一种新型电感式应变花制造技术

一种新型电感式应变花，采用Ｆｅ－Ｎｉ基非晶态合金薄片，裁剪成在顶端相连的三条臂带，三条臂带之间的夹角均为４５°，在每条臂带上裁剪一个“门”型破口，并垂直折起形成“门”型磁极，在每个磁极上都缠绕有励磁绕组的测量绕组，“门”型磁极与臂带本体形成封闭磁路。基于铁磁材料的维里拉效应。将应变花臂带本体焊接在被测应变的工件表面，由于臂带与被测工件同时变形，从而引起臂带磁路中磁导率改变，导致电感值改变。封闭磁路中磁阻的变化将引起磁通的变化，从而在测量绕组中产生与应力变化相应的感应。通过对电感式应变花进行标定试验，根据实际测量电压，计算出应变。其信号输出强，灵敏度高；能够采用较高的励磁频率，使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种工件应变的测量装置，特别是一种新型电感式应变花。
技术介绍
应变花是一种具有两个或两个以上不同轴向敏感栅或测量轴的应变传感器，用于确定平面应力场中主应变的大小和方向。传统的应变花是电阻应变计，其敏感栅由金属丝或金属箔制成。这种应变计输出小，灵敏度一般，受温度变化影响较大，测量电路复杂，抗干扰能力差，不适合恶劣环境工作，粘接质量对测量精度影响很大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种信号输出强、灵敏度高的新型电感式应变花。 本专利技术要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种新型电感式应变花，其特点是采用厚度为0.01-0.035mm的Fe-Ni基非晶态合金薄片，裁剪成在顶端相连的三条臂带，三条臂带之间的夹角均为45°，在每条臂带上裁剪一个“门”型破口，并垂直折起形成“门”型磁极，在每个磁极上都缠绕有励磁绕组的测量绕组，“门”型磁极与臂带本体形成封闭磁路。 本专利技术要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，臂带为长方形，长为20-30mm，宽为10-18mm，“门”型磁极的高度为5-8mm。 本专利技术要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，磁场强度H＝200-400A/m，励磁绕组匝数N1＝6-8，测量绕组匝数N2＝12-16，励磁频率f＝0.8-5kHz。 本专利技术与现有技术相比，采用Fe-Ni基非晶态合金薄片，裁剪成“门”型磁极，基于铁磁材料的维里拉(Villira)效应。使用时，将应变花臂带本体焊接在被测应变的工件表面。当主应变方向未知时，应变花按任意方向焊接，每条臂带上的励磁线圈分别接通励磁电流；当主应变方向已知时，将应变花互相垂直的臂带分别沿主应力方向焊接并将其上的励磁线圈接通励磁电流，而另一条臂带处于不工作状态。由于应变花各测量臂带与被测工件同时变形，从而引起臂带磁路中磁导率改变，导致电感值改变。封闭磁路中磁阻的变化将引起磁通的变化，从而在测量绕组中产生与应力变化相应的感应。通过对电感式应变花进行标定试验，根据实际测量电压，计算出应变。 其主要优点1.信号输出强，灵敏度高；2.能够采用较高的励磁频率，以扩大其频响范围；3.允许应变花在高温下稳定工作，最高工作温度可达210℃；4.采用焊接附着方法，避免了因粘接而产生的蠕变、机械滞后、非线性等误差；5.使用寿命长。 附图说明 图1为本专利技术应变花的结构简图。 图2为“门”型磁极的结构图。 图3为测量电路原理方框图。 具体实施例方式 一种新型电感式应变花，采用厚度为0.01-0.035mm的Fe-Ni基非晶态合金薄片，裁剪成在顶端相连的三条臂带1，三条臂带之间的夹角均为45°，在每条臂带上裁剪一个“门”型破口，并垂直折起形成“门”型磁极2，在每个磁极上都缠绕有励磁绕组的测量绕组，“门”型磁极与臂带本体形成封闭磁路。臂带为长方形，长为20-30mm，宽为10-18mm，“门”型磁极的高度为5-8mm。 一、工作原理 本专利技术的电感式应变花是基于铁磁材料的维里拉(Villira)效应。使用时，将应变花焊接在被测应变的工件表面。当主应变方向未知时，应变花按任意方向焊接，每条臂带上的励磁线圈分别接通励磁电流；当主应变ε1和ε2方向已知时，将应变花OA和OB臂带分别沿ε1和ε2方向焊接并将其上的励磁线圈接通励磁电流，而使OC臂带处于不工作状态。由于应变花各测量臂带与被测工件同时变形，从而引起臂带磁路中磁导率改变，导致电感值改变。 电感应变花的磁路分析如图所示，当励磁线圈N1通入具有一定频率的交流电I时，便在励磁线圈中产生了交变磁通φ。 式中，e1——磁动势； Rmi——封闭磁路中相应各段的磁阻； i1——励磁电流瞬时值； N1——励磁绕组匝数； li——封闭磁路中相应各段长度； si——封闭磁路中相应各段截面积； μi——封闭磁路中相应各段。 根据Villira效应，当被磁化的铁磁材料受到应力作用时，由于磁致伸缩的各向异性，拉应力将使λs为正的材料磁化方向转向拉应力的平行方向，即与拉应力平行方向的磁导率增大(磁阻减小)，而在与拉应力垂直方向难以磁化，即与拉应力垂直方向的磁导率减小(磁阻增大)；压应力的情况则相反。封闭磁路中磁阻的变化将引起磁通φ的变化，从而在测量绕组中N2中产生与应力变化相应的感应。 二、电感式应变花的输出特性 1.测量绕组输出电压变化量 由于电感式应变花的铁芯在交变磁场作用下，所以铁芯中的磁通φ在时间上要滞后于磁动势(F)，因此，铁芯的磁阻是一个复数阻抗 式中，Rm为铁芯磁阻；Xm为铁芯磁滞和涡流损耗，对于非晶态合金薄带，Xm可以忽略，即Zm＝Rm。 测量线圈可等效为导线电阻R与线圈电感L串联电路，所以有 Z＝R+jωL 而 则 若略去R＝0，Xm＝0，则线圈阻抗变为 则 所以 故测量绕组输出电压的变化量为 而根据铁磁学理论 λS为铁芯材料的饱和磁致伸缩系数；BS为铁芯材料的饱和磁感应强度。所以 式中，ω为励磁电源频率；N1和N2分别为励磁绕组和测量绕组匝数；S为封闭磁路截面积；l为封闭磁路长度；I为励磁电流强度；σ为外力引起材料的内应力。 根据Villira效应 μ＝kσ＝kEε(10) 式中，k为比例系数；E铁芯材料的弹性模量系数；ε为外力引起材料的应变。 则(10)为 上式说明测量绕组输出电压是被测材料所受应变的函数，即U2＝f(ε)，但如果要使用该式计算电感式应变花的输出电压，就要根据(10)式，通过试验标定出系数k。但测量磁导率比测量电压麻烦，所以实际应用时，通过对电感式应变花进行标定试验，直接确定出U2＝f(ε)的具体表达式，然后根据实际测量电压，利用标定出的方程，计算出应变。 2.被测材料主应变或主应力及其方向的确定 在平面应力状态下，应力的变化引起材料表面磁导率张量的变化，即在某一方向上应力的变化，会引起两个方向上磁导率的变化。也就是说，沿应变花测量轴的输出电压不仅与沿该测量轴的应变有关外，还与垂直于测量轴方向或与测量轴成任意角度的应变有关。所以应变花输出电压与应变间的方程应该是多元方程。 当主应变方向已知时，该方程为 式中，εx、εy为应变花相互垂直的测量轴方向的应变，也是主应变；Ux、Uy分别为两个主方向上的测量电压；Kxx为x测量轴方向的纵向应变灵敏度系数；Kyy为y测量轴方向纵向应变灵敏度系数；Kxy为x测量轴方向的横向应变灵敏度系数；Kyx为y测量轴方向的横向应变灵敏度系数。 当主应变方向未知时，该方程为 式中，εx、εy、εz分别为沿0°测量轴方向、90°测量轴方向、45°测量轴方向的应变；Ux、Uy、Uz分别为各对应测量轴上的测量电压；Kxx、Kyy、Kzz分别为各对应测量轴上的纵向应变灵敏度系数；Kxy、Kxz分别为x测量轴方向的y向(90°)灵敏度系数和z向(45°)灵敏度系数；Kyx、Kyz分别为y测量轴方向的x向(0°)灵敏度系数和z向(45°)灵敏度系数；Kzx、Kzy分别为z测量轴方向的x向(0°)灵敏度系数和y向(90°)灵敏度系数。 上述各灵敏度系数只需在单向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型电感式应变花，其特征在于：采用厚度为０．０１－０．０３５ｍｍ的Ｆｅ－Ｎｉ基非晶态合金薄片，裁剪成在顶端相连的三条臂带，三条臂带之间的夹角均为４５°，在每条臂带上裁剪一个“门”型破口，并垂直折起形成“门”型磁极，在每个磁极上都缠绕有励磁绕组的测量绕组，“门”型磁极与臂带本体形成封闭磁路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：石延平，
申请(专利权)人：淮海工学院，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]