基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的無源壓力傳感器的製作方法

2023-09-14 04:44:50

專利名稱：基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的無源壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於磁致伸縮傳感器領域，特別涉及一種以超磁致伸縮材料Terfenol-D為敏感元件的無源磁致伸縮壓力傳感器。
背景技術：
現有的壓力傳感器種類繁多，典型的壓力傳感器有壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器利用半導體材料的壓阻效應製成，它的基片由半導體材料製成，在外力作用下，基片產生形變，阻值發生變化，電橋失去平衡，從而輸出電壓信號。該傳感器受溫度影響大，重複性較差，且對半導體的加工工藝要求複雜，成本高。電容式壓力傳感器輸出阻抗高，負載能力差，寄生電容影響大,且由於電荷洩漏難於避免，不適宜靜態力的測量。諧振式壓力傳感器製造工藝相對複雜，振動元件集成在壓力敏感膜上，二者的機械耦合易出現問題。壓電式壓力傳感器壓電轉換元件無 靜態輸出，某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要採用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。Terfenol-D的超磁致伸縮材料是一種新型功能材料,憑藉室溫下具有大的磁致伸縮(1200X 10_6 2000X 10_6)，高的機電耦合係數(O. 7 O. 75)，響應速度快等優點引起了國內外學術界和工業界的極大關注。利用磁致伸縮材料的逆效應製備傳感器是近年出現的研究熱點。河北工業大學樊長在等人依據應力變化時磁致伸縮材料的磁通密度變化的原理研製了磁致伸縮力傳感器，並用特斯拉計測量受力後磁通密度的變化，測量誤差較大。大連理工大學賈振元等人依據集成在力傳感器內部的霍爾傳感器測量磁致伸縮材料受力後磁通密度的變化，實現了磁致伸縮力傳感器靜態力和動態力同時測量，但是該傳感器工作時需要兩個電源，一個給激勵線圈供電，一個給集成在傳感器內部的霍爾傳感器供電，測試系統複雜，成本較高。目前尚無基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的結構簡單、器件自身無需額外電源的磁致伸縮壓力傳感器的報導。

發明內容
本發明的目的是針對現有磁致伸縮壓力傳感器技術的不足，設計一種以超磁致伸縮Terfenol-D棒為敏感元件的結構簡單、靈敏度高的磁致伸縮壓力傳感器。採用永久磁鐵和軛鐵產生偏置磁場的方法省去了傳感器自身的外接電源，實現傳感器無外接電源。由惠更斯電橋組成的監測系統檢測超磁致伸縮Terfenol-D棒在受到壓力變化時應變的變化，並把該變化轉換成電壓信號輸出，實現靜態壓力的測量，該壓力傳感器同時還可以進行靜態位移的測量。本發明採用的技術方案是一種基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的無源壓力傳感器，該傳感器的結構為整體結構為軸對稱式圓柱結構，下端蓋上安裝有帶底圓筒軛鐵，在帶底圓筒軛鐵的內腔底部安裝有下永磁鐵，下永磁鐵的上方邊緣安裝有下環狀梯形軛鐵，下永磁鐵的上方中心安裝有超磁致伸縮Terfenol-D棒,超磁致伸縮Terfenol-D棒上粘有應變片；超磁致伸縮Terfenol-D棒的正上方安裝有上永磁鐵，上永磁鐵下方邊緣安裝有上環狀梯形軛鐵，與下環狀梯形軛鐵對應；上永磁鐵上方安裝有圓形軛鐵，圓形軛鐵和非導磁墊片間安裝有彈簧；非導磁墊片上方中心安裝倒T型頂杆，頂杆底端與非導磁墊片接觸，頂杆的柱端帶有螺紋；在帶底圓筒軛鐵的外部安裝圓筒狀外套，倒T型頂杆的柱端穿過上端蓋的中間開孔，螺杆穿過下端蓋和上端蓋邊緣內部的開孔，用螺帽固定，使上端蓋、圓筒狀外套和下端蓋封裝成一個閉合的結構；帶底圓筒軛鐵和圓形軛鐵之間留有氣隙。所述的帶底圓筒軛鐵高度與圓形軛鐵、上永磁鐵、Terfenol-D棒和下永磁鐵的高度之和相等。 所述的圓筒狀外套的一側帶有長方形開槽。所述的應變片為2個，對稱粘貼在超磁致伸縮Terfenol-D棒上。本發明的顯著特點是以超磁致伸縮Terfenol-D棒2作為敏感元件,利用圓形軛鐵11、帶底圓筒軛鐵13、上永磁鐵5、上環狀梯形軛鐵4、下環狀梯形軛鐵17、下永磁鐵14產生偏置磁場，免除了激勵線圈，傳感器本身無需額外的外接電源。由惠更斯電橋檢測出Terfenol-D棒2由於受到壓力作用而產生的形變，無需額外的信號放大電路，結構簡單，牢固可靠。磁致伸縮壓力傳感器由於敏感元件Terfenol-D棒2的特殊特性，在測量壓力的同時，還可以進行位移的測量。


圖I為磁致伸縮壓力傳感器裝配圖剖面圖。其中，I-圓筒狀外套、2-Terfenol-D棒、3-兩片應變片、4-上環狀梯形軛鐵、5-上永磁鐵、6-非導磁墊片、7-倒T型頂杆、8-上端蓋、9-螺帽、10-彈簧、11-圓形軛鐵、12-螺杆、13-帶底圓筒軛鐵、14-下永磁鐵、15-下端蓋、16-長方形開槽、17-下環狀梯形軛鐵。圖2為磁致伸縮壓力傳感器樣機的照片。其中圓筒狀外套I採用塑料，外套I上的開槽16寬為I. 5mm,長度為16mm。彈簧10的長度為33mm。圓形軛鐵11和帶底圓筒軛鐵13之間的氣隙為O. 25mm。圖3為磁致伸縮壓力傳感器實驗系統示意圖。其中，31-壓力機，32-安裝底座，33-磁致伸縮壓力傳感器，34-調節手柄。圖4為磁致伸縮壓力傳感器壓力測試結果。橫坐標F-壓力，單位N。縱坐標U-超磁致伸縮壓力傳感器輸出電壓，單位mV。a-壓力實驗結果曲線。圖5為磁致伸縮壓力傳感器位移測試結果。橫坐標d-位移，單位mm。縱坐標U-超磁致伸縮壓力傳感器輸出電壓，單位mV。b-位移實驗結果曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和技術方案詳細說明本發明的具體實施，但它們不是對本發明作任何限制。本發明設計的基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的無源壓力傳感器(簡稱傳感器)，該傳感器的結構為整體結構為軸對稱式圓柱結構，下端蓋15上安裝有帶底圓筒軛鐵13，在帶底圓筒軛鐵13的內腔底部安裝有下永磁鐵14，下永磁鐵14的上方邊緣安裝有下環狀梯形軛鐵17，下永磁鐵14的上方中心安裝有超磁致伸縮Terfenol-D棒2，敏感元件Terfenol-D棒2上左右對稱粘有2個應變片3 ;超磁致伸縮Terfenol-D棒2的正上方安裝有上永磁鐵5，上永磁鐵5下方邊緣安裝有上環狀梯形軛鐵4，與下環狀梯形軛鐵17對應；上永磁鐵5上方安裝有圓形軛鐵11，圓形軛鐵11和非導磁墊片6間安裝有彈簧10 ;非導磁墊片6上方中心安裝倒T型頂杆7,頂杆7底端與非導磁墊片6接觸,頂杆7的柱端帶有螺紋，便於與被測系統連接；在帶底圓筒軛鐵13的外部安裝圓筒狀外套1，倒T型頂杆7的柱端穿過上端蓋8的中間開孔，三根對稱分布的螺杆12穿過下端蓋15和上端蓋8邊緣內部的開孔，用螺帽9固定，使上端蓋8、圓筒狀外套I和下端蓋15封裝成一個閉合的結構；帶底圓筒軛鐵13和圓形軛鐵11之間留有氣隙，一方面可以控制偏置磁場大小，另一方面可以引出兩片應變片3的引線。帶底圓筒軛鐵13的高度與圓形軛鐵11、上永磁鐵5、Terfenol-D棒2和下永磁鐵14的高度之和相等。圓筒狀外套I的一側帶有長方形開槽16，便於應變片 測試線引出。當傳感器倒T型頂杆7受到一定變化的外界力F的作用，倒T型頂杆7柱端通過機械傳導裝置非導磁墊片6、彈簧10、圓形軛鐵11、上永磁鐵5將力F傳遞給敏感元件Terfenol-D棒2。圓形軛鐵11、帶底圓筒軛鐵13、上永磁鐵5、上環狀梯形軛鐵4、下環狀梯形軛鐵17、下永磁鐵14為Terfenol-D棒2提供一定的偏置磁場H, Terfenol-D棒2在力F與H的共同作用下產生形變，該形變由貼在Terfenol-D棒2上的兩片應變片3測量，傳感器自身無需外接電源。應變片連接惠更斯電橋電路，將所測壓力對應的電壓信號U測出。用於測量應變的惠更斯電橋是由4個電阻組成的平衡電橋，其中一個電阻即是粘於Terfenol-D棒2上的一個應變片3，當Terfenol-D棒2不受外力作用時，這個應變片3的阻值不變，4個電阻平衡。當Terfenol-D棒2由於外加壓力而產生形變時，導致應變片電阻發生變化，電橋失去平衡，在檢測端輸出電壓信號。貼於Terfenol-D棒2上的另一個應變片3為備用應變片。(以上涉及的安裝除應變片是粘接在Terfenol-D上的外，其他為螺釘安裝)圓筒狀外套I採用非導磁性材料，可以選用不鏽鋼或者塑料。圓筒狀外套I上的長方形開槽16寬為I. 5mm，長度範圍為l(T20mm。彈簧10彈性係數為75. 2N/mm，根據所測壓力的大小可以採用不同的長度，當長度為33mm時，壓力傳感器測量壓力的範圍為(Γ843Ν，壓力傳感器測量位移的範圍為(Γ11. 2_。圓形軛鐵11和帶底圓筒軛鐵13之間的氣隙範圍為O. 25 1_，根據需要的偏置磁場可以調整氣隙的大小。基於Terfenol-D的無源磁致伸縮壓力傳感器以超磁致伸縮Terfenol-D棒(本發明所涉及的超磁致伸縮Terfenol-D棒的組成及製備見如下文獻功能材料，2006年第6期(37)卷，870-873頁；機電工程，2004年第21卷第4期，55-59頁)作為敏感元件，採用貼於Terfenol-D棒上的應變片測量應變,將輸入的壓力信號轉化為電壓信號輸出。基於Terfenol-D棒的無源磁致伸縮壓力傳感器的基本原理是依據超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應原理，當超磁致伸縮材料受到外力作用時，超磁致伸縮材料產生形變，磁致伸縮棒的形變引起貼在棒上的應變片發生電阻變化，應變片電阻的變化使原本平衡的惠更斯電橋埠有電壓信號輸出，因此可以通過測量惠更斯電橋的輸出電壓來實現對壓力的測量。圖I為磁致伸縮壓力傳感器裝配圖的剖面圖，當測量時，外力作用在超磁致伸縮壓力傳感器的頂杆7柱端上，壓力通過機械傳導裝置頂杆7、非導磁墊片6、彈簧10、圓形軛鐵11、上永磁鐵5傳遞到超磁致伸縮Terfenol-D棒2上。壓力傳感器中超磁致伸縮Terfenol-D棒的磁致伸縮逆效應與偏置磁場大小有關。對超磁致伸縮壓力傳感器內部磁場進行有限元分析得知，由圓形軛鐵11、帶底圓筒軛鐵13、上永磁鐵5、上環狀梯形軛鐵4、下環狀梯形軛鐵17、下永磁鐵14組成的偏置磁場產生裝置可以產生敏感元件Terfenol-D棒2需要的偏置磁場，利用圓形軛鐵11和帶底圓筒軛鐵13之間的氣隙大小可以調整偏置磁場的大小，省去了激勵線圈及外接電源。為了防止外界環境對整個壓力傳感器的內部磁路產生影響，用防磁性外套I、上端蓋8和下端蓋15將整個壓力傳感器內部結構封裝在裡面，將磁路切斷。圖2為磁致伸縮壓力傳感器樣機的照片。樣機中各元件的具體尺寸為敏感元件Terfenol-D棒2的尺寸為直徑8. 5mm,長度18mm ;上端蓋8和下端蓋15外徑為35mm,內徑為8. 5mm ;頂杆7柱端直徑為6mm ;非導磁墊片6直徑22mm ;塑料圓筒形外套外徑25mm,長度76mm ;螺杆長度為96mm。帶底圓筒軛鐵外徑24mm,圓形軛鐵11外徑23. 75mm,上永磁鐵
5、下永磁鐵14直徑為20mm，長度為10mm，永磁鐵選擇NdFeB材料，經過有限元分析，該尺寸下Terfenol-D棒表面產生均勻的磁場,大小為20kA/m。該偏置磁場下，Terfenol-D棒在(Tl5MPa範圍內壓應力與應變呈現線性關係，滿足測量要求。實施例I靜態壓力的測量本實施例中壓力傳感器採用圖2所示的樣機。其中，敏感元件Terfenol-D棒2的尺寸為直徑8. 5mm,長度18_。圖3為靜態壓力測量實驗系統示意圖，其中，主要部件的參數如下選用769YP-24B粉末油壓壓片機，其最大輸出力可達2400N。實驗平臺的安裝過程如下向上轉動調節手柄34至壓片機31上端蓋位置，將磁致伸縮壓力傳感器33置於壓片機31的安裝底座32中間位置，調節壓片機31下端蓋上的旋鈕，同時向下轉動調節手柄34，使壓力傳感器固定在調節手柄34和安裝底座32正中間。將壓力傳感器應變片的引線兩端分別與惠更斯電橋的兩條輸入線相接，採用SDY2202型靜態電阻應變儀測試應變大小，同時用萬用表測試與所測壓力對應的輸出電壓的大小。實驗過程及結果在室溫環境下，壓力傳感器本身無需額外電源。給靜態電阻應變儀供電後，給壓片機31施加(Γ843Ν的壓力，磁致伸縮壓力傳感器受到壓力作用，產生形變，通過應變片檢測出該形變，通過惠更斯電橋與靜態電阻應變儀顯示出該應變，同時萬用表顯示出與該壓力對應的輸出電壓。測量得到的輸出電壓與輸入壓力之間的關係如圖4曲線a所示，實驗結果曲線a基本為線性。表明，在靜態壓力(Γ843Ν範圍內，傳感器的輸出電壓與所測靜態壓力的關係基本呈線性關係，在使用壓力傳感器時，可以通過輸出電壓的值判斷所測壓力的大小。由於曲線a基本為線性，其斜率近似為常數I. 05mV/N，該值即為傳感器感知壓力的靈敏度，即所測壓力為IN時，輸出電壓改變I. 05mV，說明該傳感器靈敏度較高。改變彈簧10的彈性係數，可以改變被測壓力的測量範圍和靈敏度。實施例2靜態位移的測量基於Terfenol-D的無源磁致伸縮壓力傳感器除了能進行靜態壓力的測量，還可以進行靜態位移的測量。本實施例中傳感器採用圖2所示的樣機。彈簧10的長度為33mm，彈性係數為75. 2N/mm, Terfenol-D棒2的尺寸為直徑8. 5mm，長度18mm。採用圖3所示測量實驗系統，利用壓片機31的調節手柄34給傳感器施加(Til. 2mm範圍內的位移，傳感器中的敏感元件Terfenol-D棒2感知到由於調節手柄34的位移引起的力的變化，Terfenol-D棒2產出形變，靜態電阻應變儀顯示出由於該應變。萬用表顯示出與所測位移相應的輸出電壓。測量得到的輸出電壓與輸入位移之間的關係如圖5曲線b所示，實驗結果曲線b基本為線性。表明，在靜態位移(TlI. 2mm範圍內，傳感器的輸出電壓與所測靜態位移的關係基本呈線性關係，在使用傳感器時，可以通過輸出電壓的值判斷所測位移的大小。曲線b的斜率為78. 9mV/mm,即當所測位移為Imm時，輸出電壓改變78. 9mV。改變彈簧10的彈性係數，可以改變被測位移的測量範圍和靈敏度。本發明所述的基於Terfenol-D的無源磁致伸縮壓力傳感器具有結構簡單，靈敏度高，測量準確等特點，具有重要的實際應用價值。 本發明未述及之處適用於現有技術。
權利要求
1.一種基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的無源壓力傳感器，其特徵為該傳感器的結構為整體結構為軸對稱式圓柱結構，下端蓋上安裝有帶底圓筒軛鐵，在帶底圓筒軛鐵的內腔底部安裝有下永磁鐵，下永磁鐵的上方邊緣安裝有下環狀梯形軛鐵，下永磁鐵的上方中心安裝有超磁致伸縮Terfenol-D棒,超磁致伸縮Terfenol-D棒上粘有應變片；超磁致伸縮Terfenol-D棒的正上方安裝有上永磁鐵，上永磁鐵下方邊緣安裝有上環狀梯形軛鐵，與下環狀梯形軛鐵對應；上永磁鐵上方安裝有圓形軛鐵，圓形軛鐵和非導磁墊片間安裝有彈簧；非導磁墊片上方中心安裝倒T型頂杆，頂杆底端與非導磁墊片接觸，頂杆的柱端帶有螺紋；在帶底圓筒軛鐵的外部安裝圓筒狀外套，倒T型頂杆的柱端穿過上端蓋的中間開孔，螺杆穿過下端蓋和上端蓋邊緣內部的開孔，用螺帽固定，使上端蓋、圓筒狀外套和下端蓋封裝成一個閉合的結構；帶底圓筒軛鐵和圓形軛鐵之間留有氣隙。
2.如權利要求I所述的基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的無源壓力傳感器，其特徵為所述的帶底圓筒軛鐵高度與圓形軛鐵、上永磁鐵、Terfenol-D棒和下永磁鐵的高度之和相坐寸ο
3.如權利要求I所述的基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的無源壓力傳感器，其特徵為所述的圓筒狀外套的一側帶有長方形開槽。
4.如權利要求I所述的基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的無源壓力傳感器，其特徵為所述的應變片為2個，對稱粘貼在超磁致伸縮Terfenol-D棒上。
全文摘要
本發明為一種基於超磁致伸縮材料Terfenol-D的無源壓力傳感器，其結構為整體結構為軸對稱式圓柱結構，下端蓋上安裝有帶底圓筒軛鐵，在帶底圓筒軛鐵的底部有下永磁鐵，下永磁鐵的上方邊緣安裝有下環狀梯形軛鐵，下永磁鐵的上方中心安裝有Terfenol-D棒，Terfenol-D棒上粘有應變片；Terfenol-D棒正上方有上永磁鐵，上永磁鐵下方有上環狀梯形軛鐵，與下環狀梯形軛鐵對應；上永磁鐵上方安裝有圓形軛鐵，圓形軛鐵和非導磁墊片間安裝有彈簧；非導磁墊片上方中心安裝倒T型頂杆，頂杆底端與非導磁墊片接觸；在帶底圓筒軛鐵的外部安裝圓筒狀外套，螺杆穿過下端蓋和上端蓋邊緣內部的開孔，用螺帽固定，使上端蓋、圓筒狀外套和下端蓋封裝成一個閉合的結構。本發明無需額外的外接電源結構簡單，牢固可靠。
文檔編號G01L1/12GK102721490SQ201210234799
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月9日 優先權日2012年7月9日
發明者孫英, 王博文, 王志華, 翁玲, 黃文美 申請人:河北工業大學