CN102721490A - 基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器，其结构为：整体结构为轴对称式圆柱结构，下端盖上安装有带底圆筒轭铁，在带底圆筒轭铁的底部有下永磁铁，下永磁铁的上方边缘安装有下环状梯形轭铁，下永磁铁的上方中心安装有Terfenol-D棒，Terfenol-D棒上粘有应变片；Terfenol-D棒正上方有上永磁铁，上永磁铁下方有上环状梯形轭铁，与下环状梯形轭铁对应；上永磁铁上方安装有圆形轭铁，圆形轭铁和非导磁垫片间安装有弹簧；非导磁垫片上方中心安装倒T型顶杆，顶杆底端与非导磁垫片接触；在带底圆筒轭铁的外部安装圆筒状外套，螺杆穿过下端盖和上端盖边缘内部的开孔，用螺帽固定，使上端盖、圆筒状外套和下端盖封装成一个闭合的结构。本发明无需额外的外接电源结构简单，牢固可靠。
Description
技术领域
本发明属于磁致伸缩传感器领域，特别涉及一种以超磁致伸缩材料Terfenol-D为敏感元件的无源磁致伸缩压力传感器。
背景技术
现有的压力传感器种类繁多，典型的压力传感器有：压阻式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器、压电式压力传感器。压阻式压力传感器利用半导体材料的压阻效应制成，它的基片由半导体材料制成，在外力作用下，基片产生形变，阻值发生变化，电桥失去平衡，从而输出电压信号。该传感器受温度影响大，重复性较差，且对半导体的加工工艺要求复杂，成本高。电容式压力传感器输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大，且由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量。谐振式压力传感器制造工艺相对复杂，振动元件集成在压力敏感膜上，二者的机械耦合易出现问题。压电式压力传感器压电转换元件无静态输出，某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
Terfenol-D的超磁致伸缩材料是一种新型功能材料，凭借室温下具有大的磁致伸缩（1200×10-6~2000×10-6），高的机电耦合系数（0.7~0.75），响应速度快等优点引起了国内外学术界和工业界的极大关注。利用磁致伸缩材料的逆效应制备传感器是近年出现的研究热点。河北工业大学樊长在等人依据应力变化时磁致伸缩材料的磁通密度变化的原理研制了磁致伸缩力传感器，并用特斯拉计测量受力后磁通密度的变化，测量误差较大。大连理工大学贾振元等人依据集成在力传感器内部的霍尔传感器测量磁致伸缩材料受力后磁通密度的变化，实现了磁致伸缩力传感器静态力和动态力同时测量，但是该传感器工作时需要两个电源，一个给激励线圈供电，一个给集成在传感器内部的霍尔传感器供电，测试系统复杂，成本较高。目前尚无基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的结构简单、器件自身无需额外电源的磁致伸缩压力传感器的报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有磁致伸缩压力传感器技术的不足，设计一种以超磁致伸缩Terfenol-D棒为敏感元件的结构简单、灵敏度高的磁致伸缩压力传感器。采用永久磁铁和轭铁产生偏置磁场的方法省去了传感器自身的外接电源，实现传感器无外接电源。由惠更斯电桥组成的监测系统检测超磁致伸缩Terfenol-D棒在受到压力变化时应变的变化，并把该变化转换成电压信号输出，实现静态压力的测量，该压力传感器同时还可以进行静态位移的测量。
本发明采用的技术方案是：
一种基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器，该传感器的结构为：整体结构为轴对称式圆柱结构，下端盖上安装有带底圆筒轭铁，在带底圆筒轭铁的内腔底部安装有下永磁铁，下永磁铁的上方边缘安装有下环状梯形轭铁，下永磁铁的上方中心安装有超磁致伸缩Terfenol-D棒，超磁致伸缩Terfenol-D棒上粘有应变片；超磁致伸缩Terfenol-D棒的正上方安装有上永磁铁，上永磁铁下方边缘安装有上环状梯形轭铁，与下环状梯形轭铁对应；上永磁铁上方安装有圆形轭铁，圆形轭铁和非导磁垫片间安装有弹簧；非导磁垫片上方中心安装倒T型顶杆，顶杆底端与非导磁垫片接触，顶杆的柱端带有螺纹；在带底圆筒轭铁的外部安装圆筒状外套，倒T型顶杆的柱端穿过上端盖的中间开孔，螺杆穿过下端盖和上端盖边缘内部的开孔，用螺帽固定，使上端盖、圆筒状外套和下端盖封装成一个闭合的结构；带底圆筒轭铁和圆形轭铁之间留有气隙。
所述的带底圆筒轭铁高度与圆形轭铁、上永磁铁、Terfenol-D棒和下永磁铁的高度之和相等。
所述的圆筒状外套的一侧带有长方形开槽。
所述的应变片为2个，对称粘贴在超磁致伸缩Terfenol-D棒上。
本发明的显著特点是以超磁致伸缩Terfenol-D棒2作为敏感元件，利用圆形轭铁11、带底圆筒轭铁13、上永磁铁5、上环状梯形轭铁4、下环状梯形轭铁17、下永磁铁14产生偏置磁场，免除了激励线圈，传感器本身无需额外的外接电源。由惠更斯电桥检测出Terfenol-D棒2由于受到压力作用而产生的形变，无需额外的信号放大电路，结构简单，牢固可靠。磁致伸缩压力传感器由于敏感元件Terfenol-D棒2的特殊特性，在测量压力的同时，还可以进行位移的测量。
附图说明
图1为磁致伸缩压力传感器装配图剖面图。其中，1-圆筒状外套、2-Terfenol-D棒、3-两片应变片、4-上环状梯形轭铁、5-上永磁铁、6-非导磁垫片、7-倒T型顶杆、8-上端盖、9-螺帽、10-弹簧、11-圆形轭铁、12-螺杆、13-带底圆筒轭铁、14-下永磁铁、15-下端盖、16-长方形开槽、17-下环状梯形轭铁。
图2为磁致伸缩压力传感器样机的照片。其中圆筒状外套1采用塑料，外套1上的开槽16宽为1.5mm，长度为16mm。弹簧10的长度为33mm。圆形轭铁11和带底圆筒轭铁13之间的气隙为0.25mm。
图3为磁致伸缩压力传感器实验系统示意图。其中，31-压力机，32-安装底座，33-磁致伸缩压力传感器，34-调节手柄。
图4为磁致伸缩压力传感器压力测试结果。横坐标F-压力，单位N。纵坐标U-超磁致伸缩压力传感器输出电压，单位mV。a-压力实验结果曲线。
图5为磁致伸缩压力传感器位移测试结果。横坐标d-位移，单位mm。纵坐标U-超磁致伸缩压力传感器输出电压，单位mV。b-位移实验结果曲线。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，但它们不是对本发明作任何限制。
本发明设计的基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器（简称传感器），该传感器的结构为：整体结构为轴对称式圆柱结构，下端盖15上安装有带底圆筒轭铁13，在带底圆筒轭铁13的内腔底部安装有下永磁铁14，下永磁铁14的上方边缘安装有下环状梯形轭铁17，下永磁铁14的上方中心安装有超磁致伸缩Terfenol-D棒2，敏感元件Terfenol-D棒2上左右对称粘有2个应变片3；超磁致伸缩Terfenol-D棒2的正上方安装有上永磁铁5，上永磁铁5下方边缘安装有上环状梯形轭铁4，与下环状梯形轭铁17对应；上永磁铁5上方安装有圆形轭铁11，圆形轭铁11和非导磁垫片6间安装有弹簧10；非导磁垫片6上方中心安装倒T型顶杆7，顶杆7底端与非导磁垫片6接触，顶杆7的柱端带有螺纹，便于与被测系统连接；在带底圆筒轭铁13的外部安装圆筒状外套1，倒T型顶杆7的柱端穿过上端盖8的中间开孔，三根对称分布的螺杆12穿过下端盖15和上端盖8边缘内部的开孔，用螺帽9固定，使上端盖8、圆筒状外套1和下端盖15封装成一个闭合的结构；带底圆筒轭铁13和圆形轭铁11之间留有气隙，一方面可以控制偏置磁场大小，另一方面可以引出两片应变片3的引线。带底圆筒轭铁13的高度与圆形轭铁11、上永磁铁5、Terfenol-D棒2和下永磁铁14的高度之和相等。圆筒状外套1的一侧带有长方形开槽16，便于应变片测试线引出。
当传感器倒T型顶杆7受到一定变化的外界力F的作用，倒T型顶杆7柱端通过机械传导装置非导磁垫片6、弹簧10、圆形轭铁11、上永磁铁5将力F传递给敏感元件Terfenol-D棒2。圆形轭铁11、带底圆筒轭铁13、上永磁铁5、上环状梯形轭铁4、下环状梯形轭铁17、下永磁铁14为Terfenol-D棒2提供一定的偏置磁场H，Terfenol-D棒2在力F与H的共同作用下产生形变，该形变由贴在Terfenol-D棒2上的两片应变片3测量，传感器自身无需外接电源。应变片连接惠更斯电桥电路，将所测压力对应的电压信号U测出。用于测量应变的惠更斯电桥是由4个电阻组成的平衡电桥，其中一个电阻即是粘于Terfenol-D棒2上的一个应变片3，当Terfenol-D棒2不受外力作用时，这个应变片3的阻值不变，4个电阻平衡。当Terfenol-D棒2由于外加压力而产生形变时，导致应变片电阻发生变化，电桥失去平衡，在检测端输出电压信号。贴于Terfenol-D棒2上的另一个应变片3为备用应变片。
（以上涉及的安装除应变片是粘接在Terfenol-D上的外，其他为螺钉安装）
圆筒状外套1采用非导磁性材料，可以选用不锈钢或者塑料。圆筒状外套1上的长方形开槽16宽为1.5mm，长度范围为10~20mm。弹簧10弹性系数为75.2N/mm，根据所测压力的大小可以采用不同的长度，当长度为33mm时，压力传感器测量压力的范围为0~843N，压力传感器测量位移的范围为0~11.2mm。圆形轭铁11和带底圆筒轭铁13之间的气隙范围为0.25~1mm，根据需要的偏置磁场可以调整气隙的大小。
基于Terfenol-D的无源磁致伸缩压力传感器以超磁致伸缩Terfenol-D棒（本发明所涉及的超磁致伸缩Terfenol-D棒的组成及制备见如下文献：功能材料,2006年第6期(37)卷，870-873页;机电工程,2004年第21卷第4期，55-59页）作为敏感元件，采用贴于Terfenol-D棒上的应变片测量应变，将输入的压力信号转化为电压信号输出。基于Terfenol-D棒的无源磁致伸缩压力传感器的基本原理是：依据超磁致伸缩材料的磁致伸缩逆效应原理，当超磁致伸缩材料受到外力作用时，超磁致伸缩材料产生形变，磁致伸缩棒的形变引起贴在棒上的应变片发生电阻变化，应变片电阻的变化使原本平衡的惠更斯电桥端口有电压信号输出，因此可以通过测量惠更斯电桥的输出电压来实现对压力的测量。
图1为磁致伸缩压力传感器装配图的剖面图，当测量时，外力作用在超磁致伸缩压力传感器的顶杆7柱端上，压力通过机械传导装置顶杆7、非导磁垫片6、弹簧10、圆形轭铁11、上永磁铁5传递到超磁致伸缩Terfenol-D棒2上。压力传感器中超磁致伸缩Terfenol-D棒的磁致伸缩逆效应与偏置磁场大小有关。对超磁致伸缩压力传感器内部磁场进行有限元分析得知，由圆形轭铁11、带底圆筒轭铁13、上永磁铁5、上环状梯形轭铁4、下环状梯形轭铁17、下永磁铁14组成的偏置磁场产生装置可以产生敏感元件Terfenol-D棒2需要的偏置磁场，利用圆形轭铁11和带底圆筒轭铁13之间的气隙大小可以调整偏置磁场的大小，省去了激励线圈及外接电源。为了防止外界环境对整个压力传感器的内部磁路产生影响，用防磁性外套1、上端盖8和下端盖15将整个压力传感器内部结构封装在里面，将磁路切断。
图2为磁致伸缩压力传感器样机的照片。样机中各元件的具体尺寸为：敏感元件Terfenol-D棒2的尺寸为直径8.5mm，长度18mm；上端盖8和下端盖15外径为35mm，内径为8.5mm；顶杆7柱端直径为6mm；非导磁垫片6直径22mm；塑料圆筒形外套外径25mm，长度76mm；螺杆长度为96mm。带底圆筒轭铁外径24mm，圆形轭铁11外径23.75mm，上永磁铁5、下永磁铁14直径为20mm，长度为10mm，永磁铁选择NdFeB材料，经过有限元分析，该尺寸下Terfenol-D棒表面产生均匀的磁场，大小为20kA/m。该偏置磁场下，Terfenol-D棒在0~15MPa范围内压应力与应变呈现线性关系，满足测量要求。
实施例1静态压力的测量：本实施例中压力传感器采用图2所示的样机。其中，敏感元件Terfenol-D棒2的尺寸为直径8.5mm，长度18mm。图3为静态压力测量实验系统示意图，其中，主要部件的参数如下：选用769YP-24B粉末油压压片机，其最大输出力可达2400N。
实验平台的安装过程如下：向上转动调节手柄34至压片机31上端盖位置，将磁致伸缩压力传感器33置于压片机31的安装底座32中间位置，调节压片机31下端盖上的旋钮，同时向下转动调节手柄34，使压力传感器固定在调节手柄34和安装底座32正中间。将压力传感器应变片的引线两端分别与惠更斯电桥的两条输入线相接，采用SDY2202型静态电阻应变仪测试应变大小，同时用万用表测试与所测压力对应的输出电压的大小。
实验过程及结果：在室温环境下，压力传感器本身无需额外电源。给静态电阻应变仪供电后，给压片机31施加0~843N的压力，磁致伸缩压力传感器受到压力作用，产生形变，通过应变片检测出该形变，通过惠更斯电桥与静态电阻应变仪显示出该应变，同时万用表显示出与该压力对应的输出电压。测量得到的输出电压与输入压力之间的关系如图4曲线a所示，实验结果曲线a基本为线性。表明，在静态压力0~843N范围内，传感器的输出电压与所测静态压力的关系基本呈线性关系，在使用压力传感器时，可以通过输出电压的值判断所测压力的大小。由于曲线a基本为线性，其斜率近似为常数1.05mV/N，该值即为传感器感知压力的灵敏度，即所测压力为1N时，输出电压改变1.05mV，说明该传感器灵敏度较高。改变弹簧10的弹性系数，可以改变被测压力的测量范围和灵敏度。
实施例2静态位移的测量：基于Terfenol-D的无源磁致伸缩压力传感器除了能进行静态压力的测量，还可以进行静态位移的测量。本实施例中传感器采用图2所示的样机。弹簧10的长度为33mm，弹性系数为75.2N/mm，Terfenol-D棒2的尺寸为直径8.5mm，长度18mm。采用图3所示测量实验系统，利用压片机31的调节手柄34给传感器施加0~11.2mm范围内的位移，传感器中的敏感元件Terfenol-D棒2感知到由于调节手柄34的位移引起的力的变化，Terfenol-D棒2产出形变，静态电阻应变仪显示出由于该应变。万用表显示出与所测位移相应的输出电压。测量得到的输出电压与输入位移之间的关系如图5曲线b所示，实验结果曲线b基本为线性。表明，在静态位移0~11.2mm范围内，传感器的输出电压与所测静态位移的关系基本呈线性关系，在使用传感器时，可以通过输出电压的值判断所测位移的大小。曲线b的斜率为78.9mV/mm，即当所测位移为1mm时，输出电压改变78.9mV。改变弹簧10的弹性系数，可以改变被测位移的测量范围和灵敏度。
本发明所述的基于Terfenol-D的无源磁致伸缩压力传感器具有结构简单，灵敏度高，测量准确等特点，具有重要的实际应用价值。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (4)
1.一种基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器，其特征为该传感器的结构为：整体结构为轴对称式圆柱结构，下端盖上安装有带底圆筒轭铁，在带底圆筒轭铁的内腔底部安装有下永磁铁，下永磁铁的上方边缘安装有下环状梯形轭铁，下永磁铁的上方中心安装有超磁致伸缩Terfenol-D棒，超磁致伸缩Terfenol-D棒上粘有应变片； 超磁致伸缩Terfenol-D棒的正上方安装有上永磁铁，上永磁铁下方边缘安装有上环状梯形轭铁，与下环状梯形轭铁对应；上永磁铁上方安装有圆形轭铁，圆形轭铁和非导磁垫片间安装有弹簧；非导磁垫片上方中心安装倒T型顶杆，顶杆底端与非导磁垫片接触，顶杆的柱端带有螺纹；在带底圆筒轭铁的外部安装圆筒状外套，倒T型顶杆的柱端穿过上端盖的中间开孔，螺杆穿过下端盖和上端盖边缘内部的开孔，用螺帽固定，使上端盖、圆筒状外套和下端盖封装成一个闭合的结构；带底圆筒轭铁和圆形轭铁之间留有气隙。
2.如权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器，其特征为所述的带底圆筒轭铁高度与圆形轭铁、上永磁铁、Terfenol-D棒和下永磁铁的高度之和相等。
3.如权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器，其特征为所述的圆筒状外套的一侧带有长方形开槽。
4.如权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器，其特征为所述的应变片为2个，对称粘贴在超磁致伸缩Terfenol-D棒上。
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