文摘
磁致伸缩bioinspired须传感器基于galfenol /铍青铜/ galfenol复合悬臂梁是在这个开发工作。根据新的设计概念,提出须可以输出正负电压在不同弯曲的方向。此外,拟议的触须传感器可以实现双向距离和microforce感知。使用经典梁理论,理论模型被用来预测输出晶须的性能。建立了一个实验系统来测试晶须的输出性能。实验中,须设计,与传统的单须相比,显示输出电压范围240−240 mV。参数如下:距离0-22 mm, microforce传感范围为9.8 -2744 mN的平均距离是10.90毫米/ mV,力灵敏度为11.4 mN / mV。最后,障碍感知应用。实验表明,该触须传感器可以实现双向触觉感知在一维空间中。磁致伸缩bioinspired须的工作扩展了功能,获取multi-information单传感器系统。
1。介绍
最近,随着机器人技术的发展,bioinspired须吸引了研究人员的注意。“成效”感知方法,它是安装在仿生机器人和自动车辆,实现触觉感知、水动力测量、形状和传感(1- - - - - -5]。由于良好的环境适应性,bioinspired须,通过提供一个人工“触觉”,可以收集更多的环境信息,以弥补缺乏机器视觉。
直到现在,bioinspired胡须报道包括电容晶须、压电晶须,弹性线,磁致伸缩线6- - - - - -11]。其中,磁致伸缩须显示静态或低频条件下工作的优势12,13),比较压电式和电容式胡须。
然而,对于传统的磁致伸缩线,其结构和原理(磁性传感器的位置和测量方法)确定在以下维系不同方向弯曲,输出信号是不对称的。因此,它是不敏感的方向压力和振动,这限制了其应用。
因此,我们开发了一种磁致伸缩触须传感器,基于复合悬臂梁三明治结构。工作原理进行了分析,比传统的磁致伸缩线。我们使用两个霍尔传感器来生成一个微分输出,从而实现双向弯曲的检测。建立了实验系统来测试提出的晶须。
2。设计
2.1。结构
图1晶须的结构,组成的galfenol /铍青铜/ galfenol复合悬臂梁,一块磁铁,两个霍尔传感器,和一个基地。磁铁使用偏置磁场磁化两galfenol表。压力时,磁链变化引起的弯曲梁是衡量两个大厅。复合梁是固定的,用最优距离磁铁固定在底座和夹紧点12),使大厅检测通量最大的变化。
(一)
(b)
复合悬臂梁被一束长铍青铜制作为底物,用两束短galfenol键。铍青铜基体提供了出色的弹性,使复合梁承受更大的压力和更高的振动频率比单波束。表1和2显示的物理和几何参数提出了晶须,分别。
2.2。原则
图2显示了传统的工作原理,新设计的磁致伸缩胡须。它能找到的方式实现双向检测。图2(一个)显示了一个传统的磁致伸缩结构须由Flatua;只有一个霍尔传感器用于检测通量的联系。因此,我们可以知道如何与应用程序磁域旋转压力(克尔Raghunat等人利用显微镜观察到(14])。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
数据2 (b)和2 (c)(名为“我模式”和“模式2”)显示,这些旋转不同的磁域分布两岸的自然的中心线。用单极霍尔检测通量的联系(见图2 (d)),输出信号是不对称的。此外,输出信号的模式我是比模式II(见图2 (e))。它是传统的磁致伸缩线的原因不能确定加载应力的方向。
定义输出的大厅参考电压(当磁通为零)(见图2(一个)),我们可以获得最终的输出信号有不同的操作。
对于给定的晶须,复合梁代替原来的单波束。图2 (f)展示了自然的中心线在铍青铜梁的中间。它使的旋转在每个galfenol梁弯曲磁域一致。
此外,每个galfenol梁连接通量的变化来衡量不同的霍尔传感器(见图2 (g)和2 (h))。两个双极大厅是用来实现磁场检测。图2(我)表明双相大厅有两个不同输出的北极和南极(缩写N和年代),这是用于实现差动输出。假设N大厅1的输出和年代厅2的输出 ,最终的输出信号
新的测量电路是用于获得一个信号与积极的和消极的对称(见图2 (j)),这使得提出的触须传感器识别方向的力。
3所示。模型
图3显示了一个简化的弯曲模型galfenol /铍青铜/ galfenol复合梁。图3(一)表明,该模型与传统的不同梁模型是一个接线板限制的起始位置弯曲梁(坐标从O, O的起源)。
基于二维坐标的梁(如图3(一)),基板梁的总长度;是厚度;galfenol梁的长度;和厚度: 。
图3(b)显示了梁弯曲力时梁的自由端。假设加载力和吗偏转。在坐标点 , 拉应力沿x -梁和方向是galfenol梁的应变拉伸应力。
根据Euler-Bernoulli梁理论,相当于弯曲梁的拉伸应力可以表示为(15] 在哪里位置之间的距离自然复合梁的中心行吗z方向;的位置x设在;基板梁的杨氏模量;和梁的截面惯性矩的横截面。
加载力和挠度的关系表示为
图2(一个)表明有复合悬臂梁三明治结构来 。复合梁的有效杨氏模量可以获得的 在哪里是galfenol梁的杨氏模量。
弹性关系可由胡克定律表示, ,有
使用压磁方程,唐尼和Flatau达塔和Flatau派生磁通量的表达(16,17),也就是说, 在哪里压磁系数;是逆压磁系数;是偏置磁场;是真空的渗透性;和是galfenol的相对渗透率。
根据(3),(4),(5)和(6),我们得到输出电压在不同加载条件下的表达式如下:
4所示。实验
研究工作提出了传感器的静态性能。建立了一个实验系统来测试偏转电压和力电压之间的关系,因此研究晶须的触觉感知传感器。此外,动态接触实验进行调查其障碍识别。
图4给出了实验系统。梁弯曲时挠度测量,输出信号由一个示波器记录(见图4(一))。最大挠度仅限于22毫米,从而阻止梁损伤。与传统的承载实验方法(悬挂标准权重),microforce感应触须传感器的性能进行了研究,和重量改变了从1到280克。传感器的距离(挠度)和力灵敏度得到了两个实验。
(一)
(b)
图4 (b)显示动态接触的实验系统;须固定在运动阶段,模拟障碍放在它的运动路径。挠度测量的激光位移传感器(lts - 250)。此外,电压由示波器记录。这个实验展示了传感器动态接触发生时工作。它不仅可以模拟的积极探索未知的障碍(如须系统安装在机器人鼠(2])也被动感知外部接触力的变化。指的是一个仿生触觉。
5。结果与讨论
首先,我们将磁致伸缩晶须的性能与传统的结构和新设计的结构。在图5传统的一个(见图5(一个)),最大输出电压是640 mV 22毫米的偏差,当梁弯曲到左边。在另一个方向弯曲,输出电压为正,但小于前者。从部分2,它可以发现不对称的曲线是由不均匀性引起的磁畴转动和霍尔传感器的位置。
(一)
(b)
偏转电压曲线显示了近线性关系,从消极变为积极的改变弯曲方向(见图5 (b))。最大输出电压是240 mV的偏转22毫米。拟议的触须传感器的平均偏转灵敏度10.9 mV /毫米。
在图6实验和理论结果相比,我们距离和microforce传感。如图6(一)理论计算是封闭的实验结果;然而,它们之间有一个错误在图6 (b)。在距离传感实验,触须传感器在其线性工作区域。对于力传感测试,触须传感器达到饱和。方程(9)和(10)提供一个线性描述。事实上,在这两个方程,逆压磁系数不是常数,这取决于磁场的值和压力。因此,预测将会更准确,如果我们用的函数替换常数 。
(一)
(b)
图6显示了microforce触须传感器的传感性能。当负载变化时测试提出须从9.8到2744 mN。2744 mN作用力时,输出电压是240 mV。平均力灵敏度11.42 mN / mV,和提出了传感器的分辨率9.8 mN / 2 mV。
图7显示了拟议的触须传感器感知障碍。触须传感器是固定在运动舞台上,以一个恒定的速度移动。动态接触过程可分为三个阶段:在第一阶段(0 ~ (a)),没有接触的传感器和障碍;在第二阶段(b) (~ ),梁联系了障碍,开始弯曲;并在第三阶段(在(c)),当控制单元检测到提高电压,移动过程立即停止。在这个测试中,我们集中在触须传感器的响应时间的接触过程。
有一个延迟时间(挠度和感应电压之间的)。可以计算延迟时间 ,在那里是最低悬臂梁的挠度测量霍尔传感器和之间的相对vocasity触须传感器和障碍。之后,感应电压增加,添加时间()是测量电路所需的测试电压变化从零(通常是很短的,可以忽略)。因此,我们可以定义总感知时间
方程(11)表明,总感觉时间主要是由于相对速度。实验表明,该晶须能检测的障碍。
6。结论
在这项工作中,bioinspired提出了磁致伸缩线。基于新结构复合悬臂梁和微分测量方法,提出须意识到双向触觉的感知。作证的工作原理,建立了一个实验系统。此外,拟议的触须传感器的静态性能进行了测试。须设计属性如下:(我)测量范围是2-22毫米的距离,灵敏度为10.9 mV /毫米。(2)microforce传感范围是9.8 -2744 mN, 11.4 mN / mV的力灵敏度和分辨率9.8 mN(2号)。(3)它具有双向感知。
我们的研究扩展了磁致伸缩bioinspired须的函数。应用于动态测量,给出传感器可以检测更多的信息比现有的触须传感器。“multi-information传感技术”基于bioinspired磁致伸缩须将深入研究。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由江西省科技项目支持中国教育部(批准号,GJJ161105和GJJ161102)。