CN110654085B - 一种基于磁性能变化的应变测量芯片及其测量装置和测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微应变的测量领域，具体涉及一种基于磁性能变化的应变测量芯片及其测量装置和测试方法，测量芯片由磁性合金薄膜和丁基橡胶(IIR)薄膜压制而成，磁性合金薄膜为铁基非晶合金薄膜，薄膜厚度为30μm～100μm；丁基橡胶薄膜由IIR树脂和炭黑组成，炭黑的含量为10wt％～50wt％，薄膜厚度0.1mm～1mm；并利用该测量芯片用于测量应变的测量装置中。本发明使用的装置制备工艺简便，制作成本低；所测材料省去了焊接引线的麻烦，且信号响应快、测量准确性，稳定性大大提高；测量方法简单，易操作，灵敏度较高；测试结果可以更为直观准确的反映磁性合金的应变值。

Description

一种基于磁性能变化的应变测量芯片及其测量装置和测试 方法
技术领域
本发明涉及微应变的测量领域，具体涉及一种基于磁性能变化的应变片及其测量装置和测试方法。
背景技术
磁性铁基非晶合金薄膜是由快速凝固技术制成的一种新型薄膜材料，由于其具有高磁导率而被广泛应用于电感和传感器等电子领域。现有将磁性铁基非晶合金薄膜应用于测量应力，但仅使用磁性铁基非晶合金薄膜无法用于测量应变。
目前，在应变测量中广泛使用硅应变片，由于应变片在使用中需要粘接引线，操作难度大，误差大，存在着因测量装置不完善带来的诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种基于磁性能变化的微应变测试方法，使得测试操作简单，无需焊接引线，信号响应快，测量准确，重复稳定性好。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种基于磁性能变化的应变测量芯片，
所述测量芯片由磁性合金薄膜和丁基橡胶薄膜(IIR)压制而成，所述磁性合金薄膜为铁基非晶合金薄膜，薄膜厚度为30μm～100μm；所述丁基橡胶薄膜由IIR树脂和炭黑组成，炭黑的含量为10wt％～50wt％，薄膜厚度0.1mm～1mm。
本发明还提供了一种采用上述测量芯片测定微应变的测试装置，所述测试装置由测量芯片、电感线圈和数字电桥连接，所述测量芯片由磁性合金薄膜和丁基橡胶薄膜压制而成，所述测量芯片置于电感线圈的顶部，丁基橡胶薄膜为下层，所述电感线圈与数字电桥串联；所述测量芯片直径为Φ10mm～Φ30mm，所述电感线圈的外径＝测量芯片直径-5mm，线圈高度10mm，线圈匝数N≥10。
本发明还提供了利用上述测量芯片测定微应变的测试方法，其测试方法步骤如下：
(1)测试装置准备：测试使用的测量装置包括电感线圈、测量芯片和数字电桥连接，按上述提供的测试装置准备；
(2)在测量装置的磁性合金薄膜上逐步加载，IIR薄膜产生应变，电感线圈的电感发生变化，同时利用数字电桥完成对测试装置闭合回路电感数据的实时采集；
(3)根据采集的电感数据，绘制线圈电感值随时间的曲线图“Ls---t”，与标准的“Ls---ε”比较，推定出“ε---t”曲线，式中Ls为线圈电感值，t为加载时间，ε为应变值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的测量芯片，增加了丁基橡胶薄膜层，增大了弹性模量，从而可以增大测量范围；
2、所测材料省去了焊接引线的麻烦，且信号响应快、测量准确性，稳定性大大提高；该装置制备工艺简便，制作成本低；
3、测量方法简单，易操作，灵敏度较高。
附图说明
图1为本发明使用的测量装置的结构示意图，其中1-磁性合金薄膜，2-丁基橡胶薄膜，3-电感线圈；
图2为IIR薄膜厚度为180μm的Ls---t曲线；
图3为IIR薄膜厚度为250μm的Ls---t曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1、制备测量芯片，磁性合金薄膜选择Fe78Si13B9非晶合金薄膜，直径为Φ10mm，厚度为35μm；丁基橡胶薄膜由IIR树脂和10wt％炭黑制成，薄膜厚度180μm，直径为Φ10mm；将磁性合金薄膜和丁基橡胶薄膜在1Mpa压力下压制成测量芯片；
2、测试装置准备，将测量芯片置于电感线圈的顶部，测量芯片的丁基橡胶薄膜为下层，与电感线圈顶部接触，电感线圈与TH-2816B型数字电桥串联；电感线圈的外径5mm，线圈高度10mm，线圈匝数为10，如图1所示；
3、在测量装置的磁性合金薄膜上逐步加载，IIR薄膜产生应变，电感线圈的电感发生变化，同时利用数字电桥完成对测试装置闭合回路电感数据的实时采集；
4、绘制线圈电感值随时间的曲线图“Ls---t”(如图2所示)，与标准的“Ls---ε”比较，推定出“ε---t”曲线，式中Ls为线圈电感值，t为加载时间，ε为应变值。
调整Fe78Si13B9非晶合金薄膜的厚度为30μm、25μm、22μm；按上述步骤方法测量磁性合金薄膜的应变值。
图2显示，当IIR薄膜厚度为180μm时，不同厚度的Fe78Si13B9非晶合金薄膜对Ls值影响大。“Ls---t”曲线在应力0～0.2Mpa范围内呈线性变化，重复性好，“Ls---t”曲线斜率大，灵敏度高，表明传感器性能稳定性好，灵敏度高。
实施例2
1、制备测量芯片，磁性合金薄膜选择Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金薄膜，直径为Φ30mm，厚度为35μm；丁基橡胶薄膜由IIR树脂和50wt％炭黑制成，薄膜厚度250μm，直径为Φ30mm；将磁性合金薄膜和丁基橡胶薄膜在1Mpa压力下压制成测量芯片；
2、测试装置准备，将测量芯片置于电感线圈的顶部，测量芯片的丁基橡胶薄膜为下层，与电感线圈顶部接触，电感线圈与TH-2816B型数字电桥串联；电感线圈的外径495mm，线圈高度10mm，线圈匝数为50；
3、在测量装置的磁性合金薄膜上逐步加载，IIR薄膜产生应变，电感线圈的电感发生变化，同时利用数字电桥完成对测试装置闭合回路电感数据的实时采集；
4、绘制线圈电感值随时间的曲线图“Ls---t”(如图3所示)，与标准的“Ls---ε”比较，推定出“ε---t”曲线，式中Ls为线圈电感值，t为加载时间，ε为应变值。
调整Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金薄膜的厚度为30μm、25μm、22μm；按上述步骤方法测量磁性合金薄膜的应变值。
图3显示，当IIR薄膜厚度为250μm时，不同厚度的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金薄膜对Ls值影响大。“Ls---t”曲线在应力0～0.1Mpa范围内呈线性变化，重复性好，“Ls---t”曲线斜率大，灵敏度高。与图2情况相比，当IIR薄膜厚度为250μm时，“Ls---t”的应力范围缩小了50％，但传感器性能稳定性仍然好，灵敏度高。
尽管已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，这对本领域的技术人员而言是显而易见，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于磁性能变化的应变测量芯片，其特征在于，所述测量芯片由磁性合金薄膜和丁基橡胶(IIR)薄膜压制而成，所述磁性合金薄膜为铁基非晶合金薄膜，薄膜厚度为30μm～100μm；所述丁基橡胶薄膜由IIR树脂和炭黑组成，炭黑的含量为10wt％～50wt％，薄膜厚度0.1mm～1mm。
2.一种利用权利要求1所述的测量芯片测定微应变的测试装置，所述测试装置由测量芯片、电感线圈和数字电桥连接，所述测量芯片由磁性合金薄膜和丁基橡胶薄膜压制而成，所述测量芯片置于电感线圈的顶部，丁基橡胶薄膜为下层，所述电感线圈与数字电桥串联；所述测量芯片直径为Φ10mm～Φ30mm，所述电感线圈的外径＝测量芯片直径-5mm，线圈高度10mm，线圈匝数N≥10。
3.一种利用权利要求1所述的测量芯片测定微应变的测试方法，其测试方法步骤如下：
(1)测试装置准备：测试使用的测量装置包括电感线圈、测量芯片和数字电桥连接，按上述提供的测试装置准备；
(2)在测量装置的磁性合金薄膜上逐步加载，IIR薄膜产生应变，电感线圈的电感发生变化，同时利用数字电桥完成对测试装置闭合回路电感数据的实时采集；
(3)根据采集的电感数据，绘制线圈电感值随时间的曲线图“Ls---t”，与标准“Ls---ε”比较，推定出“ε---t”曲线，式中Ls为线圈电感值，t为加载时间，ε为应变值。
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