文摘

磁致伸缩仿生胡须一直作为触觉和流量传感器。相比其他类型的胡须,胡须的优点是能够执行静态和动态测量。对于动态测量,晶须的分辨率和不同振动频率变化;然而,这种影响的机制尚未被研究过。因此,本研究的目的是探讨resolution-frequency相关性。首先,晶须的结构和工作原理进行了分析。然后,Euler-Bernoulli梁理论是用来建立磁致伸缩线的传感模型。最后,传感器分辨率和频率之间的映射关系。本征频率分析实现了有限元法获得的频率响应须。振动试验系统建立了动态测试。 The experimental results were in good agreement with the theoretical calculations. Furthermore, it was noted that the resolution was positively correlated with frequency, and the maximum resolution was attained at the natural frequency (two peak values appeared at the first-order and second-order eigenfrequencies). Our research reveals the manner in which a whisker sensor’s resolution is affected by the vibration frequency. The theoretical model can be used to predict the resolution of magnetostrictive whisker sensors.

1。介绍

在自然界中,有些动物用它们的胡须收集环境信息,包括障碍,距离,和力和振动,克服任何视觉和听觉的局限性。例如,海豹用胡须来感知流体动力学,和老鼠依靠胡须识别障碍。许多研究者研究了动物胡须的运行机制和发展人工须系统。近距离传感器,仿生胡须可以为传统的传感技术是一个有用的补充。

在过去的二十年里,研究仿生胡须已经大大进步。原理、材料、仿生胡须的测量方法和应用已被广泛的研究。其中,Lucianna et al,菅直人的机理和弹性模量等人研究了鼠须感觉系统(1,2]。波维表等人建立了仿真模型的刚性和灵活的胡须3]。金子和信第一次使用一个灵活的光束耦合的扭矩传感器来检测孔的形状加工流程;须有一个高灵敏度的5μ米(4,5]。和凌开发出一种压电晶须和应用触觉和几何测量(6,7]。另一种触觉传感器,PVDF beam-based须报告,其频率响应研究Tiwana et al。8]。皮尔森等人和N 'Guyen等人应用在机器人鼠须感觉系统的障碍识别(9,10]。然而,所有上述胡须是基于弹性或压电材料,及其应用范围是有限的。

众所周知,磁致伸缩装置展览优秀的静态和动态性能(11- - - - - -13]。这一特点使得它们潜在的应用在传感领域。为此,热心和同事开发了一种磁致伸缩线(14]。磁弹性效应机制的基础上,磁致伸缩线可以测量压力和振动。小说whisker-type触觉传感器,它可以感知静态和动态信息,它演示了满意的环境适应性。在这些研究中,晶须的磁弹性弯曲模型和优化设计问题(偏置磁场的位置和传感器灵敏度和梁厚度之间的关系15,16])进行调查;然而,动态性能(如动态灵敏度和分辨率)尚未被研究过。在[17),我们讨论了频率的灵敏度的影响磁致伸缩线,但振动频率之间的映射关系,须反应尚不清楚。

实现定量描述晶须的决议,我们制作,分析,建模基于galfenol——(FeGa合金)磁致伸缩触须传感器。晶须的频率响应是通过使用有限元软件。建立了动态实验系统测试晶须的动态性能。在下面几节中给出的细节。

2。设计

2.1。结构和制造

图1显示了一个典型的磁致伸缩线组成的四个部分:磁致伸缩悬臂梁,偏向磁铁和磁传感器。几个磁致伸缩材料,如galfenol和阿尔菲诺尔(铁铝)15,16),可以用作原材料的晶须。梁底部装夹和磁铁磁化的偏见。磁通量的变化是由磁传感器测量。霍尔传感器或GMR传感器可以作为磁传感器。在这里,我们选择霍尔传感器,WSH138(由温森中尉有限公司)来测量磁通的变化(18]。

在设计过程中,高磁致伸缩系数和灵活性是两个主要考虑的因素。因此,我们选择一个galfenol薄板装配梁。的磁致伸缩系数galfenol高于阿尔菲诺尔(他们的饱和磁致伸缩250和120 ppm,分别在[19])。轧制过程确保这个材料展示了良好的弹性。磁致伸缩线的几何和物理参数表中列出1。

2.2。工作原理

图2说明了提出了晶须的工作原理。偏差磁铁提供磁场沿东方磁域y设在方向。通量的联系是由霍尔传感器检测到固定的旁边(图2(a))。热心等人观察到的变化磁畴在克尔磁致伸缩梁弯曲使用显微镜(20.]。发现域旋转取决于内部应力分布。如图2(b),磁域自然中心线右边有最大偏转角。因此,连杆通量增加。相比之下,当压力应用于波束向右,这个值降低(图2(c))。总之,从不同的方向,当压力是应用霍尔传感器输出交流电压。

提出须允许传感器的测量方法来测量静态和动态应力。此外,galfenol的微秒级的响应速度和霍尔传感器可以帮助须实现实时监控任务。

2.3。分辨率的定义

在我们的设计中,须将位移信号转换为电压信号。此外,其位移分辨率取决于最低转换电压的测量电路。这意味着须系统的位移分辨率由霍尔传感器的分辨率是有限的。在此,我们介绍了梁的displacement-linkage通量传输系数和霍尔磁的决议。系统分辨率可以表示为 在哪里被定义为 ,即位移的微分磁通,和磁解决WSH138是0.1吨18]。从(1),众所周知,系统分辨率取决于系统灵敏度和霍尔传感器的分辨率。

3所示。分析建模

3.1。经典梁理论

在本节中,一个经典梁理论,Euler-Bernoulli梁方程的形式,介绍模型提出了磁致伸缩线。考虑到设计须有一个较低的工作频率,我们使用一个pseudostatic分析方法。对于这种方法,基础振动激发(的方向z设在)相当于一个动态负载应用到梁的自由端(21]。通过这种方式,静态束方程可用于模型的晶须22]。

根据Euler-Bernoulli理论、压力x方向的光束被定义为 在哪里是弯矩, 代表了截面惯性矩。替换 到(2),压力可以写成 在哪里是位置沿厚度方向,代表了当量动载荷,反映了环境振动激励的效果。

(所21),振动激发的运动被描述为一个输入谐波基地

提示偏转, ,可以得到梁的运动方程由于基础激励加速度在一个频率作为 在哪里是梁的一阶固有频率; ,代表梁的阻尼比,

相当于力可以表示为

用(4),(5)和(6)(3),我们得到

resonant-based大部分能量收割机演示兴奋的共振频率附近时的最高性能。的均匀梁的共振频率可以用 在哪里方程的解是什么

3.2。磁弹性传感模型

磁弹性效应是磁致伸缩须实现的基础力传感。一般来说,磁致伸缩材料的行为所描述的压磁方程。使用这种线性方程,唐尼和Flatau派生的表达式的磁通量弯曲梁下偏置磁场(23];的公式 在哪里是梁的内部磁通。和分别是压磁和逆压磁系数;他们被定义为 和 。是梁的内部磁场,磁致伸缩材料的磁导率。

假设偏置磁场和通量和 , 是链接通量的空间;通量测量一点的联系;和 ;通量的联系可以表示为 在哪里磁的联系系数相关的位置霍尔传感器,相对渗透率galfenol,磁场分布。根据(4),(10)和(11),变换系数可以由 在哪里 , 。

考虑到是一个时变函数,为了获得的频率特征线分辨率,我们执行的拉普拉斯变换吗和注意, 。然后,我们实现模块化 ;代入(2),晶须的位移分辨率可以获得如下:

4所示。有限元分析

有限元分析,更复杂的模型,建立了晶须COMSOL。本征频率分析是实现使用结构力学,动力学和振动模块。图3显示了3 d模型和网格线模型的创建。细孔成立与5501年四面体元素,3976年边界三角元素,572网格点,和34302年的自由度。的最小元素质量设置为0.066。该模型使用拉格朗日二次元素类型创建的。计算采用二阶多项式,这是一个很好的权衡记忆和结果的准确性。使用细网格的结果没有显著的影响。模拟进行计算前六的学的模式。

COMSOL模型还支持须在不同的形状的分析模式,如图4。使用模型,晶须的固有频率可以设置为任何值0.5和500赫兹之间通过选择不同的材料和物理维度。

本征频率的理论值可获得使用基于(一个分析模型8)。模拟和理论价值列出了六个模式和比较表2。一阶固有频率的相对误差表明,理论计算结果与仿真结果不一致。随着频率的增加,理论模型和有限元分析方法等效的结果。

5。实验

建立了一个实验系统来测试分辨率提出了磁致伸缩晶须的性能。图5给出了振动测试系统。在此系统中,产生的正弦信号是dSPACE (ds1103),然后由一个放大器放大(AE7224)驱动振动激励来模拟环境振动。振动激发的振动振幅测量了激光位移传感器(ltc - 025)。霍尔传感器和激光传感器的数据是使用dSPACE平台。的振动频率是0.5 -60赫兹的范围。为每个频率,测量的最小位移,霍尔传感器的电压振幅是需要维持在8.3 mV。

在实验中,一些参数理论模型也需要确定。阻尼系数晶须的系统使用瑞利模型被确定为0.014。磁系数的联系 。此外,根据数据报告(24),逆压磁系数 。

6。结果与讨论

图6显示了磁致伸缩触须传感器的动态性能。霍尔传感器的电压振幅仅限于8.3 mV。然后,我们获得了环境振动的振幅在不同的频率。在0.5赫兹,代表准静态条件下,环境振动的振幅为1.22毫米。当频率成为60 Hz,这个值更改为0.18毫米。这是指出,随着频率增加,由磁致伸缩位移振幅感觉到须逐渐减少。因此得出结论,频率和分辨率是呈正相关的。

理论值和实验结果如图所示7。图显示一个清晰的分辨率的变化,这取决于振动频率。实验结果显示两座山峰的存在:(0.18毫米)在3.5赫兹(0.06毫米)附近40 Hz。这两个峰,位于1号和2号附近的自然频率的晶须,是位移的最大值决议。这意味着在固有频率,须说明比在其他频率响应幅度更大。理论计算是在良好的协议与实际值,但只有发生在理论曲线。这是因为我们的分析模型不考虑附加振动模式(除了第一阶固有频率)悬臂梁。

7所示。结论

本研究旨在确定振动频率的影响在触须传感器的位移分辨率。我们建立了一个基于Euler-Bernoulli梁理论分析模型获得传感器分辨率和频率的映射关系。分析频率响应,我们使用了有限元法。此外,根据振型分析,一阶sixth-order自然频率被确定。振动测试系统构造确定晶须的动态性能。最后,结论推导如下:(我)晶须的位移分辨率传感器呈正相关。此外,理论模型提出了适当的工作符合这一趋势。(2)在共振频率时,分辨率达到当地的最大价值。例如,在实验中,两座山峰被指出在振动幅频曲线1号和2号触须传感器的谐振频率。这意味着该决议触须传感器的性能可以通过合理的频率设计改进。(3)我们的研究可以帮助了解磁致伸缩触须传感器的动态行为和预测其动态分辨率。

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)、河北省自然科学基金(批准号E2017202035),江西大学科技项目(批准号。KJLD14094和KJLD14096),和江西省重点实验室开放基金(批准号精密驱动与控制kfkt - 201601)。