CN102012249A - 压电式扭转波换能器及压电换能式磁致伸缩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于液位(位移)测量的压电换能式磁致伸缩传感器，及其压电式扭转波换能器。包括波导丝，其输出段设置有放大杆，放大杆的端部连接有压电元件。扭转波信号经波导丝，传递到放大杆放大后，经压电元件转换成电信号输出。压电元件的法线与波导丝和放大杆垂直。放大杆将波导丝传递的周向扭转波，变换成在压电元件法线上近似直线方向的形变，作用在压电元件上产生电荷。放大杆的两端分别设置有极性方向相同的压电元件，同时产生差动压电信号。其优点是压电元件采用已经普遍应用的厚度振动模式的压电陶瓷片，成本低；换能器结构简单，工艺简化；压电元件直接将机械信号转变为电压信号，环节少，灵敏度高。

Description

压电式扭转波换能器及压电换能式磁致伸缩传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及磁致伸缩扭转波的信号转换技术，将机械扭转波转换为电信号，适用于位置信号和液位信号的检测仪器。

背景技术

随着科技水平的不断发展，对液位测量和位置测量的技术要求，也逐步提高。而广泛应用的磁致伸缩传感器，一般是通过磁致伸缩效应，产生扭转波，通过基于逆磁致伸缩效应方法的换能器，将扭转波机械信号转换为电信号，通过计算时间差得出跟随被测介质移动的磁铁(浮子)的位置，用于过程的自动化控制。

目前MTS公司的一种磁致伸缩液位计产品，采用的是基于逆磁致伸缩效应的扭转波拾取技术方案。其扭转波换能器的细节如图1所示。

在波导丝L靠近电子仓的部分，对称的焊接着两片磁致伸缩金属片H(示意图只画出其中一片，另一片为完全对称结构)。磁致伸缩金属片H与波导丝L焊接，当扭转波W沿着波导丝L传递到输出段，引起磁致伸缩金属片H的变形。

根据逆磁致伸缩效应，即当金属片H材料受到外力时，材料内部的磁化状态也随之改变，在偏置磁场A的作用下，线圈D会检测到金属片H内部磁通量的变化，产生脉冲电压信号。另外一侧磁致伸缩金属片H完全对称结构，故两路电压信号为差动信号。

现有磁致伸缩传感器的扭转波换能技术采用逆磁致伸缩效应的原理，有两个明显的不足：

零件数目多，需要偏置磁钢A，磁致伸缩金属片H，检测线圈D配合工作，且三者位置关系要精密配合，整个制造成本高。

工艺复杂，磁致伸缩金属片H与波导丝L需仔细焊接，难度较大。绕制微型线圈也相当麻烦，不易实现规模化生产，且一致性无法保证。

机械扭转波经过磁致伸缩金属片H，先改变磁化状态，再引起磁通量的变化，最后通过线圈转换为电压信号。转换环节多，传递效率低，致使信号拾取的灵敏度低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，将压电技术引入传感器领域，解决传统的磁致伸缩传感器的扭转波换能器工艺复杂、制造成本高、灵敏度低的不足。

本发明为解决所述技术问题而采用压电效应实现从机械扭转波转换为电信号，技术方案是：

压电式扭转波换能器，包括波导丝，其输出段设置有放大杆，放大杆的端部连接有压电元件。扭转波信号经波导丝，传递到放大杆放大后，经压电元件转换成电信号输出。放大杆为垂直于波导丝的杠杆状，并且压电元件的法线与波导丝和放大杆垂直。放大杆将波导丝传递的周向扭转波，变换成在压电元件法线上近似直线方向的形变，作用在压电元件上产生电荷。放大杆的两端分别设置有极性方向相同的压电元件，当一片压电元件受到放大杆端部的压力作用时，另一片压电元件受到放大杆端部的拉力作用，两片压电元件同时产生差动压电信号。压电元件为厚度方向敏感型压电陶瓷片。

压电式扭转波换能器应用在传感器中，是本发明的另一技术方案：

压电换能式磁致伸缩传感器，包括波导丝、环绕波导丝(L)的随动磁铁；波导丝的输出段设置有放大杆，放大杆的端部连接有压电元件，压电元件的输出端连接有测量电路。当随动磁铁跟随被测介质移动时，随动磁铁产生的纵向磁场平行波导丝移动；测量电路发出的脉冲电流沿波导丝传输。波导丝在脉冲电流的环形磁场与纵向磁场叠加成的螺旋磁场中，发生磁致伸缩效应的扭转波；该扭转波信号沿波导丝传递到放大杆放大后，经压电元件转换成电信号，测量电路根据脉冲电流与扭转波电信号的时间差计算出随动磁铁的位置信息。

与现有传感器采用逆磁致伸缩效应的扭转波拾取技术相比较，本发明技术方案的优点是：

1.压电元件直接将扭转波的机械信号转变为电压信号，减少了中间环节，信号转换效率提高，最终灵敏度提升。

2.采用已经普遍应用的厚度振动模式的压电陶瓷片为转换元件，相对成本比较低。

3.换能器结构简单，工艺大大简化，零件数目减少，不需要偏置磁钢，也不需要绕制微型线圈。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为现有液位计逆磁致伸缩效应检测扭转波的结构原理示意图；

图2为本发明压电式扭转波换能器的结构原理示意图；

图3为本发明压电式扭转波换能器的剖面示意图；

图4为本发明压电换能式磁致伸缩传感器的逻辑原理方框图；

图5为本发明压电换能式磁致伸缩传感器的脉冲测距原理图；

图6为波导丝L在脉冲电流的环形磁场Hi与纵向磁场Hc叠加成的螺旋磁场中，发生磁致伸缩效应的扭转波的示意图；

图7为本发明实施例压电换能式磁致伸缩液位变送器测量电路的关键点波形图；

图8为本发明实施例压电换能式磁致伸缩液位变送器测量电路原理图；

图9为本发明应用于液位变送器上的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的结构原理，以及应用在液位测量上的实施例。

压电式扭转波换能器的结构原理如图2、图3所示。图中，波导丝L的输出段设置的垂直于波导丝L的放大杆E点焊在波导丝1的侧边。放大杆E的两端分别连接的极性方向相同的压电元件P，为厚度方向敏感型压电陶瓷片。压电陶瓷片所在平面的法线与波导丝L和放大杆E三者相互垂直。

波导丝L传递的周向扭转波W信号，经放大杆E将波导丝L传递的周向扭转波的扭转形变放大后，变换成在压电陶瓷片法线上近似直线方向的形变，作用在放大杆E的两端分别设置的极性方向相同的两片压电陶瓷上产生电荷，完成机-电信号转换，输出电信号。可以看出，当一片压电陶瓷受到放大杆E端部的压力F+作用时，另一片压电陶瓷受到放大杆E端部的拉力F-作用，两片压电陶瓷同时产生差动压电信号V。

压电换能式磁致伸缩传感器，拾取扭转波的方式采用了本发明所述的压电式扭转波换能器，逻辑原理如图4所示。应用在液位测量中，构成压电换能式磁致伸缩液位变送器。脉冲测距原理如图5所示，扭转波的产生如图6所示。

图中包括：垂直安装的波导丝L，环绕波导丝L的随动磁铁M；波导丝L的输出段设置的压电式扭转波换能器及其测量电路C。

当随动磁铁(浮子)M跟随被测介质移动时，随动磁铁M产生的纵向磁场Hc平行波导丝L移动；测量电路发出的脉冲电流I沿波导丝L传输，波导丝L在脉冲电流I的环形磁场Hi与纵向磁场Hc叠加成的螺旋磁场中发生磁致伸缩效应的扭转波W，该扭转波W信号沿波导丝L传递到放大杆E放大后，经压电元件P转换成电信号V，测量电路C根据脉冲电流I与扭转波电信号V的时间差T计算出随动磁铁M的位置信息。

测量电路C包括顺序连接的扭转波W信号放大单元C1，识别扭转波W的门槛比较单元C2，产生计时方波的微秒计时单元C3，计算浮子位置的微机控制单元C4，与二次仪表连接的电流输出单元C7。测量电路C还包括受微机控制的向波导丝L传输脉冲的电流激励单元C5，与微机控制单元C4双向连接的外围设备的通讯单元C6。微秒计时单元C3也同时受微机控制。

测量电路C的关键点波形如图7所示。信号放大单元C1接收压电式扭转波换能器产生的微弱信号，将其放大1000倍，其波形如图7中A1所示。A1点信号进入门槛比较单元C2，将模拟信号变换为逻辑电平，其波形如图7中A2所示。同时微机控制单元C4驱动电流激励单元C5，产生了脉冲电流I激励信号，如图7的A3所示。微秒计时单元C3在脉冲电流I发射时启动计时，在扭转波W的电信号V到来时，停止计时，C3单元产生的计时方波，如图7的A4所示。微机控制单元C4读取此信号的时间差T，计算出浮子的位置。

压电换能式磁致伸缩液位变送器测量电路原理如图8所示。运算放大器U4与周边电阻R6、R13构成反相比例放大器，这就组成了信号放大单元C1。两个双运算放大器U3，与电位器POT1以及周边电阻构成一个门槛比较单元C2。门槛电压值由电位器POT1决定。扭转波W的模拟电信号V经过门槛比较单元C2，变换为逻辑电平信号。数字逻辑门电路U1U2接收A2信号，同时也接收激励脉冲电流I的启动信号。这两路信号经过U1U2后进入计数器U7，产生一个方波。此方波的高电平时间就是脉冲电流I发射后扭转波W的传播时间。微机控制C4单元读取方波的高电平时间，即可计算出浮子的位置。

图9为压电换能式磁致伸缩液位变送器，在水箱中安装的示意图。随动磁铁M内置在浮子内，波导丝L内置在探杆内，测量电路C内置在电子仓内，压电式磁致伸缩换能器位于探杆与电子仓的结合部。电子仓一般安装在罐顶，探杆从罐顶插入罐内液体中。浮子浮于被测液体的表面，随着液位变化而沿探杆上下滑动。浮子内含的随动磁铁M，用于产生纵向磁场Hc。探杆为一非导磁不锈钢杆，起保护波导丝L的作用，内部为中空结构，中轴线上绷紧一根磁致伸缩线(波导丝L)。

压电换能器的压电元件P直接采用波峰焊焊接在印制板的焊盘上，放大杆E用树脂胶粘接在两个压电元件上，波导丝L的首端必须先经过加热处理，增加韧性后焊接在放大杆E上。波导丝L的末端是通过弹簧方式固定在探杆的末端，这样当传向末端的扭转波可以被弹簧的阻尼吸收。

压电换能式磁致伸缩液位变送器的工作过程是，测量电路C的脉冲电流激励单元C5，发射激励脉冲电流I沿波导丝L向下传送，此电脉冲伴随一个环型磁场Hc，当该环形磁场遇到随动磁铁M浮子产生的纵向磁场Hi时，将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。由于磁致伸缩效应的存在，两个磁场相遇处的磁致伸缩材料制成的波导丝L在此处将发生扭转，此扭转以超声波的形式向波导丝L两端传播。向上端传播的扭转波W经波导丝L，传递到压电式磁致伸缩换能器的放大杆E放大后，经压电元件P将扭转波W转换为电信号V输出。测量电路C的信号放大单元C1接收返回的扭转波电信号V，微机控制单元C4只需要计算从脉冲电流I发出的时刻，至接收到压电元件P的电信号V这一段扭转波W的传播时间差T，即可计算出随动磁铁M浮子到电子仓的距离(扭转波W的传播速度是恒定的常量)。从而得知当前浮子在探杆上的位移，最终得知液面位置。

该实施例压电换能式磁致伸缩液位变送器的技术参数如下：

电源：12-36V DC

输出信号：4-20mA电流

测量量程：0.1-4米

测量误差：＜±2mm

介质温度范围：-40-300℃

防护等级：IP67。

Claims (10)

1.压电式扭转波换能器，包括波导丝(L)，其特征是：

所述波导丝(L)的输出段设置有放大杆(E)，所述放大杆(E)的端部连接有压电元件(P)；

扭转波信号经波导丝(L)，传递到放大杆(E)放大后，经压电元件(P)转换成电信号输出。

2.根据权利要求1所述的换能器，其特征是：所述放大杆(E)为垂直于波导丝(L)的杠杆状。

3.根据权利要求2所述的换能器，其特征是：所述放大杆(E)点焊在波导丝(1)的侧边。

4.根据权利要求2所述的换能器，其特征是：所述压电元件(P)的法线与波导丝(L)和放大杆(E)垂直；放大杆(E)将波导丝(L)传递的周向扭转波，变换成在压电元件法线上近似直线方向的形变，作用在压电元件(P)上产生电荷。

5.根据权利要求4所述的换能器，其特征是：所述放大杆(E)的两端分别设置有极性方向相同的压电元件(P)，当一片压电元件(P)受到放大杆(E)端部的压力作用时，另一片压电元件(P)受到放大杆(E)端部的拉力作用，两片压电元件(P)同时产生差动压电信号。

6.根据权利要求5所述的换能器，其特征是：所述压电元件(P)为厚度方向敏感型压电陶瓷片。

7.压电换能式磁致伸缩传感器，包括波导丝(L)、环绕波导丝(L)的随动磁铁(M)，其特征是：

所述波导丝(L)的输出段设置有放大杆(E)，所述放大杆(E)的端部连接有压电元件(P)，所述压电元件(P)的输出端连接有测量电路(C)；

当随动磁铁(M)跟随被测介质移动时，随动磁铁(M)产生的纵向磁场(Hi)平行波导丝(L)移动；测量电路(C)发出的脉冲电流(I)沿波导丝(L)传输；波导丝(T)在脉冲电流的环形磁场(Hi)与纵向磁场(Hc)叠加成的螺旋磁场中，发生磁致伸缩效应的扭转波(W)；该扭转波(W)信号沿波导丝(L)传递到放大杆(E)放大后，经压电元件(P)转换成电信号(V)，测量电路(C)根据脉冲电流(I)与扭转波电信号(V)的时间差(T)计算出随动磁铁(M)的位置信息。

8.根据权利要求7所述的传感器，其特征是：所述压电元件(P)的法线、放大杆(E)、波导丝(L)三者相互垂直；放大杆(E)将波导丝(L)传递的周向扭转波，变换成在压电元件(P)法线上近似直线方向的形变，作用在压电元件(P)上产生电荷。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征是：所述放大杆(E)的两端分别设置有极性方向相同的压电元件(P)；当一片压电元件(P)受到放大杆(E)端部的压力作用时，另一片压电元件(P)受到放大杆(E)端部的拉力作用；两片压电元件(P)同时产生差动压电信号(V)。

10.根据权利要求7所述的传感器，其特征是：所述测量电路(C)包括顺序连接的信号放大单元(C1)、门槛比较单元(C2)、微秒计时单元(C3)、微机控制单元(C4)和电流输出单元(C7)；以及受微机控制的脉冲电流激励单元(C5)和与微机控制单元(C4)双向连接的通讯单元(C6)。

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