鐵鎵合金拉壓型力傳感器的製造方法
2023-05-25 19:30:51
鐵鎵合金拉壓型力傳感器的製造方法
【專利摘要】一種鐵鎵合金拉壓型力傳感器，包括底座和安裝在底座上的殼體，以及底座和殼體固定連接後所具有的安裝腔。安裝腔中設有線圈骨架，線圈骨架外周面繞設有驅動線圈，線圈骨架上設有中心軸孔，該中心軸孔中安裝有鐵鎵合金磁致伸縮棒，鐵鎵合金磁致伸縮棒上繞設有拾取線圈且安裝有電阻應變片，鐵鎵合金磁致伸縮棒的一端與底座螺紋連接，鐵鎵合金磁致伸縮棒的另一端螺紋連接有輸出軸，輸出軸與鐵鎵合金磁致伸縮棒連接的一端位於中心軸孔中，輸出軸另一端穿過殼體顯露在外且輸出軸的該端部與殼體之間形成周向限位配合。結構簡單、便於組裝，可以對靜態力、動態力進行檢測，尤其是能夠對方向交變、大小隨時間變化的拉壓型負載進行連續的測量，還可以實現多變量的採集。
【專利說明】鐵鎵合金拉壓型力傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及磁致伸縮拉壓力傳感器【技術領域】，尤其涉及一種機械加工性能好的磁致伸縮材料Galfenol (鐵-鎵)合金為敏感元件的拉壓型力傳感器。
【背景技術】
[0002]力傳感器是一種能感受外力作用並將外力作用轉換成輸出電壓信號的傳感器。傳統的測力傳感器多為電阻應變式力傳感器、壓電式力傳感器和超磁致伸縮力傳感器。
[0003]電阻應變片力傳感器，通常包括由一個或多個能在受力後產生形變的彈性體，以及能感應這個形變量的電阻應變片組成的電橋電路(如惠斯登電橋)。當彈性體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，再通過電橋電路將應變片阻值變化以電壓信號輸出。但該方法存在對應變片的裝配精度要求很高，裝置結構複雜，且其線性工作區間小，動態響應較差等不足。
[0004]壓電式力傳感器主要的工作原理是利用壓電材料的正壓電效應:在某個固定方向的外力作用下，壓電晶體內部會產生電極化現象，在晶體的兩個表面上產生正負相反的電荷；當外力消失後，壓電晶體將會恢復到不帶電的狀態；電荷的極性隨外力方向改變而改變，晶體內部的電荷量與外力的大小成正比。壓電式力傳感器中的壓電材料使用和研究比較多的是壓電陶瓷，比如PZT(鋯鈦酸鉛壓電陶瓷)等等。壓電式力傳感器具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應較高，體積小，結構堅固等優點，但是由於要採集壓電效應中產生的電荷量，其不能用於靜態或準靜態力的測量，只能用於動態力的測量，同時由於壓電材料本身的脆性大，不能承受很大的外界載荷。
[0005]超磁致伸縮材料力傳感器的工作原理是利用超磁致伸縮材料的逆磁致伸縮效應:超磁致伸縮材料在某個固定的外力作用下，材料內部的磁化率發生變化，在給棒周邊施加外界磁場時，纏繞在磁致伸縮棒上的感應線圈內產生了磁感應電動勢，通過該電壓信號可以反映出外部力的大小。該傳感器可以同時對靜態和動態載荷進行測量，但由於超磁致伸縮材料本身脆性很大，不能承受過大的拉應力，因此不能對方向交變、大小隨時間變化的拉壓型負載進行連續的測量。
【發明內容】
[0006]為了克服現有技術的不足，本實用新型提供了一種結構簡單、便於組裝的鐵鎵合金拉壓型力傳感器，該力傳感器可以對靜態力、動態力進行檢測，尤其是能夠對方向交變、大小隨時間變化的拉壓型負載進行連續的測量。
[0007]為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案是:一種鐵鎵合金拉壓型力傳感器，包括底座和安裝在底座上的殼體，以及底座和殼體固定連接後所具有的安裝腔，其特徵在於:所述安裝腔中設有線圈骨架，線圈骨架外周面繞設有驅動線圈，線圈骨架上設有中心軸孔，該中心軸孔中安裝有鐵鎵合金磁致伸縮棒，鐵鎵合金磁致伸縮棒上繞設有拾取線圈且安裝有電阻應變片，鐵鎵合金磁致伸縮棒的一端與底座螺紋連接，鐵鎵合金磁致伸縮棒的另一端螺紋連接有輸出軸，輸出軸與鐵鎵合金磁致伸縮棒連接的一端位於中心軸孔中，輸出軸另一端穿過殼體顯露在外且輸出軸的該端部與殼體之間形成周向限位配合。
[0008]按上述方案，所述的線圈骨架呈「工」形結構置於安裝腔中，其線圈骨架的兩端與安裝腔內壁緊貼，線圈骨架兩端之間具有可供驅動線圈繞設的空間，線圈骨架的上端抵接著安裝腔上部內壁，線圈骨架的下端抵接著底座內壁。
[0009]按上述方案，所述的底座朝向安裝腔的端面設有與中心軸孔適配的安裝座，安裝座上開設有中心螺孔，鐵鎵合金磁致伸縮棒的端部與中心螺孔螺紋配合。
[0010]按上述方案，所述的底座外徑與安裝腔內壁貼合，底座的外端面邊緣延伸有與殼體邊緣抵接的延伸片，延伸片上設有緊固螺釘，緊固螺釘穿過延伸片與殼體固接。
[0011]按上述方案，所述的中心軸孔的孔徑大於鐵鎵合金磁致伸縮棒的外徑，中心軸孔的孔壁與鐵鎵合金磁致伸縮棒的外壁之間留有與拾取線圈或者應變片連接的引線穿過的間隙，底座上開設有可供引線穿過的引線通道。
[0012]按上述方案，所述的輸出軸與線圈骨架的中心軸孔配合處相對的另一端切割出銑扁端面，該銑扁端面與輸出軸外壁之間形成限位臺階面，殼體上開設有與該輸出軸端部適配的限位槽，該限位槽內壁與銑扁端面配合形成對輸出軸周向轉動的限位配合。
[0013]按上述方案，所述的鐵鎵合金磁致伸縮棒上還設有霍爾傳感器，拾取線圈安裝在鐵鎵合金磁致棒的中段，應變片安裝在鐵鎵合金磁致伸縮棒朝向底座的一端，霍爾傳感器安裝在鐵鎵合金磁致伸縮棒朝向輸出軸的一端。
[0014]由於採用上述方案，本實用新型結構簡單、便於組裝，可以對靜態力、動態力進行檢測，尤其是能夠對方向交變、大小隨時間變化的拉壓型負載進行連續的測量，還可以實現多變量的採集。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]附圖為本實用新型結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。
[0017]本實用新型的具體實施例如附圖所示，包括底座I和安裝在底座I上的殼體5，以及底座I和殼體5固定連接後所具有的安裝腔，安裝腔中設有線圈骨架2，線圈骨架2外周面繞設有驅動線圈3，線圈骨架2上設有中心軸孔21，該中心軸孔21中安裝有鐵鎵合金磁致伸縮棒4，鐵鎵合金磁致伸縮棒4上繞設有拾取線圈8且安裝有電阻應變片9，鐵鎵合金磁致伸縮棒4的一端與底座I螺紋連接，鐵鎵合金磁致伸縮棒4的另一端螺紋連接有輸出軸6，輸出軸6與鐵鎵合金磁致伸縮棒4連接的一端位於中心軸孔21中，輸出軸6另一端穿過殼體5顯露在外且輸出軸6的該端部與殼體5之間形成周向限位配合。
[0018]底座I和殼體5連接形成中心軸對稱的圓柱型結構，磁致伸縮棒4位於其中心處，線圈骨架2呈「工」形結構置於安裝腔中，其線圈骨架2的兩端與安裝腔內壁緊貼，線圈骨架2兩端之間具有可供驅動線圈3繞設的空間，線圈骨架2的上端抵接著安裝腔上部內壁，線圈骨架2的下端抵接著底座I內壁，而鐵鎵合金磁致伸縮棒4則安裝在線圈骨架2的中心軸孔21中，形成緊湊的安裝配合結構；且鐵鎵合金磁致伸縮棒4由於其良好的機械性能，可以在其兩端設置螺紋段，並通過螺紋段與輸出軸6和底座I連接，便於安裝和拆卸，提高搭建實驗裝置的裝配速度；鐵鎵合金磁致伸縮棒4的外周繞設有拾取線圈8即感應線圈，且還粘貼有電阻應變片9，當外部驅動磁場通電為鐵鎵合金磁致伸縮棒4提供外加磁場，並通過外力作用於輸出軸6上，由於上述輸出軸6與殼體5之間形成周向限位配合使得輸出軸6隻可沿其軸向移動而不會在周向上有轉動現象，當輸出軸6把外力作用傳遞給鐵鎵磁致伸縮棒4時，其內部磁化率發生變化，再通過拾取線圈8檢測磁化率變化引起的磁感應電動勢信號來確定外加負載的大小與方向。
[0019]底座I朝向安裝腔的端面設有與中心軸孔21適配的安裝座11，安裝座11上開設有中心螺孔，鐵鎵合金磁致伸縮棒4的端部與中心螺孔螺紋配合。安裝座11的外徑與輸出軸6位於中心軸孔21中的端部外徑匹配，中心軸孔21的兩端分別由安裝座11和輸出軸6的端部插設，形成一種平衡的兩端定位配合，結構更加穩定。
[0020]底座I外徑與安裝腔內壁貼合，底座I的外端面邊緣延伸有與殼體5邊緣抵接的延伸片，延伸片上設有緊固螺釘，緊固螺釘穿過延伸片與殼體5固接。底座I與安裝腔內壁貼合，且底座I外端面的延伸片與殼體5邊緣抵接，形成平整的連接面，外形整齊美觀，且外部通過螺釘鎖緊、固定，操作簡便。
[0021]中心軸孔21的孔徑大於鐵鎵合金磁致伸縮棒4的外徑，中心軸孔21的孔壁與鐵鎵合金磁致伸縮棒4的外壁之間留有與拾取線圈8或者應變片9連接的引線穿過的間隙，底座I上開設有可供引線穿過的引線通道13。中心軸孔21與鐵鎵合金磁致伸縮棒4之間留有一定間隙，使得拾取線圈8的引線、應變片9的引線可以由該空隙中引到殼體外部，當然也可以在中心軸孔21內壁上開設專門的引出線通道，但增加加工工藝步驟，費時又繁瑣。
[0022]輸出軸6與線圈骨架2的中心軸孔21配合處相對的另一端經銑扁機切割出銑扁端面61，該銑扁端面61與輸出軸6外壁之間形成限位臺階面，殼體I上開設有與該輸出軸6端部適配的限位槽，該限位槽內壁與銑扁端面61配合形成對輸出軸6周向轉動的限位配合。輸出軸6的端部通過銑扁機切割出銑扁端面61，該端面與輸出軸6外壁形成的臺階面與殼體5上的限位槽配合起到對輸出軸6的周向轉動限位，確保了鐵鎵合金磁致伸縮棒4在受外力作用時不會受到扭轉作用，減少幹擾，提高檢測數據準確性。
[0023]鐵鎵合金磁致伸縮棒4上還設有霍爾傳感器7，拾取線圈8安裝在鐵鎵合金磁致棒4的中段，應變片9安裝在鐵鎵合金磁致伸縮棒4朝向底座I的一端，霍爾傳感器7安裝在鐵鎵合金磁致伸縮棒4朝向輸出軸6的一端。霍爾傳感器7可以對施加在鐵鎵合金磁致伸縮棒4周圍的磁場強度進行測量。
[0024]當外部驅動磁場通電為鐵鎵合金磁致伸縮棒4提供外加磁場，並通過外力作用於輸出軸6上，由於輸出軸6與殼體5之間形成周向限位配合使得輸出軸6隻可沿其軸向移動而不會在周向上有轉動現象，當輸出軸6把外力作用傳遞給鐵鎵磁致伸縮棒4時，其內部磁化率發生變化，再通過拾取線圈檢測磁化率變化引起的磁感應電動勢信號來確定外加負載的大小與方向。
【權利要求】
1.一種鐵鎵合金拉壓型力傳感器，包括底座(1)和安裝在底座(1)上的殼體(5)，以及底座(1)和殼體(5)固定連接後所具有的安裝腔，其特徵在於:所述安裝腔中設有線圈骨架(2)，線圈骨架(2)外周面繞設有驅動線圈(3)，線圈骨架(2)上設有中心軸孔(21)，該中心軸孔(21)中安裝有鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)，鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)上繞設有拾取線圈(8)且安裝有電阻應變片(9)，鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)的一端與底座(1)螺紋連接，鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)的另一端螺紋連接有輸出軸￠)，輸出軸(6)與鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)連接的一端位於中心軸孔(21)中，輸出軸(6)另一端穿過殼體(5)顯露在外且輸出軸(6)的該端部與殼體(5)之間形成周向限位配合。
2.根據權利要求1所述的鐵鎵合金拉壓型力傳感器，其特徵在於:所述的線圈骨架(2)呈「工」形結構置於安裝腔中，其線圈骨架(2)的兩端與安裝腔內壁緊貼，線圈骨架(2)兩端之間具有可供驅動線圈(3)繞設的空間，線圈骨架(2)的上端抵接著安裝腔上部內壁，線圈骨架(2)的下端抵接著底座(1)內壁。
3.根據權利要求1或2所述的鐵鎵合金拉壓型力傳感器，其特徵在於:所述的底座(1)朝向安裝腔的端面設有與中心軸孔(21)適配的安裝座(11)，安裝座(11)上開設有中心螺孔，鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)的端部與中心螺孔螺紋配合。
4.根據權利要求3所述的鐵鎵合金拉壓型力傳感器，其特徵在於:所述的底座(1)外徑與安裝腔內壁貼合，底座⑴的外端面邊緣延伸有與殼體(5)邊緣抵接的延伸片，延伸片上設有緊固螺釘，緊固螺釘穿過延伸片與殼體(5)固接。
5.根據權利要求4所述的鐵鎵合金拉壓型力傳感器，其特徵在於:所述的中心軸孔(21)的孔徑大於鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)的外徑，中心軸孔(21)的孔壁與鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)的外壁之間留有可供分別與拾取線圈(8)或者應變片(9)連接的引線穿過的間隙，底座(1)上開設有可供引線穿過的引線通道。
6.根據權利要求5所述的鐵鎵合金拉壓型力傳感器，其特徵在於:所述的輸出軸(6)與線圈骨架(2)的中心軸孔(21)配合處相對的另一端切割出銑扁端面，該銑扁端面與輸出軸(6)外壁之間形成限位臺階面，殼體(5)上開設有與輸出軸(6)端部適配的限位槽，該限位槽內壁與銑扁端面配合形成對輸出軸(6)周向轉動的限位配合。
7.根據權利要求6所述的鐵鎵合金拉壓型力傳感器，其特徵在於:所述的鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)上還設有霍爾傳感器(7)，拾取線圈(8)安裝在鐵鎵合金磁致棒(4)的中段，應變片(9)安裝在鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)朝向底座(1)的一端，霍爾傳感器(7)安裝在鐵鎵合金磁致伸縮棒(4)朝向輸出軸￠)的一端。
【文檔編號】G01L1/12GK204255537SQ201420611453
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】李波, 李鵬輝, 李傳, 陳定方, 陶孟侖 申請人:武漢理工大學