مطالعه عددي و تجربي بر روي حساسيت حسگر نيروي استاتيكي با استفاده از ماده اَبَرمگنتواستريكتيو ترفنل-دي

Numerical and experimental study on sensitivity of static force sensor using giant magnetostrictive material

در اين پژوهش پارامترهاي موثر بر حساسيت حسگر نيروي مگنتواستريكتيو مورد بررسي قرار گرفته اند و يك حسگر نيروي مگنتواستريكتيو با حساسيت بسيار بالا طراحي و ساخته شده است. در ابتدا، مباني عملكردي حسگرهاي نيروي مگنتواستريكتيو ارايه شده است. سپس به طراحي مفهومي حسگر پرداخته شده و در خلال آن هندسه حسگر و مواد مورد نياز در ساخت حسگر تعيين شدند. در قدم بعدي به اندازه-گيري مشخصات هيسترزيس مغناطيسي مواد مورد استفاده و بهينه‌سازي اين خواص مغناطيسي پرداخته شده است. بدين منظور منحني هيسترزيس مغناطيسي آهن كم كربن آنيل نشده و آهن كم كربن آنيل شده تحت شدت جريان هاي مختلف و همچنين منحني هيسترزيس مغناطيسي ميله ترفنل-دي نوع يك‌پارچه تحت شدت جريان ها و پيش بارهاي مختلف اندازه گيري شده است. سپس، با استفاده از نتايج تجربي به دست آمده، شبيه‌سازي عددي با نرم افزار المان محدود انجام گرفته و پارامترهاي هندسي موثر بر حساسيت حسگر بهينه‌سازي شدند. در انتها حسگر نيروي مگنتواستريكتيو ساخته شد و حساسيت و مشخصات عملكردي آن در شرايط مختلف مورد ارزيابي قرار گرفت. حسگر ساخته شده داراي خطاي خطي‌پذيري %8/2 كل بازه و حساسيت mV/N 51/0 مي باشد كه در مقايسه با حسگرهاي مگنتواستريكتيو مشابه مقدار بالاتري به شمار مي رود.

In this article, effective parameters on sensitivity of magnetostrictive force sensor are investigated and then a high sensitive magnetostrictive force sensor is designed and fabricated. Initially, the operational principles related to magnetostrictive force sensors are presented. Then, conceptual design of the sensor is illustrated and sensors geometry and applied materials are determined. In the next step, measurement of magnetic hysteresis and optimization of the magnetic properties through heat treatment are presented. To this end, magnetic hysteresis curves of not-annealed low carbon iron and annealed low carbon iron under different currents and magnetic hysteresis curve of bulk TERFENOL-D under different preloads and currents are obtained. Then, through numerical simulations using finite element method software, parameters affecting sensor sensitivity were identified and designed. Finally magnetostrictive force sensor is fabricated and its sensitivity and functional specifications are tested under different conditions. Linearity error of Magnetostrictive force sensor is 2.8% FSO and its sensitivity is 0.51mV/N, which is a higher value compared to similar magnetostrictive force sensors.