范文一：压磁传感器

压磁式传感器的工作原理图解

压磁式(又称磁弹式)传感器是一种力,电转换传感器。其基本原理是利用某

些铁磁材料的压磁效应。

压磁效应 1.

压磁效应

铁磁材料在晶格形成过程中形成了磁畴，各个磁畴的磁化强度矢量是随机的。在没有外磁场作用时，各个磁畴互相均衡，材料总的磁场强度为零。当有外磁场作用时，磁畴的磁化强度矢量向外磁场方向转动，材料呈现磁化。当外磁场很强时，各个磁畴的磁场强度矢量都转向与外磁场平行，这时材料呈现饱和现象。

在磁化过程中，各磁畴间的界限发生移动，因而产生机械变形，这种现象称

为磁致伸缩效应。

铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而也使材料的磁化强度发生相应的变化。这种应力使

铁磁材料的磁性质发生变化的现象称为压磁效应。

铁磁材料的压磁效应的具体内容

材料受到压力时，在作用力方向磁导率减小，而在作用力垂直方向磁导率略有增

大;作用力是拉力时，其效果相反。

作用力取消后，磁导率复原。

铁磁材料的压磁效应还与外磁场有关。为了使磁感应强度与应力之间有

单值的函数关系，必须使外磁场强度的数值一定。

2. 压磁式传感器工作原理

压磁式传感器的工作原理

在压磁材料的中

间部分开有四个

对称的小孔1、2、

3和4，在孔1、2

间绕有激励绕组

N12，孔3、4间

绕有输出绕组N3

4。当激励绕组中

通过交流电流

时，铁心中就会

产生磁场。若把孔间空间分成A、B、C、D四个区域，在无外力作用的情况下，A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面，磁力线不与输出绕组交链，N34不产生感应电动势， 如图b所示。 在压力F作用下，如图c所示，A、B区域将受到一定的应力，而C、D区域基本处于自由状态，于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大，C、D区域的磁导率基本不变。这样激励绕组所产生的磁力线将重新分布，部分磁力线绕过C、D区域闭合，于是合成磁场H不再与N34平面平行，一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。F值越大，与N34交链的磁通越多，e值越大。

压磁式传感器结构

由压磁元件1、弹性支架2、传力钢球

3组成。

3. 压磁元件

压磁式传感器的核心是压磁元件，它实际上是一个力-电转换元件。压磁元

件常用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。

最常用的材料是硅钢片。为了减小涡流损耗，压磁元件的铁心大都采用薄片

的铁磁材料叠合而成。

冲片形状

4. 压磁传感器的应用

压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。目前，这种传感器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、纸张的张力，吊车提物的自动测量、配料的称量、金属切削过

程的切削力以及电梯安全保护等。

范文二：压磁传感器

压磁传感器 简介

一．电路图

阻流圈式传感器结构原理图

二．电路分析

图4.1是阻流圈式传感器结构图。阻流圈式传感器只有一个线圈，该线圈既作电源线圈也可以作测量输出线圈。给线圈通以交流电，铁芯在外力F 的作用下磁导率发生变化， 磁阻和磁通也相应地发生变化，从而使线圈的阻抗发生了变化，这个变化可以用多种方法检测。阻流圈式传感器可用来测量或控制压力。例如，用来做传送带运送物料的自动称重系统、矿井起重载荷的安全设备、铁路轨道接触器等。它还可以用来测量或控制拉力、无损检测各种构件的残余应力。阻流圈式传感器的优点是结构简单、使用可靠。

压磁式传感器的另一种常用结构为变压器式。变压器式传感器的电源线路和输出线路互相分离，他们之间只有磁的耦合。采用不同的变压系数可以得到不同的输出信号电压。各种结构形式的变压器式磁弹性传感器如图4.2

其中具有磁分流的变压器式传感器未受力时，励磁线圈所产生的磁通，主要通过铁芯的中心磁路来形成回路，通过测量线圈所围绕的铁芯的磁通则很少。在外力F 作用下，导磁体在中心磁路部分的磁阻增大，一部分磁通分流到测量线圈所围绕的铁芯上，从而在测量线圈产生感应电压。

压磁式传感器在结构上大体是由压磁元件和线圈组成。压磁元件是由铁磁材料薄片用胶黏剂粘结而成的元件，所用材料一般为硅片、合金等。由于硅钢片的性能稳定，因此在实际应用中大多是采用硅钢片。为了获得搞的灵敏度，获得大的测量范围，改善线性，常采用不同结构的冲片，压磁式力传感器的常用冲片有四孔圆弧形冲片、六孔圆弧形冲片、“中”字形冲片、“田”字形冲片及多联冲片等。

三．知识要点

1. 压磁效应：压磁式传感器也称为磁弹性传感器，它是利用铁磁材料的压磁效应制成的传感器。压磁效应是指一些铁磁材料在受到外力作用后，其内部产生应力，引起铁磁材料磁导率变化的物理现象，具有压磁效应的磁弹性体叫做压磁元件。 受力作用后，磁弹性体的磁阻或磁导率的变化量与作用力成正比，通过特定的测量电路测出磁阻的变化量即可测出作用力的大小。压磁式力传感器可以实现力-磁变换，输出信号大、测量电路一般不用放大器、抗干扰性好、过载能力强、结构简单、经济适用、可在恶劣环境下工作；其缺点是反应速度低，测量准确度不够高。

引起压磁式力传感器测量精度不够高的原因有：

（1）压磁传感器的主要误差是温度误差，主要因为压磁材料的磁化特性受温度影响较大，使用时需要加温度补偿。

（2）磁弹性滞坏，有铁磁材料的压磁引起。

（3）电池影响。

2. 压磁式传感器工作原理：强磁性体在没有外磁场的作用下，各个磁畴互相均衡，

材料总的磁化强度等于零；外磁场作用时，平衡被破坏，磁畴的磁化强度方向都转向外磁场方向与外磁场平行，磁性体呈现磁饱和现象：当强磁体处于磁场中时，强磁体内部各小区域的磁畴发生旋转，这种旋转可以使强磁性体沿磁场方向产生微小的伸长。还有些铁磁物质具有负应变特性。通常将磁性体在磁场方向上发射发生的伸缩现象称为磁滞伸缩效应（焦耳效应）

在铁磁材料上绕有线圈后，磁回路磁阻的变化将引起线圈阻抗的变化。铁磁材料上绕有两组线圈，一组励磁线圈，另一组为测量线圈。铁磁材料磁导率的变化将引起线圈间耦合系数的变化，使输出电动势发生变化。通过相应的测量电路，就可以根据输出值得出外作用力的大小。

铁磁材料产生压磁效应时，如果作用力是拉伸力，则在作用力的方向上磁导率u 升高，与作用力垂直的方向上磁导率u 下降；如果作用力是压缩力，则在与作用力垂直的方向上磁导率u 升高，而在作用力的方向上磁导率u 下降。

3. 压磁式传感器的结构可分为：阻流圈式、变压器式、桥式、应变式等。期中阻流圈式、变压器式及桥式使用较多。

范文三：压磁电感式汽车电喷发动机进气压力传感器的研究

2011年 第5期

仪表技术与传感器

Instnlment TechIlique 锄d Sensor

201l No.5

压磁电感式汽车电喷发动机进气压力传感器的研究

石延平,周庆贵

(淮海工学院机械系,江苏连云港2220惦)

摘要:为准确检测汽车电喷发动机进气压力,对一种利用Fe基非晶态合金压磁效应实现发动机进气压力检测的方法 进行了可行性研究。首先,设计了一种膜片压磁电感式压力传感器,论述了这种传感器的结构、工作原理、输出特性以及 主要参数的选择。然后,通过试验,分析了传感器的静态特性以及温度对输出的影响。试验结果表明,文中设计的传感器 最大静态误差为1.17%,最大灵敏度为0.7374mV/kPa,温度零点漂移为O.936%F?S/℃.另外,传感器结构简单、工作 可靠、温度稳定性高,用于检测发动机进气压力是可行的。

关键词:进气压力;汽车发动机;Fe基非晶态合金;压磁效应

中图分类号:TP212.1文献标识码:A 文章编号:1002一1841(2011)05—0009—03

Manifold Absolutely Pressure Sensor of Auto Electrical Jet Engine Based on Magnetoelasticity Effect

SHI YaIl-ping,ZHOU Qing—gIIi

(DeparhII蚰t of Mechanical Engi龇ering,Huaillai I璐廿tute of T优hnolo留,Li粕”mgang 2220惦,Cmna)

Abstract:In order to me船ure the manifold pressure of auto electrical jet en西ne accurately,山is paper researched山e feasibili-ty of en差;ine manifold pressure measuring metllod using the Fe_base锄orphous alloy.The 6lm inductallce pressure sensor w踮de— signed and its叩emtion principle,stnlcture,output characteristic and tlle choice of some major pammeter were discussed.Through t}Ie

experiment,its

static characteristic and the temperature influence on t}le output were蚰alyzed.The experimentaI result shows t王le static error 0f the 8en80r designed is ma)【imum 1.17%and the maximum sensitivity is 0.7374mV/kPa,the tempemture zem

drift is 0.936%FS/℃,aIld it has tlle characteristic such as higher

temperature

stability蛐d reliability,simpler stmcture,and it is feasible to measure the manifbld pres8ure 0f the auto electrical jet en画ne.

Key words:manifold pressure;guto en画ne;Fe—bE培e锄orphous alloy;magnetoel够ticity eH.ect

O引言

在有电喷系统的汽车发动机中,采用进气歧管绝对压力传 感器(MaIlifold Abs01utely Pressure Sensor,MAP),根据发动机的 负荷状态,检测出进气歧管内绝对压力的变化,并转换成电压 信号输送到Ecu中,作为决定喷油器基本喷油量的依据。MAP 传感器一般安装在节气门后部的进气歧管上,因在发动机附 近,所以要求传感器工作可靠,抗干扰能力强,工作温度范围宽 (一20~120℃)。常用的MAP传感器为厚膜压阻式,虽然它有 很多优点,但不足的是制造工艺复杂,非线性误差大,温度稳定 性差。目前,带有温度补偿的压阻式MAP传感器主要靠进口, 价格要比无补偿的高出3—4倍¨。2J。所以,文中对基于Fe基 非晶态合金检测有电喷系统的汽车发动机的进气压力进行研 究,意图寻求一种能在较大的温度变化范围内稳定工作,结构 简单的MAP传感器。

1结构与原理

如图l(a)所示,压磁电感式MAP传感器主要由非晶态合 金应变计、座体、真空室等组成。非晶态合金应变计是关键元 件,它由厚度为s,半径为R的两片粘接在一起的Fe基非晶态

基金项目:江苏省海洋资源开发研究院科技开放基金项目(JsIMR0980r7) 收稿日期:2010—09—26收修改稿日期:201l一02—25 合金膜片组成。在上膜片沿半径为,的圆周上,裁剪宽度为^, 略凸起的4个磁极,并在其上分别缠绕激磁线圈Ⅳl和检测线 圈Ⅳ2,如图1(b)所示。由于是初步的可行性研究,所以没有像 厚膜压阻式MAP传感器那样,将运放、电源调节电路等集成于 传感器内。

塞巍:蔗 孙 鞠鹕敲数 乡

r~进行歧管负压焘曲 阱座1

}‘羚够片下膜j

雨j潞匙??百70

(a) (b)

圈1传感结构

当发动机工作时,封装在真空室内的非晶态合金膜片,由 于一侧受进气压力的作用,另一侧是真空,所以在进气歧管压 力发生变化时,膜片产生变形。平面膜片属于非线性膜片,即 压力与变形量之间成非线性关系。但是,当膜片位移量很小 时,压力与变形量之间的关系可以认为是线性的¨1,即

10Instnlment

TechniqIIe锄d S蚰sor

Mav.2011

△cm,导致以增加。则测量线圈中的感应电压有效值的增量

(1)

为

式中:占,为膜片上半径为r处的径向变形;岛为膜片上半径为r 处的切向变形,在膜片r一0.58R处,占,=0;p为进气压力;6为 非晶态合金膜片厚度;E和矽分别为非晶态合金合金的弹性模 量和泊桑系数。

在激磁线圈Ⅳl中通入一定频率的交流电时,在下膜片和 上膜片磁极之间形成封闭磁路。当膜片上有变形时,根据非晶 态合金的压磁效应,磁路中的磁导率将发生改变,即磁阻改变, 致使磁路中的交变磁通变化,从而在检测线圈中产生感应电 压。

2输出特性

当传感器激磁绕组通入一定频率的激磁电流时,激磁线圈 中便产生了交变磁通,磁力线的闭合回路如图2所示。

磁力线 F曛片

图2传感器的结构与原理

根据磁路定律,磁路中的瞬时磁通为:

妒:辫

(2) 妒21-_]了

【z)

弘fS。7pjrS吨

式中:脚为Fe基非晶态合金的绝对磁导率;sm.和s砬分别为磁 极和下膜片中磁路的截面积(都可看作磁极截面积);zm.、k分 别为磁极和下膜片中磁路的长度(都可看作磁极长度);Ⅳ,为 激磁线圈匝数;,。为激磁线圈中电流的有效值;∞为激磁电流 的圆频率。

由法拉第电磁感应定律知:

e::一函c。Ⅳ1Ⅳ2^cos埘

(3)

式中:e:为测量绕组中的感应电动势;Ⅳ2为测量线圈匝数;cm

为

cm

2瓦气

(4)

瞰sn j讳fs正

测量线圈中的感应电压的有效值为以

以:蝗罂

(5)

‘

√最+砭

式中:R为负载的有效电阻;n为测量线圈的有效阻抗;石。为 测量线圈的无效阻抗;c。为传感器输出感应电压的幅值。

根据非晶态合金的压磁效应,c。仅随蜥的变化而变化,此 时脚为Fe基非晶态合金薄带的磁导率,是膜片应变的函数,即

舰:岛她

(6)

式中砗为压磁灵敏度系数。

根据压磁效应,当拉应变B增加△B,晰增加△脚,cm增加

△以:型型些些

(7)

‘

￣/r2+研

3主要技术参数的确定

技术参数主要包括:膜片材料的结构与性能参数;应变计 线圈匝数、磁场强度以及激磁电流的强度与频率等。

根据铁磁物理学,压磁材料的相对磁导率变化与机械应力 8之间有如下的关系H1:

等=警脚

@’

p

压

式中:占为机械应变;p为压磁材料的磁导率;A。为压磁材料的 饱和磁致伸缩系数;曰。为压磁材料的饱和磁感应强度;E为压 磁材料的弹性模量。

从式(8)可知,当压磁材料的饱和磁致伸缩系数A。大、磁 导率卢越大,而饱和磁感应强度曰。小,压磁灵敏度就越高。近 年来,非晶态合金在传感器技术中应用的越来越广泛。压磁效 .应实质上是铁磁材料内磁系统和机系统的转换”J,这种转换效 率高,传感器的灵敏度就高。非晶态合金磁一机转换效率的高

低,用材料的机电耦合系数表示。Fe基非晶态合金大多具有很

高的机电转换效率,经过适当的退火处理,其机电耦合系数可 进一步提高。如Fe船simB,:非晶合金经磁场退火处理,其机电

耦合系数可达0.75。非晶态合金还具有低磁滞和高电阻率,因 此可大幅度减少的铁芯损耗以及允许更高的激磁频率,有利于 提高传感器的灵敏度、线性度以及动态响应速度。另外,非晶 态合金组织结构均匀,不存在阻碍畴壁运动的晶界或析出物, 因此可望获得比晶态更高的磁导率p和更小的矫顽力Ⅳc.除此 之外,Fe基非晶态合金的居里温度高达410℃,可以在180— 210℃以下稳定工作∞“J。所以选择Fe基非晶态合金作为膜 片是可行的。目前,常用的国产Fe基非晶态合金的主要性能

参数为:饱和磁感应强度凰=1.50T,居里温度死=410℃,饱

和磁致伸缩系数A。=27×lO一,电阻率p=130岫?cm,最大

导磁率肛>25×104,抗拉强度盯。=1

500

MPa,硬度矾=960

培/mm2.如沿磁极轴向预先进行纵向磁场退火处理,将能获得

更大磁导率。

膜片厚度s可按下式计算H1

(9)

式中:p为进气压力;R为膜片直径;crb膜片材质允许应力。

膜片的固有振动频率可由下式计算

纠用七蒜高

Q∞

式中‰为膜片单位厚度的质量。

由式(9)可知,当膜片厚度s增加而直径R减小时,传感器 的固有频率增加,而灵敏度下降;半径愈大,膜片愈薄,固有频 率愈低,灵敏度愈高。由于制造工艺复杂,目前厚膜压阻式压

力传感器的膜片厚度通常无法小于O.25栅,而Fe基非晶态合

罐

萨

铲 一

一

一

卫姚卫姚

=

=

co

占

第5期 石延平等:压磁电感式汽车电喷发动机进气压力传感器的研究

金薄带的厚度为o.03咖.另外,Fe基非晶态合金的弹性模量 E也比硅晶体的弹性模量小大约20%左右,所以,从理论上来 看,基于Fe基非晶态合金的压磁电感式MPA传感器有更高的 灵敏度。

压磁电感式MAP传感器的灵敏度和精度在很大程度决定 于压磁材料的磁场强度,而磁场强度取决于激磁绕组匝数。最 佳磁场强度是外加作用力所产生的磁能与外磁场及磁畴磁能 之和接近相等,而且工作在磁化曲线(曰一日曲线)的线性段,这 样使压磁材料的磁导率成为应变的单值函数¨1。

根据文献[4],对于非晶态合金,可选择H=200A/m.激磁 电流可根据下式求得:

,一生』 (11) ‘一Ⅳl

式中:H为磁场强度;z为铁芯长度;,为激磁电流强度。

当选择不同激磁频率后,根据下式得激磁电压

以:J.。伍丽—万 (12) 式中:R为绕组直流电阻(略去铁损)扩为激磁频率;L为绕组电 感值。 4可行性测试

MAP传感器的负压标定试验原理如图3所示。传感器置 于专用高低温箱,由数字温度计测量温控箱内的温度。吸气压 力由真空泵产生,稳压罐用于消除真空泵工作时产生的压力脉 动。通过改变调节阀的开度调节管路内的空气压力,试验中各 校准点的空气压力由u形压力计指示,传感器输出电压由数字 多用表测量。作为可行性基础研究,试验内容主要包括传感器 在不同温度时的静态特性,不同激磁电流强度、频率以及绕组 匝数等对传感器输出特性的影响。

大气

●

大矩亘№亘艟亘№固骨大气

:二E=.\

I.jJ型.I温控箱

l压力计I一…

图3测试系统框图

表1所示为室温(25℃)下的试验数据。表中的标定压力 是根据u形压力计所测压力差所转化的绝对压力。

表l传感器在25℃时的静态试验数据

根据表1所试验数据求得重复性误差为1.08%。利用最 小二乘法,分别求3次正反行程测试的平均线性度和灵敏度。 其中正行程最大非线性误差为1.45%,灵敏度为0.7305血v/ kPa;反行程最大非线性误差为1.55%;灵敏度为O.7374mv/ kPa.传感器的静态误差按下式计算

6.:±丝兰卫×100%(13)

’

y髓

式中:y聘为平均满量程输出;圹为标准偏差。

用贝塞尔公式计算,即盯=,盯的前置系数取 3。根据表l求得最大静态误差为1.17%。

表2所示为传感器在没有进行温度补偿时,不同温度不同 压力下的电压输出。从表2中可以看出传感器有一定的温度 零点漂移,其值为O.936%F?s/。c.但传感器的输出灵敏度在 0qC以上,基本不随温度变化而改变。从总体上来看,压磁电感 式MPA传感器的温度稳定性优于压阻式MPA传感器。根据 理论分析,造成压阻式MPA传感器温度稳定性差的主要原因 是,半导体晶体材料的泊松比∥及弹性模量E随温度的变化而 较大地改变。但对于非晶态合金材料具有较好的Elinv盯特性, 即材料的特性模量在一定的温度范围内保持相(下转第19页)

第5期 樊洁等:便携式分光测色仪电路设计 19

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作者简介:樊沽(1986一),硕士,主要从事硬件电路的设计。

E一Ⅻlil:铡iehaIIa@126.嗍

(上接第11页)对恒定的特性,特别是当非晶态合金中B(硼) 的含量为15一18%时,在材料的居里温度以下时,弹性模量E 的变化非常小‘61。所以压磁电感式MPA传感器的膜片材料, 应选Fe基Fe—B系列的非晶态合金。另外,压磁电感式MPA 传感器的原理是基于压磁效应,即式(7)中的饱和磁致伸缩系 数A。所表征的特性。对于非晶态合金材料,当环境温度低于 该材料的居里温度砭时,A。值近似为常数。

表2不同温度时的静态试验数据

根据式(7),传感器测量绕组的输出感应电压与激磁电流 强度、激磁频率以及绕组匝数成正比,即在相同载荷下,增大上 述几项参数可以提高传感器输出灵敏度。

根据铁磁学原理,一般晶体软磁材料,当磁化频率提高时, 材料磁导率会下降,但对大多数非晶态合金,即使磁化频率高 达几百kHz时,甚至更高,其磁导率仍然很高¨J。

激磁频率的选取还涉及到MPA传感器的动态特性。MPA 传感器的动态特性直接关系到电控单元(Ecu)中抗混叠滤波 器的设计和信号采样速率的确定,为了瞬态空燃比的精确控 制,要求具有有限响应时问的MAP传感器必须能及时准确地 复现发动机的泵气脉动。为了复现进气脉动,MAP需满足.矗≥ 纸o““,其中以为MAP的带宽频率,取决于传感器膜片的固有 频率二,而工为发动机的脉动基频,取决于发动机的转速。显 然传感器的激磁频率最终要根据发动机的转速选取。缩系数 As所表征的特性。对于非晶态合金材料,当环境温度低于该材 料的居里温度孔时,A。值近似为常数。

5结束语

通过上述理论与试验分析,可以认为利用Fe基非晶态合 金检测汽车电喷发动的进气压力是可行的,与厚膜压阻式MAP 传感器相比,其主要优点是:

(1)温度零点漂移低,其值为0.936%F?s/℃,若采取适 当的补偿,将能获得更好的温度稳定性;

(2)结构简单,制造成本低,工作可靠;

(3)由于非晶态合金膜片厚度可以做到比目前压阻式 MPA传感器膜片厚度小10倍,所以其检测灵敏度高。

尚待研究的问题是关于传感器的动态性能,磁屏蔽以及一 定范围的温度补偿等问题。

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E-mail:a11iyp58@y8ll∞.伽.衄

范文四：机电科更换压磁传感器常规安全技术措施

机电科更换压磁传感器常规安全技术措施

一、适用范围：-600装载、-800装载。

二、操作准备：

1. 提前准备手拉葫芦、万用表等工具。

2. 井下更换压磁传感器作业提前检验瓦斯是否超限。

3、提前准备好压磁传感器及其底座。

三、安全技术措施：

1. 参加更换压磁传感器人员持证上岗，明确工作内容及安全注意事项。

2. 井下更换压磁传感器作业前必须检验现场瓦斯是否超限，若瓦斯超限，禁止作业。

3. 提前准备压磁传感器底座和完好的压磁传感器。

4. 参加更换压磁传感器人员严格落实高低压停合电制度并落实过程性安全确认。

5. 压磁传感器更换完毕后，必须重新校准称重表。

6. 参加更换压磁传感器人员听从现场负责人的统一指挥，严禁自作主张。

7. 更换压磁传感器前、后必须通知科调度站。

8. 施工中严格落实过程性安全确认，严禁出现磕手碰脚等现象

9. 提前检修好起重工具，保证6倍以上安全系数。

10. 班前、班中严禁饮酒，施工中必须佩戴劳保用具。

11. 参与更换压磁传感器人员必须提前到位，现场待命。

12. 压磁传感器更换完毕后，由现场负责人检查一遍，确认无误后，清理现场，汇报科调度站。

范文五：附加式压磁测力传感器在动态称重轨中的应用

附加式压磁测力传感器在动态称重轨中的应用

1 2 3石延平, 石轶非, 张永忠

(1. 淮海工学院机械系 ,江苏 连云港 222005 ; 2. 华中科技大学电子科学与技术系 ,湖北 武汉 430074 ;

3. 中国矿业大学机电工程学院 ,江苏 徐州 221008)

摘要 : 根据剪力型动态称重轨的工作原理 ,对应用附加式压磁测力传感器动态称重进行了可行性研究 。设计 了一种三磁极压磁测力传感器 ,推导出这种传感器的输出方程 ,并分别在材料试验机与矿山有轨运输轨道上进行 了静态特性标定试验和实试验 。试验结果表明 ,这种传感器能够达到 5 mVΠkN 的测试灵敏度和小于 2. 7 %的不重 复精度 。另外 ,这种传感器结构简单 、安装方便 、坚固耐用 ,将其应用动态称重轨是可行的 。

关键词 : 计量学 ;压磁效应 ;测力传感器 ; 称重轨

() 文章编号 : 100021158 20070420360205 中图分类号 : TB931 文献标识码 : A

Applic atio n of t he Att a c he d Fo rc e Se n so r B a s e d o n Ma gneto ela stic

Eff e ct in t he Dyna mic Weighing Rail

1 2 3SHI Yan2ping, SHI Yi2fi, ZHANG Yong2zhong

(1. Dept . of Mechanical Engineering , Huaihai Institute of Technology , Lianyungang , Jiangsu 222005 , China ;

2. Dept . of Electric Science and Technology , Huazhong University of Tcchnology , Wuhan , Hubei 430074 , China :

)3. Institute of Mechanical and Electrical Engineering , China University of Mining and Technology ,Xuzhou , Jiangsu 221008 ,China

Abstract : According to the principle of the weighing rail by testing shear force ,the application of magnetoelastic force sensor in the dynamic weighing rail is discussed. A kind of magnetoelastic force sensor with three magnetic poles is designed , and its ou2t put mathematical model is also derived. The static experiment and dynamic experiment of the sensor are respectively made on a material testing machine and the mine haulage rail . Results show that measuring sensitivity and precision of the sensor respectively achieves 5 mVΠkN and 2. 7 %. Moreover , this kind of sensor structure is simple , firm , durable and convenient for installation , so it is feasible to apply the sensor for the dynamic weighing rail .

Key words : Metrology ; Magnetoelastic effect ; Force sensor ; Weighing rail

全不要基坑和秤台 ,不改变原有轨下基础 ,所以安装

方便快捷 。另外 ,它称量速度高 ,最高可达 70 kmΠh , 1 引言

称量误差为 5 % ,而在 30 kmΠh 范围内 ,称量误差低

1 在铁路 、矿山 、港口 、电力 、冶金等广泛采用轨道 于 3 % ,不计量时不限速。显然 ,这种称重系统的

运输的行业 ,对运输货物进行测重的设备称为轨道 传感器应具有信号强 、响应速度快 、可靠性高 、结构

衡 。轨道衡的作用不仅是计量 ,它还具有防止运输 坚固 、寿命长 、适应室外恶劣工作环境等特点 。

车辆偏载 、超载 ,保障运输安全等功能 。

2 ,3目前 ,经济发达国家广泛采用的轨道衡为无坑 2 剪力型动态称重轨的工作原理 () 基动态轨道衡 ,或称称重轨 Weigh Rail,它是利用

传感器测量普通钢轨或经过特制的钢轨在车辆通过 目前国际上动态称重轨主要有两种类型 ,第一种

时的变形量来实现称重的系统 。这种动态称重轨完 是测量当车轮通过时钢轨的弯矩变化 ,称为弯矩型 ;

收稿日期 : 2005209219 ; 修回日期 : 2005212207

基金项目 :江苏省教育厅自然科学基金 (03 KJD460035)

作者简介 : 石延平 (1958 - ) ,男 ,陕西延安市人 ,淮海工学院机械系教授 ,博士 ,研究方向 :测控技术 。

第 28 卷 第 4 期石延平等 :附加式压磁测力传感器在动态称重轨中的应用 361

() ( ) 第二种是测量当车轮通过时钢轨的剪应力变化 ,称为锰锌铁氧体。其工作原理如图 2 a所示 。 铁氧体

在中间磁极 D 上缠绕励磁线圈 ,两侧磁极 E和 E上 剪力型 。剪力型称重轨的工作原理如图 1 所示 。 剪1 2

缠绕测量线圈 ,两线圈正向串连 。测力时 ,将传感器 力型称重轨是当车辆通过称重区时 ,钢轨因 紧贴于钢轨腹板中性轴上主应力方向 。根据压磁效 ( ) 加载发生弯曲弯形 ,钢轨中性轴 图中 0 - 0以上的 μ 应 ,被测铁磁材料的变形导致磁导率 的变化 , 在 部分受到压力 ,中性轴以下的部分受到拉力 ,中性轴 材料中不同方向的变形导致不同方向的磁导率的不 上任意一点既不受压又不受拉 ,属于纯剪切应力状 同 ,磁导率的变化对整个磁路来说 ,就是引起磁阻变

σ态 ,在该点沿 45?为最大主应力 方向 , 沿 135?方 max 化 ,磁阻的变化又引起磁通量的变化 ,一旦磁通量变

化 ,就会在测量线圈产生感生电压 。 σ向为最小主应力 方向 。因此 , 可在钢轨中性轴 min

位臵沿主应力方向安装剪切力称重传感器 ,通过剪

切力信号大小进行称重 。图 1 所示为这种称重轨的

工作原理 。图中称重轨支承于 AB 上 ,支距为 S ;M 、

N 为钢轨上的两 个 截 面 , 分 别 离 支 承 点 距 离 为 m 。

W 为轮重 ,当 W 的位臵 x 变化时 ,在 M 、N 截面中性

轴上的剪力 Q和 Q也随之变化 。当轮重位于 M 、 M N

N 截面之间时 ,两截面上的剪力合成为一常量 ,其值 图 2 传感器的结构及磁路示意图 即为轮重 。 ( ) 传感器的磁路分析如图 2 b所示 ,当励磁线圈

接通具有一定频率的交流电时 ,便在励磁磁极上产

生了交变磁通 <>< 平均分成=""><和><穿过与钢轨腹 1="" 2="">

(板侧面的间隙 ,进入钢轨腹板侧面内部 进入深度与

) 励磁电流的频率有关,再通过测量磁极回到励磁磁

极 ,形成一个封闭的磁回路 。

根据磁路定律 ,磁路中的瞬时磁通为 :

e 1 ()1 < =="" r+="" r="" +="" r="" +="" r="" +="" r="" +="" r="" +="" r="" a="" b="" o="" ec="" ed="" ob="" oa="">

式中 , e为磁动势 ; r、r、r分别为励磁磁极和测量 1 O A B 图 1 剪力型称重轨的工作原理 磁极下的气隙 磁 阻 ; R 、R 分 别 为 封 闭 磁 路 中 钢 EC ED

目前 ,在以测量轨道变形为核心的无坑基动态 轨腹板侧面上 EC 段和 ED 段磁阻 ; R、R分别为 OA OB 轨道衡中 ,主要采用电阻应变片和塞孔型压磁剪力 封闭磁路中磁芯上从励磁磁极至两个测量磁极的磁

δδδμμμ传感器 。电阻应变片有较高的测试灵敏度和精度 , 阻 , 其 中 r= ΠS, r= ΠS, r= ΠA Ao MA B Bo MB O Oo

δδδS,而 = = , S= S = SΠ2 ; r+ MO A B O MA MB MOA 但要将应变片长期牢固地粘贴于钢轨上依然是一个

难题 。中国铁道科学院于 1986 年研制成功了塞孔 μr+ r= 5 r; R + R = R= lΠha ; R+ B O O EC ED CD CDCD OA 式压磁传感器 ,并在郑州 、丰西等近 50 多个编组场 μ( ) μR= R= 1ΠlΠS。在上述式中 ,为空OB M M Mi Mi o ?使用 ,效果良好 。塞孔式压磁传感器信号强 、可靠性

( ) 高 、结构坚固 ,寿命长 不少于 500 万次,很适应室 δδ δ 、及 分别为测量磁极和励磁磁; 气的磁导率 A B O 外恶劣工作环境 。但由于轨道变形时 ,应力先要穿 极下的气隙厚度 ; S 、S 及 S 分别为钢轨腹板侧 MA MB MO 过磁芯柱才能使其磁导率发生变化 ,所以这种传感 面上相对应测量极和励磁极的端面投影面积 ; R为M 器响应慢 ,限制了被测车辆车速的提高 。另外 ,安装 封闭磁路中钢轨腹板侧面段的总磁阻 ; l为钢轨腹 CD 这种传感器时要先在钢轨腹板上钻 1?30 锥度的孔 , 板侧面上对应两个测量磁极间的磁路长度 ; a 为被 该孔的加工精度要求较高 。本文研究的附加式压磁 测材料内磁路的平均宽度 ; h 为磁通在钢轨腹板侧 测力传感器能够弥补上述两种传感器的缺陷 。 μ面穿透深度 ;为钢轨腹板侧面上对应两个测量磁 CD

μ极间的绝对磁导率 ;为磁芯材料绝对磁导率 ; S M Mi 4 ,5为传感器磁芯中从励磁磁极到测量磁极各段截面面 3 附加式压磁测力传感器的工作原理

积 ; l为传感器磁芯中对应 S各段的磁路长度 。 Mi Mi

该传感器采用三磁极“E”型整体铁芯 , 材料为

计量学报2007 年 10 月 362

() δμd d则式 1可写为 : o B CD A - 2 ω 2 N N I d t d t μ1 2 1 CD e 1e= 2 ωωcost + sint B = < =="" b="" δ="" a+="" +="" c="" r="" 5="" r="" +="" r="" +="" δ="" a+="" +="" c="" o="" o="" m="" cd="" 2="" o="" μ="" μcd="" cde="" 1()2="" ()7="" δ="" 5="" l="" l="" o="" micd="" 1="" +="" ρ="" +="" μμμ="" s="" ha="" so="" mocd="" mmi="" δμd="" dob="" cd="" a="" -="" 2="" d="" t="" d="" t="" μω="" 2="" n="" n="" i="" lcd="" 1="" 2="" 1="" lcdmi="" 5="" 1="" 令="" a="," b="1" ,="" k="1" 令="" a="," b="C" =="" ,="" 又,="" b="" μμ="" sha="" s="" o="" momimδδ="" a+="" +="" c="" a+="" +="" c="" o="" 2="" o="" μμ="" cdcdπe="iN=" 2="" nisin2f="" t="" 。式="" 中="" ,="" n励="" 磁="" 线="" 圈="" 的="" 匝="" 1="" i="" 1="" 1="" 1="" 1="" ()="" 应用三角变换公式="" ,式="" 7:可写为="" 数="" ;="" i为励磁线圈中电流的有效值="" ;="" f="" 为励磁电流的="" 1="" ωφ)(e="KKsin" t="" +="" 2="" 1="" 2="" ()8="" ()="" 频率="" ,="" t="" 为时间="" 。则式="" 2可改写为="" :="">

式中 , π2 INsin2f t 1 1 ()3 < =="" 2="" b="" δμd="" d="" ocd="" b="" δa+="" +="" c="" o="" a="" -="" -="" μ="" cd2="" d="" t="" d="" t="" μ="" cd2="" 2="" ()9="" a="" +="" b="1" +="" k="2" 由法拉第电磁感应定律知="" :="" b="" δa+="" o="" 2="" μ+="" c="" cd="" d="">< ()4="" e="-" n="" 2="" 2d="" t="" δμd="" d="" o="" b="" cd="" a="" -="" 2="" d="" d="" ttμ="" cd="" a="" 式中="" ,="" e为测量线圈瞬时电动势="" ,="" n为测量线圈匝2="" 2="" φ="" ()="arctg" =10="" b="" b="" δa+="" 数="" 。="" 2="" o="" μ+="" c="" cd="" ()="" 在式="" 3中="" ,="" c="" 是常数="" 。如果钢轨只承受静态应="">

因此 ,传感器测量线圈中电动势的最大值可写为 : δ力 ,且没有干扰载荷作用 ,则 为常量 ,静态应力使 o

E= KK= 2 1 2 μΔμΔμμμ变为 +或 - ; 如果钢轨承受动 载荷 ,CD CD CD CD CD

δμ且在干扰载荷的作用下 ,使 也可能为变量 , 而且 o CD 2 μδd dB CD oA - 2 σ也是应力 的函数 。 ω 2 N N I d t d t 1 2 1μCD ()11 1 + B B () 对于静态应力 ,根据式 4,有 : δA+ + C o δA + + C o 2 μ CDμ CD

则传感器测量线圈中电动势的有效值为 : d < ππ()2f="" knnicos2f="" t="" 5="" e="-" n="-" 2m="" 1="" 2="" 1="" 2="" 2="" d="" t="" 2="" μδd="" db="" cd="" oa="" -="" 2="" 1="" ω="" nni="" e="" d="" t="" d="" t="" 1="" 21="" μ2cd="" 式中="" ,k="m" =="" 1="" +="" e="2mag" b="" b="" b="" δa+="" +="" c="" o="" 2="" δa+="" +="" c="" o="" δa+="" +="" c="" μ2="" o="" δμ?="" cd="" cdμ="" μcd="">

() 由式 5,此时在测量线圈输出与励磁电流可以看出 ()12 δ同频率 、但幅值不同的感应信号 。对于动态应力 , o传感器的测量线圈绕组输出端接有测量仪器和 μ() 和 都是变量 ,则根据式 4得 : CD 电路 ,可将其视为传感器测量线圈的有效负载 ,则测

d i11 量线圈输出接线端子上的交流电压为 : -d < b="" d="" t="" e="-" n="-" nn2="" 2="" 1="" 2="" δd="" t="" a="" +="" +="" c="" o="" μ="" cd="" er2mag="" l="" (="" )="" 13="" u="U=" 2="" μ2="" 2δd="" doi="" b="" cd="" 1r+="" x="" 2="" 2="" a="" -="" 22="" μd="" t="" d="" t="" ()6="" b="" cd="" δa+="" o="" 式中="" ,="" r为负载的有效电阻="" ;="" r为="" 测="" 量="" 线="" 圈="" 的="" 有="" 效l="" 2="" μ+="" c="" cd="" 阻抗="" ;="" x测量线圈的无效阻抗="" 。则传感器的电压输="" 2="" d="" i="" 1出方程为="" :="" ππ()="" 将="-" 2="" 2f="" cos2f="" t="" 代入式="" 6,并整理得="" d="">

第 28 卷 第 4 期石延平等 :附加式压磁测力传感器在动态称重轨中的应用 363

2 ( ) 上的最小主应力 压应力。记录从零加载至 80 kN δμd dB CD oA - 2 ωNNI d t d t μ1 21和从80 kN卸载至零时传感器的电压输出 ,建立加载 CD U = 1 + B 2 2 B 载荷以及卸载载荷 W 与传感器输出电压的关系方 δA+ + C δo r + X A + + C 2 o 2 2 μ CDμ CD 程 ,并标定传感器的线性性 、不重复性等静态特性 。 ()14 测试数据如表 1 所示 。根据最小二乘法拟合加 当传感器与被测面紧贴 ,即磁性气隙 δ= 0 时 , o 载载荷 W 与磁测输出 U 的关数学方程为 : 上式可简化为 : ()U = - 118533 W + 018 16 2 μdB CD 式中 , W ———载荷 ,kN ; U ———磁测输出电压 ,mV 。 - 2 ωNNI d t 1 2 1μCD 由于标定试验为静态 ,所以式 (16) 为一次函数 , ()15 U = 1 + B 2 2 B r+ X + C 2 22 这与式 (15) 的结果是一致的 。 μ + C μCD CD

根据表 1 数据标定出的传感器静态特性为 : 不 根据图 1 所示 ,当传感器在钢轨腹板侧面上沿

γγ重复性 误 差 = 2 . 7 % , 迟 滞 误 差 = 3 . 8 % , 线 cf cz 最大主应力 σ方向 ( 45)? 安装时 ,拉应力使 μ变 max CD

γ= 2 . 0 % ,灵敏度 k= 5 mVΠkN 。 l μ μΔμ() 为 +,根据式 15,传感器的输出电压比零 应CD CD

()σ力时增加 ;当传感器沿最小主应力 方向 135? min

5 实测试验 安装时 ,压应力使 μ变为 μ- Δμ,则传感器的 CD CD CD

输出电压比零应力时减小 。

实测试验在某磷矿进行 ,被测对象为 ZK - 10 -

600Π250 型矿用交流架线式电机车 ,该车粘着重量为 4 传感器的标定试验 10 吨 ,轨距为 600 mm ,固定轴距为 1 100 mm 。根据

无坑基动态剪力型轨道衡的原理 ,对现场运输轨道 模拟试验在 WE —300 液压万能试验机上进行 。

进行了改造 ,实测称重轨与模拟试验采用的相同 ,仍 标定钢轨采用 15 kgΠm 的矿用轻型窄轨 。根据图 1

取支距 S = 500 mm , m = 20 mm ,并与运输轨道断开 所示的剪力型称重轨原理 ,取支距 S = 500 mm , m 通

间距为 5 mm ,这样称重时传感器不受干扰载荷的影 常为二分之一钢轨腹板高度 ,即 m = 20 mm 。如图 3

响 。传感器的励磁电流和励磁频率以及在钢轨腹板 所示 ,将本文所设计的三磁极传感器 1 通过骨架 2 ,

上的安装方式均与标定试验时相同 。 沿与钢轨中性轴成 135?方向 ,用螺栓 4 紧压在钢轨

由于电机车轴距 L 称大于称重轨支矩 S ,所以 腹板侧面 。为了保证传感器探头与被测面无气隙 ,

保证了每次称重时仅有一个车轮经过称重轨 。 对被测面进行了打磨处理 ,并通过调节螺钉 3 来消

( ) 试验 共 进 行 了 四 次 , 其 结 果 分 别 如 图 4 a 、 除 气 隙 。传 感 器 的 励 磁 电 流 为 100 mA , 频 率 为

( ) () ( ) b、c、d所示 。图中曲线表示 ,当车轮经过称重 500 Hz 。

轨时传感器的输出电压的变化过程 ,也就是称重轨

M 截面上重剪力的变化过程 。曲线上纵坐标最大的

点 ,即为所称车轮重量对应的传感器输出电压 ,将该

() 电压值代入式 16,就可求得所称重量 。

前三次 实 测 均 只 有 电 机 车 经 过 称 重 轨 , 如 图

( ) ( ) () 4 a、b 、c 所 示 。已 知 电 机 车 的 整 机 重 为

100 kN ,每个车轮承重为 25 kN 。根据实测 ,一个车

轮经过称重轨时 ,传感器的最大输出电压为 48 mV ,

而另一个车轮经过称重轨时 ,传感器的最大输出电

() 压为 46 mV 。根据式 16可分别求得两个车轮承重 图 3 传感器安装示意图 为 25 . 47 kN 和 24 . 38 kN 。由于所测电机车比较陈

在钢轨截面 M 处加载 ,根据图 2 所示 ,当传感 旧 ,其整机重量的真值不准 ,所以尚难判断实测的误

器与钢轨中性轴成 135?时 ,所测试为该截面中性轴 差大小 。但理论计算值与实测比较一致 。

计量学报2007 年 10 月 364

传感器沿 135?时的标定数据 表 1

载荷 W ΠkN

加载次 序0 10 20 30 40 50 60 70 80

读数 U mV Π

加载0 - 8 - 39 - 55 - 72 - 88 - 108 - 129 - 152 第 1 次 卸 载 2 - 14 - 33 - 50 - 63 - 82 - 103 - 124

加载1 - 14 - 38 - 59 - 69 - 82 - 106 - 130 - 148 第 2 次 卸 载 0 - 18 - 32 - 54 - 66 - 81 - 102 - 126

加载0 - 16 - 41 - 58 - 72 - 86 - 110 - 130 - 151 第 3 次 卸 载 0 - 16 - 36 - 53 67 - 80 - 105 - 125

加载平均值0 - 16 - 39 - 57 - 71 - 89 - 108 - 130 - 150

卸载平均值 重复加处 0 - 17 - 34 - 56 - 66 - 85 - 103 - 125 理 载最大偏差 重复卸1 4 3 4 3 2 4 1 结 载最大偏差 2 4 4 4 3 2 3 2 果 加卸载间最大偏差 2 4 5 5 5 6 5 5

第四次电机车牵引一辆 MD3 . 3 - 6 型底卸式矿,当电机车经过称重轨时 ,固定传感器的螺钉未拧紧

( ) 车 。该 矿 车 重 量 为 6 吨 包 括 自 重 , 轴 距 为 由于振动而产生气隙所致 。

( ) 1 100 mm 。实测曲线如图 4 d所 示 , 图 中 矿 车 经 过

称重轨时传感器的最大输出电压为 28 mV ,即每一 6 结语

个车轮承重为 14 . 67 kN ,与理论计算值也比较一致 。

本文所设计的附加式压磁测力传感器具有结构

简单 、安装方便 、使用寿命长等优点 ,而且试验也证

明 ,该传感器应用于动态称重轨是可行的 。由于实

测试验所使用的仪器设备比较简单 ,而且试验次数

也比较少 ,所以还不能对所研究的轨道称重方法的

可靠性和精度做出准确的评价 。另外 ,传感器的励

磁电流 、频率 、钢轨材料以及环境温度等因素对测量

精度的影响还要进一步研究 。但根据上述初步的分

析 ,这种称重方法具有推广应用的价值 。

[ 参 考 文 献 ]

1 施昌彦 . 动态测重技术的现状与发展动向 J . 计量与

测试技术 ,2000 , (1) :18,20.

图 4 实测曲线 谢宝义 . 不断轨动态称重技术 J . 计量技术 ,2002 , (2) : 2

34,35.

第一 、二次电机车的行驶速度大约为 10 kmΠh , 3 陈士谦 ,冯其波 . 铁路列车超载偏载检测技术 J . 北方

第三 、四次电机车的行驶速度大约为 20 kmΠh 。因此 () 交通大学学报 ,2003 ,27 3:63,66. () ( ) 图 4 a和图 4 b所示剪力变化的时间比较长 ,而图 石延平 ,张永忠 . 六磁极差动式逆磁致伸缩应力传感器 4

的研究与 设 计 J . 仪 器 仪 表 学 报 , 2004 , 25 ( 2) : 183 , () ( ) 4 c和图 4 d所示剪力变化的时间比较短 ,二者相

186. 差一倍 ,这与电机车行驶速度的差值也比较一致 。

5 王昭林 . 利用铁磁材料的逆磁致伸缩效应进行应力在 () 图 4 a所示曲线比较粗糙 , 后经检查 , 是由于

线检测方法的研究 D . 徐州 :中国矿业大学 ,1997.

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