CN116056548A - 一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器，该传感器包括：悬臂梁，所述悬臂梁的材质为磁致伸缩材料；支撑结构，包括底座和底座外壳，所述底座外壳套设于所述底座上，所述底座和所述底座外壳围合形成容纳腔；传感结构，所述传感结构设于所述容纳腔内，所述悬臂梁的一端插入所述容纳腔内与所述传感结构连接，所述悬臂梁的另一端伸出于所述底座外壳的外侧；其中，所述悬臂梁与所述传感结构相连形成闭合磁回路，所述悬臂梁用于将所受的外力转化为磁偏转，所述磁回路用于将所述磁偏转转化为电压信号输出。

Description

一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器。

背景技术

磁致伸缩材料(Galfenol)具有着拉伸强度大和磁机转化效率高等特点，在较低的偏置磁场下即可表现出优良的磁致伸缩特性，可作为智能传感器的敏感材料应用。同时，悬臂梁式的传感器因其具有高灵敏度、高特异性、实时响应和易于集成等特点，被传感检测领域广泛应用。因此，在现有技术中，通过采用基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器可以有效提升测量精度和响应速度。但由于受磁敏材料体积以及悬臂梁式的传感器结构中提供偏置磁场的线圈或者永磁体位置的限制，仍存在固有频率低、受材料、体积限制较大的问题。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器，解决现有相关传感器的固有频率低、受材料、体积限制较大的问题。

为了解决上述技术问题，本申请提供一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器，该传感器包括：

悬臂梁，所述悬臂梁的材质为磁致伸缩材料；

支撑结构，包括底座和底座外壳，所述底座外壳套设于所述底座上，所述底座和所述底座外壳围合形成容纳腔；

传感结构，所述传感结构设于所述容纳腔内，所述悬臂梁的一端插入所述容纳腔内与所述传感结构连接，所述悬臂梁的另一端伸出于所述底座外壳的外侧；

其中，所述悬臂梁与所述传感结构相连形成闭合磁回路，所述悬臂梁用于将所受的外力转化为磁偏转，所述磁回路用于将所述磁偏转转化为电压信号输出。

可选地，所述底座包括基座和设于所述基座上的第一固定座，所述底座外壳固定在所述基座上以与所述基座围合形成所述容纳腔，所述第一固定座位于所述容纳腔内，所述第一固定座的朝向所述容纳腔的一侧设有第一凹槽，所述第一凹槽的延伸方向与所述悬臂梁的延伸方向一致，所述悬臂梁的一端收容于所述第一凹槽中。

可选地，所述第一固定座包括第一侧面和与所述第一侧面连接的第二侧面，所述第一侧面为弧面，且与所述底座外壳贴合，所述第二侧面上设有所述第一凹槽。

可选地，所述底座外壳上设有固定孔，所述固定孔与所述第一凹槽连通，所述悬臂梁的包括相连接的第一段体和第二段体，所述第一段体收容于所述第一凹槽中，所述第二段体自所述固定孔伸出于所述底座外壳的外侧。

可选地，所述基座包括朝向所述容纳腔的第一平面和设于所述第一平面上的第二固定座，所述第一平面和所述第二固定座的周沿形成台阶部，所述台阶部用于承载所述底座外壳，所述第二固定座的周沿设有向所述基座周沿延伸的限位件，所述限位件位于所述台阶部上，所述底座外壳设有第一安装孔，在所述台阶部承载有所述底座外壳的情况下，所述限位件容置于所述第一安装孔中。

可选地，所述传感结构包括磁轭、永磁体和信号处理模块，所述永磁体设于所述基座，所述磁轭设置于所述基座上，所述磁轭的第一端的端面与所述永磁体的第一侧面相连，所述磁轭的第二端的端面与所述信号处理模块的第一侧面相连，所述第一段体中远离所述第二段体的一端与所述永磁体的第二侧面相连，所述第一段体中靠近所述第二段体的一端与所述信号处理模块的第二侧面相连，其中，所述永磁体的第一侧面背离所述永磁体的第二侧面设置，所述信号处理模块的第一侧面背离所述信号处理模块的第二侧面设置；

其中，所述磁轭、所述永磁体、所述第一段体和所述信号处理模块连接形成所述闭合磁回路，所述磁回路用于将磁偏转转化为偏置磁场，所述信号处理模块用于将偏置磁场转化为电压信号输出。

可选地，所述信号处理模块包括霍尔传感器和信号输出电路板，所述霍尔传感器的第一侧面与所述第一段体中靠近所述第二段体的一端相连，所述霍尔传感器的第二侧面与所述磁轭第二端相连，所述霍尔传感器的输出端与所述信号输出电路板的输入端相连，其中，所述第一侧面背离所述第二侧面设置。

可选地，所述信号输出电路板包括第一电路板和第二电路板，所述霍尔传感器的输出端与所述第一电路板的输入端相连，所述第一电路板的输出端与所述第二电路板的输入端相连，所述第二电路板的输出端用于输出电压信号；

其中，所述第一电路板固定于所述第一固定座的外壁，所述第二电路板设置于所述基座上。

可选地，所述基座上设有向远离所述第一固定座方向凹陷的第二凹槽，所述第二凹槽用于收容所述第二电路板。

可选地，所述底座外壳设有第二安装孔，在所述台阶部承载有所述底座外壳的情况下，所述第二安装孔用于输出与所述第二电路板的输出端相连的导线。

在本申请实施例中，通过采用基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器可以将外力变化转变为悬臂梁中的磁偏转，再通过传感结构将磁偏转转化闭合磁回路，最后将闭合磁回路中的磁通密度的变化转变为电压信号输出。这样，本申请中的传感器能够将外力变化准确地转变为电压信号输出，且具有较高的的灵敏度和准确度，能够克服目前相关传感器对应固有频率低、受材料限制较大的问题，可以不受体积限制广泛应用于各个领域。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器的结构示意图之二；

图3为图2中底座外壳的结构示意图；

图4为图2中底座的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器的结构示意图之三；

图6为图5中信号处理模块的结构示意图；

附图标记如下：

10：悬臂梁；11：第一段体；12：第二段体；20：支撑结构；21：底座；211：基座；2111：第二固定座；2112：台阶部；2113：限位件；2114：第二凹槽；212：第一固定座；2121：第一凹槽；22：底座外壳；221：固定孔：222：第一安装孔；30：传感结构；31：磁轭；32：永磁体；33：信号处理模块；331：霍尔传感器；332：信号输出电路板；3321：第一电路板；3322：第二电路板。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

除非另作定义，本申请中使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

本申请实施例提供了一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器，请参考图1和图2，如图1和图2所示，该传感器具体包括：

悬臂梁10，悬臂梁10的材质为磁致伸缩材料；

支撑结构20，包括底座21和底座外壳22，底座外壳22套设于底座21上，底座21和底座外壳22围合形成容纳腔；

传感结构30，传感结构30设于所述容纳腔内，悬臂梁10的一端插入所述容纳腔内与传感结构30连接，悬臂梁10的另一端伸出于底座外壳22的外侧；

其中，悬臂梁10与传感结构30相连形成闭合磁回路，悬臂梁10用于将所受的外力转化为磁偏转，所述磁回路用于将所述磁偏转转化为电压信号输出。

在本申请的具体实施例中，通过悬臂梁10、支撑结构20和传感结构30三部分可以组合成一个完成的传感器。悬臂梁10可以通过支撑结构20固定，支撑结构20具体包括底座21和底座外壳22两部分，传感结构30设置于底座21和底座外壳22围合形成的容纳腔内，且设置于底座21上，悬臂梁10的一端通过插入底座外壳22伸入容纳腔内与传感结构30相连，另一端位于底座外壳22外侧，可以作为自由端从而感知周围环境中的外力变化。通过以材质为磁致伸缩材料的悬臂梁结构为基础，悬臂梁10的一端伸入支撑结构20中与传感结构30连接，另一端作为自由端可以感受外力变化。首先，悬臂梁10基于磁致伸缩材料的维拉里效应具备了感知周围环境中外力变化的功能。其次，悬臂梁10与传感结构30相连形成了闭合磁回路，通过利用传感结构30感受磁回路的变化，可以将外力转变为电信号输出。能够将悬臂梁10固定在支撑结构20中并于传感结构30连接，上述结构紧凑，安装方便，可靠稳定。

还需要注意的是，上述悬臂梁10、支撑结构20和传感结构30的具体体积大小可以根据实际应用场景的需求进行设计。例如，可以在铁塔顶端插入一个集成了本申请实施例的载体，通过该载体可以实时监测铁塔的倾斜度的状况，不仅可以及时掌握上铁塔安全运营数据，还可以为自然灾难产生预警的作用。因此，本申请实施例中的一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器可以不受材料、结构等的限制，广泛应用于各种需要进行外力变化检测的领域。

这样，本申请中的传感器可以应用于检测外力变化，将外力变化转化为悬臂梁10内部磁畴的偏转，该磁偏转在传感结构的闭合磁回路内形成磁通密度变化，使得传感结构30能够将磁通密度变化转化为电压输出。将外力转化为磁偏转再转化为电压输出，能够适应各种应用环境，也可以在磁性环境下工作不受应用，可靠性和检测的准确度较高。

值得一提的是，本申请实施例中悬臂梁10采用的磁致伸缩材料具体可以是铁镓磁致伸缩材料(Galfenol)。铁镓磁致伸缩材料细丝与毛发具有一定的相似性，毛发通常与动物表皮成一定倾斜角度，裸露在外的毛发探测到细微刺激时将产生偏转位移，深入表皮中的毛根附近分布着机械感受器，通过复杂的神经活动传递并处理触觉信息，具有极高的灵敏度。铁镓磁致伸缩材料拉伸强度和磁机转化效率高，在较低的偏置磁场下即可表现出优良的磁致伸缩特性，可用作触觉传感器的敏感材料。

可选地，底座21包括基座211和设于基座211上的第一固定座212，底座外壳22固定在基座211上以与基座211围合形成所述容纳腔，第一固定座212位于所述容纳腔内，第一固定座212的朝向所述容纳腔的一侧设有第一凹槽2121，第一凹槽2121的延伸方向与悬臂梁10的延伸方向一致，悬臂梁10的一端收容于第一凹槽2121中。

请参考图3，图3为图2中底座外壳22的结构示意图，应理解地：底座外壳22套设在底座21上，底座外壳22与底座21围合形成一个容纳腔。同时，底座21包括一个基座211和设置在基座211之上的第一固定座212，该第一固定座212在容纳腔内凸起，可以支撑底座21与底座外壳22以形成容纳腔。第一固定座212上可以设置第一凹槽2121，第一凹槽2121设置于第一固定座212的侧面，第一凹槽2121的延伸方向可以与悬臂梁10的伸展延伸方向一致，第一凹槽2121可以自第一固定座212与基座211相接部分为始，延伸至第一固定座212侧面与上底面相接的部分，将悬臂梁10的一端固定于第一凹槽2121中，该第一凹槽2121作为悬臂梁10一端的释放阻挡结构提高了该结构的稳固性和可靠性。

在本申请的一个实施例中，可以通过设计以双面抛光的半导体基座211为衬底，结合套设在基座211一面的底座外壳22，底座外壳22与基座211围合形成空腔。空腔内用于容纳传感结构30，传感结构30与悬臂梁10连接，避免传感结构30暴露在外，降低传感器对于工作条件和检修状况的要求，同时有效提高了传感器的灵敏度。

可选地，第一固定座212包括第一侧面和与所述第一侧面连接的第二侧面，所述第一侧面为弧面，且与底座外壳22贴合，所述第二侧面上设有所述第一凹槽2121。

如图4所示，图4为图2中底座外壳的结构示意图，具体而言：第一固定座212包括两个侧面，可以是为弧面的第一侧面和为矩形面的第二侧面。第一侧面与第二侧面相连接，第一侧面与可以与底座外壳22的内壁贴合。由此，第一固定座212在容纳腔内既能够支撑底座外壳22，又能够在第二侧面上设置第一凹槽2121，第一凹槽2121内设置悬臂梁10，便于悬臂梁10与传感结构30连接，对悬臂梁10起到定位、夹紧的作用，方便容纳腔内的结构连接与设置，提高传感器结构的稳定率和可靠度。

可选地，底座外壳22上设有固定孔221，固定孔221与第一凹槽2121连通，悬臂梁10包括相连接的第一段体11和第二段体12，第一段体11收容于第一凹槽2121中，第二段体12自固定孔221伸出于底座外壳22的外侧。

请继续参考图3，具体而言，底座外壳22作为该传感器的支撑结构可以用于支撑悬臂梁10，可以在底座外壳22的顶面上设置一个固定孔221，该固定孔221与第一凹槽2121连通，悬臂梁10插入该固定孔221中，悬臂梁10的第一段体11收容于第一凹槽2121，另一端作为第二段体12伸出底座外壳22的外侧部分。此外，还可以设置第二段体12为双层压电薄膜悬臂梁结构，可以通过增大变形幅度增强了压电效应的灵敏度，提高了悬臂梁10对外部激励的响应和信号输出。双层悬臂梁传感器结构的制造可以采用表面牺牲层工艺，从半导体衬底正面释放压电悬臂梁结构,与标准硅集成电路工艺充分兼容、工艺简单受控，解决了体硅工艺用湿法腐蚀从衬底背面释放悬臂梁存在的污染问题，提高了成品率。

值得一提的是，本申请实施例通过采用第一固定座212中的第一凹槽2121来固定悬臂梁10的第一段体11。传感结构30可以将感受到的磁通密度的变化转变为电压信号输出。因为磁致伸缩材料具有较大的磁致伸缩系数、机械性能良好、磁导率较大、价格适宜等优点，可以有效提高应用了磁致伸缩材料的传感器的灵敏度和精确度。但本申请并不局限于采用磁致伸缩材料的上述悬臂梁式传感器结构设计,采用如压电材料、记忆金属材料等制成的本申请中悬臂梁式的传感器结构的均属于本申请的保护范围。这样，本申请实施例中的传感器能够具有较高的灵敏度和准确度，能够克服目前相关传感器对应固有频率低、受材料限制较大的问题，可以普及应用本申请实施例中的传感器。

可选地，所述基座211包括朝向所述容纳腔的第一平面和设于所述第一平面上的第二固定座2111，所述第一平面和第二固定座2111的周沿形成台阶部2112，台阶部2112用于承载底座外壳22，第二固定座2111的周沿设有向基座211周沿延伸的限位件2113，限位件2113位于台阶部2112上，底座外壳22设有第一安装孔222，在所述台阶部承载有所述底座外壳的情况下，所述限位件容置于所述第一安装孔中。

在本申请的一个实施例中，基座211包括朝向容纳腔的第一平面，第一平面上设置有第二固定座2111，第二固定座2111向容纳腔内凸起。底座21的周沿设置有与底座外壳22周沿接触的台阶部2112，台阶部2112用于与底座外壳22的周沿部分对接，底座21与底座外壳22围合形成一个完整的结构。此外，在台阶部2112上设置有限位件2113，如图3所示，可以与设置在底座外壳22边缘部分的第一安装孔222对接，限位件2113容置于第一安装孔222中，可以防止底座外壳22发生旋转以固定其位置，增强结构的稳定性。

可选地，所述传感结构30包括磁轭31、永磁体32和信号处理模块33，永磁体32设于基座211，磁轭31设置于基座211上，磁轭31的第一端的端面与永磁体32的第一侧面相连，磁轭31的第二端的端面与信号处理模块33的第一侧面相连，第一段体11中远离第二段体12的一端与永磁体32的第二侧面相连，第一段体11中靠近第二段体12的一端与信号处理模块33的第二侧面相连，其中，永磁体32的第一侧面背离永磁体32的第二侧面设置，信号处理模块33的第一侧面背离信号处理模块33的第二侧面设置；

其中，磁轭31、永磁体32、第一段体11和信号处理模块33连接形成所述闭合磁回路，所述磁回路用于将磁偏转转化为偏置磁场，信号处理模块33用于将偏置磁场转化为电压信号输出。

请参考图5，图5为本申请实施例提供的一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器的结构示意图之三，本申请实施例中传感结构30可以包括磁轭31、永磁体32和信号处理模块33三部分，磁轭31的两端分别连接有永磁体32和信号处理模块33。这样，通过磁轭31可以将永磁体32和信号处理模块33三部分连接，而永磁体32和信号处理模块33又与悬臂梁10的第一段体11相连以形成一个闭合回路，将悬臂梁10内部磁畴的磁偏转导入至磁回路中，磁回路中的磁通量发生变化，信号处理模块33通过磁通量的变化将悬臂梁10感受到的外力变化转变为电压信号输出。此外，传感结构30不需要采用特定材料，组成部件、装配设计较为简单，造假较低，具有较高的结构稳定性，能够广泛普及应用。上述闭合磁回路结构能够不受环境影响，例如在现有技术中通常采用压阻材料，由此传感器会受限于工作环境，以致无法在磁性环境下工作，可靠性相对较低，且精确度得到有效保证。

可选地，信号处理模块33包括霍尔传感器331和信号输出电路板332，霍尔传感器331的第一侧面与第一段体11中靠近第二段体12的一端相连，霍尔传感器331的第二侧面与磁轭31第二端相连，霍尔传感器331的输出端与信号输出电路板332的输入端相连，其中，所述第一侧面背离所述第二侧面设置。

请参考图6，图6为图5中信号处理模块的结构示意图，具体包括：信号处理模块33包括霍尔传感器331和信号输出电路板332，霍尔传感器331的输出端可以与信号输出电路板332的输入端相连，霍尔传感器331可以嵌设于信号输出电路板332的一端，霍尔传感器331相背离的两侧面分别可以与悬臂梁10的第一段体11和信号输出电路板332相连，形成闭合的连通结构以便于形成完整的磁回路。

具体而言，上述信号处理模块33还可以是以霍尔传感器331为基础的磁通密度检测电路，其中的霍尔传感器331可以将悬臂梁10受到的变化转变为电压信号输出，霍尔传感器331可以检测输出的电压随磁场强度的变化而变化。此外，上述信号处理模块33的结构紧凑、组装简易便捷、可靠度高。上述永磁体32的一侧面连接磁轭31的一端、永磁体32的另一个背离的侧面与第一段体的一端连接，磁轭31另一端连接霍尔传感器331的第一侧面，霍尔传感器331的另一背离的侧面与第一段体11的另一端连接，霍尔传感器331还与信号输出电路板332的输入端连接，这样，上述结构组合形成闭合完整的回路结构，在悬臂梁10受到外力影响产生磁偏转时，回路中形成磁回路，通过检测磁回路中的磁通密度可以获取相应的电压值，根据此电压值的变化获得相关环境中外力的变化情况。

可选地，信号输出电路板332包括第一电路板3321和第二电路板3322，霍尔传感器331的输出端与第一电路板3321的输入端相连，第一电路板3321的输出端与第二电路板3322的输入端相连，第二电路板3322的输出端用于输出电压信号；

其中，第一电路板3321固定于第一固定座212的外壁，第二电路板3322设置于基座211上。

应理解地，信号输出电路板332可以设置为第一电路板3321和与第一电路板3321相连的第二电路板3322，如图6所示，第一电路板3321固定于第一固定座212的外壁，可以与第一凹槽2121相邻设置，便于与磁轭31和第一段体11连接。第二电路板3322设置于基座211上，第二电路板3322上连接有输出电缆线，用于输出悬臂梁10应力变化对应得电压值信号。上述结构设计适应了支撑结构20和传感结构30的相关结构设置。由此，使得悬臂梁10、底座21、永磁体32、磁轭31、霍尔传感器331和信号输出电路板332在容纳腔内共同发挥作用，达到良好结合，能够有效提高检测效果，并提升传感器的稳定性能。

可选地，基座211上设有向远离第一固定座212方向凹陷的第二凹槽2114，第二凹槽2114用于收容第二电路板3322。

请继续参考图4，在基座211上设置有背离容纳腔内凹陷的第二凹槽2114，第二凹槽2114用于放置容纳第二电路板3322。相对于将第二电路板3322设置在基座211上，将第二电路板3322收容于基座211上的第二凹槽2114内可以固定第二电路板3322，便于设计连接有输出电压信号的输出线缆的第二电路板3322中的走线，将第二电路板3322牢固固定于第二凹槽2114中。

可选地，底座外壳22设有第二安装孔，在台阶部2112承载有底座外壳22的情况下，第二安装孔用于输出与第二电路板3322的输出端相连的导线。

具体地，底座外壳22上还可以设置有第二安装孔，第二安装孔设于底座外壳22的边缘部分，在底座外壳22套设在底座21上，也即底座21上的台阶部2112上承载有底座外壳22时，第二安装孔可以输出第二电路板3322的输出端，第二电路板3322的输出导线可以通过第二安装孔输出相关电压信号。在本申请实施例中，第二安装孔可以具有相对于第一安装孔222更大的孔宽，可以设计为3mm宽的安装孔用于通过第二电路板3322输出端的电路出线，可以及时将监测的数据输出应用。

在本申请的一个具体的实施例中，底座21可以采用镂空的圆柱形，底座21直径可以设计为17mm，基座211直径可以设计为14mm。同时，可以在底座外壳22上底面预留一个长为1.45cm、宽为4mm、高为0.65mm的通孔作为固定孔221。设计在第一固定座212上的长4mm、宽1mm、高2mm的第一凹槽2121对悬臂梁10的第一段体11具有定位、夹紧的作用，有效限制其活动。在底座外壳22底部边缘部分可以设计预留两个不等大小的安装孔，首先可以设计第一安装孔222于基座211上的限位件2113对接以限制底座外壳22的位置，其次第二安装孔可以设计为3mm宽，用于通过第二电路板3322输出端的电路出线。悬臂梁10的第二段体12可以通过固定孔221延伸出去，磁轭31两端分别连接永磁体32和霍尔传感器331。具体地，永磁体32可以设计长3mm、宽3mm、高2.5mm，上述结构组合连接形成了一个小闭合回路，霍尔传感器331可以测量出外力变化相应的电压，从而建立起力与磁场强度的关系。

在本申请的实施例中，外力对悬臂梁10产生作用力，然后悬臂梁10产生一个弯曲的位移，由于之前未收到外力作用下的悬臂梁10内部的磁畴是相对无磁性的，而经过外力作用以后，其内部的磁畴发生偏转，发生了偏转的磁畴此时会让悬臂梁10内部磁场发生变化进而产生变化的电压。被霍尔传感器331检测为电压进行输出。该电压可以随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。因此，可以通过磁轭31更好的测量电压的变化，建立起了力、磁与电压三者之间的关系。

举例而言，可以通过一个第一凹槽和固定孔来限制悬臂梁的起始位置，在悬臂梁的起始位置发生改变后，根据欧拉﹒伯努利梁理论，悬臂梁在任意处的等效拉应力可表示为如下式子：

其中，l为悬臂梁的总长度；

h为厚度；

l₀为悬臂梁中第二段体的长度；

F为应力；

w为偏移量；

σ_x为沿梁x方向的拉应力；

ε_x为悬臂梁在拉应力作用下的应变；

z为悬臂梁起始点到复合梁自然中心线沿z方向的距离；

x是x轴上的位置；

E_s为悬臂梁的杨氏模量；

I为梁截面面积的二阶弯矩。

因此，应力与偏移量的关系表示为：

从起始点到某一点，悬臂梁的有效杨氏模量由如下表示：

悬臂梁的弹性关系可以用胡克定律表示，因此有：

可以通过利用压磁方程，推导出磁回路中磁通量的表达式，即:

其中，d₃₃为压磁系数；

为压磁逆系数；

H₀是偏置磁场；

μ₀是真空的磁导率；

μ_r是悬臂梁的相对磁导率。

结合上式，可以得到：

其中，s_H为霍尔传感器的灵敏度。

综上所述，通过结合上述算式可以推导出不同负载条件下的输出电压表达式为:

在本申请实施例中，可以通过上述公式的推算过程得到悬臂梁在应力变化下产生内部磁偏转，再由磁偏转在磁回路中发生磁通密度，通过测量磁通密度得到对应的电压值。由此，本申请中的传感器具有较好的检测灵敏度和较高的监测精度，克服了目前同类用途传感器的在固有频率低或受限于单一的压电或压磁材料的问题，可以实时监测环境中的外力变化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于磁致伸缩材料的悬臂梁式传感器，其特征在于，包括：

悬臂梁，所述悬臂梁的材质为磁致伸缩材料；

支撑结构，包括底座和底座外壳，所述底座外壳套设于所述底座上，所述底座和所述底座外壳围合形成容纳腔；

传感结构，所述传感结构设于所述容纳腔内，所述悬臂梁的一端插入所述容纳腔内与所述传感结构连接，所述悬臂梁的另一端伸出于所述底座外壳的外侧；

其中，所述悬臂梁与所述传感结构相连形成闭合磁回路，所述悬臂梁用于将所受的外力转化为磁偏转，所述磁回路用于将所述磁偏转转化为电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述底座包括基座和设于所述基座上的第一固定座，所述底座外壳固定在所述基座上以与所述基座围合形成所述容纳腔，所述第一固定座位于所述容纳腔内，所述第一固定座的朝向所述容纳腔的一侧设有第一凹槽，所述第一凹槽的延伸方向与所述悬臂梁的延伸方向一致，所述悬臂梁的一端收容于所述第一凹槽中。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第一固定座包括第一侧面和与所述第一侧面连接的第二侧面，所述第一侧面为弧面，且与所述底座外壳贴合，所述第二侧面上设有所述第一凹槽。

4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述底座外壳上设有固定孔，所述固定孔与所述第一凹槽连通，所述悬臂梁的包括相连接的第一段体和第二段体，所述第一段体收容于所述第一凹槽中，所述第二段体自所述固定孔伸出于所述底座外壳的外侧。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述基座包括朝向所述容纳腔的第一平面和设于所述第一平面上的第二固定座，所述第一平面和所述第二固定座的周沿形成台阶部，所述台阶部用于承载所述底座外壳，所述第二固定座的周沿设有向所述基座周沿延伸的限位件，所述限位件位于所述台阶部上，所述底座外壳设有第一安装孔，在所述台阶部承载有所述底座外壳的情况下，所述限位件容置于所述第一安装孔中。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述传感结构包括磁轭、永磁体和信号处理模块，所述永磁体设于所述基座，所述磁轭设置于所述基座上，所述磁轭的第一端的端面与所述永磁体的第一侧面相连，所述磁轭的第二端的端面与所述信号处理模块的第一侧面相连，所述第一段体中远离所述第二段体的一端与所述永磁体的第二侧面相连，所述第一段体中靠近所述第二段体的一端与所述信号处理模块的第二侧面相连，其中，所述永磁体的第一侧面背离所述永磁体的第二侧面设置，所述信号处理模块的第一侧面背离所述信号处理模块的第二侧面设置；

其中，所述磁轭、所述永磁体、所述第一段体和所述信号处理模块连接形成所述闭合磁回路，所述磁回路用于将磁偏转转化为偏置磁场，所述信号处理模块用于将偏置磁场转化为电压信号输出。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述信号处理模块包括霍尔传感器和信号输出电路板，所述霍尔传感器的第一侧面与所述第一段体中靠近所述第二段体的一端相连，所述霍尔传感器的第二侧面与所述磁轭第二端相连，所述霍尔传感器的输出端与所述信号输出电路板的输入端相连，其中，所述第一侧面背离所述第二侧面设置。

8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述信号输出电路板包括第一电路板和第二电路板，所述霍尔传感器的输出端与所述第一电路板的输入端相连，所述第一电路板的输出端与所述第二电路板的输入端相连，所述第二电路板的输出端用于输出电压信号；

其中，所述第一电路板固定于所述第一固定座的外壁，所述第二电路板设置于所述基座上。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述基座上设有向远离所述第一固定座方向凹陷的第二凹槽，所述第二凹槽用于收容所述第二电路板。

10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述底座外壳设有第二安装孔，在所述台阶部承载有所述底座外壳的情况下，所述第二安装孔用于输出与所述第二电路板的输出端相连的导线。

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