基于磁致伸缩效应的二维无线无源力传感器研制

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随着传感器技术的发展,多维力传感器的应用领域越来越广泛,无论是在工业国防,还是生物工程、医疗卫生、结构监测等领域,都离不开多维力传感器。针对现有多维力传感器需要布置引线与弹性体结构直接连接实现数据的检测与传输问题,本文结合无线无源检测技术研制了一种以磁致伸缩材料为应变敏感元件的二维无线无源力传感器,并对无线无源传感器测量过程中的检测原理、传感器标定和静态解耦方法等关键问题展开了研究。首先,对本文所研制的基于磁致伸缩效应二维无线无源力传感器的弹性体结构进行设计,采用磁致伸缩材料Fe40Ni38Mo4B18(2826MB)作为应变敏感元件,可以实现对拉扭二维力的无线无源检测。基于刚度分布的弹性体结构主要包括承载端、扭转应变曲面、拉伸应变梁、缓冲环结构和固定端。在ANSYS有限元静态分析中,分析传感器承受拉力和扭矩的应变敏感区的分布情况,使传感器自身满足具有一定的解耦能力的预期要求;应用3D打印技术制作弹性体并完成传感器样品制作。为了保证传感器成功检测拉扭二维力信息,针对所研制的无线无源传感器设计了信号检测系统并对传感器进行加载测试,测试结果表明传感器能够实现对拉扭二维力信息的检测与传输。其次,由于二维力传感器乃至多维力传感器的维间耦合现象是不可避免的,因此需要降低二维传感器的耦合误差率,以本文研制的二维无线无源力传感器为研究对象,分析了二维无线无源力传感器输出通道之间的耦合现象与解耦的必要性,在此基础上开展了对二维无线无源力传感器静态解耦方法的研究。根据传感器线性静态解耦方法原理,推导基于最小二乘法的解耦计算方法;考虑到传感器是非线性的输入输出系统,线性静态解耦方法解耦效果的局限性,应用基于BP神经网络的非线性静态解耦方法,对传感器进行解耦。根据传感器测试数据,应用最小二乘法和BP神经网络方法的静态解耦理论对传感器进行解耦验证。解耦对比表明:基于BP神经网络的非线性解耦方法得到的耦合误差更小。最后,为了验证所研制的二维无线无源力传感器弹性体结构设计的合理性以及传感器的静态特性,本文对传感器的输出性能展开实验研究。根据传感器的标定实验和二维复合力加载实验,本文所研制的二维无线无源力传感器不仅能够成功有效检测二维力信息,且性能输出曲线表明传感器各输出通道之间耦合误差较小,证明传感器弹性体结构设计合理,能够满足预期设计要求。回滞特性实验表明传感器拉力和扭矩的输出响应具有较低的回程误差,传感器的综合静态特性良好。
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