磁致伸縮材料鐵鎵合金（Galfenol）具有在低磁場(chǎng)下應(yīng)變高、滯后小和應(yīng)力靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)度高等良好的機(jī)械性能，可廣泛應(yīng)用于換能器、傳感器和振動(dòng)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(qiáng)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(chǎng)的關(guān)系，確定了偏置磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)研究了壓應(yīng)力和拉應(yīng)力對(duì)壓磁系數(shù)的影響，通過擬合得到壓磁系數(shù)對(duì)應(yīng)力的變化曲線。
• 有學(xué)者設(shè)計(jì)的磁致伸縮壓力傳感器采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，可測(cè)試0~6N的動(dòng)態(tài)力，并通過實(shí)驗(yàn)得到了傳感器的輸出特性，確定了偏置磁場(chǎng)為4.8kA/m時(shí)，傳感器輸出峰值達(dá)到最大?？梢妷捍畔禂?shù)與偏置磁場(chǎng)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(chǎng)和應(yīng)力對(duì)壓磁效應(yīng)的影響，對(duì)磁致伸縮傳感器的設(shè)計(jì)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(chǎng)對(duì)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(chǎng)的變化規(guī)律，得出小應(yīng)力下最大壓磁系數(shù)對(duì)應(yīng)的偏置磁場(chǎng)。參考懸臂梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用鐵鎵合金設(shè)計(jì)制作了一種新型的力傳感器，用于機(jī)械手對(duì)抓取力的測(cè)量。結(jié)合非線性本構(gòu)模型和JA模型，推導(dǎo)了傳感器測(cè)試力的輸出模型。搭建了磁致伸縮力傳感器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了應(yīng)力和偏置磁場(chǎng)對(duì)壓磁系數(shù)的影響，同時(shí)驗(yàn)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(cè)試平臺(tái)

結(jié)論

基于非線性壓磁方程，采用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)片狀鐵鎵合金懸臂梁進(jìn)行建模，研究了偏置磁場(chǎng)和應(yīng)力對(duì)壓磁系數(shù)的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)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(cè)試力的輸出電壓模型。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度為4.5 kA/m時(shí)，壓磁系數(shù)達(dá)到最大值17.5 T/GPa。傳感器的測(cè)力范圍為0~4N，在0~2N范圍力具有較高測(cè)試靈敏度，在2~4N范圍力的測(cè)試靈敏度略微低。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足對(duì)力精確感知的要求。