CN102243120B - 一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种力敏传感技术，特别是一种获得具有高灵敏度的高可靠的力敏传感技术，即一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头。其包括软磁性材料制成的探头芯，其特征在于：在探头芯外套装有金属螺线管，驱动电流通过通电电极接在金属螺线管上，应力加在探头芯上。本发明通过将软磁性材料作为探头芯，并在探头芯外套装金属螺线管，将驱动电流接在金属螺线管上，将应力加在探头芯上，使探头成为纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，使其不仅具有高灵敏度、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点，还具有便于微型化和耗能小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种力敏传感技术，特别是一种获得具有高灵敏度的高可靠的力敏传感技术，即一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头。
背景技术
应力/应变传感器在现代科技中发挥着重要作用，它不但在电子天平、应力/应变测试设备、机械控制等领域具有广泛的应用，而且是诸如跨江跨海的超大跨桥梁、大型体育赛事的超大跨空间结构、现代城市象征的超高层建筑、开发江河能源的大型水利工程、海洋油气资源开发的大型海洋平台结构以及核电站建筑等重大工程的健康监测系统和损伤控制系统的高性能智能传感元件的核心部件。因此，研发高灵敏、高稳定性、高可靠性，并且能够微型化的应力/应变传感器具有重要的现实意义。
现有的力敏传感器，如电阻应变片和半导体膜片等力敏传感器，由于灵敏度不够高，热稳定性欠佳等问题，难以满足日益发展的科技需求。近年来取得长足发展的光纤传感器，则由于昂贵的造价，限制了其推广应用。
Shen等人于1997年在Co72.5Si12.5B15非晶丝中发现的巨应力阻抗效应(通有高频交流电的非晶丝，在应力作用下引起阻抗发生显著的改变)，其灵敏度比电阻应变片和半导体膜片的高出6倍多，且抗环境干扰能力强，可广泛应用于各种高灵敏度力敏传感器，尤其在一些环境恶劣和稳定性要求高的场合下，更显示出比电阻应变片和半导体膜片等力敏材料更优越的特性。利用该效应制作出高灵敏度应力、应变检测元件及相应的传感器，可显示出比现有的电阻应变片和半导体膜片等力敏材料更大的应变因子，而且具有小得多的温度系数，因此在检测及控制领域具有广阔的应用前景。然而，当前全世界的研究工作者都引用Shen等人发现巨应力阻抗效应时所采用的横向或环向驱动模式，即让驱动电流直接通过力敏材料。这种横向驱动巨应力阻抗效应由于要求电流直接通过非晶丝，存在电极触点在应力作用下接触电阻变化和触点松动的隐患，难以保证高可靠性。
现有的力敏传感器，不能同时兼备高灵敏度、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点，因此，现有的力敏传感器已经不能满足当今科技发展的需求。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种同时具有高灵敏度、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点的新型力敏传感器探头。
一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，包括软磁性材料制成的探头芯，其特征在于：在探头芯外套装有金属螺线管，驱动电流通过通电电极接在金属螺线管上，应力加在探头芯上。
本发明通过将软磁性材料作为探头芯，并在探头芯外套装金属螺线管，将驱动电流接在金属螺线管上，将应力加在探头芯上，使探头成为纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，使其不仅具有高灵敏度、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点，还具有便于微型化和耗能小的优点。
附图说明
图1为纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头结构示意图。
图2为横向驱动应力阻抗力敏传感器探头结构示意图。
图3为实施例1的纵向驱动应力阻抗曲线。
图4为实施例2的纵向驱动应力阻抗曲线。
图5为实施例3的纵向驱动应力阻抗曲线。
图6为比较实施例1的横向驱动应力阻抗曲线。
图中：探头芯1、螺线管2、应力3、测量电极4、力敏材料5、通电电极6。
具体实施方式
以下结合实施例进行详述：
实施例1
按如下方法制备本发明所提供的一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头：
(1)截取20mm长，宽为0.4mm，厚为30μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶薄带，制成探头芯1。
(2)用线径为0.1mm的漆包线密绕100匝制成直径为1.5mm的螺线管2。
(3)将探头芯1插入螺线管2构成纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头。
(4)图3是用上述方法制得的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头应力阻抗曲线，测量时驱动电流的幅值为10mA，频率为2.625MHz。
测试结果，最大应力阻抗比为130％，灵敏度为3％/MPa。
实施例2
按如下方法制备本发明所提供的一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头：：
(1)截取20mm长，宽为0.4mm，厚为30μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶薄带，在氮气保护下于500℃温度保温1小时，然后自然冷却至室温，制成探头芯1。
(2)同实施例1步骤(2)、(3)制备成纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头。
(3)图4为用上述方法制得的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头的应力阻抗曲线，测量时驱动电流的幅值为10mA，频率为2.625MHz。。
测试结果，最大应力阻抗比为380％，灵敏度为20％/MPa。
实施例3
按如下方法制备本发明所提供的一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头：：
(1)截取20mm长，宽为0.4mm，厚为30μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶薄带，在氮气保护下于550温度保温1小时，然后自然冷却至室温，制成探头芯1。
(2)同实施例1步骤(2)、(3)制备成纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头。
(3)图5为用上述方法制得的样品的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头的应力阻抗曲线，测量时驱动电流的幅值为10mA，频率为2.625MHz。
测试结果，最大应力阻抗比为660％，灵敏度为43％/MPa。
比较实施例1
(1)同实施例3步骤(1)制成力敏材料5。
(2)如图2所示连接通电电极6和测量电极4制备成巨应力阻抗应力传感器探头。
(3)图6为用上述方法制得的横向驱动巨应力阻抗效应力敏传感器探头的应力阻抗曲线，测量时驱动电流的幅值为10mA，频率为2.625MHz。
测试结果，最大应力阻抗比为14％，灵敏度为0.3％/MPa。
综上所述，本发明的目的是采用纵向驱动模式获得高灵敏的应力阻抗效应，提供一种同时具有高灵敏和高可靠性的新型力敏传感器探头。如图1所示，将探头芯1插入通电螺线管2构成力敏传感器探头，使探头芯1与螺线管2的轴向平行。交变电流由通电电极6引入螺线管2产生一个沿探头芯1轴向的驱动场，在纵向驱动电磁场的作用下，使得螺线管2与探头芯1联系起来构成一个等效阻抗元件，该等效阻抗元件的阻抗会随着作用在探头芯1两端的应力3的增大而灵敏地变化，即表现出巨应力阻抗效应。引起纵向驱动巨应力效应的机理还不太清楚，有待进一步的研究。其中最主要的原因，可能是由于在应力作用下，引起探头芯的易磁化结构变化，使得纵向磁导率显著变化所致。实施例表明，采用本发明所提供的纵向驱动模式，获得的最大应力阻抗比值及灵敏度相比当前普遍采用的横向驱动应力阻抗效应的最大应力阻抗比值及灵敏度要高1个数量级以上，比现有的电阻应变片和半导体膜片的灵敏则是高出更多，因而实现了高灵敏度。另外，采用本发明所提供的纵向驱动模式，由于电流并不直接通过受外加应力作用的探头芯1，从而避免了通电电极6受应力作用的影响，避免了当前被普遍采用的横向驱动模式下直接让驱动电流通过探头芯可能遇到电极接触电阻变化或电极松动甚至脱落的问题，从而大大提高了力敏传感器的可靠性。(当前被普遍采用的横向驱动模式见图2，力敏材料5上连接有两个通电电极6和两个测量电极4，应力3分别作用于力敏材料5的两端。交流驱动电流由两个通电电极6加入，从两个测量电极4测得应力3作用下的阻抗变化。)显然，采用本发明所提供的纵向驱动模式，相比目前人们普遍采用的横向驱动模式，还具有第三项优点，由于电流只通过用漆包线绕制的螺线管2，电极4、6与螺线管的漆包线连接，避免了采用横向驱动模式所遇到的铜电极与磁性力敏材料连接所遇到的异质材料间焊接的技术难题。第四，本发明采用的材料价格低廉，结构简单，制作工艺简便，因此具备制作成本低廉的优点。第五，采用本发明技术，还具有可微型化和耗能小的优点。
本发明提供的一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，具备已有力敏传感器所不具备的同时拥有高灵敏度、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点的优越性。使得采用本发明可以在提高灵敏度的同时，又提高了力敏传感器的可靠性，且具有便于微型化、低耗能和价格低廉的综合优优越性。因此，使用本发明技术生产的力敏传感器将具有广阔的应用前景和极强的市场竞争力。
为了便于制作和微型化，金属螺线管2用漆包线密绕而成，或采用镀膜和光刻技术相结合制成的微型线圈；显然，可采用单层或多层线圈，只要能够通以电流产生驱动电磁场即可。探头芯1为细棒、薄带、细丝或薄膜形状，还可采用其它形状，只要具有较好的力学性能和较好的软磁性能，且能够插入螺线管2并适合于外加应力即可。
为了提高探头性能，探头芯1采用非晶或纳米晶软磁性合金制成，最好采用FeSiB、FeCuNbSiB、FeCoNbSiB、FeSiPBC合金材料制成；显然，为了简便易行、降低成本、方便加工制作，探头芯1还可以采用Fe、Co或Ni单种金属制成，只要具有较好的力学性能和磁学性能，适合于外加应力在应力作用下磁导率会变化，并便于插入螺线管2即可。
本发明的应力敏感信号由信号处理电路从螺线管2两端的测量电极4取出，然后由信号处理电路输出给信号显示系统或控制系统。为了提高探头性能，驱动电流最好为交流电。交流电的频率可以是几千Hz到数个GHz。
Claims (10)
1.一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，包括软磁性材料制成的探头芯（1），其特征在于：探头芯（1）插入空心金属螺线管（2）构成力敏传感器探头，驱动电流通过通电电极（6）接在金属螺线管（2）上，应力（3）直接加在探头芯（1）上。
2.根据权利要求1所述的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，其特征在于：探头芯（1）采用非晶或纳米晶软磁性合金制成。
3.根据权利要求2所述的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，其特征在于：探头芯（1）采用FeCuNbSiB、FeCoNbSiB、FeSiPBC、FeSiB合金材料制成。
4.根据权利要求1、2或3所述的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，其特征在于：金属螺线管（2）用漆包线密绕而成，或采用镀膜和光刻技术相结合制成的微型线圈。
5.根据权利要求4所述的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，其特征在于：应力敏感信号由信号处理电路从螺线管（2）两端的测量电极（4）取出，然后由信号处理电路输出给信号显示系统或控制系统。
6.根据权利要求5所述的一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，其特征在于：驱动电流为交流电。
7.根据权利要求4所述的一种纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，其特征在于：驱动电流为交流电。
8.根据权利要求1、2或3所述的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，其特征在于：应力敏感信号由信号处理电路从螺线管（2）两端的测量电极（4）取出，然后由信号处理电路输出给信号显示系统或控制系统。
9.根据权利要求8所述的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，其特征在于：驱动电流为交流电。
10.根据权利要求1、2或3所述的纵向驱动应力阻抗力敏传感器探头，其特征在于：驱动电流为交流电。
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