CN105929196A - 基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器及其应用 - Google Patents

基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器及其应用 Download PDF

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Abstract

基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器及其应用，本发明属于传感器领域，它要解决现有汗毛传感器普遍为刚性结构，其结构较为复杂，而且应用领域有限，只能测试非接触式的流速，而不能直接测试接触应力或者振动的问题。该柔性汗毛传感器包含铁磁微丝和线圈，其中，以铁磁微丝作为柔性的传感单元，结构由两排交叉排布的铁磁微丝阵列和两个线圈组成，两个线圈以一定匝数缠绕在铁磁微丝阵列末端上,一个线圈作为激发端,另一个线圈作为检测端。本发明采用电磁感应的传感原理测试铁磁微丝所产生的形变，灵敏度高，量程范围可调。对于外界信号的检测能够实现灵敏度和量程的调节，可广泛应用于检测气体风速、液体流速和振动信号，应用潜力巨大。

Description

基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器及其应用
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器及其应用。
背景技术
汗毛传感器是基于仿生触须结构衍生出的传感器，自然界中动物的触须可以非常灵敏的感知外界的刺激，如风速，水速，振动，接触等等的外界信号，基于此原理，衍生出一系列的汗毛传感器，但是与自然界中的动物触须不同，现有的汗毛传感器的汗毛都是刚性的，不能发生大角度的偏折，只能局限于测定气体流速，不能测试流体流速或者振动信号，其结构大都是基于微电子机械系统(MEMS)工艺，结构较为复杂并且脆弱，并不能像真正的汗毛那样耐用和感知各种不同的信号，使得现有汗毛传感器的使用范围十分狭窄，能用于工程实际的汗毛传感器也非常少，基本都是停留在概念设计的阶段。
对于汗毛传感器的研究成果有很多，前期的研究人员提出各种不同结构的汗毛传感器。
2009年，Avishek R利用聚合物薄膜制备出一种柔性的结构，其形状可以随风速的大小而改变，其测试原理是利用风速导致薄膜几何形状的变化，从而产生电阻变化，其结构较为复杂和脆弱，只能进行风速的测试，无法测试接触应力或者液体流速。
2013年，Sadeghi制备出一种汗毛形状的气体流速传感器，但是其汗毛为刚性，其测试原理并不是利用汗毛随风速的弯曲，而是利用热线法的原理，测试汗毛温度随风速变化的趋势，从而测试风速。
2015年，Harish利用导电聚合物制备出柔性可弯曲的汗毛传感器，利用其在不同风速条件下弯曲形状的不同，从而导致其根部电阻的变化，进行风速的测定，其优点在于对于气体流速的敏感度较高，但是其汗毛的力学性能较差，无法测试接触应力。
现有汗毛传感器的测试范围都局限于气体流速的检测，实际上汗毛的功能远不止是气体流速的检测。
发明内容
本发明的目的是要解决现有汗毛传感器普遍为刚性结构，其结构较为复杂，而且应用领域有限，只能测试非接触式的流速，而不能直接测试接触应力或者振动的问题，而提供基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器及其应用。
本发明基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含多根铁磁微丝、线圈和基板，多根铁磁微丝分别平行间隔排列形成第一铁磁微丝阵列和第二铁磁微丝阵列，第一铁磁微丝阵列的一端与第二铁磁微丝阵列的一端相互交叉排布并悬空，在第一铁磁微丝阵列的另一端上缠绕有通有交流电信号的线圈作为激发端，在第二铁磁微丝阵列的另一端上缠绕有线圈作为检测端，第一铁磁微丝阵列缠绕有线圈的一端和第二铁磁微丝阵列缠绕有线圈的一端固定在基板上。
本发明基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含多根铁磁微丝、线圈和基板，多根铁磁微丝平行排列形成铁磁微丝阵列，通有交流电信号的线圈作为激发端，铁磁微丝阵列的一端悬空并与激发端存在间隙，在铁磁微丝阵列的另一端上缠绕有线圈作为检测端，铁磁微丝阵列缠绕有线圈的一端固定在基板上。
本发明基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含单根铁磁微丝和线圈，通有交流电信号的线圈作为激发端，在单根铁磁微丝的一端与激发端存在间隙，在单根铁磁微丝的另一端上缠绕有线圈作为检测端。
本发明基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器的应用是将该基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器用于测试气体风速、液体流速、应力大小或振动信号。
本发明基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含以下优越性：
1、提出一种基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器的设计制造方法，成本低廉，结构简单；
2、本发明的测试机理与以往的汗毛传感器有本质上的区别，其原理为利用磁场在非晶丝内部的传播，铁磁微丝的搭接面积随着外界条件，如气体风速、液体流速、振动信号，会实时变化，从而使检测到的磁场信号也随着外界条件实时变化，灵敏度和稳定性高，具有更强的适用性和推广性；
3、本发明所制备的柔性汗毛传感器，其测试部分类似于人体的汗毛，但是与其他利用汗毛结构的传感器原理不同，本结构采用的铁磁微丝力学性能优异，可循环性能和抗腐蚀性很强，并且本结构不过分依赖汗毛的力学性能，利用的是搭接面积变化导致磁场传播强弱的变化，并且结构可以实时调节。
附图说明
图1为具体实施方式一基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器的结构示意图(双排结构)；
图2为具体实施方式二基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器的结构示意图(单排结构)；
图3为具体实施方式三基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器(单根柔性汗毛)的弯曲示意图；
图4为实施例中柔性汗毛传感器测试信号随气体风速变化的曲线图；
图5为实施例中柔性汗毛传感器测试信号随液体流速变化的曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含多根铁磁微丝、线圈和基板15，多根铁磁微丝分别平行间隔排列形成第一铁磁微丝阵列10和第二铁磁微丝阵列11，第一铁磁微丝阵列10的一端与第二铁磁微丝阵列11的一端相互交叉排布并悬空设置，在第一铁磁微丝阵列10的另一端上缠绕有通有交流电信号的线圈作为激发端12，在第二铁磁微丝阵列11的另一端上缠绕有线圈作为检测端13，第一铁磁微丝阵列10缠绕有线圈的一端和第二铁磁微丝阵列11缠绕有线圈的一端固定在基板15上。
本实施方式第一铁磁微丝阵列和第二铁磁微丝阵列交叉部分的铁磁微丝可以彼此紧密排列，也可以彼此间隔排列。
本实施方式通过激发端的交流电产生磁场，磁通量在铁磁微丝中传输，当受到风速或振动信号，汗毛结构发生大变形导致磁通量发生变化，进而改变检测端线圈的电信号。
本实施方式汗毛传感器包含铁磁微丝和线圈。其中，以铁磁微丝作为柔性的传感单元，铁磁微丝可以发生很大形变，对于应力测量的灵敏度很高，结构由两排交叉排布的铁磁微丝阵列和两个线圈组成，两个线圈以一定匝数缠绕在铁磁微丝阵列末端上，一个线圈作为激发端，另一个线圈作为检测端，采用电磁感应的传感原理测试铁磁微丝所产生的形变，灵敏度高，量程范围可调。
具体实施方式二：本实施方式基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含多根铁磁微丝、线圈和基板15，多根铁磁微丝平行排列形成铁磁微丝阵列10，通有交流电信号的线圈作为激发端12，铁磁微丝阵列10的一端悬空设置并与激发端12存在间隙，在铁磁微丝阵列10的另一端上缠绕有线圈作为检测端13，铁磁微丝阵列10缠绕有线圈的一端固定在基板15上。
本实施方式铁磁微丝阵列中的铁磁微丝可以彼此紧密排列，也可以彼此间隔排列。通过间隙的设置给出铁磁微丝阵列自由活动的空间。
具体实施方式三：本实施方式基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含单根铁磁微丝20和线圈，通有交流电信号的线圈作为激发端12，在单根铁磁微丝20的一端与激发端12存在间隙，在单根铁磁微丝20的另一端上缠绕有线圈作为检测端13。
本实施方式通过间隙的设置给出铁磁微丝阵列自由活动的空间。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述铁磁微丝的长度为1mm～50mm。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述铁磁微丝的直径为10μm～100μm。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述铁磁微丝的金属芯为硬磁性合金，在金属芯外表包覆有耐热玻璃。
本实施方式所述的硬磁性合金为铁钴钼硬磁合金、铁钴钨硬磁合金或铁钴硅硼铁磁合金。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述铁磁微丝的金属芯为软磁性合金。
本实施方式所述的软磁性合金为硅钢、镍铁软磁合金、铁钴软磁合金或铁硅软磁合金。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是激发端12和检测端13的线圈自由端连接有电极14。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述的两个线圈为铜漆包线。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是在基板15上还开有通孔16。
本实施方式的通孔能够使流体通过，也可以用来测量高灵敏度的应力和振动信号。
实施例：本实施例基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含多根铁磁微丝和线圈，每6根铁磁微丝分别平行间隔排列形成第一铁磁微丝阵列10和第二铁磁微丝阵列11，第一铁磁微丝阵列10的一端与第二铁磁微丝阵列11的一端相互交叉排布并悬空，在第一铁磁微丝阵列10的另一端上缠绕有通有交流电信号的线圈作为激发端12，在第二铁磁微丝阵列11的另一端上缠绕有线圈作为检测端13，激发端12和检测端13的自由端分别连接有电极14，各电极14以及第一铁磁微丝阵列10缠绕有线圈的一端和第二铁磁微丝阵列11缠绕有线圈的一端固定在电路板15上，在电路板15上开有通孔16。
本实施例的铁磁微丝的长度为10mm，铁磁微丝的金属芯采用铁钴钨硬磁合金。铁磁微丝阵列中各铁磁微丝的间距为1mm。此铁磁微丝商购自西班牙TAMAG公司。
当气体通过通孔时，会使两个铁磁微丝阵列的重叠面积发生变化，从而就会导致检测端检测到的信号减少，随着外界气体流速的增强，传感器检测到的信号就会越来越小，其信号强度随外界气体流速的变化趋势如图4所示。
当有液体通过镂空部分时，液体的压力会使两个铁磁微丝的重叠面积发生变化，从而就会导致检测端检测到的信号减少，随着外界液体流速的增强，传感器的信号就会越来越小,其信号强度随外界液体流速的变化趋势如图5所示。
图4和图5分别为测试信号随气体风速及液体流速变化的曲线图，激发端接入信号发生器，信号发生器产生一个正弦信号，传入铁磁微丝传感器。检测端接入示波器，将检测到的信号以可视的方式显现出来。其中气体的流速由一个涡轮风扇产生，风速的调节通过调节风扇和传感器之间的距离来实现；液体的流速通过水速产生，流速的调节通过可调流速的水泵来实现。

Claims (10)

1.基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，其特征在于该基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含多根铁磁微丝、线圈和基板(15)，多根铁磁微丝分别平行间隔排列形成第一铁磁微丝阵列(10)和第二铁磁微丝阵列(11)，第一铁磁微丝阵列(10)的一端与第二铁磁微丝阵列(11)的一端相互交叉排布并悬空，在第一铁磁微丝阵列(10)的另一端上缠绕有通有交流电信号的线圈作为激发端(12)，在第二铁磁微丝阵列(11)的另一端上缠绕有线圈作为检测端(13)，第一铁磁微丝阵列(10)缠绕有线圈的一端和第二铁磁微丝阵列(11)缠绕有线圈的一端固定在基板(15)上。
2.基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，其特征在于该基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含多根铁磁微丝、线圈和基板(15)，多根铁磁微丝平行排列形成铁磁微丝阵列(10)，通有交流电信号的线圈作为激发端(12)，铁磁微丝阵列(10)的一端悬空并与激发端(12)存在间隙，在铁磁微丝阵列(10)的另一端上缠绕有线圈作为检测端(13)，铁磁微丝阵列(10)缠绕有线圈的一端固定在基板(15)上。
3.基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，其特征在于基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器包含单根铁磁微丝(20)和线圈，通有交流电信号的线圈作为激发端(12)，在单根铁磁微丝(20)的一端与激发端(12)存在间隙，在单根铁磁微丝(20)的另一端上缠绕有线圈作为检测端(13)。
4.根据权利要求1或2所述的基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，其特征在于所述铁磁微丝的长度为1mm～50mm。
5.根据权利要求1或2所述的基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，其特征在于所述铁磁微丝的直径为10μm～100μm。
6.根据权利要求1或2所述的基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，其特征在于所述铁磁微丝的金属芯为硬磁性合金或软磁性合金，在金属芯外表包覆有耐热玻璃。
7.根据权利要求1或2所述的基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，其特征在于激发端(12)和检测端(13)的线圈自由端连接有电极(14)。
8.根据权利要求1或2所述的基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，其特征在于所述的两个线圈为铜漆包线。
9.根据权利要求1或2所述的基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，其特征在于在基板(15)上还开有通孔(16)。
10.如权利要求1或2所述的基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器的应用，其特征在于是将该基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器用于测试气体风速、液体流速、应力大小或振动信号。
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