CN111323113A - 基于磁敏感材料的电阻式振动传感器 - Google Patents

基于磁敏感材料的电阻式振动传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，包括底座、外壳体，外壳体固定在底座的上端，外壳体内安装内壳体，内壳体下端与底座之间留有安装电阻电压转换模块的间距，内壳体的中段沿内壁设有环形凸缘，环形凸缘上的环形凹槽中安装环形永磁体，环形永磁体的内壁设置第一电极，圆柱形质量块位于环形永磁体的中心，质量块的外圆周设有第二电极，第一电极、第二电极之间设置磁敏感材料，质量块的上端与内壳体的腔顶之间设置上支撑弹簧，质量块的下端与内壳体的腔底之间设置下支撑弹簧，使质量块在振动状态下带动磁敏感材料作剪切运动，第一电极、第二电极分别通过导线连接电阻电压转换模块，电阻电压转换模块通过导线连接外壳体的信号接口。

Description

基于磁敏感材料的电阻式振动传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于磁敏感材料的电阻式振动传感器。
背景技术
电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。传统的电阻式传感器通常由弹性元件、电阻应变片和测量电路等组成。电阻应变片粘贴在弹性元件上，弹性元件用于测量被测物的应变变化，并将测量到的变化转换为弹性元件表面的应变，电阻应变片将弹性元件表面的应变转换为应变片电阻值的变化，再通过测量电路将应变片的电阻值转换为便于输出处理的电信号。目前，电阻应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类，这两类应变片虽然具有结构简单、技术成熟、价格低廉等优点，但是，在振动量较大的情况下，其稳定性无法保证，容易导致测量不准确，甚至是当应变量超过其允许的最大设计要求时，传感器将永久损坏。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其能提高传感器的稳定性，且结构简单可靠，测量准确度高。
本发明的技术方案是：一种基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，包括底座、外壳体，所述外壳体固定安装在底座的上端，所述外壳体内固定安装内壳体，该内壳体下端与底座之间留有用于安装电阻电压转换模块的间距，所述内壳体的中段沿内壁设有环形凸缘，所述环形凸缘上设有环形凹槽，一环形永磁体安装在环形凹槽中，该环形永磁体的内壁设置第一电极，一圆柱形质量块位于环形永磁体的中心，所述质量块的外圆周设有第二电极，在第一电极、第二电极之间设置磁敏感材料，所述质量块的上端与内壳体的腔顶之间设置上支撑弹簧，所述质量块的下端与内壳体的腔底之间设置下支撑弹簧，使质量块能在振动状态下带动磁敏感材料做剪切运动，并在上、下支撑弹簧的作用下回位，所述电阻电压转换模块固定在底座上，所述第一电极、第二电极分别通过导线连接电阻电压转换模块，所述电阻电压转换模块通过导线连接外壳体上的信号接口。
所述内壳体由轴对称的两部分合拢而成，内壳体两部分的上端通过上端板固定，下端通过下底板固定。
所述上端板的下端面设有上弹簧安装座，所述下底板的上端面设有下弹簧安装座。
所述内壳体的上端通过螺栓与外壳体连接固定。
所述质量块的上下两端分别设有弹簧定位结构。
所述弹簧定位结构为凸台或凹腔。
所述底座的上端设置环形的定位凸台，该定位凸台设有外螺纹，所述外壳体的下端设置内螺纹与定位凸台螺纹连接。
所述底座上设有固定螺孔。
所述磁敏感材料采用磁流变弹性体材料。
所述环形永磁体为铷铁硼永磁体，充磁方向为指向圆心的径向方向。
采用上述技术方案：外壳体内固定安装内壳体，将内壳体的内部作为安装腔，内壳体下端与底座之间留有用于安装电阻电压转换模块的间距。内壳体内壁的环形凸缘上设有环形凹槽，环形永磁体安装在该环形凹槽中，环形永磁体的内壁设置第一电极，圆柱形的质量块位于环形永磁体的中心，质量块的外圆周上设置第二电极，在第一电极和第二电极之间设置磁敏感材料。在内壳体中设置环形永磁体可以起到降低磁敏感材料初始阻值的作用，并提高磁敏感材料的阻值对应变的敏感程度。当被测物振动时，质量块随之上下运动，并在上下运动的过程中带动磁敏感材料作剪切运动，磁敏感材料的电阻值随磁敏感材料剪切应变幅度的增大而增加，从而通过第一电极、第二电极获取磁敏感材料的电阻值。质量块的上端与内壳体的腔顶之间设置上支撑弹簧，质量块的下端与内壳体的腔底之间设置下支撑弹簧，振动的质量块在上、下支撑弹簧的作用下回位。第一电极、第二电极分别通过导线连接电阻电压转换模块，通过电阻电压转换模块使第一电极和第二电极之间实时变化的电阻值转换为实时的电压信号，输出的实时电压信号即可反应被测物的振动大小，再通过导线将输出的电压信号通过信号接口发送到外部数据采集设备。本传感器结构简单，且通过磁敏感材料的剪切应变幅度反映被测物的振动大小，具有响应迅速的特点，能实时的将被测物的振动大小通过第一电极和第二电极反应给电阻电压转换模块，并且磁敏感材料的稳定性好，具有可逆性，防止应变量过大损坏传感器。
所述内壳体由轴对称的两部分合拢而成，内壳体两部分的上端通过上端板固定，下端通过下底板固定，内壳体通过两部分合拢而成，便于安装环形永磁体。
所述上端板的下端面设有上弹簧安装座，所述下底板的上端面设有下弹簧安装座，通过设置上、下弹簧安装座，保证上、下支撑弹簧的安装可靠性。
所述质量块的上下两端分别设有弹簧定位结构，保证上、下支撑弹簧与质量块的连接可靠性。
所述底座的上端设置环形的定位凸台，该定位凸台设有外螺纹，所述外壳体的下端设置内螺纹与定位凸台螺纹连接，底座与外壳体采用螺纹连接，保证连接稳定的同时，还容易拆卸，便于对内部的元器件进行检修更换。
所述底座上设有固定螺孔，该固定螺孔用于固定本传感器和被测物。
所述磁敏感材料采用磁流变弹性体材料，可以通过磁流变弹性体材料内部的软磁颗粒间距的变化反应实时的振动大小，响应速度快，且稳定性高。
所述环形永磁体为铷铁硼永磁体，充磁方向为指向圆心的径向方向，铷铁硼永磁体的磁性高、综合性能强。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明质量块、第一电极、第二电极、磁敏感材料和环形永磁体的装配示意图；
图3为内壳体两部分的结构示意图。
附图中，1为底座，1-1为定位凸台，1-2为固定螺孔，2为外壳体，2-1为信号接口，3为内壳体，3-1为环形凸缘，3-2为环形凹槽，3-3为上端板，3-4为下底板，3-5为上弹簧安装座，3-6下弹簧安装座，4为电阻电压转换模块，5为环形永磁体，6为第一电极，7为质量块，7-1为弹簧定位结构，8为第二电极，9为磁敏感材料，10为上支撑弹簧，11为下支撑弹簧。
具体实施方式
参见图1至图3，一种基于磁敏感材料的电阻式振动传感器的实施例，包括底座1、外壳体2，所述外壳体2固定安装在底座1的上端，所述底座1的上端设置环形的定位凸台1-1，该定位凸台1-1设有外螺纹，所述外壳体2的下端设置内螺纹与定位凸台1-1螺纹连接，底座1与外壳体2采用螺纹连接，保证连接稳定的同时，还容易拆卸，便于对内部的元件进行检修更换，且能起到一定的防水效果，此外，也可以采用焊接或粘接的方式固定外壳体2和底座1。所述底座1上设有固定螺孔1-2，使本传感器可以通过螺栓固定在被测物上。所述外壳体2内固定安装内壳体3，所述内壳体3的上端通过螺栓与外壳体2连接固定，避免对内壳体3内部元件的安装造成干涉。该内壳体3下端与底座1之间留有用于安装电阻电压转换模块4的间距，将内壳体3作为内部材料的安装腔。所述内壳体3的中段沿内壁设有环形凸缘3-1，所述环形凸缘3-1上设有环形凹槽3-2，一环形永磁体5安装在环形凹槽3-2中，该环形永磁体5的内壁设置第一电极6，第一电极6通过粘接的方式固定在环形永磁体5的内壁，一圆柱形质量块7位于环形永磁体5的中心，该质量块7采用铍青铜材料，所述质量块7的外圆周设有第二电极8，第二电极8通过粘接的方式固定在质量块7的外圆周，在第一电极6、第二电极8之间设置磁敏感材料9，磁敏感材料9与第一电极6、第二电极8粘接固定。通过环形永磁体5可以起到降低磁敏感材料9初始电阻值的作用，且能提高磁敏感材料9的电阻值对应变的敏感程度，所述环形永磁体5为铷铁硼永磁体，充磁方向为指向圆心的径向方向，铷铁硼永磁体的磁性高、综合性能强。当被测物振动时，质量块7随之上下运动，并在上下运动的过程中带动磁敏感材料9作剪切运动，磁敏感材料9的电阻值随磁敏感材料9剪切应变幅度的增大而增加，从而通过第一电极6、第二电极8获取磁敏感材料9的电阻值。所述质量块7的上端与内壳体3的腔顶之间设置上支撑弹簧10，所述质量块7的下端与内壳体3的腔底之间设置下支撑弹簧11，使振动的质量块7在上、下支撑弹簧的作用下回位。所述质量块7的上下两端分别设有弹簧定位结构7-1，保证上、下支撑弹簧与质量块7的连接可靠性，该弹簧定位结构7-1可采用凹腔或凸台的形式，均能起到固定上、下支撑弹簧的作用。所述电阻电压转换模块4固定在底座1上，所述第一电极6、第二电极8分别通过导线连接电阻电压转换模块4，该电阻电压转换模块4可以使第一电极6和第二电极8之间实时变化的电阻值转换为实时的电压信号，所述电阻电压转换模块4通过导线连接外壳体2上的信号接口2-1，由导线将电阻电压转换模块4的实时电压信号发送给外部数据采集设备，输出的实时电压信号即可反应被测物的实时振动大小。
本实施例中内壳体3由轴对称的两部分合拢而成，内壳体3两部分的上端通过上端板3-3固定，下端通过下底板3-4固定，安装环形永磁体5时，可将内壳体3两部分上的环形凹槽3-2分别与环形永磁体5固定，再安装上端板3-3、下底板3-4，使环形永磁体5的安装更便捷。且下底板3-4上设置供导线穿过的通孔。所述上端板3-3的下端面设有上弹簧安装座3-5，所述下底板3-4的上端面设有下弹簧安装座3-6，通过设置上、下弹簧安装座，保证上、下支撑弹簧的安装可靠性。
本实施例中磁敏感材料9采用磁流变弹性体材料，这种材料由橡胶基体与微米级软磁颗粒复合而成，内部软磁颗粒呈链状结构排列，且链状结构方向为指向圆环中心的径向方向，磁流变弹性体材料的软磁颗粒中颗粒间距随着剪切应变的幅度变化而变化，剪切应变的幅度越大，颗粒间距就越大，磁敏感材料9的实时电阻值也越大，从而使第一电极6、第二电极8测量到的电阻值也越大，即第一电极6和第二电极8之间的电阻值与磁敏感材料9的剪切应变幅度呈正相关的关系。
本传感器结构简单，在使用时质量块7对被测物的振动上下运动，并带动磁敏感材料9作剪切运动，磁敏感材料9内部的软磁颗粒间距随剪切应变的幅度变化而变化，从而使磁敏感材料9产生实时的电阻值，通过电阻电压转换模块4将第一电极6、第二电极8之间的电阻值转换为实时的电压信号，由输出的电压信号即可反应被测物的振动大小，响应速度快，能实时反应被测物的振动大小，并且稳定性高。此外，由于本发明采用的磁敏感材料9具有可逆性，在振动量过大时，在反应振动大小的同时，能避免损坏传感器，同时也保证传感器的稳定性。

Claims (10)

1.一种基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，包括底座（1）、外壳体（2），所述外壳体（2）固定安装在底座（1）的上端，其特征在于：所述外壳体（2）内固定安装内壳体（3），该内壳体（3）下端与底座（1）之间留有用于安装电阻电压转换模块（4）的间距，所述内壳体（3）的中段沿内壁设有环形凸缘（3-1），所述环形凸缘（3-1）上设有环形凹槽（3-2），一环形永磁体（5）安装在环形凹槽（3-2）中，该环形永磁体（5）的内壁设置第一电极（6），一圆柱形质量块（7）位于环形永磁体（5）的中心，所述质量块（7）的外圆周设有第二电极（8），在第一电极（6）、第二电极（8）之间设置磁敏感材料（9），所述质量块（7）的上端与内壳体（3）的腔顶之间设置上支撑弹簧（10），所述质量块（7）的下端与内壳体（3）的腔底之间设置下支撑弹簧（11），使质量块（7）能在振动状态下带动磁敏感材料（9）做剪切运动，并在上、下支撑弹簧的作用下回位，所述电阻电压转换模块（4）固定在底座（1）上，所述第一电极（6）、第二电极（8）分别通过导线连接电阻电压转换模块（4），所述电阻电压转换模块（4）通过导线连接外壳体（2）上的信号接口（2-1）。
2.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其特征在于：所述内壳体（3）由轴对称的两部分合拢而成，内壳体（3）两部分的上端通过上端板（3-3）固定，下端通过下底板（3-4）固定。
3.根据权利要求2所述的基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其特征在于：所述上端板（3-3）的下端面设有上弹簧安装座（3-5），所述下底板（3-4）的上端面设有下弹簧安装座（3-6）。
4.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其特征在于：所述内壳体（3）的上端通过螺栓与外壳体（2）连接固定。
5.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其特征在于：所述质量块（7）的上下两端分别设有弹簧定位结构（7-1）。
6.根据权利要求4所述的基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其特征在于：所述弹簧定位结构（7-1）为凸台或凹腔。
7.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其特征在于：所述底座（1）的上端设置环形的定位凸台（1-1），该定位凸台（1-1）设有外螺纹，所述外壳体（2）的下端设置内螺纹与定位凸台（1-1）螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其特征在于：所述底座（1）上设有固定螺孔（1-2）。
9.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其特征在于：所述磁敏感材料（9）采用磁流变弹性体材料。
10.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电阻式振动传感器，其特征在于：所述环形永磁体（5）为铷铁硼永磁体，充磁方向为指向圆心的径向方向。
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