付廣洋，于丙強(qiáng)*，趙世霞，趙 健

（1.燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

壓磁式傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與靜態(tài)標(biāo)定*

付廣洋1，于丙強(qiáng)1*，趙世霞2，趙 健1

（1.燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

為了保證所研制的壓磁傳感器在安全工作條件下質(zhì)量最輕，基于ANSYS14.0的優(yōu)化平臺(tái)，完成了對(duì)壓磁傳感器體積的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步研究了各優(yōu)化參數(shù)的敏感性；其次，對(duì)傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行了標(biāo)定；然后在不同預(yù)載荷，不同測力范圍，不同勵(lì)磁頻率條件下對(duì)傳感器的重復(fù)性，線性度和靈敏度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析與研究，最后，工業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證了該傳感器使用周期長，檢測信號(hào)穩(wěn)定不失真，檢測精度高，為冷軋帶鋼板形閉環(huán)控制奠定了基礎(chǔ)。

壓磁式傳感器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；靜態(tài)特性；板形

高精度板形是高級(jí)冷軋帶鋼的重要質(zhì)量指標(biāo)，開發(fā)高精度的板形測量傳感器，尋求合理的檢測方法，研制高質(zhì)量的板形儀對(duì)改善板形非常關(guān)鍵和重要［1-2］，壓磁式傳感器（也稱磁彈性傳感器）是板形檢測單元的重要組成部分，壓磁式傳感器是利用鐵磁材料的磁彈性效應(yīng)而工作的一種傳感器，即利用這種傳感器將作用力（如彈性應(yīng)力，殘余應(yīng)力等）的變化變換成傳感器導(dǎo)磁率的變化并輸出電信號(hào)。它在作用原理，結(jié)構(gòu)以及使用上都與其他類型的測力傳感器不同，它具有輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，過載能力強(qiáng)，適宜于在惡劣環(huán)境中長期可靠的工作等優(yōu)點(diǎn)，因此常用于冶金，礦山，運(yùn)輸?shù)裙I(yè)作為測力與稱重［3］。本文對(duì)接觸式分片內(nèi)孔壓磁式板形儀的檢測元件—壓磁式傳感器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其靜態(tài)特性進(jìn)行了標(biāo)定。

1 壓磁傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 壓磁元件

壓磁傳感器的核心是壓磁元件，它實(shí)際上是一個(gè)力-電轉(zhuǎn)換元件。考慮到實(shí)際的工作環(huán)境，所研制傳感器的沖片為多聯(lián)沖片，沖片形狀如圖1所示。

壓磁元件常用的材料有冷軋硅鋼片，坡莫合金或其他鐵氧體材料，最常用的材料是硅鋼片。為減少渦流損耗，壓磁元件的鐵芯大都采用薄片的鐵磁材料疊合而成，片與片之間用環(huán)氧樹脂粘貼，本傳感器的壓磁元件由52片多聯(lián)片粘貼而成，如圖2所示。

圖1 多聯(lián)沖片

圖2 傳感器示意圖

1.2 壓磁元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)壓磁元件建立有限元模型并進(jìn)行加載求解，得出最小體積及設(shè)計(jì)變量的數(shù)值。

1.2.1 建立有限元模型

由于壓磁元件是對(duì)稱體，為簡化計(jì)算量，取其四分之一建模，如圖3所示。

圖3 壓磁元件的簡化模型

整個(gè)模型采用 SOLID82單元，SOLID82是ANSYS提供的八節(jié)點(diǎn)四邊形板單元；采用智能網(wǎng)絡(luò)劃分，利用Smart Size命令進(jìn)行自由網(wǎng)絡(luò)單元尺寸控制，智能單元尺寸等級(jí)值為3，網(wǎng)絡(luò)劃分情況如圖4所示。

1.2.2 約束條件和施加載荷

簡化后的連接面上采取對(duì)稱邊界約束，該面上X、Y、Z 3個(gè)方向上的位移為零；在壓磁元件的上端面，受到50 MPa的壓力，壓磁元件所承受的最大壓力為100 MPa；壓磁元件的高度L初始值為12 mm，變化范圍為（12±0.03）mm；壁厚t1的初始值為2 mm，變化范圍為（2±0.5）mm；圓角半徑fil的初始值為1 mm，變化范圍為（1±0.25）mm；長度h的初始值為3 mm，變化范圍為（3±0.03）mm；厚度d的初始值為0.3 mm，變化范圍為（0.3±0.005）mm；優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是通過改變壓磁元件的t1、fil、L、h、d的尺寸，使得所研制傳感器的重量最小。

圖4 網(wǎng)絡(luò)劃分情況

1.2.3 求解及后處理

在模型上端面施加50 MPa壓力，對(duì)模型進(jìn)行靜態(tài)分析，繪制Von Mises應(yīng)力云圖，如圖5所示。并獲得最大等效應(yīng)力SMAX和總體積VTOT。

圖5 Von Mises屈服應(yīng)力圖

1.2.4 優(yōu)化處理

計(jì)算完成后，保存完整的ANSYS計(jì)算流程，生成優(yōu)化文件［4-6］，將壓磁元件的體積作為目標(biāo)函數(shù)，最大Von Mises值作為狀態(tài)變量。目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量隨設(shè)計(jì)變量的變化規(guī)律分別如圖6、圖7所示。

從圖中可以看出，數(shù)列13為最優(yōu)數(shù)列。此時(shí)，壓磁元件的體積最小，而且最大Von Mises應(yīng)力處在較安全的范圍內(nèi)，此時(shí)VTOT=3.337 9 mm3，F(xiàn)IL= 0.755 27 mm，T1=1.540 5 mm；L=12.030 mm；H= 2.977 6 mm；D=0.300 40 mm。

優(yōu)化設(shè)計(jì)完成之后的Von Mises應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖6 目標(biāo)函數(shù)隨設(shè)計(jì)變量的變化規(guī)律

圖7 狀態(tài)變量隨設(shè)計(jì)變量的變化規(guī)律

圖8 優(yōu)化后Von Mises屈服應(yīng)力圖

由圖8可知，優(yōu)化之后的壓磁元件上受力比較均勻，大約為80 MPa，所承受的最大壓力從原來的142.654 MPa變?yōu)?18.244 MPa；材料的變形量也由原來的0.002 817 mm變?yōu)?.002 265 mm。

1.2.5 優(yōu)化變量的敏感性

為了研究各優(yōu)化變量對(duì)體積以及最大等效應(yīng)力的影響趨勢及敏感性，使用ANSYS優(yōu)化模塊中的梯度優(yōu)化法在最優(yōu)結(jié)構(gòu)解附近進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖9可以得知，各優(yōu)化參數(shù)對(duì)于體積的影響作用：L＞D＞T1＞FIL＞H；由圖10可以得知，各優(yōu)化參數(shù)對(duì)于最大等效應(yīng)力的影響作用：L=D＞H＞FIL＞T1。總結(jié)來說，壓磁元件的高度L與厚度D對(duì)其體積及最大等效應(yīng)力的影響最大，敏感性最強(qiáng)。

圖9 各參數(shù)對(duì)于體積的影響

圖10 各參數(shù)對(duì)于最大等效應(yīng)力的影響

2 靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

圖11 推力標(biāo)定裝置及標(biāo)準(zhǔn)測力計(jì)示意圖

2.1 傳感器靜態(tài)標(biāo)定

靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度，靈敏度，滯后和重復(fù)性等［7］。

2.2 傳感器標(biāo)定設(shè)備

標(biāo)定對(duì)象為所優(yōu)化的壓磁傳感器。

實(shí)驗(yàn)裝置選用環(huán)形測力計(jì)標(biāo)定效果較好，標(biāo)定精度較高，如圖11所示。帶杠桿放大機(jī)構(gòu)和百分表的環(huán)形測力計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的推力標(biāo)定裝置，橢圓形鋼環(huán)受力后的變形量與作用力成線性關(guān)系。

2.3 靜態(tài)標(biāo)定條件

傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行標(biāo)定的。所謂靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒有加速度，振動(dòng)，沖擊（除非這些量本身就是被測量）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5）℃，相對(duì)濕度不大于85%，大氣壓力為（101.3± 8）kPa的情況。另外，此次標(biāo)定的勵(lì)磁電源頻率為2 kHz，，勵(lì)磁電壓為4.88 V，勵(lì)磁電流為165.1 mA。

2.4 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)如表1所示，標(biāo)定結(jié)果歸納于表2。

表1 連續(xù)加卸載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：mV

表2 標(biāo)定數(shù)據(jù)結(jié)果

3 主要靜態(tài)性能指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)分析與研究

3.1 傳感器重復(fù)特性指標(biāo)

傳感器的重復(fù)性反映傳感器的隨機(jī)誤差，是衡量傳感器性能的重要指標(biāo)；選用貝塞爾公式法作為衡量傳感器重復(fù)性的指標(biāo)，關(guān)于重復(fù)性的具體計(jì)算方法參考GB/T 18459—2001《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算方法》。

3.1.1 勵(lì)磁頻率為2 kHz時(shí)的傳感器的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

①預(yù)載改變，最大載荷為6 kN時(shí)的連續(xù)加卸載試驗(yàn)

預(yù)載為0 kN，最大載荷為6 kN的連續(xù)加卸載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。其中n=7，采用分段最佳斜率法擬合數(shù)據(jù)，擬合直線方程為y=65.26x+142.15，滿量程輸出YFS為391.56。

表3 連續(xù)加卸載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由貝塞爾公式可得傳感器的重復(fù)性誤差ΔR= ±1.46%。可知當(dāng)預(yù)載為0 kN，最大載荷為6 kN時(shí)，傳感器的重復(fù)性很好。

當(dāng)預(yù)載荷為2 kN，最大載荷為6 kN時(shí)，此時(shí)復(fù)性誤差為±0.88%；當(dāng)預(yù)載荷為3 kN，最大載荷為6 kN時(shí)，此時(shí)重復(fù)性誤差為±0.70%。

可見，當(dāng)最大載荷6 kN不變時(shí)，傳感器的重復(fù)性隨著預(yù)載的增大而得到改善（±1.46%→±0.88% →±0.70%），達(dá)到最佳預(yù)載之后繼續(xù)增加預(yù)載，傳感器重復(fù)性基本不變。

為了研究最大載荷對(duì)傳感器重復(fù)性的影響，將最大載荷加大到10 kN進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

②預(yù)載改變，最大載荷為10 kN時(shí)的連續(xù)加卸載試驗(yàn)

當(dāng)預(yù)載為2 kN，最大載荷為10 kN時(shí)，重復(fù)性誤差為±1.21%，與預(yù)載為2 kN，最大載荷為6 kN時(shí)（重復(fù)性誤差為±0.88%）對(duì)比，可以得到結(jié)論：當(dāng)預(yù)載不變，最大載荷由6 kN增大到10 kN時(shí)，傳感器重復(fù)性變差（±0.88%～±1.21%）。

預(yù)載4 kN，最大載荷為10 kN時(shí)，重復(fù)性誤差為±1.64%；預(yù)載為6 kN，最大載荷為10 kN時(shí)，重復(fù)性誤差為±0.96%。

可見，當(dāng)最大載荷保持10 kN不變時(shí)，傳感器的重復(fù)性隨預(yù)載增大而得到改善（±1.21%→±1.64% →±0.96%），達(dá)到最佳預(yù)載后繼續(xù)增加預(yù)載，傳感器的重復(fù)性基本不變。

綜上所述，由于最大載荷為10 kN時(shí)傳感器的最小重復(fù)性誤差（±0.96%）大于最大載荷為6 kN時(shí)的最小重復(fù)性誤差（±0.70%），可以初步判定最大載荷的增加使傳感器的重復(fù)性誤差增大。

3.1.2 勵(lì)磁電壓頻率為1 kHz時(shí)傳感器的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

為了研究頻率變化對(duì)于傳感器特性的影響，按照同樣的方法在1 kHz勵(lì)磁條件下對(duì)傳感器進(jìn)行了加卸載實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如下：

當(dāng)最大載荷為6kN時(shí)，保持最大載荷不變，當(dāng)預(yù)載分別為2 kN、3 kN、6 kN時(shí)，相應(yīng)的傳感器的重復(fù)性誤差分別為：±0.71%、±1.02%、±1.07%，此時(shí)傳感器的重復(fù)性隨著預(yù)載的增加基本不變（±0.71%→±1.02%→±1.07%）。

當(dāng)最大載荷為10 kN時(shí)，保持最大載荷不變，當(dāng)預(yù)載分別為4 kN、5 kN、6 kN、7 kN時(shí)，相應(yīng)的傳感器的重復(fù)性誤差分別為：±0.49%、±0.56%、±0.60%、±1.68%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)最大載荷為6 kN時(shí)，勵(lì)磁頻率為1 kHz時(shí)的傳感器的重復(fù)性誤差（±0.71%）比勵(lì)磁頻率2 kHz時(shí)的傳感器的重復(fù)性誤差（±1. 46%）?。划?dāng)最大載荷為10 kN時(shí)，勵(lì)磁頻率為1 kHz時(shí)的傳感器的重復(fù)性誤差（±0.49%）比勵(lì)磁頻率2 kHz時(shí)的傳感器的重復(fù)性誤差（±0.96%）小；可以初步判定，勵(lì)磁頻率的降低使傳感器的重復(fù)性誤差降低。

3.2 傳感器線性度和靈敏度實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間的線性程度，即輸入輸出校準(zhǔn)曲線與所選定的參考直線之間的偏離程度，是衡量傳感器線性特性好壞的指標(biāo)［8］。隨參考直線的性質(zhì)和引法不同，線性度有多種，本次求解的線性度為最小二乘法線性度；靈敏度描述了傳感器對(duì)輸入量變化的反應(yīng)能力，是指在靜態(tài)工作條件下，單位輸入所產(chǎn)生的輸出。靈敏度是選用傳感器首先考慮的關(guān)鍵因素［9］。其具體計(jì)算方法參考《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算方法》。

在實(shí)際使用中，傳感器總是在其重復(fù)性最好的情況下使用，因此這里對(duì)其重復(fù)性較好的5種情況進(jìn)行線性度和靈敏度的計(jì)算：

①工況1：勵(lì)磁頻率為2 kHz，預(yù)載力4 kN，最大載荷為10 kN的連續(xù)加卸載試驗(yàn)。

②工況2：勵(lì)磁頻率為2 kHz，預(yù)載力6 kN，最大載荷為10 kN的連續(xù)加卸載試驗(yàn)。

③工況3：勵(lì)磁頻率為1 kHz，預(yù)載力4 kN，最大載荷為10 kN的連續(xù)加卸載試驗(yàn)。

④工況4：勵(lì)磁頻率為2 kHz，預(yù)載力2 kN，最大載荷為6 kN的連續(xù)加卸載試驗(yàn)。

⑤工況5：勵(lì)磁頻率為2 kHz，預(yù)載力2 kN，最大載荷為10 kN的連續(xù)加卸載試驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表4到表8為5種典型情況的擬合數(shù)據(jù)，其中yi為傳感器輸出相對(duì)預(yù)載輸出的增量值，xi為傳感器輸入相對(duì)預(yù)載輸入的增量；5種典型工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解結(jié)果匯總于表9。

表4 勵(lì)磁頻率為2 kHz，預(yù)載力4 kN，最大載荷為10 kN的擬合數(shù)據(jù)

表5 勵(lì)磁頻率為2 kHz，預(yù)載力6 kN，最大載荷為10 kN的擬合數(shù)據(jù)

表6 勵(lì)磁頻率為1 kHz，預(yù)載力4 kN，最大載荷為10 kN的擬合數(shù)據(jù)

表7 勵(lì)磁頻率為2 kHz，預(yù)載力2 kN，最大載荷為6 kN的擬合數(shù)據(jù)

表8 勵(lì)磁頻率為2 kHz，預(yù)載力2 kN，最大載荷為10 kN的擬合數(shù)據(jù)

表9 5種工況下的標(biāo)定數(shù)據(jù)匯總

綜合考慮表4～表9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到如下結(jié)論：①在勵(lì)磁頻率和最大載荷保持不變的前提下，隨著預(yù)載荷的增大，傳感器線性度變好，靈敏度提高；②在初始載荷以及最大載荷保持不變的前提下，勵(lì)磁頻率的降低，傳感器線性度變好，靈敏度提高；③在初始載荷以及勵(lì)磁頻率保持不變的前提下，最大載荷的提高，傳感器線性度變好，靈敏度提高。

3.2.2 誤差的分析

①靈敏度誤差分析

選用傳感器首先考慮的是靈敏度，如果達(dá)不到測量所需的靈敏度，傳感器就不能采用，但靈敏度高的傳感器不一定是最好的傳感器，靈敏度易受傳感器本身或外界環(huán)境噪聲影響，必須用信號(hào)與噪聲的相互關(guān)系全面衡量傳感器。

②線性度誤差分析

采用環(huán)形測力計(jì)進(jìn)行傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳感器的受力面必須與施加載荷方向保持垂直關(guān)系，一旦傳感器放置的位置面發(fā)生彎曲，沿傳感器橫截面方向的壓力增大或減小，最終會(huì)導(dǎo)致傳感器線性度變差。

③重復(fù)性誤差分析

觀察連續(xù)加卸載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以知道：傳感器重復(fù)性變差可能是因?yàn)槊恳粋€(gè)循環(huán)實(shí)驗(yàn)卸載后，傳感器沒有完全回到初始位置。將勵(lì)磁頻率為2 kHz，預(yù)載為4 kN，最大載荷為10 kN的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中的正行程的數(shù)據(jù)與反行程的數(shù)據(jù)分別與起始數(shù)據(jù)相減。得到回零后加卸載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，此時(shí)重復(fù)性誤差由原來的±1.64%減小到±0.67%，重復(fù)性明顯改善。

總之，壓磁式傳感器雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但是由于鐵磁特性還受很多其他因素的影響，因而將使測量結(jié)果產(chǎn)生很多誤差，主要因素有環(huán)境溫度，壓磁元件的力滯回線，非線性，以及由于電源不穩(wěn)定使磁化電流變化引起導(dǎo)磁率的初始值的變化，因而壓磁效應(yīng)也發(fā)生變化［10-11］；另外壓磁元件的制造工藝，包括沖減材料的方向選擇，材料熱處理時(shí)降溫速度的控制，沖片粘合時(shí)片與片之間的粘合質(zhì)量，穿線與裝配等，都會(huì)對(duì)傳感器的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

3.3 工業(yè)應(yīng)用

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的壓磁傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于分片內(nèi)孔壓磁式板形儀，該板形儀是一種在線自動(dòng)檢測冷軋帶材平直度（板形）的檢測裝置，適宜于各種冷軋帶材平直度的在線檢測［12-17］。圖12為分片內(nèi)孔壓磁式板形儀檢測輥簡圖，圖13為分片內(nèi)孔壓磁式板形儀系統(tǒng)簡圖。

針對(duì)某廠1 050 mm HC六輥可逆冷軋機(jī)，此板形儀的靈敏度大于0.1 mV/N，瞬時(shí)過載能力100%，耐溫大于200℃，完全能夠滿足現(xiàn)場檢測板形的要求，保證最終帶鋼產(chǎn)品的板形質(zhì)量。

圖12 分片內(nèi)孔壓磁式板形儀系統(tǒng)簡圖

圖13 分片內(nèi)孔壓磁式板形儀檢測輥簡圖

4 結(jié)束語

本文對(duì)硅鋼片式壓磁傳感器進(jìn)行了基礎(chǔ)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，首先，對(duì)已有的硅鋼片式壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用ANSYS14.0軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，確定了傳感器在安全工作條件下最小體積（VTOT=173.570 80 mm3）及相應(yīng)設(shè)計(jì)變量的值（FIL=0.755 27 mm；T1=1.540 50 mm；L= 12.030 00 mm；H=2.977 60 mm；D=0.300 40 mm），為硅鋼片式壓磁傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也為設(shè)計(jì)其他規(guī)格和型號(hào)的壓磁傳感器提供了參考；其次，對(duì)傳感器進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研制的傳感器具有極好的靈敏度（S= 76.67 mV/kN），重復(fù)性（1.21%），線性度（1.29%）；然后，在不同預(yù)載荷，不同的測力范圍，不同的勵(lì)磁頻率條件下對(duì)傳感器進(jìn)行了重復(fù)性，線性度和靈敏度的實(shí)驗(yàn)分析與研究，并總結(jié)了不同頻率下傳感器特性變化的規(guī)律；最后，結(jié)合工業(yè)應(yīng)用證明了此次研制的傳感器性能優(yōu)良，為高精度板形的測量以及帶鋼板形質(zhì)量的確定打好了基礎(chǔ)。

［1］ 劉宏民，于丙強(qiáng)，楊利坡.整輥鑲塊智能型冷軋帶鋼板形儀的研制與工業(yè)應(yīng)用［J］.鋼鐵，2011，46（12）：87-89.

［2］ 于丙強(qiáng)，楊利坡，劉宏民.冷軋帶鋼接觸式板形儀的研制及其工業(yè)應(yīng)用［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（4）：905-911.

［3］ 單成祥.傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999：311-326.

［4］ Zhizhao Che，F(xiàn)angxin Fang，James Percival.An Ensemble Method for Sensor Optimization Applied to Falling Liquid Films［J］.International Journal of Multiphase Flow，2014：153-161.

［5］ Min-Kyung Kang，Soobum Lee，Jung-Hoon Kim.Shape Optimization of a Mechanically Decoupled Six-Axis Force/Torque Sensor［J］. Sensors and Actuators A：Physical，2014，209（2014）：41-51.

［6］ 吳寶元，申飛，吳仲城.應(yīng)變式多維力傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（10）：1413-1416.

［7］ GB/T 18459—200傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法［S］.

［8］ 彭杰綱，寧靜，鄧罡.傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012：4-14.

［9］ 劉清惓，高翔，陳傳寅.基于MEMS傳感器的水氣測量系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（6）：853-856.

［10］張洪潤.傳感器技術(shù)手冊（上冊）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：186-201.

［11］張洪潤.傳感器技術(shù)手冊（中冊）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：815-836.

［12］于丙強(qiáng).整輥智能型冷軋帶鋼板形儀研制及工業(yè)應(yīng)用［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2010.

［13］劉宏民，于丙強(qiáng)，華仲新.分片內(nèi)孔壓磁式板形儀：中國，200610048380.1［P］.2007-03-21.

［14］Yang Lipo，Yu Bingqiang，Yu Huaxin.Online Shape Dynamic Wrapping Angle Compensation Model of Cold Strip［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2011，18（7）：28-32.

付廣洋（1988-），男，山東濰坊人，燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院化工過程機(jī)械系碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘逍螜z測與控制，kai0827@163.com；

趙世霞（1990-），女，山東日照人，山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程系碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽⑺軝C(jī)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與CAE分析，sdshixia@126.com。

于丙強(qiáng)（1963-），男，山東榮成人，工學(xué)博士，研究員，教授級(jí)高工，主要研究方向?yàn)榘逍螠y量系統(tǒng)的研制，ybingq@ ysu.edu.cn；

Structure Optimization Design and Static Calibration for the Magneto Elastic Sensor*

FU Guangyang1，YU Bingqiang1*，ZHAO Shixia2，ZHAO Jian1
（1.College of Environmental and Chemical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao Hebei 066004，China；2.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

In order to get the lightest weight of the magneto elastic sensor which is made by cold-rolled silicon steel sheets under the safety working condition，the structure optimization design of the sensor was completed based on ANSYS 14.0 platform.Moreover，the influence of the design variables on the volume and the Von Mises stress of the sensor is concluded in this paper.Then the static calibration experiment is carried out to figure out the main static performance specification of the sensor.Moreover，some experimental analyses and researches of the designed sensor are carried out under the conditions of different pre-load，different load scope and different magnetism frequency.Finally，application result shows that the sensor has the advantages of stronger anti-interference ability，signal stability，high-precision and long service life.The successful application of the sensor realizes the measurement of strip shape in real-time，and lays a solid foundation for shape control.

cold-rolled silicon steel sheets；magneto elastic sensor；ANSYS 14.0；the structure optimization design；static characteristic；shape

TP391

A

1004-1699（2015）04-0479-08

7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.005

項(xiàng)目來源：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAF15B03）；河北省自然科學(xué)鋼鐵聯(lián)合研究基金項(xiàng)目（E2011203004）

2014-11-16 修改日期：2014-12-25