應變片更為顯著。常規應變片輸出信號較小，對信號連接導線要進行認真屏蔽.。應變片有一定的尺寸。所以實際測出的是某一面積上的平均應變，不能完全顯示應力場中應力梯度的情況。受溫度的影響比較大。不適合在惡劣的環境下長期工作。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提出了一種測量靈敏度高、溫度誤差小的非晶態合金應變計。
本發明要解決的技術問題是通過以下技術方案來實現的，一種非晶態合金應變計，其特點是非晶態合金薄帶的中部向一側凸起形成拱橋形磁極，磁極的橋面與非晶態合金薄帶本體平行設置，磁極凸起的高度為h，0＜h＜0.5mm，在磁極上并排纏繞有勵磁線圈和測量線圈，勵磁線圈磁場強度為0.01～0.05A/mm。
本發明要解決的技術問題還可以通過以下技術方案來進一步實現，勵磁線圈的匝數為5～8匝，測量線圈的匝數為8～10匝。
使用非晶態合金應變計測量應力時，將非晶態合金應變計牢固地附著在被測材料的表面，使其整體沿縱向與被測工件同時發生變形，從而引起鐵芯中磁導率的變化，導致電感值改變，實現工件應變的檢測。其工作原理是基于壓磁效應，所謂壓磁效應是指，當磁化的被測材料受到應力作用時，由于磁致伸縮的各向異性，拉應力將使λs為正的材料磁化方向轉向拉應力的平行方向，也即與拉應力平行方向的磁導率增大(磁阻減小)，而在與拉應力垂直方向難以磁化，也即與拉應力垂直方向的磁導率減小(磁阻增大)；壓應力的情況則相反。非晶態合金是一種新型材料，由于其具有獨特的性能，在傳感器技術中應用的越來越多。本發明利用非晶態合金良好的軟磁特性和穩定的溫度性能，與傳統的電阻應變計相比，它具有一下主要優點(1)具有較高的測量靈敏度，尤其適合微力或者微小位移的測量；(2)溫度誤差??；(3)測量電路簡單；(4)可以在惡劣環境下工作，使用壽命長。(5)結構簡單，制作方便。
附圖為本發明的結構簡圖。
具體實施例方式
一種非晶態合金應變計，非晶態合金薄帶1的中部向一側凸起形成拱橋形磁極2，磁極2的橋面與非晶態合金薄帶1本體平行設置，磁極2凸起的高度為h，0＜h＜0.5mm，此值越小越好，以減小附加彎矩。在磁極2上并排纏繞有勵磁線圈4和測量線圈3。此時凸起部分相當于線圈鐵芯。應變計的具體的尺寸主要由所選非晶態合金材料的允許應力決定。目前國內安泰科技股份有限公司所提供的非晶態合金薄帶的規格為寬度5～100mm，厚度0.03mm，長度可根據需要裁剪，用戶也可以根據需求訂做特殊規格。當主要測量拉應力時，可以采用比較薄的非晶態合金薄帶；當主要測量壓應力時，則可以采用比較厚的非晶態合金薄帶。用戶可以通過特殊訂制，或通過疊加來增加非晶態合金薄帶的厚度。
應變計材料選擇根據磁彈性理論，鐵磁材料的相對磁導率變化與應力σ之間的關系為Δμμ=2λmBm2σμ]]>式中，μ為鐵磁材料的磁導率；Bm為飽和磁感應強度。由上式可知，為了保證應變計具有較高的測量靈敏度，所選非晶態合金材料應該具有較大的磁致伸縮系數和磁導率，較小的飽和磁感應強度。在目前技術上得到廣泛應用的三類非晶態合金中，具有上述特性的材料，當屬TM-M型的Fe基非晶態合金。這種材料具有很高的機電轉換效率，經過適當的退火處理，其機電轉換效率還可以進一步提高。除此之外，TM-M型非晶態合金具有良好溫度穩定性和時效穩定性，可加工性好，價格便宜，很適合制作應變計。目前國內安泰科技股份有限公司生產的Fe基非晶態合金薄帶的主要物理性能為飽和磁感應強度Bs＝1.56T；居里溫度Tc＝410℃；飽和磁致伸縮系數λs＝27×10-6；電阻率ρ＝130Ωμ-cm；最大導磁率μ＞25×104。
應變計主要參數確定非晶態合金應變計的主要參數為勵磁線圈和測量線圈的匝數N1、N2，勵磁電流強度I，磁場強度H，其中磁場強度H對應變計的測量靈敏度影響最大。確定磁場強度H要使非晶態合金應變計工作在最大磁導率和磁化曲線(B-H)的線性段。磁芯材料時通常所施加的磁場強度H值，非晶態合金應變計的勵磁磁場強度0.01～0.05A/mm。當磁場強度H確定后，可由下式求其他參數N1=HlI]]>式中，N1為勵磁線圈匝數；l為非晶態合金應變計凸起長度；I為勵磁電流強度。勵磁線圈的匝數為5～8匝左右，測量線圈的匝數為8～10匝左右。可測力范圍為(1～100)×104N。當勵磁線圈匝數N1確定后，勵磁電流強度I即可確定。
非晶態合金應變計的磁路分析如圖2所示。將非晶態合金應變計牢固地附著于被測材料表面時，二者便形成了閉合磁路。當勵磁線圈通入具有一定頻率的交流電時，便在勵磁線圈中產生了交變磁通φ。根據磁路定律，磁路中的瞬時磁通為
而RAB=lABμABhb]]>RCD=lCDμCDab]]>r0=δ0μ0bs0]]>式中，I——勵磁電流強度；N1——勵磁線圈匝數；RAB——非晶態合金應變計凸起部分的磁阻；RCD——被測材料表面CD段磁阻；r0——應變計與被測材料之間氣隙磁阻，如果二者附著緊密牢固，氣隙磁阻可忽略。
lAB——應變計凸起部分的長度；μAB——非晶態合金絕對磁導率；h——非晶態合金應變計的厚度；b——非晶態合金應變計凸起部分的寬度；lCD——被測材料表面CD間的長度；μCD——被測材料的絕對磁導率；a——磁力線在被測材料表面的滲透深度；δ0——非晶態合金應變計與被測材料表面間的氣隙厚度；μ0——空氣磁導率；s0——非晶態合金應變計與被測材料表面間的附著長度。
根據法拉第電磁感應定律知，測量線圈中的感應電壓為U=4πfIN1N2(lABμABhb+lCDμCDab+δ0μ0bs0)]]>式中f——勵磁電流頻率；N2——測量線圈匝數。
根據壓磁效應，當被測材料表面有應力作用時，對于λs＞0的鐵磁材料，應力為拉應力時，磁導率μ提高，即μAB變為μAB+ΔμAB，μCD變為μCD+ΔμCD，則磁阻降低；當應力為壓應力時，即μAB變為μAB-ΔμAB，μCD變為μCD-ΔμCD，則磁阻增加。磁阻的變化引起磁通量變化，測量線圈中的感應電壓U也會變化。
由于非晶態合金的磁導率遠大于普通鐵磁測量的磁導率，另外，如果能嚴格保證氣隙厚度δ0為零，則上式變為U=4μABhbπfIN1N2lAB]]>即測量線圈中的輸出感應電壓與被測材料的表面磁特性無關。
非晶態合金應變計與被測材料之間結合質量對應力測量精度有很大的影響。采用粘貼的方法將非晶態合金應變計附著于被測構件表面，簡單、方便，便于現場操作，但要合理選擇粘結劑，高質量地對結合面進行處理。所選粘結劑既要有很高的粘度，固化時又不應該產生較大的體積收縮，另外，與非晶態合金應變計材料，以及與被測構件材料之間的熱膨脹悉數要一致，否則在應變計內部會產生不均勻應力，影響測量穩定性。參考目前常采用的金屬粘結工藝，要先對應變計粘貼處用砂輪打磨，然后用一定濃度的硅酸鈉溶液清洗浸泡數分鐘，然后進行粘貼。
在測量應力之前，要對非晶態合金應變計靈敏度系數進行標定，即對同一類型材料制成的應變計，只選其中一個進行標定。
權利要求
1.一種非晶態合金應變計，其特征在于非晶態合金薄帶(1)的中部向一側凸起形成拱橋形磁極(2)，磁極(2)的橋面與非晶態合金薄帶(1)本體平行設置，磁極(2)凸起的高度為(h)，0＜h＜0.5mm，在磁極(2)上并排纏繞有勵磁線圈(4)和測量線圈(3)，勵磁線圈(4)磁場強度為0.01～0.05A/mm。
2.根據權利要求1所述的非晶態合金應變計，其特征在于勵磁線圈(4)的匝數為5～8匝，測量線圈(3)的匝數為8～10匝。
全文摘要
一種非晶態合金應變計，非晶態合金薄帶的中部向一側凸起形成拱橋形磁極，磁極的橋面與非晶態合金薄帶本體平行設置，磁極凸起的高度為h，0＜h＜0.5mm，在磁極上并排纏繞有勵磁線圈和測量線圈，勵磁線圈磁場強度為0.01～0.05A/mm。使用非晶態合金應變計測量應力時，將非晶態合金應變計牢固地附著在被測材料的表面，使其整體沿縱向與被測工件同時發生變形，從而引起鐵芯中磁導率的變化，導致電感值改變，實現工件應變的檢測。本發明利用非晶態合金良好的軟磁特性和穩定的溫度性能，它具有較高的測量靈敏度，尤其適合微力或者微小位移的測量；溫度誤差小；測量電路簡單；可以在惡劣環境下工作，使用壽命長；結構簡單，制作方便。
文檔編號G01L1/12GK1888841SQ20061008806
公開日2007年1月3日 申請日期2006年6月20日 優先權日2006年6月20日
發明者石延平 申請人:淮海工學院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
