طراحي و ساخت سنسور استاتيكي هيبريدي نيرو-گشتاور مگنتواستريكتيو بدون تماس با استفاده از گالفنل

Design and Fabrication of a Contactless Hybrid Static Magnetostrictive Force-Torque Sensor Using Galfenol

در اين مقاله يك سنسور هيبريدي نوين بدون تماس استاتيكي مگنتواستريكتيو نيرو-گشتاور با استفاده از ماده گالفنل ارائه شده است. در ابتدا، روش طراحي سنسور در حالت‌هاي نيروي محوري و گشتاور پيچشي شرح داده شده است. خواص مغناطيسي-مكانيكي مواد مورد استفاده مانند نمودارهاي B-H و نفوذپذيري مغناطيسي تحت پيش‌بارهاي مكانيكي و ميدان‌هاي مغناطيسي مختلف اندازه‌گيري شده و در برخي موارد بهبود يافته است كه در شبيه‌سازي‌هاي المان محدود استفاده مي‌شود. با استفاده از نتايج بدست آمده، سنسور توسط نرم افزار كامسول به صورت عددي شبيه‌سازي شده است. پس از آن، مجموعه سنسور با استفاده از نتايج شبيه‌سازي المان محدود ساخته شده و عملكرد آن به صورت تجربي در بارگذاري‌ها، جريان‌هاي الكتريكي و فركانس‌هاي مختلف مورد ارزيابي قرار گرفته است. حساسيت، تكرارپذيري و خطاي خطي‌بودن در دو حالت نيرو و گشتاور پيچشي به طور جداگانه ارائه و شرايط مطلوب عملكرد سنسور گزارش شده است. سپس، صحت نتايج شبيه‌سازي عددي در مقايسه با نتايج تجربي سنجيده شده است. در نهايت، مشخصات عملكردي سنسور در شرايط بهينه گزارش شده و مشاهده شد كه حساسيت سنسور با افزايش جريان الكتريكي و فركانس جريان افزايش مي‌يابد. حداكثر حساسيت در حالت بار محوري و بار پيچشي به ترتيب mV/kgf 7349/0 و mV/N.m 24/2 مي‌باشد.

This paper presents a novel Contactless Hybrid Static Magnetostrictive Force-Torque sensor using Galfenol. Initially, the sensor's design principles in axial force and torque measurements are described. The magneto-mechanical properties of used materials, such as B-H curves and magnetic permeabilities are measured under various mechanical preloads and magnetic fields and improved in some cases. These properties are used in finite element method. The sensor is evaluated numerically using COMSOL Multiphysics® software based on the obtained experimental results. Afterward, the sensor is fabricated based on finite element method results and experimentally tested in different electrical currents and excitation frequencies. Sensitivity, repeatability and linearity errors are presented separately in force and torque measurements in optimal operating condition of the sensor. Then, the finite element method results are verified with the experimental results. Finally, the performance characteristics of the sensor in optimal conditions are presented and it is found that the sensitivity increases while increasing the electrical current (or magnetic field) and frequency. The maximum sensitivities for axial load and torque measurements are obtained at 0.7349 mV/kgf and 2.24 mV/N.m, respectively.