壓電式扭轉波換能器及壓電換能式磁致伸縮傳感器的製作方法

2023-06-13 13:16:16 1

專利名稱：壓電式扭轉波換能器及壓電換能式磁致伸縮傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器技術領域，尤其是涉及磁致伸縮扭轉波的信號轉換技術，將機械扭轉波轉換為電信號，適用於位置信號和液位信號的檢測儀器。
背景技術：
隨著科技水平的不斷發展，對液位測量和位置測量的技術要求，也逐步提高。 而廣泛應用的磁致伸縮傳感器，一般是通過磁致伸縮效應，產生扭轉波，通過基於逆磁 致伸縮效應方法的換能器，將扭轉波機械信號轉換為電信號，通過計算時間差得出跟隨 被測介質移動的磁鐵(浮子)的位置，用於過程的自動化控制。目前MTS公司的一種磁致伸縮液位計產品，採用的是基於逆磁致伸縮效應的扭 轉波拾取技術方案。其扭轉波換能器的細節如圖1所示。在波導絲L靠近電子倉的部分，對稱的焊接著兩片磁致伸縮金屬片H(示意圖只 畫出其中一片，另一片為完全對稱結構)。磁致伸縮金屬片H與波導絲L焊接，當扭轉 波W沿著波導絲L傳遞到輸出段，引起磁致伸縮金屬片H的變形。根據逆磁致伸縮效應，即當金屬片H材料受到外力時，材料內部的磁化狀態也 隨之改變，在偏置磁場A的作用下，線圈D會檢測到金屬片H內部磁通量的變化，產生 脈衝電壓信號。另外一側磁致伸縮金屬片H完全對稱結構，故兩路電壓信號為差動信 號。現有磁致伸縮傳感器的扭轉波換能技術採用逆磁致伸縮效應的原理，有兩個明 顯的不足零件數目多，需要偏置磁鋼A，磁致伸縮金屬片H，檢測線圈D配合工作，且三 者位置關係要精密配合，整個製造成本高。工藝複雜，磁致伸縮金屬片H與波導絲L需仔細焊接，難度較大。繞制微型線 圈也相當麻煩，不易實現規模化生產，且一致性無法保證。機械扭轉波經過磁致伸縮金屬片H，先改變磁化狀態，再引起磁通量的變化， 最後通過線圈轉換為電壓信號。轉換環節多，傳遞效率低，致使信號拾取的靈敏度低。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於，將壓電技術引入傳感器領域，解決傳統的磁致 伸縮傳感器的扭轉波換能器工藝複雜、製造成本高、靈敏度低的不足。本發明為解決所述技術問題而採用壓電效應實現從機械扭轉波轉換為電信號， 技術方案是壓電式扭轉波換能器，包括波導絲，其輸出段設置有放大杆，放大杆的端部連 接有壓電元件。扭轉波信號經波導絲，傳遞到放大杆放大後，經壓電元件轉換成電信號 輸出。放大杆為垂直于波導絲的槓桿狀，並且壓電元件的法線與波導絲和放大杆垂直。 放大杆將波導絲傳遞的周向扭轉波，變換成在壓電元件法線上近似直線方向的形變，作用在壓電元件上產生電荷。放大杆的兩端分別設置有極性方向相同的壓電元件，當一片 壓電元件受到放大杆端部的壓力作用時，另一片壓電元件受到放大杆端部的拉力作用， 兩片壓電元件同時產生差動壓電信號。壓電元件為厚度方向敏感型壓電陶瓷片。壓電式扭轉波換能器應用在傳感器中，是本發明的另一技術方案 壓電換能式磁致伸縮傳感器，包括波導絲、環繞波導絲(L)的隨動磁鐵；波導 絲的輸出段設置有放大杆，放大杆的端部連接有壓電元件，壓電元件的輸出端連接有測 量電路。當隨動磁鐵跟隨被測介質移動時，隨動磁鐵產生的縱向磁場平行波導絲移動； 測量電路發出的脈衝電流沿波導絲傳輸。波導絲在脈衝電流的環形磁場與縱向磁場疊加 成的螺旋磁場中，發生磁致伸縮效應的扭轉波；該扭轉波信號沿波導絲傳遞到放大杆放 大後，經壓電元件轉換成電信號，測量電路根據脈衝電流與扭轉波電信號的時間差計算 出隨動磁鐵的位置信息。與現有傳感器採用逆磁致伸縮效應的扭轉波拾取技術相比較，本發明技術方案 的優點是1.壓電元件直接將扭轉波的機械信號轉變為電壓信號，減少了中間環節，信號 轉換效率提高，最終靈敏度提升。2.採用已經普遍應用的厚度振動模式的壓電陶瓷片為轉換元件，相對成本比較 低。3.換能器結構簡單，工藝大大簡化，零件數目減少，不需要偏置磁鋼，也不需 要繞制微型線圈。


本發明的

如下圖1為現有液位計逆磁致伸縮效應檢測扭轉波的結構原理示意圖；圖2為本發明壓電式扭轉波換能器的結構原理示意圖；圖3為本發明壓電式扭轉波換能器的剖面示意圖；圖4為本發明壓電換能式磁致伸縮傳感器的邏輯原理方框圖；圖5為本發明壓電換能式磁致伸縮傳感器的脈衝測距原理圖；圖6為波導絲L在脈衝電流的環形磁場Hi與縱向磁場Hc疊加成的螺旋磁場中， 發生磁致伸縮效應的扭轉波的示意圖；圖7為本發明實施例壓電換能式磁致伸縮液位變送器測量電路的關鍵點波形 圖；圖8為本發明實施例壓電換能式磁致伸縮液位變送器測量電路原理圖；圖9為本發明應用於液位變送器上的實施例示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖來進一步說明本發明的結構原理，以及應用在液位測量上的實施 例。壓電式扭轉波換能器的結構原理如圖2、圖3所示。圖中，波導絲L的輸出段 設置的垂直于波導絲L的放大杆E點焊在波導絲1的側邊。放大杆E的兩端分別連接的極性方向相同的壓電元件P，為厚度方向敏感型壓電陶瓷片。壓電陶瓷片所在平面的法 線與波導絲L和放大杆E三者相互垂直。波導絲L傳遞的周向扭轉波W信號，經放大杆E將波導絲L傳遞的周向扭轉波 的扭轉形變放大後，變換成在壓電陶瓷片法線上近似直線方向的形變，作用在放大杆E 的兩端分別設置的極性方向相同的兩片壓電陶瓷上產生電荷，完成機_電信號轉換，輸 出電信號。可以看出，當一片壓電陶瓷受到放大杆E端部的壓力F+作用時，另一片壓電 陶瓷受到放大杆E端部的拉力F-作用，兩片壓電陶瓷同時產生差動壓電信號V。壓電換能式磁致伸縮傳感器，拾取扭轉波的方式採用了本發明所述的壓電式扭 轉波換能器，邏輯原理如圖4所示。應用在液位測量中，構成壓電換能式磁致伸縮液位 變送器。脈衝測距原理如圖5所示，扭轉波的產生如圖6所示。圖中包括垂直安裝的波導絲L，環繞波導絲L的隨動磁鐵M ；波導絲L的輸 出段設置的壓電式扭轉波換能器及其測量電路C。當隨動磁鐵(浮子)M跟隨被測介質移動時，隨動磁鐵M產生的縱向磁場Hc平 行波導絲L移動；測量電路發出的脈衝電流I沿波導絲L傳輸，波導絲L在脈衝電流I的 環形磁場Hi與縱向磁場Hc疊加成的螺旋磁場中發生磁致伸縮效應的扭轉波W，該扭轉 波W信號沿波導絲L傳遞到放大杆E放大後，經壓電元件P轉換成電信號V，測量電路 C根據脈衝電流I與扭轉波電信號V的時間差T計算出隨動磁鐵M的位置信息。測量電路C包括順序連接的扭轉波W信號放大單元Cl，識彆扭轉波W的門檻 比較單元C2，產生計時方波的微秒計時單元C3，計算浮子位置的微機控制單元C4，與 二次儀表連接的電流輸出單元C7。測量電路C還包括受微機控制的向波導絲L傳輸脈衝 的電流激勵單元C5，與微機控制單元C4雙向連接的外圍設備的通訊單元C6。微秒計時 單元C3也同時受微機控制。測量電路C的關鍵點波形如圖7所示。信號放大單元Cl接收壓電式扭轉波換能 器產生的微弱信號，將其放大1000倍，其波形如圖7中Al所示。Al點信號進入門檻比 較單元C2，將模擬信號變換為邏輯電平，其波形如圖7中A2所示。同時微機控制單元 C4驅動電流激勵單元C5，產生了脈衝電流I激勵信號，如圖7的A3所示。微秒計時單 元C3在脈衝電流I發射時啟動計時，在扭轉波W的電信號V到來時，停止計時，C3單 元產生的計時方波，如圖7的A4所示。微機控制單元C4讀取此信號的時間差T，計算 出浮子的位置。壓電換能式磁致伸縮液位變送器測量電路原理如圖8所示。運算放大器U4與周 邊電阻R6、R13構成反相比例放大器，這就組成了信號放大單元Cl。兩個雙運算放大 器U3，與電位器POTl以及周邊電阻構成一個門檻比較單元C2。門檻電壓值由電位器 POTl決定。扭轉波W的模擬電信號V經過門檻比較單元C2，變換為邏輯電平信號。 數字邏輯門電路U1U2接收A2信號，同時也接收激勵脈衝電流I的啟動信號。這兩路信 號經過U1U2後進入計數器U7，產生一個方波。此方波的高電平時間就是脈衝電流I發 射後扭轉波W的傳播時間。微機控制C4單元讀取方波的高電平時間，即可計算出浮子 的位置。
圖9為壓電換能式磁致伸縮液位變送器，在水箱中安裝的示意圖。隨動磁鐵M 內置在浮子內，波導絲L內置在探杆內，測量電路C內置在電子倉內，壓電式磁致伸縮換能器位於探杆與電子倉的結合部。電子倉一般安裝在罐頂，探杆從罐頂插入罐內液體中。浮子浮於被測液體的表面，隨著液位變化而沿探杆上下滑動。浮子內含的隨動磁鐵 M,用於產生縱向磁場He。探杆為一非導磁不鏽鋼杆，起保護波導絲L的作用，內部為 中空結構，中軸線上繃緊一根磁致伸縮線(波導絲L)。壓電換能器的壓電元件P直接採用波峰焊焊接在印製板的焊盤上，放大杆E用樹 脂膠粘接在兩個壓電元件上，波導絲L的首端必須先經過加熱處理，增加韌性後焊接在 放大杆E上。波導絲L的末端是通過彈簧方式固定在探杆的末端，這樣當傳向末端的扭 轉波可以被彈簧的阻尼吸收。壓電換能式磁致伸縮液位變送器的工作過程是，測量電路C的脈衝電流激勵單 元C5，發射激勵脈衝電流I沿波導絲L向下傳送，此電脈衝伴隨一個環型磁場He，當該 環形磁場遇到隨動磁鐵M浮子產生的縱向磁場Hi時，將與之進行矢量疊加，形成一個螺 旋形的磁場。由於磁致伸縮效應的存在，兩個磁場相遇處的磁致伸縮材料製成的波導絲 L在此處將發生扭轉，此扭轉以超聲波的形式向波導絲L兩端傳播。向上端傳播的扭轉 波W經波導絲L，傳遞到壓電式磁致伸縮換能器的放大杆E放大後，經壓電元件P將扭 轉波W轉換為電信號V輸出。測量電路C的信號放大單元Cl接收返回的扭轉波電信號 V，微機控制單元C4隻需要計算從脈衝電流I發出的時刻，至接收到壓電元件P的電信號 V這一段扭轉波W的傳播時間差T，即可計算出隨動磁鐵M浮子到電子倉的距離(扭轉 波W的傳播速度是恆定的常量)。從而得知當前浮子在探杆上的位移，最終得知液面位 置。該實施例壓電換能式磁致伸縮液位變送器的技術參數如下電源12-36V DC輸出信號4_20mA電流測量量程0.1-4米測量誤差< 士 2mm介質溫度範圍-40_300°C防護等級IP67。
權利要求
1.壓電式扭轉波換能器，包括波導絲(L)，其特徵是所述波導絲(L)的輸出段設置有放大杆(E)，所述放大杆(E)的端部連接有壓電元件 (P)；扭轉波信號經波導絲(L)，傳遞到放大杆(E)放大後，經壓電元件(P)轉換成電信號 輸出。
2.根據權利要求1所述的換能器，其特徵是所述放大杆(E)為垂直于波導絲(L)的 槓桿狀。
3.根據權利要求2所述的換能器，其特徵是所述放大杆(E)點焊在波導絲(1)的側邊。
4.根據權利要求2所述的換能器，其特徵是所述壓電元件(P)的法線與波導絲(L) 和放大杆(E)垂直；放大杆(E)將波導絲(L)傳遞的周向扭轉波，變換成在壓電元件法 線上近似直線方向的形變，作用在壓電元件(P)上產生電荷。
5.根據權利要求4所述的換能器，其特徵是所述放大杆(E)的兩端分別設置有極性 方向相同的壓電元件(P)，當一片壓電元件(P)受到放大杆(E)端部的壓力作用時，另一 片壓電元件(P)受到放大杆(E)端部的拉力作用，兩片壓電元件(P)同時產生差動壓電信 號。
6.根據權利要求5所述的換能器，其特徵是所述壓電元件(P)為厚度方向敏感型壓 電陶瓷片。
7.壓電換能式磁致伸縮傳感器，包括波導絲(L)、環繞波導絲(L)的隨動磁鐵(M)， 其特徵是所述波導絲(L)的輸出段設置有放大杆(E)，所述放大杆(E)的端部連接有壓電元件 (P)，所述壓電元件(P)的輸出端連接有測量電路(C)；當隨動磁鐵(M)跟隨被測介質移動時，隨動磁鐵(M)產生的縱向磁場(Hi)平行波導 絲(L)移動；測量電路(C)發出的脈衝電流⑴沿波導絲(L)傳輸；波導絲(T)在脈衝 電流的環形磁場(Hi)與縱向磁場(He)疊加成的螺旋磁場中，發生磁致伸縮效應的扭轉波 (W)；該扭轉波(W)信號沿波導絲(L)傳遞到放大杆(E)放大後，經壓電元件(P)轉換 成電信號(V)，測量電路(C)根據脈衝電流⑴與扭轉波電信號(V)的時間差(T)計算 出隨動磁鐵(M)的位置信息。
8.根據權利要求7所述的傳感器，其特徵是所述壓電元件(P)的法線、放大杆 (E)、波導絲(L)三者相互垂直；放大杆(E)將波導絲(L)傳遞的周向扭轉波，變換成在 壓電元件(P)法線上近似直線方向的形變，作用在壓電元件(P)上產生電荷。
9.根據權利要求8所述的傳感器，其特徵是所述放大杆(E)的兩端分別設置有極性 方向相同的壓電元件(P)；當一片壓電元件(P)受到放大杆(E)端部的壓力作用時，另一 片壓電元件(P)受到放大杆(E)端部的拉力作用；兩片壓電元件(P)同時產生差動壓電 信號(V)。
10.根據權利要求7所述的傳感器，其特徵是所述測量電路(C)包括順序連接的信 號放大單元(Cl)、門檻比較單元(C2)、微秒計時單元(C3)、微機控制單元(C4)和電流 輸出單元(C7)；以及受微機控制的脈衝電流激勵單元(C5)和與微機控制單元(C4)雙向 連接的通訊單元(C6)。
全文摘要
本發明公開了用於液位(位移)測量的壓電換能式磁致伸縮傳感器，及其壓電式扭轉波換能器。包括波導絲，其輸出段設置有放大杆，放大杆的端部連接有壓電元件。扭轉波信號經波導絲，傳遞到放大杆放大後，經壓電元件轉換成電信號輸出。壓電元件的法線與波導絲和放大杆垂直。放大杆將波導絲傳遞的周向扭轉波，變換成在壓電元件法線上近似直線方向的形變，作用在壓電元件上產生電荷。放大杆的兩端分別設置有極性方向相同的壓電元件，同時產生差動壓電信號。其優點是壓電元件採用已經普遍應用的厚度振動模式的壓電陶瓷片，成本低；換能器結構簡單，工藝簡化；壓電元件直接將機械信號轉變為電壓信號，環節少，靈敏度高。
文檔編號G01F23/22GK102012249SQ20091030663
公開日2011年4月13日 申請日期2009年9月7日 優先權日2009年9月7日
發明者傅宇晨, 熊軒, 袁敏勳 申請人:深圳萬訊自控股份有限公司