CN115808647A

CN115808647A - 一种交直流两用磁场传感器

Info

Publication number: CN115808647A
Application number: CN202211591165.1A
Authority: CN
Inventors: 李福超; 刘苏婕; 胡忠强; 郭经红; 严平; 程志炯; 吴金根; 屈禹含; 贺含峰; 周一飞; 黄辉; 史强; 罗睿希
Original assignee: Marketing Service Center Of State Grid Sichuan Electric Power Co; Xian Jiaotong University; State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Current assignee: Marketing Service Center Of State Grid Sichuan Electric Power Co; Xian Jiaotong University; State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2023-03-17

Abstract

本发明涉及磁传感器技术领域，公开了一种交直流两用磁场传感器，包括，磁致伸缩层，所述磁致伸缩层呈长条状，且所述磁致伸缩层的其中一端通过夹具夹持；第一压电片，通过界面连接固定贴合在所述磁致伸缩层的上表面；第二压电片，通过界面连接固定贴合在所述磁致伸缩层的下表面；第一柔性电极分别贴合在所述第一压电片的上、下表面；第二柔性电极，分别贴合在所述第二压电片的上、下表面；第一柔性电极和第二柔性电极用于电压的输入或输出；永磁体，粘接于所述磁致伸缩层远离所述夹具的一端的上表面。本发明通过电压驱动开关可以集成分别针对特定频带交流磁场和准静态磁场传感的无源/有源双模式，制作工艺简单，更易于实现工业化生产。

Description

一种交直流两用磁场传感器

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，具体涉及一种交直流两用磁场传感器。

背景技术

磁传感器的应用十分广泛，已在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用，成为现代传感器产业的一个主要分支。但是现有的磁传感器，如磁阻传感器、光泵磁力仪、磁棒磁力仪、磁通门、超导量子干涉仪(SQUID)等都难以在灵敏度、功耗、体积、成本等方面全部满足需求。而磁电型磁传感器由于其制作工艺简单、成本低、低功耗和高灵敏等优点受到越来越多的关注。

一般的磁电(ME)传感器工作原理为磁致伸缩材料和压电材料之间的层叠复合所产生的磁电效应。磁致伸缩层随外界磁场变化产生沿长度或厚度方向伸缩，并在复合界面处将伸缩产生的机械振动传递给压电材料，通过这种“磁-机-电”耦合机制无源地输出电荷信号。2008年，另一种磁电耦合方式问世。这种耦合机制与上述不同，是通过磁扭矩产生应力，并施加在压电材料上，通过“磁-弹-电”耦合理论实现了磁场作用下电信号的输出。目前，将两种机制混合的机理研究仍然不足，灵敏度受限于单一机制，大多仅用于交流磁场探测。亟需将两种无源驱动机制混合形成协同效应。

同时，对于探测低频或直流磁场的磁电传感器，一般基于磁电耦合原理，使用施加外场激励的有源调制型探测模式。激励磁场通常由电流驱动绕制于复合材料周围的多匝线圈产生，长时间工作将会有大量焦耳热积聚于器件周围，因此存在系统整体功耗大、引入额外磁噪声、增大器件体积等问题。

有鉴于此，有必要设计一种交直流两用磁场传感器，通过新型结构设计，具备无源交流传感和有源直流传感两种模式，以提升准静态磁场探测功耗、灵敏度等性能。

发明内容

本发明提供一种交直流两用磁场传感器，以解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种交直流两用磁场传感器，包括，

磁致伸缩层，所述磁致伸缩层呈长条状，且所述磁致伸缩层的其中一端通过夹具夹持，使得所述磁致伸缩层形成悬臂梁结构；

第一压电片，通过界面连接固定贴合在所述磁致伸缩层的上表面；

第二压电片，通过界面连接固定贴合在所述磁致伸缩层的下表面，且所述第一压电片和第二压电片在竖向方向上对齐设置；

第一柔性电极，设有两片，分别贴合在所述第一压电片的上、下表面；

第二柔性电极，设有两片，分别贴合在所述第二压电片的上、下表面；

第一柔性电极和第二柔性电极用于电压的输入或输出；

永磁体，粘接于所述磁致伸缩层远离所述夹具的一端的上表面。

本技术方案所设计的传感器将交直流磁传感功能集成，利用第一压电片和第二压电片形成的双压电片结构，通过电压驱动开关可以分别实现针对特定频带交流磁场和准静态磁场传感的无源/有源双模式。

作为优化，所述磁致伸缩层采用多层的磁致伸缩材料制成。

作为优化，所述磁致伸缩材料包括铽镝铁合金(Terfenol-D)、铁镓合金(Galfenol)、非晶合金(Metglas)等常见磁致伸缩材料中的一种。

作为优化，所述第一压电片、第二压电片均采用采用压电材料制成。

作为优化，所述压电材料包括压电陶瓷片、压电单晶片、压电聚合物或者压电纤维等常见压电材料中的一种。

作为优化，所述第一压电片、第二压电片可以为相同或不同的压电材料。

作为优化，所述第一柔性电极包括从下至上依次设置的第一下电极面、第一基底层、第一导电层和第一上电极面，所述第二柔性电极包括从下至上依次设置的第二下电极面、第二基底层、第二导电层和第二上电极面。

作为优化，所述第一基底层和第二基底层的材质均为苯二甲酸乙二醇酯PET、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，所述第一导电层和第二导电层均为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种，所述第一上电极面、第二上电极面、第一下电极面和第二下电极面的材料均为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。

作为优化，所述永磁体设有多个，多个所述永磁体依次排列在所述磁致伸缩层远离所述夹具一端的上下表面，永磁体材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料等常见永磁体材料中的一种。

作为优化，所述界面连接包括胶粘、共烧、物理沉积或者化学沉积中的一种。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明在无源交流磁场传感方面，采用磁致伸缩效应与磁扭电效应双重机制原理，取代单一应变诱导机制，进一步实现无源交流磁传感性能的提升。

本发明在有源直流磁场传感方面，采用“电激励，电读出”的低功耗电压驱动式磁电耦合传感技术，取代传统磁激励器件所需的激励线圈，减小系统体积、降低功耗并且避免了线圈所产生的热量问题。

本发明所设计的传感器具备无源交流传感和有源直流传感两种模式，通过电压驱动开关可以集成分别针对特定频带交流磁场和准静态磁场传感的无源/有源双模式，制作工艺简单，更易于实现工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明所述的一种交直流两用磁场传感器的结构示意图；

图2为第一柔性电极的结构示意图；

图3为第二柔性电极的结构示意图；

图4为本发明交直流磁场灵敏度测试结果图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-磁致伸缩层，2-第二压电片，3-第一压电片，4-永磁体，5-夹具，6-第一柔性电极，6a-第一基底层，6b-第一导电层，6c-第一上电极面，6d-第一下电极面，7-第二柔性电极，7a-第二基底层，7b-第二导电层，7c-第二上电极面，7d-第二下电极面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

实施例

如图1所示，一种交直流两用磁场传感器，包括，

磁致伸缩层1，所述磁致伸缩层1呈长条状，且所述磁致伸缩层1的其中一端通过夹具5夹持，用夹具5夹持做梁，磁致伸缩层1做悬臂，使得所述磁致伸缩层1形成悬臂梁结构；

一些具体实施例中，所述磁致伸缩层1形状为矩形，长度为60-100mm，宽度为2.5-5mm，层数为1-10层。

本实施例中，所述磁致伸缩层1采用多层的磁致伸缩材料制成。所述磁致伸缩材料包括铽镝铁合金(Terfenol-D)、铁镓合金(Galfenol)、非晶合金(Metglas)等常见磁致伸缩材料中的一种。且多层的磁致伸缩材料不一定为同一种材料，只要有磁致伸缩效应的材料均可。

第一压电片3，通过界面连接固定贴合在所述磁致伸缩层1的上表面；

第二压电片2，通过界面连接固定贴合在所述磁致伸缩层1的下表面，且所述第一压电片3和第二压电片2在竖向方向上对齐设置；因为悬臂梁结构中，夹持根部的弯曲作用最大，第一压电片和第二压电片对齐放置于磁致伸缩层的根部(靠近夹具的一端)，使得耦合效应更强。

第一压电片3和第二压电片2通过界面连接的方式与磁致伸缩层1的上下表面复合。本实施例中，所述界面连接包括胶粘、共烧、物理沉积或者化学沉积中的一种。

一些具体实施例中，第一压电片3和第二压电片2的宽度与磁致伸缩层11等宽，长度小于磁致伸缩层11长度，厚度小于1mm。

本实施例中，所述第一压电片3、第二压电片2均采用采用压电材料制成，所述压电材料包括压电陶瓷片、压电单晶片、压电聚合物或者压电纤维等常见压电材料中的一种。同时，所述第一压电片3、第二压电片2可以为相同或不同的压电材料。

一些具体实施例中，用环氧树脂系胶结剂将第一压电片3和第二压电片2粘贴于磁致伸缩层1的上下表面，并与磁致伸缩层1的根部(设有夹具5的那一端)距离10mm用于夹持，上下两个第一压电片3和第二压电片2对齐粘贴。

第一柔性电极6，设有两片，分别贴合在所述第一压电片3的上、下表面；

第二柔性电极7，设有两片，分别贴合在所述第二压电片2的上、下表面；

第一柔性电极6和第二柔性电极7分别贴于第一压电片3和第二压电片2的上、下表面，用于电压的输入或输出。

本实施例中，所述第一柔性电极6包括从下至上依次设置的第一下电极面6d、第一基底层6a、第一导电层6b和第一上电极面6c，所述第二柔性电极7包括从下至上依次设置的第二下电极面7d、第二基底层7a、第二导电层7b和第二上电极面7c。

所述第一基底层6a和第二基底层7a的材质均为苯二甲酸乙二醇酯PET、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，所述第一导电层6b和第二导电层7b均为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种，所述第一上电极面6c、第二上电极面7c、第一下电极面6d和第二下电极面7d的材料均为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。

永磁体4，粘接于所述磁致伸缩层1远离所述夹具5的一端的上表面。本实施例中，所述永磁体4设有多个，多个所述永磁体4依次排列在所述磁致伸缩层1远离所述夹具5一端的上下表面，永磁体4材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料等常见永磁体4材料中的一种。这里永磁体设置成多个目的在于器件的可调谐性，因为永磁体质量大小会改变器件谐振频率，质量越大，谐振频率越低，可以通过改变永磁体个数来调谐到特定频率，若确定频率和质量，可以用一个大磁铁代替。

本技术方案所设计的传感器将交直流磁传感功能集成，利用第一压电片3和第二压电片2形成的双压电片结构，通过电压驱动开关可以分别实现针对特定频带交流磁场和准静态磁场传感的无源/有源双模式。

本发明工作原理包括交流磁场探测和直流磁场探测两部分，通过电压驱动开关可以集成分别针对特定频带交流磁场和准静态磁场传感的无源/有源双模式。

1)交流磁场传感：本发明设计的传感器在交流磁场中，一方面，永磁体4对磁致伸缩层1的作用，使磁致伸缩层1处于偏置状态，因此，磁致伸缩层1由于磁致伸缩效应发生形变传递给压电片；另一方面，永磁体4由于磁扭电效应产生应力施加到压电片上。利用磁致伸缩效应与磁扭电效应双重机制混合，产生协同作用，使压电片通过压电效应产生更大的输出电压。

同时，本发明中永磁体4质量大小可以调节该传感器谐振频率，从而实现不同频率下的无源交流磁场传感，以及50Hz/60Hz工频等特定频带交流磁场无源传感。

2)直流磁场传感：本发明设计的传感器中的任意一层压电片作为激励层，另一层作为输出层，当激励层输入交流电压时，输出层输出相应的交流电压。同时，由于磁致伸缩材料的磁弹性内耗受直流磁场的影响会发生变化，而弹性损耗可以引起输出信号幅值发生变化。根据输出电压幅值与静态磁场的变化关系，实现对静态磁场的探测。

本发明一种交直流两用磁场传感器工作时：

将器件放入待检测的交流磁场H_ac当中，交流磁场H_ac与传感器长度方向平行。此时，永磁体4对磁致伸缩层1的作用，使磁致伸缩层1处于偏置状态。磁致伸缩层1在交流磁场H_ac中，由于磁致伸缩效应发生形变并传递给第二压电片2，第二压电片2由于形状变化产生电压输出U₁。此外，永磁体4的磁矩M与交流磁场H_ac方向垂直，产生磁扭矩τ，沿磁致伸缩层1传递到第二压电片2，第二压电片2由于形状变化产生电压输出U₂。因此，在交流磁场H_ac中磁致伸缩效应与磁扭电效应双重机制混合，产生协同作用，使第二压电片2最终产生电压输出U＝U₁+U₂。

将本发明的磁场传感器放入待检测的直流磁场H_dc当中，用交流电压直接激励第一压电片3，由于逆压电效应，第一压电片3产生机械振动，经磁致伸缩层1传递到第二压电片2上，第二压电片2由于正压电效应会产生输出电压，相当于调节传感器的预应力/应变的作用。同时，磁致伸缩层1在直流磁场H_dc中，由于磁致伸缩效应发生形变并传递给第二压电片2，从而引起输出电压幅值的变化。

图2为本发明交流、直流磁场灵敏度测试结果图。图(a)为本发明的交流磁场灵敏度测试结果，交流灵敏度为12.196nT；图(b)为本发明的直流磁场灵敏度测试结果，直流灵敏度为56nT。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，包括，

2.根据权利要求1所述的一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，所述磁致伸缩层采用多层的磁致伸缩材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，所述磁致伸缩材料包括铽镝铁合金、铁镓合金、非晶合金中的其中一种。

4.根据权利要求1所述的一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，所述第一压电片、第二压电片均采用采用压电材料制成。

5.根据权利要求4所述的一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，所述压电材料包括压电陶瓷片、压电单晶片、压电聚合物或者压电纤维中的其中一种。

6.根据权利要求4或5所述的一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，所述第一压电片、第二压电片可以为相同或不同的压电材料。

7.根据权利要求1所述的一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，所述第一柔性电极包括从下至上依次设置的第一下电极面、第一基底层、第一导电层和第一上电极面，所述第二柔性电极包括从下至上依次设置的第二下电极面、第二基底层、第二导电层和第二上电极面。

8.根据权利要求7所述的一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，所述第一基底层和第二基底层的材质均为苯二甲酸乙二醇酯PET、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，所述第一导电层和第二导电层均为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种，所述第一上电极面、第二上电极面、第一下电极面和第二下电极面的材料均为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，所述永磁体设有多个，多个所述永磁体依次排列在所述磁致伸缩层远离所述夹具一端的上下表面。

10.根据权利要求1所述的一种交直流两用磁场传感器，其特征在于，所述界面连接包括胶粘、共烧、物理沉积或者化学沉积中的一种。