西安交通大学胡忠强教授：高灵敏度磁场传感器及在电力设备的应用

中国电工技术学会 • 青年云沙龙

中国电工技术学会青年工作委员会品牌活动“中国电工技术学会青年沙龙”为电气工程及相关领域青年人才提供学术交流、成果展示与经验分享的平台，得到了广大青年朋友们的肯定和支持。

后疫情阶段，青工委因地制宜打造线上系列活动。青工委“高电压、绝缘与等离子体学组”与“电力系统及综合能源学组”联合组织“中国电工技术学会青年云沙龙”系列视频会议。青年云沙龙每两周举办一期，一般安排在周日晚上。

2020年6月7日晚18:30-22:00，第三期青年云沙龙“面向电力设备状态感知的先进传感技术”青年学者报告会成功召开。本次会议由学会青工委高压绝缘等离子体学组和西安交通大学承办。会议召集人西安交通大学杨爱军副教授和王小华教授联合主持了此次活动。

本次会议通过腾讯会议线上报告与讨论、微信群互动、哔哩哔哩视频直播相结合的形式召开，线上同时参与人数超过1.1万，实现青年云沙龙连续3期参与人数过万，活动取得了圆满成功。

在征求与会演讲专家同意后，本期青年云沙龙的部分专家报告将陆续在本公号上推送，敬请广大读者关注。

胡忠强，西安交通大学电子科学与工程学院教授，博士生导师。入选陕西省千人计划青年项目资助。毕业于武汉大学微电子与固体电子学专业，先后在美国阿贡国家实验室、美国东北大学开展博士后研究，主要从事磁场传感器、电流传感器、磁电耦合功能材料等研究，主持和参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等课题，发表论文100余篇，申请/授权国家发明专利30余项，在本领域国际学术会议做邀请报告及口头报告 30 余次。

电力计量、物联网、新能源汽车、机器人等新兴产业对微型磁传感器的需求巨大。传统的微型磁传感器如霍尔传感器和磁阻传感器灵敏度较低，而灵敏度较高的磁通门计、超导量子磁强计、核磁共振磁强计的体积或功耗较大。

基于新颖的隧穿磁电阻效应和磁电耦合效应，开发具有灵敏度高、尺寸小、易集成、功耗低和重量轻等特点的微机电系统磁传感器及其芯片集成技术，对提升我国在电力测量、微纳制造、人工智能等领域的科技水平，具有重要的科学意义和应用价值。

一种新型的磁致伸缩力传感器，结构简单，灵敏度高

省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室的研究人员李云开、王博文、张冰，在2019年第17期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“铁镓合金的压磁效应与力传感器的研究”），基于非线性压磁方程，通过COMSOL有限元仿真平台，分析了片状铁镓合金的压磁效应。仿真研究了不同偏置磁场和不同应力下铁镓合金动态压磁系数的变化。

参考悬臂梁特性，利用铁镓合金设计并制作了一种新型的磁致伸缩力传感器。根据电磁学理论和压磁效应，建立了力传感器的测试模型。搭建磁致伸缩力传感器实验平台，通过实验研究了偏置磁场和力对输出特性的影响。

通过仿真和实验结果可知，偏置磁场强度为4.5 kA/m时，压磁系数最大值为17.5 T/GPa。传感器的测力范围为0~4N，在0~2N内传感器有较高的灵敏度。该传感器具有结构简单，灵敏度高等优点，可满足对力精确感知的要求。

磁致伸缩材料铁镓合金（Galfenol）具有在低磁场下应变高、滞后小和应力灵敏度高等优点。相比于稀土磁致伸缩材料（Terfenol-D）和压电材料，铁镓合金具有脆性小、抗拉强度高等良好的机械性能，可广泛应用于换能器、传感器和振动能量采集器等领域。利用Galfenol的压磁效应可研制磁致伸缩位移传感器、磁致伸缩应变传感器和磁致伸缩压力传感器等。

压磁系数是指单位应力引起磁致伸缩材料磁感应强度的变化量，因而压磁系数与磁致伸缩压力传感器的灵敏度密切相关。

本文基于非线性压磁方程，利用COMSOL有限元仿真软件研究了应力和偏置磁场对压磁效应的影响，分析了压磁系数随应力和偏置磁场的变化规律，得出小应力下最大压磁系数对应的偏置磁场。参考悬臂梁结构特点，应用铁镓合金设计制作了一种新型的力传感器，用于机械手对抓取力的测量。结合非线性本构模型和JA模型，推导了传感器测试力的输出模型。搭建了磁致伸缩力传感器的实验平台，验证了应力和偏置磁场对压磁系数的影响，同时验证了传感器输出模型的有效性。

图7 传感器结构

图8 传感器测试平台

结论

基于非线性压磁方程，采用COMSOL有限元仿真软件对片状铁镓合金悬臂梁进行建模，研究了偏置磁场和应力对压磁系数的影响规律。设计制作了一种新型力传感器，应用电磁学理论、压磁效应，建立了传感器测试力的输出电压模型。计算结果与实验结果基本一致，表明建立的模型可描述力传感器的输出特性。

由仿真和实验结果可知，偏置磁场强度为4.5 kA/m时，压磁系数达到最大值17.5 T/GPa。传感器的测力范围为0~4N，在0~2N范围力具有较高测试灵敏度，在2~4N范围力的测试灵敏度略微低。该传感器具有结构简单、灵敏度高等优点，可满足对力精确感知的要求。

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