CN114034406A - 一种磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，包括磁致伸缩贴片、永磁体贴片、金属线圈、母排金属片、压电薄膜及硅片，所述压电薄膜附着在硅片的一端上，构成用来反射声表面波的反射栅；所述磁致伸缩贴片附着在硅片的另一端上，通过磁致伸缩贴片的磁致伸缩效应产生应变波；所述永磁体贴片附着在磁致伸缩贴片上，所述金属线圈缠绕在磁致伸缩贴片周围。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、易实现、检测精度高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到声学传感器技术领域，特指一种磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器。
背景技术
声表面波传感器SAW具有良好的电声转换性能，可实现测量温度、压力等环境参数变化，在工业领域中有着非常高的使用价值。
传统的声表面波传感器多采用压电薄膜形式，基于压电效应，以插指结构产生应变的输出引起声表面波；再通过压电反射栅，反射声表面波被插指传感器采集，进而实现声波对环境条件的检测。
根据反射栅的类型，又可分为标识传感器与感知传感器。当传感器上面的反射栅较多时，反射栅可作为识别码，根据多个反射栅引起表面波的反射状态作为识别参数，用来识别验证身份信息，这类器件即为标识传感器。若反射栅少数量时，反射栅仅提供给传感器元件反射波，通过观察环境对声波的影响来判断环境条件变化，这类器件即为感知传感器。
上述传统压电声表面波传感器存在一些技术问题：
1、由于功率低，产生的信号微弱，对环境条件检测精度不高。
2、传统的压电声表面波传感器在使用中需要极高的封装条件，需保证封装后传感器内部不存在空气以及颗粒物。
3、压电传感器疲劳强度低，且在长期使用中存在老化，电极失及化等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、易实现、检测精度高的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，包括磁致伸缩贴片、永磁体贴片、金属线圈、母排金属片、压电薄膜及硅片，所述压电薄膜附着在硅片的一端上，构成用来反射声表面波的反射栅；所述磁致伸缩贴片附着在硅片的另一端上，通过磁致伸缩贴片的磁致伸缩效应产生应变波；所述永磁体贴片附着在磁致伸缩贴片上，所述金属线圈缠绕在磁致伸缩贴片周围。
作为上述技术方案的进一步改进：附着在所述硅片表面的磁致伸缩声贴片以栅结构等距排列，构成阵列。
作为上述技术方案的进一步改进：所述压电薄膜为多栅结构，所述压电薄膜的排列与所述磁致伸缩贴片方式相同、与所述磁致伸缩贴片的栅宽相同，构成反射声表面波的反射栅。
作为上述技术方案的进一步改进：所述金属线圈由金属导线紧贴于磁致伸缩贴片缠绕形成，在通交流电的条件下，为所述磁致伸缩贴片提供驱动磁场。
作为上述技术方案的进一步改进：相邻两个金属线圈的缠绕方向不同，按照正旋反旋交替缠绕，用来制造同时刻下产生不同磁场方向的效果。
作为上述技术方案的进一步改进：所述母排金属片与金属线圈的导线末端连接，用来为所述金属线圈提供交变电压。
作为上述技术方案的进一步改进：所述母排金属片为两条，分别为电压输入正负极，对金属线圈提供交变电压；输入交变电压后，使所述金属线圈获得电流，进而产生驱动磁场，作用于磁致伸缩贴片。
作为上述技术方案的进一步改进：所述磁致伸缩贴片的厚度为0.1-0.5mm，宽度为0.5-0.9mm，长度为8-12mm。
作为上述技术方案的进一步改进：所述磁致伸缩贴片的材料为铁镓合金。
作为上述技术方案的进一步改进：所述磁致伸缩贴片的磁致伸缩极化方向垂直于硅片平面。
作为上述技术方案的进一步改进：所述永磁体贴片选用钕铁硼磁体，与磁致伸缩贴片环氧胶耦合，用来为磁致伸缩贴片提供预磁场。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，结构简单紧凑、成本低廉、易实现、检测精度高，其使用磁致伸缩贴片构成的栅结构代替了传统的压电薄膜插指结构，从而增强了传感器激励声波的能量，提高了信号幅值以增加信躁比。在传感器检测温度与外部振动等外部条件时，高幅值信号放大了外部条件影响度，使换能器检测外部条件的精度大大提高。并且，本发明的磁致伸缩材料不易受油、溶液、灰尘等其他污染的影响，因此可抵抗恶劣的工作条件。在长期工作下不会出现压电电极失效情况，相比压电声表面波传感器具有更高的使用寿命。
附图说明
图1是本发明低频声表面波传感器的立体结构原理示意图。
图2是本发明低频声表面波传感器的俯视结构原理示意图。
图3是本发明低频声表面波传感器的正视截面示意图。
图例说明：
1、磁致伸缩贴片；2、永磁体贴片；3、金属线圈；4、母排金属片；5、压电薄膜；6、硅片。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，包括磁致伸缩贴片1、永磁体贴片2(永磁体贴片)、金属线圈3、母排金属片4(母排铜片)、压电薄膜5及硅片6，所述压电薄膜5附着在硅片6的一端上，构成用来反射声表面波的反射栅；所述磁致伸缩贴片1附着在硅片6的另一端上，通过磁致伸缩贴片1的磁致伸缩效应产生应变波；所述永磁体贴片2附着在磁致伸缩贴片1上，所述金属线圈3缠绕在磁致伸缩贴片1周围，构成了具有激励与接收声表面波功能的传感器。在检测过程中，声波改变磁致伸缩贴片1的外观尺寸，引起周围磁场变化，进而被缠绕在磁致伸缩贴片1的金属线圈3感知，产生交变电流。电流通过母排金属片4导出，被集成系统采集为电信号。
采用本发明的上述结构，通过驱动磁致伸缩材料的感应线圈与磁致伸缩贴片1的阵列，可大功率的产生声表面波，提高了检测精度。反射栅以硅片6为基础，反射声表面波由逆磁致伸缩效应再传输给电极。由于基片材料弹性结构受到温度影响，使杨氏模量变化进而改变声波谐振频率，通过测量谐振频率的偏移实现温度的测量。本发明也可以在传感器上增加负载，当受到加速影响时，负载的作用力使弹性结构变形，进而改变谐振频率实现对加速度的监控。
在具体应用实例中，硅片6的厚度为1mm，宽度为15mm，长度为30mm，材质为LiNbO3。
在具体应用实例中，附着在硅片6表面的磁致伸缩声贴片1以栅结构等距排列，构成阵列，进而形成了声波产生的核心器件。
相邻的磁致伸缩贴片1的间距根据实际需要来选择。作为较佳实施例，相邻的磁致伸缩贴片1的间距优选为0.25mm-0.75mm，例如为0.5mm。
在具体应用实例中，每片磁致伸缩贴片1的尺寸可以根据实际需要来选择。作为优选实例，磁致伸缩贴片1可选的厚度为0.1-0.5mm，宽度为0.5-0.9mm，长度为8-12mm。例如，厚度为0.3mm，宽度为0.7mm，长度为10mm。
在具体应用实例中，磁致伸缩贴片1的材料选用铁镓合金，又称Galfenol合金，磁致伸缩极化方向垂直于硅片6平面。
在具体应用实例中，附着在磁致伸缩贴片1上的永磁体贴片2的厚度为0.1mm，宽度为0.7mm，长度为10mm。永磁体贴片2选用钕铁硼磁体，与磁致伸缩贴片1环氧胶耦合，为磁致伸缩贴片1提供预磁场，增加磁致伸缩应变性能，提高应变输出。
在具体应用实例中，围绕在贴片周围的金属线圈3选用铜材料的导线，其线径为0.2mm。作为较佳的实施例，导线紧贴于磁致伸缩贴片1缠绕形成金属线圈3，在通交流电的条件下，为磁致伸缩材料提供驱动磁场。
作为优选实例，相邻的两个线圈缠绕方向不同，按照正旋反旋交替缠绕，为制造同时刻下产生不同磁场方向的效果。缠绕层数为单层，匝数为2匝。
在具体应用实例中，母排金属片4为方形型条(如长方条铜片)，宽度为0.2mm，与金属线圈3的导线末端焊接，为金属线圈3提供交变电压。
作为优选实例，铜片为两条，分别为电压输入正负极，对贴片周围的金属线圈3提供交变电压。输入交变电压后，使缠绕贴片的金属线圈3获得电流，进而产生驱动磁场，作用于磁致伸缩贴片1。磁致伸缩贴片1受到交变的驱动磁场后发生应变，形成声表面波。
在具体应用实例中，硅片6的另一端镀上与磁致伸缩贴片1长宽相同的压电薄膜5，压电薄膜5的排列与磁致伸缩贴片1方式相同，构成可以反射声表面波的反射栅。压电薄膜5为多栅结构，与磁致伸缩贴片1的栅宽相同，可反射声表面波，进而传输返回到磁致伸缩声表面波传感器。
作为优选实例，相邻指条间距为0.3-0.7mm。如0.5mm。
本发明的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器的工作过程如下：
母排金属片4输入以谐振频率f为中心频率的调制电压信号，使金属线圈3产生交变电流。由电流的磁效应可知，所述金属线圈3产生交变磁场。
如图2所示，由于金属线圈3中相邻的两个线圈缠绕方向相反，为正旋反旋交替缠绕，即产生相反方向的交变磁场，作用于磁致伸缩贴片阵列。进而磁致伸缩贴片阵列中相邻的磁致伸缩贴片1将产生方向相反的微小形变，作用于硅片6形成声表面波，向压电薄膜5传递。
压电薄膜5与磁致伸缩贴片1具有相同的指条宽度以及指条间距，进而反射谐振频率下的声表面波，通过硅片6表面传递到磁致伸缩贴片1。由磁致伸缩逆效应可知，形变使磁致伸缩贴片1的磁导率发生变化，由电磁感应使金属线圈3感受磁变化产生感应电流。再由金属线圈3将电流传递给母排金属片4，进而到达信号采集端，完成利用声表面波对外界环境的检测。
在上述检测过程中，输入电流的谐振频率f，由f＝v/l计算获得。l为磁致伸缩贴片宽度与两贴片间距之和，v为声波在硅片6的传播速度，其速度大小与材料型号有关。
其中，压电薄膜5的栅列的薄膜宽以及相邻两压电薄膜5的间距与磁致伸缩贴片1阵列必须相同，以确保反射栅可反射声表面波。
需要进一步强调的是，本发明与传统磁致伸缩声表面波传感器最大不同就在于：
1、激励声波的机理不同：传统技术为压电效应，以压电效应产生的应变波，本发明为磁致伸缩效应。
2、目的不同：传统技术为检测电流，本发明为检测恶劣环境下的温度，加速度等条件。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，包括磁致伸缩贴片(1)、永磁体贴片(2)、金属线圈(3)、母排金属片(4)、压电薄膜(5)及硅片(6)，所述压电薄膜(5)附着在硅片(6)的一端上，构成用来反射声表面波的反射栅；所述磁致伸缩贴片(1)附着在硅片(6)的另一端上，通过磁致伸缩贴片(1)的磁致伸缩效应产生应变波；所述永磁体贴片(2)附着在磁致伸缩贴片(1)上，所述金属线圈(3)缠绕在磁致伸缩贴片(1)周围。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，附着在所述硅片(6)表面的磁致伸缩声贴片(1)以栅结构等距排列，构成阵列。
3.根据权利要求2所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，所述压电薄膜(5)为多栅结构，所述压电薄膜(5)的排列与所述磁致伸缩贴片(1)方式相同、与所述磁致伸缩贴片(1)的栅宽相同，构成反射声表面波的反射栅。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，所述金属线圈(3)由金属导线紧贴于磁致伸缩贴片(1)缠绕形成，在通交流电的条件下，为所述磁致伸缩贴片(1)提供驱动磁场。
5.根据权利要求4所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，相邻两个金属线圈(3)的缠绕方向不同，按照正旋反旋交替缠绕，用来制造同时刻下产生不同磁场方向的效果。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，所述母排金属片(4)与金属线圈(3)的导线末端连接，用来为所述金属线圈(3)提供交变电压。
7.根据权利要求6所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，所述母排金属片(4)为两条，分别为电压输入正负极，对金属线圈(3)提供交变电压；输入交变电压后，使所述金属线圈(3)获得电流，进而产生驱动磁场，作用于磁致伸缩贴片(1)。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，所述磁致伸缩贴片(1)的厚度为0.1-0.5mm，宽度为0.5-0.9mm，长度为8-12mm。
9.根据权利要求1-3中任意一项所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，所述磁致伸缩贴片(1)的材料为铁镓合金。
10.根据权利要求1-3中任意一项所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，所述磁致伸缩贴片(1)的磁致伸缩极化方向垂直于硅片(6)平面。
11.根据权利要求1-3中任意一项所述的磁致伸缩高能激励的低频声表面波传感器，其特征在于，所述永磁体贴片(2)选用钕铁硼磁体，与磁致伸缩贴片(1)环氧胶耦合，用来为磁致伸缩贴片(1)提供预磁场。
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2021
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