طراحی و ساخت حسگر نیرو با استفاده از ماده مگنتواستریکتیو ترفنل-دی

اندازه گیری دقیق یک پارامتر فیزیکی، برخلاف ظاهر ساده آن، مسئله ای پیچیده بوده که به کمک دانش اندازه گیری و تجربه قابل انجام می باشد. به همین دلیل، ساخت حسگری که بتواند یک پارامتر فیزیکی را اندازه گیری کند از پیچیدگی های دوچندانی برخوردار می باشد. حسگرهای نیرو از پرکاربردترین حسگرهای موجود در سامانه های مکاترونیکی و کنترلی می باشد. در سال های اخیر، حسگرهای نیروی نوینی حاوی المان هوشمند مگنتواستریکتیو مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته اند. حسگرهای نیروی مگنتواستریکتیو در مقایسه با سایر حسگرهای نیرو، مزایای متعددی دارند که می توان به ضریب کوپلینگ بالا میان حالت های الاستیک و مغناطیس (حدود 0/7)، توانایی تحمل بارهای سنگین، پاسخ زمانی کوتاه (چند میکروثانیه)، توانایی سازگاری با محیط های خشن، بدون مصرف انرژی و تولید حرارت کم اشاره کرد. در سال های پیش تر، حسگرهای نیروی مگنتواستریکتیو قادر به اندازه گیری نیروی دینامیکی با حساسیت بسیار اندک بودند اما در گزارش های علمی بین المللی روز مشاهده می شود که پژوهشگران این عرصه، بر روی اندازه گیری نیروی استاتیکی و افزایش حساسیت این گونه حسگرها تمرکز کرده اند. در پاسخ به این نیاز، در این پژوهش یک حسگر نیروی استاتیکی مگنتواستریکتیو با حساسیت بالا با استفاده از پدیده ویلاری موجود در ماده اَبَرمگنتواستریکتیو ترفنل-دی طراحی و ساخته شده است. در ابتدا، یک نمونه اولیه از حسگر نیروی مگنتواستریکتیو طراحی و ساخته شده و با توجه به تجربه های کسب شده از آن، طراحی مفهومی حسگر اصلی انجام شده و به تبع آن مواد مورد نیاز در مجموعه حسگر انتخاب شده اند. جهت شبیه سازی عددی، خواص مغناطیسی مواد مذکور از طریق آزمایش تجربی اندازه گیری شده و در برخی موارد از طریق انجام عملیات حرارتی بهبود یافته اند. سپس با استفاده از اطلاعات به دست آمده از خواص مغناطیسی مواد، توسط نرم افزار شبیه سازی عددی سی اس تی استودیو سوئیت 2011 به طراحی حسگر پرداخته شده و حسگر بر اساس اطلاعات خروجی نرم افزار، ساخته شده است. پس از انجام آزمایش حسگر، مشخصات عملکردی آن از جمله بازه اندازه گیری، حساسیت، خطای خطی پذیری و واریانس حسگر گزارش شده است. در نهایت، معیار طراحی حسگرهای مگنتواستریکتیو بیان شده و یک مدل تحلیلی حاصل از مدار مغناطیسی حسگر ارائه شده است. همچنین، اختلافی به اندازه 3% میان پیش بینی های شبیه سازی عددی و نتایج تجربی در مورد حساسیت حسگر مشاهده شده است. اما از معایب بارز این حسگر، هیسترزیس موجود در آن می باشد که از هیسترزیس موجود در ماده ترفنل-دی نتیجه می شود. ترد بودن جنس ماده نیز یکی از محدودیت های موجود می باشد. همچنین این حسگر ساخته شده فقط نیروی فشاری را اندازه گیری می کند.