CN106289385B - 一种多功能传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多功能传感器。所述传感器前端包括一对或者多对作为敏感单元的层状磁电复合材料单元，所述各对层状磁电复合材料单元中的两个层状磁电复合材料单元互相平行放置；所述层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间形成闭合磁路；层状磁电复合材料单元在驱动信号的激励下感应待测参量，并将待测参量的感应电信号输出；所述后端处理模块用于产生激励所述层状磁电复合材料单元的驱动信号以及检测传感器前端输出的感应电信号，根据该感应电信号随外部待测参量变化的特性，解算出待测参量的值。本发明采用层状磁电复合材料作为敏感单元，能够测量多种物理参量，且结构简单、体积小、重量轻。

Description

一种多功能传感器

技术领域

本发明涉及一种多功能传感器，特别是一种利用智能材料多物理场耦合效应的多功能传感器。

背景技术

传统的传感器多为单一功能的，即一个传感器只能测量某一个参量。如果要同时测量多个参量，一般采用多个传感器，各个传感器分别进行不同参量信号的调理、采样和处理，这样使得测量系统结构复杂，体积、重量和功耗都较大。

随着微系统技术的发展，使得可以在单一微型结构内集成多个相互独立的敏感元件，由此出现了具有多参量测量能力的多功能传感器，例如由哈尔滨工业大学刘昕在2009年所写名称为《多功能传感器信号重构方法研究及其应用》的博士学位论文中列举的多功能传感器，将多种敏感元件采用物理压缩和封装的方式结合在一起实现对较多物理参量的测量，该多功能传感器利用了各个敏感元件的测量信号相互补偿和校正，可克服单一功能传感器的交叉敏感问题。但是，该多功能传感器，在测量不同的参量时，仍然需要使用多个敏感元件测量不同的参量，算不得真正意义上用一个或较少敏感元件或材料测量多个参量的多功能传感器，且其体积和功耗也仍然较大。

磁致伸缩材料具有磁致伸缩效应，能够实现磁能与机械能之间的相互转换，压电材料具有压电效应，能够实现电能与机械能之间的相互转换。将这两种材料叠层复合，构成磁致伸缩/压电复合材料后，还会由于复合材料的“乘积效应”产生新特性——磁电效应，因此也被称作层状磁电复合材料。层状磁电复合材料具有电、磁、力、温度等多物理场耦合效应，是多功能传感器多参量测量实现的基础。第一，层状磁电复合材料具有正磁电效应和逆磁电效应。层状磁电复合材料的磁致伸缩层在磁场激励下，会产生机械变形，该变形耦合到压电层后，使压电材料产生电极化，从而在压电材料的电极之间产生电压，这种磁-电的转换现象称为正磁电效应；层状磁电复合材料的压电层在电压驱动信号激励下产生机械变形，该变形耦合到磁致伸缩层后，使磁致伸缩材料产生磁化，从而产生磁场，这种电-磁的转换现象称为逆磁电效应。第二，磁致伸缩材料的磁致伸缩系数是偏置磁场的非线性函数，所以正磁电效应的磁-电转换系数和逆磁电效应的电-磁转换系数都随外部偏置磁场变化。第三，磁致伸缩材料特性是预应力和温度的函数，即磁致伸缩材料在不同外部力作用下(外力作用导致磁致伸缩材料内部产生应力应变)以及不同温度环境下，其磁致伸缩系数、压磁系数、弹性模量都发生变化，这导致层状磁电复合材料的磁-电转换系数、电-磁转换系数以及谐振频率都随作用力和温度变化。

目前，磁致伸缩/压电复合材料已经被用于设计磁传感、电流传感器、力传感器、位移传感器等传感器。但这些传感器与传统的传感器一样，功能单一，只能测量某一个参量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能传感器，采用层状磁电复合材料作为敏感单元，能够测量多种物理参量，且结构简单、体积小、重量轻。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多功能传感器，包括传感器前端和后端处理模块；所述传感器前端包括一对或者多对作为敏感单元的层状磁电复合材料单元，所述各对层状磁电复合材料单元中的两个层状磁电复合材料单元互相平行放置；所述层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间形成闭合磁路；层状磁电复合材料单元在驱动信号的激励下感应待测参量，并将待测参量的感应电信号输出；所述后端处理模块用于产生激励所述层状磁电复合材料单元的驱动信号以及检测传感器前端输出的感应电信号，根据该感应电信号随外部待测参量变化的特性，解算出待测参量的值。

进一步，所述多功能传感器包括一对层状磁电复合材料单元，其中一个层状磁电复合材料单元作为被激励单元，其压电材料层的电极用于输入驱动信号，另一个层状磁电复合材料单元作为接收单元，其压电材料层的电极用于输出感应电信号。

进一步，所述多功能传感器还包括导磁体，所述两个层状磁电复合材料单元的磁致伸缩材料层之间通过导磁体形成闭合磁路。

进一步，所述多功能传感器包括多对层状磁电复合材料单元，全部层状磁电复合材料单元组成一个对称的多边形结构；每对层状磁电复合材料单元中，其中一个层状磁电复合材料单元作为被激励单元，其压电材料层的电极用于输入驱动信号，另一个层状磁电复合材料单元作为接收单元，其压电材料层的电极用于输出感应电信号。

进一步，所述多功能传感器在相邻的层状磁电复合材料单元之间放置有导磁体，所述全部层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间通过导磁体形成闭合磁路。

进一步，所述后端处理模块包括驱动电路模块，用于产生激励层状磁电复合材料单元的驱动信号。

进一步，所述后端处理模块还包括信号采集模块以及信号分析和处理模块；所述信号采集模块用于对传感器前端输出的电信号进行采样，所述信号分析和处理模块用于根据电信号随外部待测参量变化的特性解算出待测参量的值。

进一步，还包括信号调理模块，用于获取接收单元的输出电信号，并对该电信号进行放大、滤波处理。

进一步，还包括人机交互终端和控制中心；用户通过人机交互终端输入控制指令；控制中心根据人机交互终端设传送的控制指令分别控制多路开关、驱动电路模块、信号调理模块、信号采集模块以及信号处理和分析模块工作。

进一步，还包括多路开关，用于用户在选定的工作模式下将驱动电路模块输出端和信号调理模块的输入端与该工作模式对应的层状磁电复合材料单元的压电材料层的电极连通。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明仅仅采用层状磁电复合材料单元作为敏感单元就能够对磁、声、声速、力、温度等多个物理参量进行测量，而不是在某个单一结构内集成多个相互独立的针对不同待测物理量的敏感元件来实现多个物理量测量，从而既减简化了多功能传感器的结构，又减少了体积和重量；在使用多个层状磁电复合材料单元作为敏感单元的情况下，还能实现矢量测量。

附图说明

图1是本发明所述多功能传感器一种实施例的结构示意图。

图2是本发明所述多功能传感器另一种实施例的结构示意图。

图3是本发明所述多功能传感器第三种实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的多功能传感器包括传感器前端1和后端处理模块5；所述多功能传感器前端1利用了层状磁电复合材料的电、磁、力、温度等多物理场耦合效应来实现多参量敏感；通过人机交互终端等设置不同的待测参量的工作模式，控制驱动电路产生驱动信号激励传感器前端；后端处理模块5包含驱动电路模块、信号调理模块、信号采集模块、信号分析和处理单元、控制中心以及人机交互终端等，传感器前端1的输出信号经信号调理、采集和处理分析后解调出待测的待测参量，并送回人机交互终端进行显示和存储。

实施例1：

结合图1，本实施例所示多功能传感器的前端1由两个层状磁电复合材料单元和两个导磁体4，导磁体4与两个层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料2构成闭合磁路，以增强两个层状磁电复合材料单元之间的磁耦合。其中一个层状磁电复合材料单元作为被激励单元，其压电材料层3的电极与驱动电路模块8的输出端连接，该被激励单元在驱动信号的激励下因逆磁电效应产生激励磁场；另一个层状磁电复合材料单元作为接收单元，其压电材料层3的电极与信号调理模块10的输入端连接，其磁致伸缩材料层2在被激励单元产生的激励磁场的作用下，因磁电效应在压电层3的电极端产生电信号，电信号经输出后送给信号调理模块10。

本实施例在噪声测量的工作模式下，两个层状磁电复合材料单元可以都作为接收单元，但不能都作为被激励单元。

在位置排列上，作为被激励单元的层状磁电复合材料单元与作为接收单元的层状磁电复合材料单元平行放置。且仅在测量声速时需要，被激励单元和接收单元的压电材料层3相向设置，两个压电材料层3之间无磁致伸缩材料层阻隔，这样可以保证在声速测量方式下，声信号收发不受到磁致伸缩材料阻碍。

所述多功能传感器前端1中磁致伸缩材料为各种具有磁致伸缩效应的材料，包括稀土钛镝铁合金和铁镓合金、非晶态合金等。

所述多功能传感器前端1中压电材料为各种具有压电效应的材料，包括压电陶瓷、氧化锌、压电单晶PMN-PT、石英晶体等。

所述传感器前端1中导磁体4为各种具有高磁导率的材料，包括电磁纯铁、铁氧体、非晶态合金以及各种磁致伸缩材料等。

本实施例中，后端处理模块5包括人机交互终端6、多路开关7、驱动电路模块8、控制中心9、信号调理模块10、信号采集模块11以及信号分析和处理模块12。

所述人机交互终端6包括人机交互模块、交互界面、对外通讯模块等，用户可以通过交互界面设定待测参量的种类及相应的工作模式，人机交互终端产生对应指令送入到控制中心9。

所述控制中心9由内置控制软件的单片机或DSP构成，控制中心9在收到人机交互终端6的控制指令后，分别控制多路开关7、驱动电路模块8、信号调理模块10、信号采集模块11以及信号处理和分析模块12工作。

所述驱动电路模块8主要由函数信号发生器、功率放大器组成，在接到控制中心9的指令后，根据选定的工作模式产生直流偏置电压、正弦、随机、脉冲等信号，作为激励被激励单元的驱动信号。

所述多路开关7为常规的集成电路电子开关，当控制中心9指令的工作模式为静态和准静态磁场探测、声速测量、力或压力测量和温度测量的工作模式时，多路开关7被激励单元中的压电材料层3的电极与驱动电路模块8的信号输出端连接，当控制中心9指令的工作模式为噪声探测工作模式时，将所有层状磁电复合材料单元的压电材料层3的电极与信号调理模块10的输入端相连。当然，本实施例可以不需要设置多路开关7，而直接将被激励单元中的压电材料层3的电极与驱动电路模块8的信号输出端连接，这样，本实施例仍然可以实现静态和准静态磁场、声速、力或压力以及温度等多参量的测量，只是不能测量环境噪声而已。

所述信号调理模块10用于接收单元的输出电信号，并对该电信号进行放大、滤波等调理处理，并将经过调理后的电信号送到信号采集模块11。信号调理模块10由低噪声信号放大器、滤波器等构成。

所述信号采集模块11完成多路信号采样，并将采样信号送到信号处理和分析模块12。信号采集模块11主要由AD转换芯片构成。

所述信号处理和分析模块12对采样信号进行信号分析和传感器参量解调，解调出待测参量，然后送入人机交互终端6显示或对外通讯。信号处理和分析模块12可以是嵌入在单片机或DSP内的预设程序，因此其可以与控制中心9共用一个单片机或DSP。

实施例2：

结合图2，实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于传感器前端1。在实施例1中，两个层状磁电复合材料单元的磁致伸缩材料层之间通过放置导磁体来形成闭合磁路，而在实施例2中，两个层状磁电复合材料单元的磁致伸缩材料层通过磁致伸缩材料自身的直接连接来形成闭合磁路。可以理解为，在一个回形的磁致伸缩材料层上对称复合两个独立的压电材料层，从而形成两个层状磁电复合材料单元。

实施例3：

结合图3，实施例3与实施例1的不同之处仍然在于传感器前端1，实施例3的传感器前端1采用了六个层状磁电复合材料单元。六个层状磁电复合材料单元依此分布形成一个正六边形边结构，六个层状磁电复合材料单元布置在正六边形的六个边框上，呈对称分布。六个层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层2构成一个闭合磁路；也可以在相邻的层状磁电复合材料单元之间放置多个导磁体4以增强两个层状磁电复合材料单元之间的磁耦合。在两两相对的、在互相平行的边框上的一对层状磁电复合材料单元中，当其中任意一个用作被激励的单元时，另一个则用作接收单元。这种对称多边形的结构形式，能够实现物理量的矢量测量，分辨出待测物理量的方向。

实际上，传感器前端1采用的层状磁电复合材料单元的数量和放置形式还有其它多种方案，比如四个层状磁电复合材料单元按照四边形放置或者八个层状磁电复合材料单元按照八边形放置，只要满足对称的多边结构即可，这样可以实现矢量参量的全方位、立体测量。

前述多功能传感器的工作原理和过程如下：

工作模式1：静态和准静态磁场探测

当用户通过人机交互终端6将本发明所述多功能传感器设置为静态和准静态磁场探测模式后，控制中心9根据人机交互界面的测量指令，控制驱动电路模块8产生交流电压驱动信号激励传感器前端1内作为被激励单元的层状磁电复合材料单元而产生激励磁场，作为接收单元的层状磁电复合材料单元在激励磁场作用下产生磁电输出信号，经信号调理、采集、分析和处理后，获得磁电输出信号的幅相特性，信号分析和处理模块12根据磁电电压系数与待测磁场的函数关系，解调出待测磁场值，并将测量结果送人机交互终端进行显示和存储。

工作模式2：声速测量

当用户通过人机交互终端6将本发明所述多功能传感器设置为声速测量模式后，控制中心9根据人机交互界面的测量指令，自动控制驱动电路模块8产生窄脉冲电压驱动信号激励传感器前端1中作为被激励单元的层状磁电复合材料单元的压电材料层产生脉冲声信号作为发射信号，作为接收单元的层状磁电复合材料单元的压电材料层接收到声发射信号后产生脉冲电输出信号，经信号调理、采集后进行信号分析和处理，获得被激励单元发射脉冲声信号与接收单元接收脉冲声信号之间的延时时长。传感器前端1内作为被激励单元和接收单元的压电材料层之间的距离是预先设计并已知的，信号处理和分析模块12可以根据该已知距离和收发脉冲信号之间的延时时长，计算出测量环境中的声速，并将结果送人机交互终端6进行显示和存储。例如，假设被激励单元和检测单元的压电材料层之间的距离为1cm，传输延时为6.53μs，则声速为1531m/s，而脉冲延时的测量精度可以达到纳秒级，甚至更高。

工作模式3：力或压力测量

先将层状磁电复合材料单元复合在受力对象上，从而力或压力通过受力对象传递到层状磁电复合材料上。控制中心9根据人机交互界面的测量指令，自动控制驱动电路模块8产生交直流耦合(即同时含有直流和交流)的电压驱动信号激励传感器前端1内作为被激励单元的层状磁电复合材料单元产生激励磁场，作为接收单元的层状磁电复合材料单元在激励磁场作用下产生磁电输出信号，经信号调理、采集后进行信号分析和处理，获得磁电输出信号的幅相特性。信号处理和分析模块12根据给定的偏置磁场下磁电电压系数与外部作用力的函数关系，解调出待测力或压力测量值，并将结果送人机交互终端6进行显示和存储。

工作模式4：温度测量

因磁致伸缩材料的弹性模量和磁致伸缩特性随温度变化，层状磁电复合材料的谐振频率和磁电电压系数随温度变化，本发明所述传感器利用该特性进行温度测量。当用户通过人机交互终端6将本发明所述多功能传感器设置为温度测量模式后，控制中心9根据人机交互界面的测量指令，自动控制驱动电路模块8产生直流偏压和宽带驱动电压信号激励传感器前端内作为被激励单元的层状磁电复合材料单元产生激励磁场，作为接收单元的层状磁电复合材料单元在激励磁场作用下产生磁电输出信号，经信号调理、采集后进行信号分析和处理，获得磁电电压系数、谐振频率等测量值。信号分析和处理模块12根据磁电电压系数和谐振频率与温度的函数关系，解调出环境温度，并将结果送人机交互终端6进行显示和存储。

工作模式5：噪声探测

层状磁电复合材料中压电材料层原有的功能和性能并不发生变化，当其感受到外部噪声时会产生形变，从而产生电输出。使用本发明进行环境噪声测量时，噪声本身就是激励层状磁电复合材料单元的驱动信号，无须另行由专门的驱动信号产生模块给予激励信号，所有层状磁电复合材料单元都作为接收单元，无需被激励单元。工作时，当用户通过人机交互终端6将本发明所述多功能传感器设置为噪声探测模式后，控制中心9根据人机交互终端6的测量指令控制多路开关7进行切换，使传感器前端1的所有层状磁电复合材料单元的压电材料层的电极都与信号调理模块的输入端连接，所有层状磁电复合材料单元在噪声激励下产生磁电输出信号，经信号调理、采集后进行信号分析和处理，获得噪声信号的幅相特性，信号分析和处理模块12根据给定的偏置磁场下磁电电压系数与噪声的函数关系，解算后获得噪声值并将结果后送回人机交互终端6进行显示和存储。噪声测量时，层状磁电复合材料中的压电材料层可以面朝外部，这样有利于感受外面的噪声。

总而言之，本发明基于层状磁电复合材料的多功能传感器充分利用了磁电复合材料的正逆磁电效应以及正逆磁电效应之间的耦合，利用电、磁、力、温度之间的多物理场耦合效应，实现多物理参量的测量，其核心在于对多物理场耦合效应规律的掌握和利用。

Claims (9)

1.一种多功能传感器，其特征在于，包括传感器前端和后端处理模块；

所述传感器前端包括一对或者多对作为敏感单元的层状磁电复合材料单元，所述各对层状磁电复合材料单元中的两个层状磁电复合材料单元互相平行放置；所述层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间形成闭合磁路；层状磁电复合材料单元在驱动信号的激励下感应待测参量，并将待测参量的感应电信号输出；

所述后端处理模块用于产生激励所述层状磁电复合材料单元的驱动信号以及检测传感器前端输出的感应电信号，根据该感应电信号随外部待测参量变化的特性，解算出待测参量的值；

在成对的层状磁电复合材料单元中，其中一个层状磁电复合材料单元作为被激励单元，其压电材料层的电极用于输入驱动信号，另一个层状磁电复合材料单元作为接收单元，其压电材料层的电极用于输出感应电信号。

2.如权利要求1所述多功能传感器，其特征在于，包括一对层状磁电复合材料单元，还包括导磁体，所述两个层状磁电复合材料单元的磁致伸缩材料层之间通过导磁体形成闭合磁路。

3.如权利要求1所述多功能传感器，其特征在于，包括多对层状磁电复合材料单元，全部层状磁电复合材料单元组成一个对称的多边形结构。

4.如权利要求3所述多功能传感器，其特征在于，在相邻的层状磁电复合材料单元之间放置有导磁体，所述全部层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间通过导磁体形成闭合磁路。

5.如权利要求1、2、3或者4所述多功能传感器，其特征在于，所述后端处理模块包括驱动电路模块，用于产生激励层状磁电复合材料单元的驱动信号。

6.如权利要求5所述多功能传感器，其特征在于，所述后端处理模块还包括信号采集模块以及信号分析和处理模块；所述信号采集模块用于对传感器前端输出的电信号进行采样，所述信号分析和处理模块用于根据电信号随外部待测参量变化的特性解算出待测参量的值。

7.如权利要求6所述多功能传感器，其特征在于，还包括信号调理模块，用于获取接收单元的输出电信号，并对该电信号进行放大、滤波处理。

8.如权利要求7所述多功能传感器，其特征在于，还包括人机交互终端和控制中心；用户通过人机交互终端设输入控制指令；控制中心根据人机交互终端传送的控制指令分别控制多路开关、驱动电路模块、信号调理模块、信号采集模块以及信号处理和分析模块工作。

9.如权利要求8所述多功能传感器，其特征在于，还包括多路开关，用于在用户选定的工作模式下，将驱动电路模块输出端和信号调理模块的输入端与该工作模式对应的层状磁电复合材料单元的压电材料层的电极连通。