CN215677269U - 基于磁电效应的精密振动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，包括磁场部件以及磁电部件，磁场部件安装于被检测物体上，提供传感必须的磁场；所述磁电部件安装在第一支撑座上，所述磁电部件与所述磁场部件间隙布置且所述间隙大于所述被检测物体达到最大振动时磁场部件偏移的距离。磁电部件能够敏感所述磁场部件并随被检测物体振动而产生的磁场变化，根据所述磁场变化输出电信号，通过获取所述电信号能够实现振动的传感。本实用新型创新的将磁电效应应用于精密振动检测，可实现静态至高频100kHz范围的精密检测，是一类全新的位移类精密振动检测部件，且具有体积小、成本较低、易集成的特点。

Description

基于磁电效应的精密振动传感器

技术领域

本实用新型涉及检测传感器技术领域，具体地，涉及一种基于磁电效应的精密振动传感器。

背景技术

振动传感器是一类广泛应用的传感检测器件，近些年来发展迅猛，在航空航天、消费电子等诸多领域均有广泛的应用。目前的精密振动传感器件主要包括激光测振仪等光学类传感器与压电加速度传感器。激光测振仪等光学类传感器，精度高但需外部光源、光路等部件，难以小型化。压电加速度传感器以加速度为检测量，难以实现低频检测。

总之，现有的商业产品与现有技术大都存在着成本高、带宽小、难以小型化等问题。

例如专利文献CN111337122B公开的一种低频振动传感器测量极低频振动的方法、系统、终端设备及可读存储介质，提供了一种低频振动传感器，但该设计的频带仅为0.35～6Hz，仍然存在着带宽小的缺陷。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于磁电效应的精密振动传感器。

根据本实用新型提供的一种基于磁电效应的精密振动传感器，包括磁场部件以及磁电部件；

所述磁场部件安装于被检测物体上，提供传感必须的磁场；所述磁电部件安装在第一支撑座上，所述磁电部件与所述磁场部件间隙布置且所述间隙大于所述被检测物体达到最大振动时磁场部件偏移的距离。

优选地，所述磁场部件采用如下任一种形式：

-永磁体；

-电磁体；

-永磁体与电磁体混合结构。

优选地，采用永磁体的磁场部件的磁极垂直于所述磁电部件；或者磁极平行于所述磁电部件且两端安装有第二导磁磁轭；

所述永磁体采用如下任一种材料：

-铁铷硼永磁体；

-钐钴永磁体；

-铝镍钴永磁体；

-铁氧体永磁体。

优选地，所述磁电部件采用如下任一种形式：

-磁电材料；

-磁电材料，两端安装第一导磁磁轭；

-磁电材料与电磁线圈混合结构；

-磁电材料与电磁线圈混合结构，两端安装第一导磁磁轭。

优选地，导磁磁轭采用如下任一种材料：

-坡莫合金；

-硅钢片；

-铁基非晶合金；

-铁基纳米晶合金；

-电工纯铁。

优选地，所述磁电部件中磁电材料采用如下任一种形式：

-磁电纵向分布异质结构；

-磁电层叠结构；

-单相磁电材料。

优选地，所述磁电部件磁电纵向分布异质结构与磁电层叠结构的材料均为复合材料，其采用如下任一种形式：

-磁致伸缩材料与压电材料复合结构；

-铁磁与铁电复合材料；

其中，所述磁电部件中的磁致伸缩材料采用如下任一种材料：

-铽镝铁合金；

-铁基非晶合金；

-铁镓合金。

优选地，所述磁电部件的检测频率能够由静态至高频。

优选地，所述被检测物体振动由包括力、质量、加速度、温度中的任一个或任多个物理量或物理量的变化引起且所述物理量的数值能够通过输出的所述电信号被检测。

优选地，多个基于磁电效应的精密振动传感器能够呈阵列结构组合连接构成多维传感装置。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型创新的将磁电效应应用于精密振动检测，可实现静态至高频100kHz范围的精密检测，相较于现有的位移类振动传感器高频范围更宽，相较于现有的加速度传感器低频可至静态，且体积小，成本较低。

2、本实用新型采用的检测部件为磁电部件，是一类全新的位移类精密振动检测部件，体积小，易集成。

3、本实用新型待检测振动可引申为与振动位移相关的力、质量、加速度、温度等检测量，实现相关物理量的检测。

4、本实用新型提出的基于磁电效应的磁场检测方式，使用方便，精度高。

5、本实用新型能够实现多个基于磁电效应的精密振动传感器能够呈阵列布置组合连接构成多维传感装置，实现复杂振动的多维度检测的效果，实用性强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例1结构及工作原理示意图；

图2为本实用新型实施例2结构及工作原理示意图；

图3为本实用新型实施例3结构及工作原理示意图；

图4为本实用新型实施例4结构及工作原理示意图；

图5为本实用新型实施例5结构及工作原理示意图；

图6为本实用新型实施例6结构及工作原理示意图；

图7为本实用新型实施例7结构及工作原理示意图；

图8为本实用新型实施例8结构及工作原理示意图；

图9为本实用新型实施例9结构及工作原理示意图；

图10为本实用新型实施例10结构及工作原理示意图。

图中示出：

第一支撑座1 第二支撑座8

第一导磁磁轭2 被检测物体9

电磁线圈3 第二导磁磁轭10

磁致伸缩材料4

压电材料5 磁场部件100

永磁体6 磁电部件200

电磁体7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

基础实施例：

本实用新型提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，包括磁场部件100以及磁电部件200，磁场部件100安装于被检测物体9上，提供传感必须的磁场；所述磁电部件200安装在第一支撑座1上，所述磁电部件200与所述磁场部件100间隙布置且所述间隙大于所述被检测物体9达到最大振动时磁场部件100偏移的距离。磁电部件200用于敏感所述磁场部件100并随被检测物体9振动而产生的磁场变化，根据所述磁场变化输出电信号，通过所述电信号获得被检测物体9振动对应的变化量d。磁场部件100产生振动传感必须的磁场，其随被检测物体9的振动而振动，因此其产生的磁场因待检测振动而变化，磁电部件200可敏感磁场大小，因磁场部件100的磁场因振动而变化，磁电部件200可敏感该磁场变化，从而实现对振动的精密传感检测。

进一步地，被检测物体9振动由包括力、质量、加速度、温度中的任一个或任多个物理量或物理量的变化引起且所述物理量的数值能够通过输出的所述电信号被检测。本实用新型可应用于一般的梁、板等结构的振动变形测试，也可应用于船舶轴系等大型结构件的振动变形测试。例如，一段两端有支撑的气体/液体运输管道，可通过安装该实用新型传感器检测由于介质的运输产生的振动。

在实际应用时，多个基于磁电效应的精密振动传感器能够呈阵列结构组合连接构成多维传感装置，实现复杂振动的多维度检测的效果。

具体地，所述磁场部件100能够采用多种形式，例如采用永磁体6，再例如采用电磁体7，除此之外，还可以采用永磁体6与电磁体7混合结构形式。在实际应用中，采用永磁体6的磁场部件100的磁极垂直于所述磁电部件200或者磁极平行于所述磁电部件200，当采用磁极平行于所述磁电部件200设置的结构时永磁体6的两端安装第二导磁磁轭10，所述永磁体6采用铁铷硼永磁体、钐钴永磁体、铝镍钴永磁体、铁氧体永磁体中的任一种材料体。

具体地，所述磁电部件200在实际应用中能够采用如下任一种结构：

-磁电材料；

-磁电材料，两端安装第一导磁磁轭2；

-磁电材料与电磁线圈3混合结构；

-磁电材料与电磁线圈3混合结构，两端安装第一导磁磁轭2。

本实用新型中的导磁磁轭采用坡莫合金、硅钢片、铁基非晶合金、铁基纳米晶合金、电工纯铁中的任一种，所述磁电部件200中磁电材料在布置时，可以采用磁电纵向分布异质结构、磁电层叠结构或单相磁电材料，其中，所述磁电部件200磁电纵向分布异质结构与磁电层叠结构的材料均为复合材料，所述复合材料为磁致伸缩材料4与压电材料5的复结构或者采用铁磁与铁电复合材料。

进一步地，磁电部件200中的磁致伸缩材料4采用铽镝铁合金(Terfenol-D)、铁基非晶合金(Metglas)或铁镓合金(Gafenol)。

本实用新型中的磁电部件200能够检测的频率从静态至高频，高频能够达到100kHz，静态检测机理在于因磁电材料对静态磁场的非线性效应，磁电谐振频率关于静态磁场的变化而变化，从而通过固定频率下的磁电效应进行静态传感。因此，静态检测时，磁场部件100或磁电部件200需产生交流磁场。

为更清楚的了解本实用新型，下面通过具体的实施例进一步介绍本实用新型。

实施例1：

本实施实例提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图1所示，包括磁场部件100和磁电部件200，磁电部件200安装在第一支撑座1上，被检测物体9安装在第二支撑座8上。所述磁场部件100采用磁极平行于磁电部件200的永磁体6，且两端安装第二导磁磁轭10，所述磁电部件200采用磁电纵向分布异质结构与电磁线圈3混合结构，且两端安装第一导磁磁轭2。磁场部件100产生振动传感必须的磁场，其随被检测物体9的振动振幅d而振动，因此其产生的磁场因待检测振动而变化H(d)。磁电部件200可敏感磁场大小，因磁场部件100的磁场因振动而变化，磁电部件200可敏感该磁场变化产生检测电信号V(d)，从而实现对振动的精密传感检测。其中：

所述磁场部件100采用磁极平行于磁电部件200的汝铁硼永磁体，且两端安装第二导磁磁轭10。

本实施例中，图1中的Z指示的方向表示被检测物体9的振动变形方向。图中的δ₀为磁场部件100与磁电部件200之间的距离，δ₀应根据磁场部件100所能提供的磁场强度确定其最大值，优选小于10cm，δ₀的最小值没有限制，由于d的数值微小，δ₀的值为初始设定值，与d没有关系，作用于磁电部件200上的磁场取决于实际气隙(δ₀－d)，图中H_c表示初始气隙δ₀时的磁场，而H(d)则表示由于振动变形d引起的磁场变化。

进一步地，所述第一导磁磁轭2、第二导磁磁轭10均采用坡莫合金。

进一步地，所述磁电部件200采用磁电纵向分布异质结构与电磁线圈3混合结构，且两端安装第一导磁磁轭2。

进一步地，所述磁电纵向分布异质结构采用磁致伸缩材料4和压电材料5相串联布置的结构。

进一步地，所述磁致伸缩材料4采用Terfenol-D，即铽镝铁合金。

进一步地，在静态检测时，磁电部件200中的电磁线圈3提供固定频率的交流磁场H_c。

进一步地，所述磁电部件200产生检测电压信号V(d)，最终实现振动传感。

实施例2：

实施例2为实施例1的变化例。

本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：

本实施实例提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图2所示，所述磁场部件100采用永磁体6与电磁体7混合结构。

进一步地，所述磁电部件200采用磁电纵向分布异质结构，且两端安装第一导磁磁轭2。

进一步地，在静态检测时，磁场部件100中的电磁体7提供固定频率的交流磁场H_c。

此实施例，磁电部件200磁电材料可为磁电层叠材料或单相磁电材料。

实施例3：

实施例3为实施例2的变化例。

本实施例在实施例2的基础上，与实施例2的区别在于：

本实施实例提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图3所示，所述磁场部件100采用电磁体6。

此实施例，磁电部件200磁电材料可为磁电层叠材料或单相磁电材料。

实施例4：

实施例4为实施例1的变化例。

本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：

本实施例中提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图4所示，所述磁电部件200采用磁电层叠结构与电磁线圈3混合结构，且两端安装第一导磁磁轭2。

实施例5：

实施例5为实施例1的变化例。

本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：

本实施例提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图5所示，所述磁电部件200采用单相磁电材料与电磁线圈3混合结构，且两端安装第一导磁磁轭2。

实施例6：

实施例6为实施例1的变化例。

本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：

本实施例提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图6所示，所述磁场部件100采用磁极方向垂直于磁电部件200的永磁体。

进一步地，所述磁电部件200采用磁电纵向分布异质结构与电磁线圈3混合结构。

此实施例中，磁电材料亦可为磁电层叠结构或单相磁电材料。

实施例7：

实施例7为实施例6的变化例。

本实施例在实施例6的基础上，与实施例6的区别在于：

本实施例提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图7所示，所述磁场部件100采用永磁体6与电磁体7混合结构。

此实施例中，磁电材料可为磁电纵向分布异质结构，磁电层叠结构或单相磁电材料。

实施例8：

实施例8为实施例6的变化例。

本实施例在实施例6的基础上，与实施例6的区别在于：

本实施例提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图8所示，所述磁场部件100采用电磁体7。

此实施例中，磁电材料可为磁电纵向分布异质结构，磁电层叠结构或单相磁电材料。

实施例9：

实施例9为实施例1的变化例。

本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：

本实施例提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图9所示，所述检测量为振动引申的力F(d)，质量m(d)或加速度a(d)。

此实施例中，磁场部件100与磁电部件200结构可应用前述实施例中任一种形式。

实施例10：

实施例10为实施例1的变化例。

本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：

本实施例提供了一种基于磁电效应的精密振动传感器，如图10所示，所述检测量为振动引申的温度T(d)。

此实施例中磁场部件100与磁电部件200结构可应用前述实施例中任一种形式。

本实用新型的工作原理为：

磁场部件100产生振动传感必须的磁场，其随被检测物体9的振动而振动，因此其产生的磁场因待检测振动而变化。磁电部件200可敏感该磁场大小，因磁场部件100的磁场因振动而变化，磁电部件200可敏感该磁场变化，自身具有的磁致伸缩材料4受磁场变化的影响进而发生形变的程度不同，磁致伸缩材料4、压电材料5依次串联在第一支撑座1的内部，磁致伸缩材料4的伸长或缩短引起对压电材料5挤压程度发生变化，进而压电材料产生变化的电信号，通过检测变化的电信号实现对振动的精密传感检测。特别是，进行静态检测的机理在于因磁电材料对静态磁场的非线性效应，磁电谐振频率关于静态磁场的变化而变化，从而通过固定频率下的磁电效应进行静态传感。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，包括磁场部件(100)以及磁电部件(200)；

所述磁场部件(100)安装于被检测物体(9)上，提供传感必须的磁场；所述磁电部件(200)安装在第一支撑座(1)上，所述磁电部件(200)与所述磁场部件(100)间隙布置且所述间隙大于所述被检测物体(9)达到最大振动时磁场部件(100)偏移的距离。

2.根据权利要求1所述的基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，所述磁场部件(100)采用如下任一种形式：

-永磁体(6)；

-电磁体(7)；

-永磁体(6)与电磁体(7)混合结构。

3.根据权利要求2所述的基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，采用永磁体(6)的磁场部件(100)的磁极垂直于所述磁电部件(200)；或者磁极平行于所述磁电部件(200)且两端安装有第二导磁磁轭(10)。

4.根据权利要求3所述的基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，所述永磁体(6)采用如下任一种材料：

-铁铷硼永磁体；

-钐钴永磁体；

-铝镍钴永磁体；

-铁氧体永磁体。

5.根据权利要求1所述的基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，所述磁电部件(200)采用如下任一种形式：

-磁电材料；

-磁电材料，两端安装第一导磁磁轭(2)；

-磁电材料与电磁线圈(3)混合结构；

-磁电材料与电磁线圈(3)混合结构，两端安装第一导磁磁轭(2)。

6.根据权利要求4或5所述的基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，导磁磁轭采用如下任一种材料：

-坡莫合金；

-硅钢片；

-铁基非晶合金；

-铁基纳米晶合金；

-电工纯铁。

7.根据权利要求5所述的基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，所述磁电部件(200)中磁电材料采用如下任一种形式：

-磁电纵向分布异质结构；

-磁电层叠结构；

-单相磁电材料。

8.根据权利要求7所述的基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，所述磁电部件(200)磁电纵向分布异质结构与磁电层叠结构的材料均为复合材料，其采用如下任一种形式：

-磁致伸缩材料(4)与压电材料(5)复合结构；

-铁磁与铁电复合材料。

9.根据权利要求8所述的基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，所述磁电部件(200)中的磁致伸缩材料(4)采用如下任一种材料：

-铽镝铁合金；

-铁基非晶合金；

-铁镓合金。

10.根据权利要求1至5或7至9中任一项所述的基于磁电效应的精密振动传感器，其特征在于，多个基于磁电效应的精密振动传感器能够呈阵列结构组合连接构成多维传感装置。

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