CN116540156B - 一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器及调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器及调节方法，其中，结构包括安装在U型铁轭中间的圆形层合磁电结构，层合磁电结构层间安装薄膜电极，电极引出线路依次首尾相连构成串联电路，正负极外端预留电压测试接口；U型铁轭端部与磁电结构连接处设置碟簧，底部缠绕直流螺线管，流螺线管外接稳压直流电源。通过测量过程中螺线管电流的变化来调控磁电结构磁性相磁致伸缩材料偏置条件，实现传感器测量灵敏度的实时调控。本发明解决了在磁场强度测量过程中，磁场传感器基于霍尔效应以预设灵敏度进行测量，测量灵敏度的实时调控较难实现的问题。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器及调节方法。
背景技术
新型层合磁电传感器具有高磁电电压转换系数、对磁场变化响应速度快、灵敏度高、精度高、体积小、工作无需外部供电等优势，特别适用于替代磁场监测技术需求的应用场景[1]。研究发现，组成层合磁电结构的磁性材料Terfenol-D偏磁场和预应力的选取对励磁响应影响显著，其材料本构关系具有力-磁耦合、强非线性等特点[2]。传感器核心磁电层合结构的磁电系数反映着传感器灵敏度，可通过给磁性材料层施加合适的偏置条件进行调控[3]。
目前，用于磁场强度信号检测的典型传感器为霍尔传感器。在磁场强度测量过程中，磁场传感器基于霍尔效应以预设灵敏度进行测量，测量灵敏度的实时调控较难实现。霍尔传感器测量灵敏度的提高必须在传感器设计和架设时考虑多种因素进行补偿。可调灵敏度的磁场传感器为磁场强度测量提供极大的便利。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的需求，提供一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器，该探头不仅设置简便，而且通过测量过程中磁致伸缩材料偏置条件的调控，实现传感器测量灵敏度的实时调控。
本发明采用的技术方案为：
一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器，包括U型铁轭和层合磁电结构，所述层合磁电结构设置在U型铁轭的缺口中间位置，所述U型铁轭的缺口端部与层合磁电结构连接处设置碟簧，所述U型铁轭、层合磁电结构和碟簧内部实现闭环磁路。
在上述技术方案中，所述层合磁电结构由压电片层和超磁致伸缩材料用环氧树脂交替粘贴形成，其中，压电片层采用圆形Terfenol-D材料。
在上述技术方案中，进一步地，在层合磁电结构的层间安装薄膜电极，所述薄膜电极引出线路依次首尾相连构成串联电路，正负极外端预留电压测试接口。
在上述技术方案中，更进一步地，所述薄膜电极为箔片状，由层间两相片状材料的位置引出电极一面与压电片层联通，另一面与磁致伸缩材料片层之间隔离绝缘，相邻电极之间焊接低阻铜导线联通。
在上述技术方案中，所述U型铁轭底部缠绕有直流螺线管，流螺线管外接稳压直流电源。
本发明另一个目的是提供一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器的调节方法，该调节方法包括以下步骤：
步骤1：稳压直流电源的开关打开时，U型铁轭、层合磁电结构和碟簧内部实现闭环磁路，磁力线垂直穿透层合磁电结构中的磁敏相超磁致伸缩材料，磁敏相超磁致伸缩材料产生应变施加荷载于压电片层，压电片层基于压电效应产生感生电动势；
步骤2：调控U型铁轭底部直流螺线管输入电流强度后，响应改变穿过层合磁电结构磁力线数量，达到调控层合磁电结构偏置条件的目的，实现磁电层合传感器可调灵敏度。
在上述方案中，所述层合磁电结构的最佳偏执条件由调整U型铁轭磁化程度和碟簧自身应力应变状态实现。
本发明的有益效果：
通过在U型铁轭底部安装螺线管，当螺线管线圈电流发生变化时，会使U型铁轭、碟簧和层合磁电结构内部磁力线发生相应现增减，继而改变磁电结构磁性层的偏置条件(预应力和偏磁场)，偏置条件的改变导致层合磁电结构的磁电系数变化率出现显著变化，以达到调控磁场传感器灵敏度的目的。操作人员可通过调控可变电阻，实时根据需要调整传感器灵敏度。本发明解决了在磁场强度测量过程中，磁场传感器基于霍尔效应以预设灵敏度进行测量，测量灵敏度的变化较难实现的问题，能够达成磁场强度测量灵敏度实时调控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1.一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器的结构示意图；
图2.层合磁电结构示意图；
图3.薄膜电极示意图；
图4.碟簧结构示意图。
其中，1、U型铁轭；2、层合磁电结构；3、薄膜电极；4、电压测试接口；5、碟簧；6、直流螺线管；7、稳压直流电源；8、电阻；9、开关。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
本实施例提供了一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器，如图1-4所示，包括安装在U型铁轭1端部中间的圆形层合磁电结构2，层合磁电结构2层间布设薄层电极3，薄层电极3与片状压电材料密贴电连通、与层状磁致伸缩材料电绝缘，相邻电极用低阻铜丝焊接相连，低阻铜丝均应均匀涂刷绝缘漆，保证铜丝与环境和相邻导体实现电绝缘；层合磁电结构2最外侧电极引出铜丝，设置电压监测装置接口4。U型铁轭1端部与层合磁电结构2之间安装有碟簧5，U型铁轭1底部缠绕安装螺线管6，螺线管6两端引出导线串联可变稳压直流电源7、电阻8和开关9。螺线管6外接直流电源7电流强度通过改变电路电阻8进行调控，电流强度调控功能通过在供电电路中串联可变电阻实现。
其中，所述层合磁电结构2由多层圆形的压电片层和超磁致伸缩材料用环氧树脂交替粘贴形成。压电片层采用Terfenol-D材料，超磁致伸缩材料采用PZT材料。
在本实施例中，U型铁轭和碟簧均应采用软磁材料制作。
本实施例还提供了一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器的调节方法，包括以下步骤：
步骤1：稳压直流电源7的开关打开时，U型铁轭1、层合磁电结构2和碟簧5内部实现闭环磁路，磁力线垂直穿透层合磁电结构2中的磁敏相超磁致伸缩材料，磁敏相超磁致伸缩材料产生应变施加荷载于压电片层，压电片层基于压电效应产生感生电动势；
步骤2：调控U型铁轭1底部直流螺线管6输入电流强度后，响应改变穿过层合磁电结构2磁力线数量，达到调控层合磁电结构2偏置条件的目的，实现磁电层合传感器可调灵敏度。
具体的，安装在U型铁轭1中间的圆形层合磁电结构2的最佳偏执条件由调整U型铁轭1磁化程度和碟簧5的状态实现。具体的，碟簧的应力状态和磁场有关，当变通图中8所示的滑动变阻时，U型铁轭的磁化状态，层合磁电结构的初始应变状态，碟簧的初始应力状态均发生变化。碟簧在不同的偏磁场强度下，出现不同的初始应力状态，而层合磁电结构的磁性相产生不同的应力应变曲线。磁电结构偏置条件的变化使传感器产生不同的灵敏度。
本发明操作简单方便，可变电阻阻抗调控范围宽，具有良好的现场工况适用性。螺线管磁化U型铁轭的程度随着可变电阻变化得到调控，通过调控电磁场的方式实现传感器可调灵敏度，具有反应时间达到毫秒级的优势。
上述的磁场强度传感器制作过程包括以下步骤：
1、工厂按图纸预制各个零部件；
2、将圆形层合磁电结构2安置在U型铁轭1端部中间位置；
3、在U型铁轭1端部与层合磁电结构2之间嵌入碟簧5并固定；
4、安装U型铁轭1底部的绝缘材料并缠绕铜线以形成螺线管6；
5、螺线管6两端引出线路串联顺接可变电阻8和开关9；
6、将传感器除磁电结构外进行整体封装，形成磁屏蔽外壳；
7、磁电层合结构引出铜丝部位预留电压监测设备接口4。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
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Claims (4)
1.一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器，其特征在于，包括U型铁轭（1）和层合磁电结构（2），所述层合磁电结构（2）设置在U型铁轭（1）的缺口中间位置，所述U型铁轭（1）的缺口端部与层合磁电结构（2）连接处设置碟簧（5），所述U型铁轭（1）、层合磁电结构（2）和碟簧（5）内部实现闭环磁路；
所述层合磁电结构（2）由压电片层和超磁致伸缩材料用环氧树脂交替粘贴形成；
在层合磁电结构（2）的层间安装薄膜电极（3），所述薄膜电极（3）引出线路依次首尾相连构成串联电路，正负极外端预留电压测试接口（4）；
所述U型铁轭（1）底部缠绕有直流螺线管（6），直流螺线管（6）外接稳压直流电源（7）和电阻（8），直流螺线管（6）外接稳压直流电源（7）的电流强度通过改变电路电阻（8）进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器，其特征在于，所述薄膜电极（3）为箔片状，由层间两相片状材料的位置引出电极一面与压电片层联通，另一面与磁致伸缩材料片层之间隔离绝缘，相邻电极之间焊接低阻铜导线联通。
3.根据权利要求1～2任一一项所述的一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器的调节方法，其特征在于，该调节方法包括以下步骤：
步骤1：稳压直流电源（7）的开关打开时，U型铁轭（1）、层合磁电结构（2）和碟簧（5）内部实现闭环磁路，磁力线垂直穿透层合磁电结构（2）中的磁敏相超磁致伸缩材料，磁敏相超磁致伸缩材料产生应变施加荷载于压电片层，压电片层基于压电效应产生感生电动势；
步骤2：调控U型铁轭（1）底部直流螺线管（6）输入电流强度后，响应改变穿过层合磁电结构（2）磁力线数量，达到调控层合磁电结构（2）偏置条件的目的，实现磁电层合传感器灵敏度的调节。
4.根据权利要求3所述的调节方法，其特征在于，所述层合磁电结构（2）的最佳偏执条件由调整U型铁轭（1）磁化程度和碟簧（5）自身应力应变状态实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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