مطالعه تاثير ميدان مغناطيسي باياس و پيش تنش مكانيكي بر حساسيت و محدوده اندازه گيري خطي نيروسنج ترفنل-دي

Study on the effects of bias magnetic field and mechanical pre-stress on sensitivity and linear measurement range of Terfenol-D force sensor

ترفنل-دي به عنوان يك ماده ابردگررسان مغناطيسي در ساخت بسياري از حسگرها از قبيل نيروسنج كاربرد دارد. در اين حسگرها نيروي خارجي به واسطه تغيير در شار مغناطيسي گذرنده از ترفنل-دي اندازه گيري مي شود. به منظور بهبود عملكرد اين حسگرها، ترفنل-دي تحت تاثير ميدان مغناطيسي باياس و پيش تنش مكانيكي قرار مي گيرد. در اين مقاله، اثرات ميدان مغناطيسي باياس و پيش تنش مكانيكي بر حساسيت و محدوده اندازه گيري خطي حسگر مورد بررسي قرار مي گيرد و مقادير بهينه آن ها شناسايي مي شوند. در ابتدا با استفاده از معادلات تركيبي كوپل مگنتومكانيكي، مدل تيوري كه شامل پارامترهاي موثر بر حساسيت حسگر مي باشد، ارايه مي شود. سپس با استفاده از يك مجموعه آزمايشگاهي، خواص مغناطيسي-مكانيكي ترفنل-دي مطالعه شده و مقادير پارامترهاي مورد نياز مدل تيوري استخراج مي-گردد. در انتها با استفاده از مدل تيوري و نتايج تجربي، پاسخ حسگر در مقابل نيروهاي ديناميكي شبيه سازي شده و تاثيرات ميدان مغناطيسي باياس و پيش تنش مكانيكي بر فاكتور حساسيت و محدوده اندازه گيري خطي حسگر مطالعه مي شوند. نتايج به دست آمده نشان-دهنده آن است كه مقادير ميدان مغناطيسي باياس و پيش تنش مكانيكي بايد در ارتباط با همديگر و با توجه به دامنه نيروي اعمالي تعيين شوند تا حسگر ترفنل-دي بيشترين حساسيت را داشته باشد.

Terfenol-D, known as a giant magnetostrictive material, is used in many sensors such as fore sensor. In these sensors, external force is measured due to variation of magnetic flux density passing through Terfenol-D. To improve the performance, Terfenol-D is exposed to bias magnetic field and mechanical pre-stress. In this paper, Effects of bias magnetic field and mechanical pre-stress on sensitivity and linear measurement range of a force sensor are studied and optimum values of them are recognized. Initially based on magnetomechanical coupling equations, theoretical model of sensor that includes effective parameters on sensitivity and linear measurement range is developed. Then using experimental set-up, magnetomechanical properties of Terfenol-D are investigated and values of essential parameters for theoretical model are extracted. Finally, employing theoretical model and experimental results, the response of sensor under dynamic external forces is simulated and effects of bias magnetic field and mechanical pre-stress on sensitivity and linear measurement range of the sensor are studied. Based on the obtained results, to increase sensitivity and linear measurement range of sensor, values of bias magnetic field and mechanical pre-stress should be relatively determined considering the amplitude of external force.