CN1256796A - 磁致伸缩应力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种磁致伸缩应力传感器,该磁致伸缩应力传感器配备具有晶粒结构的软铁磁体,至少一部分晶粒具有在一磁畴和二磁畴状态之间的过渡区中的晶粒尺寸。在该晶粒尺寸中,其尺寸为1至9μm数量级的铁氧体具有相当大的磁致伸缩效应。在特定的实施例中,由铁氧体磁心、特别是铁氧体环形成铁磁体,围绕该铁氧体磁心的至少一部分缠绕导电线圈,该铁氧体磁心设置于测量电路中,用于测量在作用于铁氧体环上的机械压力影响下线圈自感的变化。

Description

磁致伸缩应力传感器
本发明涉及配备软铁磁体的磁致伸缩应力传感器。这种铁磁体的实例是多晶铁氧体。这种所谓的多晶铁氧体具有特别是由固有晶粒结构确定的磁性能。
由于配备应变片的普通应力传感器相当昂贵这一事实，所以已开发利用铁磁材料的磁致伸缩效应的应力传感器。在施加机械压力的情况下这些材料具有这样的特性，即由于产生所谓的磁致伸缩效应，该材料的导磁率(μ)发生变化。S.Chikazumi在Physics of Magnetism，John Wiley & Sons(1986再版)中较详细地解释了这一现象(参见第8章，更具体地说，第8.4节)。
在由本申请人申请的EP-A-0767984(PHN15.309)中对磁致伸缩应力传感器进行了说明。在所述文件中，由铁氧体环形成铁磁体，围绕该铁氧体环的至少一部分缠绕导电线圈。由于因机械应力造成的铁氧体导磁率μ的变化必然产生自感L的变化值，所以将该线圈连接到电路上，以测量线圈的自感(L)。
通常使用的铁氧体实际上被用于例如频率范围在10至100kHz的变压器线圈，一般具有大于或等于20μm的晶粒尺寸D。此外，在该晶粒尺寸下，导磁率的值很大。这种晶粒尺寸产生较低的矫顽磁力Hc，由于Hc与D成反比，所以能量损失小。但是，由于在该晶粒尺寸时的磁致伸缩效应小，所以以此为基础的应力传感器的灵敏度受到相当大的限制。
在以下刊物中陈述了国际上采用的铁氧体晶粒尺寸的定义：Theinitial permeability of polycrystalline MnZn ferrites：Theinfluence of domain and microstructure by P.J.van der Zaagc.s.in J.Appl.Phys.74(6)，1993年9月15日，pp.4085-4095。晶粒尺寸(D)也称为“平均线性截取(intercept)值”，对应于沿跨越铁氧体微观结构图象的任意线的弦平均长度。晶粒尺寸的该定义与晶粒形状无关。由S.I.Tomkeieff在Nature，vol.155(1945)，第24页。中给出了该术语的更接近的数学近似。
本发明的目的在于可显著提高磁致伸缩应力传感器的灵敏度。
为了实现这一目的，按照本发明，如在开篇中所述那样的磁致伸缩应力传感器的特征在于，铁磁体有这样的晶粒结构，以致至少一部分晶粒有处于一磁畴状态和二磁畴状态之间的过渡区中的粒径尺寸。在这方面，术语应力指每单位面积上的力。
一磁畴状态是晶粒在一个方向上被完全磁化的状态；在该状态下，磁畴尺寸(Δ)相当于晶粒尺寸D。二磁畴状态是在各晶粒内存在磁畴壁的状态，在两个磁畴部分中磁化方向不同。其中，利用中子去极化技术确定的磁畴尺寸Δ小于晶粒尺寸D。在J.Appl.Phys.中的上述公开中，按晶粒内的磁畴结构从一磁畴状态变为二磁畴状态来确定晶粒尺寸。在过渡的这点上，晶粒尺寸使磁畴壁能量(该能量确定二磁畴状态)基本上等于静磁能量(该能量确定一磁畴状态)。参照在J.Appl.Phys.中的上述公开内容，在过渡区的这点上的晶粒尺寸Dc可以近似地表示为 D c ≈ 4 μ r μ 0 M s 2 ( 2 k T c | K | a ) 1 / 2
其中，k为波尔兹曼常数，K为磁晶体各向异性常数，a为交互耦合旋转之间的距离，μ0为真空的绝对导磁率，μr为相对导磁率，Ms为饱和磁化强度，而Tc为居里温度。尤其在MnZn铁氧体、NiZn铁氧体、MgMnZn铁氧体、LiNiZn铁氧体的情况下，过渡这点的晶粒尺寸在1至9μm范围内。在J.Appl.Phys.中发表的上述文章指出，细晶粒铁氧体，特别是其晶粒尺寸在0.2至16μm范围内的铁氧体的一部分将因此处于磁畴过渡区是公知的。在必须用于MHz范围的特殊变压器线圈中采用其D小于或等于10μm的铁氧体。可以部分地认为限制使用具有这样的晶粒尺寸以致铁氧体处于从一磁畴状态至二磁畴状态的过渡区的铁氧体的原因在于，因损失/消耗，铁氧体是不稳定的。
发明人已发现，正好是在发现其磁致伸缩最大的一磁畴状态和二磁畴状态之间的过渡区域，其磁致伸缩比在该过渡区外边的磁致伸缩大5至12倍。该发现在于利用具有磁畴过渡区的晶粒尺寸的铁氧体可制作应力传感器。
结果，对于所用的铁氧体材料来说，包括其晶粒尺寸在磁畴过渡区即在1至9μm范围的铁氧体的磁致伸缩应力传感器结果是很灵敏的，即压力的微小的变化已经产生导磁率的相当大的改变。在磁畴过渡区的微观结构情况下，还发现添加一般最大量为5at％的特定量的Co使磁致伸缩有正效应。
在机械应力改变的情况下，磁致伸缩效应导致导磁率的改变。为了测量导磁率的这种改变，由铁氧体环形成铁磁体，其中围绕该铁氧体环的至少一部分缠绕导电线圈，该铁氧体环设置在测量电路中，用于测量在作用于铁氧体环的机械压力影响下线圈自感的变化。众所周知，改变机械应力所产生的导磁率的改变将导致线圈中的自感的改变。
本发明不仅涉及应力传感器，而且还涉及称重装置，该装置配备至少一个上述类型的应力传感器。利用在特别选择的铁氧体晶粒结构的情况下明显显示出的磁致伸缩效应，可以将作用于这些应力传感器上的压力直接转换成电信号。对于使用较复杂的机械转换装置的普通称重装置来说，尤其在所有质量-弹簧系统中，本发明的称重装置响应快速并可以较便宜地大量生产。此外，本发明的称重装置很适于在潮湿的和腐蚀性的环境中使用。
因此，本发明广泛涉及包括铁磁体的称重装置，其中该铁磁体由铁氧体环形成，围绕该铁氧体环的至少一部分缠绕导电线圈，该铁氧体环设置在测量电路中，用于测量在作用于铁氧体环上的机械压力影响下线圈自感的变化。
在特定的实施例中，测量电路包括谐振电路，在该谐振电路中装有带线圈的铁氧体环，通过使测量频率的信号强度发生变化来测量线圈自感的变化，该测量频率较接近谐振电路的谐振频率。
在实际应用中，称重装置配有用于被测量物的支座，该支座由多个铁氧体环支撑，其中围绕铁氧体环的线圈接入谐振电路中。例如，可以用平板形成支座，在该板上，例如可以放置诸如汽车之类的大件物体；可以用秤形成支座，例如用于称量婴儿，或例如通过它将人造肥料播撒器放置在拖拉机后面的支架上，可以确定播撒肥料期间的重量减小等。
除了称重装置外，磁致伸缩应力传感器还可以用于需要灵敏压力测量的所有应用。例如，在上述的EP-A-0767984中，披露了可再充电电池装置，在该装置中，使用磁致伸缩应力传感器。在该装置中，通过采用带有上述特定晶粒结构的应力传感器，还可以提高测量灵敏度。参照以下说明的实施例，将明白本发明。
在附图中：
图1A、1B和1C表示用于说明所选铁氧体材料性能的三个图；
图2表示本发明的称重装置的电路图；和
图3表示所述称重装置的精心制做的电路图。
在图1A中，表示铁氧体材料的磁畴尺寸Δ和晶粒尺寸D之间的比率。用线I表示一磁畴区域，用线II表示二磁畴区域。当使用MnZn铁氧体时，过渡区约在4μm处。图1B表示铁氧体材料的导磁率(在没有磁致伸缩效应的情况下)μ和晶粒尺寸D之间的比率。在图1C中，表示当缠绕在铁氧体材料上的线圈的自感变化变得明显时，相对于晶粒尺寸D的磁致伸缩效应。在从一磁畴区域到二磁畴区域的过渡时，实际上，该效应比在通常粒径下出现的效应大得多。如上所述，该差别可以有5至12倍的数量。在MnZn铁氧体的情况下，已测量出ΔL的增加达到9倍。
在图2和图3中，表示三个铁氧体磁心，实际上为铁氧体环1、2和3，围绕各个铁氧体环分别设有线圈4、5和6。将这些线圈串联排列，与电容器7一起形成谐振电路8。尽管在图中未示出，但三个铁氧体环1-3被设置在平板盒的底部，这些铁氧体环支撑着自由放置在所述铁氧体环上的称重板，以便在称重板上被称重物体的提供使得称重板的三点支撑对铁氧体环施加附加的机械压力。产生的磁致伸缩效应将引起铁氧体环1-3的导磁率增加，这表现为线圈4-6的自感变化。为了获得尖的谐振峰值，谐振电路8的品质因数或电路(？)质量较高。由于作用于铁氧体环1-3上的机械压力变化的结果，线圈的总自感L将产生变化ΔL∶L′＝L±ΔL。结果，电路8的谐振频率ωr变成：
Figure A9980021800061
。换句话说，谐振峰值移到频率范围(？)中。通过在谐振频率ωr附近选择测量频率ωm，谐振峰值的小偏移已引起谐振电路8的信号强度的明显改变。
在图2中，参考序号9表示将频率为ωm的电压提供给谐振电路的电源。谐振电路8的输出信号通过整流二极管10和跨接可变电阻器12的平流电容器11供给电流计13。利用可变电阻器12，可以固定电流计13所需的灵敏度。
图3所示的更详细的电路图表示电源的实施例，该电源提供施加于谐振电路两端的频率为ωm的电压。图中未示出的经变压器产生的50Hz标准交流电流，通过整流二极管15和平流电容器16被转换成直流电流。期望频率为ωm的AC电压由此通过自激振荡电路17导出。经过变压器18，将该频率施加在谐振电路8上。
为了确保在铁氧体处于空载状态时谐振电路的输出信号在电流计13中被设定为零，将来自变压器18的电压通过整流二极管19和跨接于可调电阻器21上的平流电容器20施加在电流计13上。为了确保B点电压比A点电压高，还将电容器22与谐振电路串联连接。
显然，所示电路图的实施例的各种改进是可能的。还可以使用自激振荡电路代替配备外部交流电流源的调谐电路。实际上，图3所示的示意性自激振荡电路23可以用于这种目的，由于代替变压器磁心的这种差别，将其初级绕组用作围绕铁氧体缠绕的线圈。当然，施加于自激振荡电路上的电压然后必须供给整流电路和测量电路，例如在图2或图3中所示的那样。
尽管在本实例中采用了三个铁氧体磁心或铁氧体环，但要根据应用决定是使用一个还是多个铁氧体磁心或铁氧体环。还可以使用不同尺寸和/或成分的铁氧体磁心。例如，可以使用有聚合物覆盖物的铁氧体磁心或有铁氧体-聚合物成分的磁心。
在测量电路的另一实施例中，可以由将频率差转换成电压差的已知转换器构成测量电路；这些转换器为可市场购置的IC。

Claims (11)

1.一种磁致伸缩应力传感器，配备软铁磁体，其特征在于，该铁磁体有这样的晶粒结构，以致至少一部分晶粒具有在一磁畴和二磁畴状态之间的过渡区中的晶粒尺寸。
2.如权利要求1所述的磁致伸缩应力传感器，其特征在于，铁磁体包括铁氧体。
3.如权利要求2所述的磁致伸缩应力传感器，其特征在于，铁氧体有在1和9μm之间范围内的晶粒尺寸。
4.如权利要求1、2或3所述的磁致伸缩应力传感器，其特征在于，由其晶粒尺寸在3至9μm范围内的MnZn铁氧体形成该铁磁体。
5.如权利要求1、2或3所述的磁致伸缩应力传感器，其特征在于，由其晶粒尺寸在1至5μm范围内的NiZn铁氧体、MgMnZn铁氧体或LiNiZn铁氧体形成该铁磁体。
6.如权利要求2至5中任一项所述的磁致伸缩应力传感器，其特征在于，较小百分率的Co被添加在铁磁体的成分中。
7.如上述任一项权利要求所述的磁致伸缩应力传感器，其特征在于，由铁氧体磁心、特别是铁氧体环形成铁磁体，围绕该铁氧体环的至少一部分缠绕导电线圈，该铁氧体环设置在测量电路中，用于测量在作用于铁氧体环上的机械压力影响下线圈自感的变化。
8.一种称量装置，该装置配备至少一个如上述任何一项权利要求所述的应力传感器。
9.一种称量装置，该装置配备由铁氧体磁心、特别是铁氧体环形成的软铁磁体，围绕该铁氧体磁心的至少一部分缠绕线圈，该铁氧体磁心设置在测量电路中，用于测量在作用于铁氧体环上的机械压力影响下线圈自感的变化。
10.如权利要求8或9所述的称量装置，其特征在于，测量电路包括谐振电路，在该谐振电路配有带线圈的铁氧体环，通过使测量频率的信号强度变化来测量线圈自感的变化，该测量频率较接近谐振电路的谐振频率。
11.如权利要求10所述的称量装置，其特征在于，该装置设有用于被测量物的支座，该支座由多个铁氧体环支撑，其中，围绕铁氧体环的线圈接入谐振电路中。
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