CN110132314A - 基于磁致伸缩材料的传感器及敏感体、设备、检测方法 - Google Patents

基于磁致伸缩材料的传感器及敏感体、设备、检测方法 Download PDF

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CN110132314A CN201810136915.3A CN201810136915A CN110132314A CN 110132314 A CN110132314 A CN 110132314A CN 201810136915 A CN201810136915 A CN 201810136915A CN 110132314 A CN110132314 A CN 110132314A
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Abstract

本发明提供了一种基于磁致伸缩材料的传感器及敏感体、设备、检测方法，其中：敏感体由磁致伸缩材料体构成；或者，所述敏感体包括磁致伸缩材料体、检测材料体，其中，磁致伸缩材料体、检测材料体连接构成复合材料体。所述的传感器包括上述的敏感体；通过敏感体感知磁场变化，使得敏感体发生属性变化；通过检测所述敏感体的属性变化，得到引起所述磁场变化的检测变量。本发明利用磁致伸缩材料体或者其复合材料体在磁场作用下的电阻、磁导率等物理性质变化进行精密变量传感，同时采用了相应的检测手段与信号处理方法，拓宽了检测的物理量，提高了检测灵敏度。

Description

基于磁致伸缩材料的传感器及敏感体、设备、检测方法
技术领域
本发明涉及检测传感器技术领域，具体地，涉及一种基于磁致伸缩材料的传感器及敏感体、设备、检测方法。
背景技术
磁致伸缩材料是一种在外部磁场作用下会产生物理应变的材料，同时其压磁系数、杨氏模量与磁导率等物理参数会产生相应的变化，应用磁致伸缩材料进行精密传感成为一个很有潜力的领域。
现有的专利，例如公开号为CN206177230U，公开日为2017年05月17日，发明名称为《一种磁致伸缩传感器的检测装置》的中国专利申请，提供了一种磁致伸缩液位检测传感器，它利用磁致伸缩波导管，利用磁激励与液位位置磁体磁场共同作用下的应力波响应进行液位检测。利用相同检测原理的相关专利还有《隔爆型磁致伸缩传感器》(CN206235292U)，《高测量频率磁致伸缩传感器》(CN104457809B)和《一种弯曲模态磁致伸缩传感器》(CN104874538B)等。
但是这些专利申请公开的磁致伸缩传感器，均是直接基于磁致伸缩材料在磁场下的波导应力进行位置、位移检测，没有利用到其余的物理参数的变化。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本实发明的目的是提供一种基于磁致伸缩材料的传感器及敏感体、设备、检测方法。
根据本发明提供的一种敏感体，所述敏感体由磁致伸缩材料体构成；或者，所述敏感体包括磁致伸缩材料体、检测材料体，其中，磁致伸缩材料体、检测材料体连接构成复合材料体。
优选地，所述复合材料体为如下任一种或任多种形式：
-磁致伸缩材料体与应变片复合，其中，应变片作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与电容复合，其中，电容作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与碳纳米管膜复合，其中，碳纳米管膜作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与石墨烯膜复合，其中，石墨烯膜作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与光纤复合，其中，光纤作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与感应线圈复合，其中，感应线圈作为检测材料体。
根据本发明提供的一种基于磁致伸缩材料的传感器，包括所述的敏感体；通过敏感体感知磁场变化，使得敏感体发生属性变化；通过检测所述敏感体的属性变化，得到引起所述磁场变化的检测变量。
优选地，所述检测变量为如下任一种物理量：
-直流或交流磁场；
-直流或交流电流；
-直流或交流位移；
-静态应变。
优选地，所述属性变化为如下任一种物理量变化：
-电阻变化；
-相对磁导率变化；
-应变变化。
优选地，所述敏感体产生属性变化后，可采用如下任一种方式进行检测：
-惠斯通电桥检测电阻变化；
-感应线圈检测相对磁导率变化；
-电容检测应变变化；
-应变片检测应变变化。
根据本发明提供的一种检测方法，利用所述的基于磁致伸缩材料的传感器进行检测。
优选地，采用如下任一种或任多种方式：
令所述传感器在磁致谐振模式下工作；
当检测变量为低频物理量时，利用磁致伸缩材料体的非线性特性采用频率迁移技术；
利用磁致伸缩材料体的维拉里效应感知应力，产生磁导率变化，进行应力直接检测。
优选地，当检测变量为直流物理量时，采用如下任一种信号处理方式：
-利用磁致伸缩材料体变杨氏模量效应，检测谐振频率变化；
-利用磁致伸缩材料体变杨氏模量效应，检测固定频率下的响应变化；
-利用磁致伸缩材料体非线性特性，检测基频与倍频响应的差值。
本发明提供一种检测设备，包括所述的基于磁致伸缩材料的传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明基于磁致伸缩材料体在磁场作用下的底层物理性质变化进行精密传感，相较于以往的磁致伸缩传感器，拓展了检测的物理量；
2.本发明所述的传感器可以工作在磁致谐振模式下，提高检测灵敏度；
3.本发明提出的根据磁致伸缩材料体的非线性响应与变杨氏模量效应的检测手段，可以很好的检测直流变量；
4.本发明进行低频物理量检测时可以利用磁致伸缩材料体的非线性特性采用频率迁移技术提高灵敏度；
5.本发明实现了一种多变量适用的检测手段，只需简单的结构调整即可检测不同的变量。
附图说明
通过阅读参照结构及工作原理示意图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明实施例1、2和3结构及工作原理示意图；
图2为本发明实施例4结构及工作原理示意图；
图3为本发明实施例5结构及工作原理示意图；
图4为本发明实施例6结构及工作原理示意图；
图5为本发明实施例7结构及工作原理示意图；
图6为本发明实施例8结构及工作原理示意图；
图中：1为应变变阻材料，2为磁致伸缩材料体，3为电容器，4为感应线圈，5为交流激励线圈，6为应变光纤，δ为检测变量,H(δ)为由检测变量产生的磁场，R(δ)为应变片与检测变量相关的电阻，ε(δ)为磁致伸缩材料体在H(δ)作用下的应变，C(δ)为电容器与检测变量相关的电容，μ(δ)为磁致伸缩材料体与检测变量相关的磁导率，V(δ)为感应线圈产生的感应电压，Ve为施加于激励线圈的电压。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
基本例
根据本发明提供的一种敏感体，由磁致伸缩材料体构成；或者，所述敏感体包括磁致伸缩材料体、检测材料体，其中，磁致伸缩材料体、检测材料体连接构成复合材料体。
根据本发明提供的一种基于磁致伸缩材料的传感器，包括所述的敏感体；通过敏感体感知磁场变化，使得敏感体发生属性变化；通过检测所述敏感体的属性变化，得到引起所述磁场变化的检测变量。
根据本发明提供的一种检测方法，利用所述的基于磁致伸缩材料的传感器进行检测。
根据本发明提供的一种检测设备，包括所述的基于磁致伸缩材料的传感器。
具体的，所述复合材料体为如下任一种或任多种形式：
-磁致伸缩材料体与应变片复合，其中，应变片作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与电容复合，其中，电容作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与碳纳米管膜复合，其中，碳纳米管膜作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与石墨烯膜复合，其中，石墨烯膜作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与光纤复合，其中，光纤作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与感应线圈复合，其中，感应线圈作为检测材料体。
具体的，所述检测变量为如下任一种物理量：
-直流或交流磁场；
-直流或交流电流；
-直流或交流位移；
-静态应变。
具体的，所述属性变化为如下任一种物理量变化：
-电阻变化；
-相对磁导率变化；
-应变变化。
具体的，所述敏感体产生属性变化后，可采用如下任一种方式进行检测：
-惠斯通电桥检测电阻变化；
-感应线圈检测相对磁导率变化；
-电容检测应变变化；
-应变片检测应变变化。
具体的，所述的检测方法采用如下任一种或任多种方式：
令所述传感器在磁致谐振模式下工作；
当检测变量为低频物理量时，利用磁致伸缩材料体的非线性特性采用频率迁移技术；
利用磁致伸缩材料体的维拉里效应感知应力，产生磁导率变化，进行应力直接检测。
具体的，当检测变量为直流物理量时，采用如下任一种信号处理方式：
-利用磁致伸缩材料体变杨氏模量效应，检测谐振频率变化；
-利用磁致伸缩材料体变杨氏模量效应，检测固定频率下的响应变化；
-利用磁致伸缩材料体非线性特性，检测基频与倍频响应的差值。
下面通过包括实施例1～实施例7在内的所述基本例的优选例对本发明进行更为具体的说明。
实施例1
本实施实例提供了一种基于磁致伸缩材料的传感器。检测变量δ可为如下任一种物理量：
-直流或交流磁场；
-直流或交流电流；
-直流或交流位移；
-静态应变；
进一步地，敏感体采用磁致伸缩材料体与应变片的复合材料体，应变片粘接在磁致伸缩材料体上。
进一步地，检测变量δ产生磁场H(δ)，在该磁场作用下，磁致伸缩材料体产生应变ε(δ)，由于粘接条件，此应变传递至应变片。
进一步地，应变片在应变ε(δ)作用下，电阻产生变化R(δ)，该电阻变化可以由惠斯通电桥进行检测。
进一步地，所述传感器可以工作在磁致谐振模式下，提高检测灵敏度。
进一步地，进行直流物理量检测时可以采用任一种信号处理方式：
-根据磁致伸缩材料体变杨氏模量效应，检测谐振频率变化；
-根据磁致伸缩材料体变杨氏模量效应，检测固定频率下的响应变化；
-根据磁致伸缩材料体非线性特性，检测基频与倍频响应的差值。
进一步地，进行低频物理量检测时可以利用磁致伸缩材料体的非线性特性采用频率迁移技术提高灵敏度。
实施例2
实施例2为实施例1的变化例。
本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：
本实施实例提供了一种基于磁致伸缩材料的传感器，敏感体采用磁致伸缩材料体与碳纳米管薄膜的复合材料体，碳纳米管薄膜粘接在磁致伸缩材料体上。
实施例3
实施例3为实施例1的变化例。
本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：
本实施实例提供了一种基于磁致伸缩材料的传感器，敏感体采用磁致伸缩材料体与石墨烯薄膜的复合材料体，石墨烯薄膜粘接在磁致伸缩材料体上。
实施例4
实施例4为实施例1的变化例。
本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：
本实施实例提供了一种基于磁致伸缩材料的传感器，敏感体采用单相磁致伸缩材料。
进一步地，由检测变量δ产生的磁场H(δ)作用在磁致伸缩材料体上，直接导致磁致伸缩材料体自身的电阻变化R(δ)。
实施例5
实施例5为实施例1的变化例。
本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：
本实施实例提供了一种基于磁致伸缩材料的传感器，敏感体采用磁致伸缩材料体与电容的复合材料体，电容的一个极板粘接在磁致伸缩材料体上。
进一步地，所述由检测变量δ产生的磁场H(δ)作用在磁致伸缩材料体上，直接导致磁致伸缩材料体的应变ε(δ)，粘接在磁致伸缩材料体上的电容极板有着同样的运动，从而电容极板之间的距离变化，从而电容值变化C(δ)。
进一步地，电容值变化C(δ)可直接由后端数据采集得到，从而得到待测变量。
实施例6
实施例6为实施例1的变化例。
本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：
本实施实例提供了一种基于磁致伸缩材料的传感器，敏感体采用磁致伸缩材料体与感应线圈的复合材料体，感应线圈缠绕在磁致伸缩材料体上。
进一步地，所述由检测变量δ产生的磁场H(δ)作用在磁致伸缩材料体上，导致磁致伸缩材料体的磁导率变化μ(δ)，当磁导率交流的变化时，通过感应线圈的磁通量变化，从而感应线圈产生感应电压V(δ)。
进一步地，感应电压V(δ)可直接由后端数据采集得到，从而得到待测变量。
实施例7
实施例7为实施例6的变化例。
本实施例在实施例6的基础上，与实施例6的区别在于：
本实施实例提供了一种基于磁致伸缩材料的传感器，敏感体采用磁致伸缩材料体与感应线圈的复合材料体，感应线圈缠绕在磁致伸缩材料体的一端，同时一个激励线圈缠绕于磁致伸缩材料体的另一端。
进一步地，所述由检测变量δ产生的磁场H(δ)为直流磁场，需要激励线圈施加一个交流磁场激励，磁致伸缩材料体才可以得到交流变化的磁导率μ(δ)，从而感应线圈产生感应电流V(δ)。
实施例8
实施例8为实施例5的变化例。
本实施例在实施例5的基础上，与实施例5的区别在于：
本实施实例提供了一种基于磁致伸缩材料的传感器，敏感体采用磁致伸缩材料体与光纤的复合材料体，光纤粘接在磁致伸缩材料体上。
进一步地，所述由检测变量δ产生的磁场H(δ)作用在磁致伸缩材料体上直接导致磁致伸缩材料体的应变ε(δ)，由于应变传递，粘接在磁致伸缩材料体上的光纤有着同样的应变，从而光纤的折射率产生变化，通过的光路情况可以反映应变ε(δ)。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种敏感体，其特征在于，所述敏感体由磁致伸缩材料体构成；或者，所述敏感体包括磁致伸缩材料体、检测材料体，其中，磁致伸缩材料体、检测材料体连接构成复合材料体。
2.根据权利要求1所述的敏感体，其特征在于，所述复合材料体为如下任一种或任多种形式：
-磁致伸缩材料体与应变片复合，其中，应变片作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与电容复合，其中，电容作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与碳纳米管膜复合，其中，碳纳米管膜作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与石墨烯膜复合，其中，石墨烯膜作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与光纤复合，其中，光纤作为检测材料体；
-磁致伸缩材料体与感应线圈复合，其中，感应线圈作为检测材料体。
3.一种基于磁致伸缩材料的传感器，其特征在于，包括权利要求1或2所述的敏感体；
通过敏感体感知磁场变化，使得敏感体发生属性变化；
通过检测所述敏感体的属性变化，得到引起所述磁场变化的检测变量。
4.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩材料的传感器，其特征在于，所述检测变量为如下任一种物理量：
-直流或交流磁场；
-直流或交流电流；
-直流或交流位移；
-静态应变。
5.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩材料的传感器，其特征在于，所述属性变化为如下任一种物理量变化：
-电阻变化；
-相对磁导率变化；
-应变变化。
6.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩材料的传感器，其特征在于，所述敏感体产生属性变化后，可采用如下任一种方式进行检测：
-惠斯通电桥检测电阻变化；
-感应线圈检测相对磁导率变化；
-电容检测应变变化；
-应变片检测应变变化。
7.一种检测方法，其特征在于，利用权利要求3至6中任一项所述的基于磁致伸缩材料的传感器进行检测。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，采用如下任一种或任多种方式：
令所述传感器在磁致谐振模式下工作；
当检测变量为低频物理量时，利用磁致伸缩材料体的非线性特性采用频率迁移技术；
利用磁致伸缩材料体的维拉里效应感知应力，产生磁导率变化，进行应力直接检测。
9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，当检测变量为直流物理量时，采用如下任一种信号处理方式：
-利用磁致伸缩材料体变杨氏模量效应，检测谐振频率变化；
-利用磁致伸缩材料体变杨氏模量效应，检测固定频率下的响应变化；
-利用磁致伸缩材料体非线性特性，检测基频与倍频响应的差值。
10.一种检测设备，包括权利要求3至6中任一项所述的基于磁致伸缩材料的传感器。
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CN113588067A (zh) * 2021-07-28 2021-11-02 上海交通大学 基于磁电效应的精密振动传感器

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