专利名称：一种超磁致伸缩压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压力传感器技术，具体为一种超磁致伸縮压力传感器，国际专利分类号拟为Int.Cl.G01L 9/00 (2006.01) 技术背景压力传感器在工业上有着广泛地应用。目前压力传感器应用较多的是电阻式压力传感器和压电式压力传感器。 电阻式压力传感器在测试应用时必须将应变片粘贴在被测试件上或者传感器 的弹性元件上，因此，粘合剂的性能将直接影响应变计的工作特性，容易产 生测量误差。此外，电阻式压力传感器主要用于静力和低频动态力的测量。 压电式压力传感器主要用于动态力的测量，因其测量信号随时间衰减的很 快，不宜用于静态力的测量。另外，压电材料的抗压强度只有4MPa，所以 用压电材料制作的压力传感器量程较小，使用范围受到限制。发明内容针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，设计一种超磁致伸 縮压力传感器，该压力传感器具有输出功率大，测试信号准确，过载能力 强，寿命长，维护方便，适应恶劣工作环境，同时适于静态和动态力的测 量，可以采用电流激磁也可采用永磁激磁等优点。本发明解决所述技术问题的技术方案是设计一种超磁致伸縮压力传 感器，其特征在于所述传感器的底座的内圆上垂直均布有三根超磁致伸縮棒，其外圈垂直对称布置有两根永磁棒或两个激磁线圈；所述两根永磁棒或两个激磁线圈的上、下方分别安装有圆盘形软磁材料的上导磁板、下导磁板，且其半径略大于所述永磁棒或激磁线圈的安装半径；所述两根永磁棒充 磁方向均为轴向，且方向相同；所述的两个激磁线圈的绕制方向相同，其电 流方向也相同；所述永磁棒或激磁线圈的长度略短于所述超磁致伸縮棒的长
度，使安装后的永磁棒或激磁线圈的顶面与上导磁板的底面之间留有空隙， 在该空隙中填充有非导磁的黏胶，并在其中粘贴固定霍尔元件；所述的超磁致伸缩棒上绕有感应线圈；上导磁板通过螺钉组合安装在承载块上，下导磁板通过底面螺钉安装在底座上，外罩通过侧面螺钉安装下导磁板上，并把底 座上的各零件封装为整体，但所述承载块突出于封装外罩的上表面。与现有技术相比，本发明所述超磁致伸縮压力传感器具有如下优点因 为超磁致伸縮压力传感器实施例采用了两个霍尔元件和三个感应线圈测量磁 变化信号，所以传感器灵敏度，精度高；因为可采用任意多个超磁致伸縮压 力传感器基本单元I的组合，所以传感器量程大，且可调；因为设计分别采 用霍尔元件取静磁场的信号和采用感应线圈提取变化磁场的信号，所以该传 感器既适用于静态力测量，也适用于动态力测量；由于超磁致伸縮材料的相 对磁导率较低，导磁性能差，而材料的尺寸较大，漏磁严重，因此在压力传 感器的结构设计中，使用磁性能良好的软磁材料做上导磁板和下导磁板，以 有效防止磁泄漏，并采用聚磁原理，使其中超磁致伸縮棒所处的磁场尽量均 匀，这样不但可以提高超磁致伸縮材料的利用率，减小材料内部应力，而且 还可以提高整个压力传感器的灵敏度、精度和线性度；本发明可以采用永久 磁铁提供超磁致伸縮压力传感器的偏置磁场，所以不需激磁线圈和供电系 统，不耗电，不存在线圈发热的问题，且使用寿命长，可以长期无维护运 行；本发明也可采用电流激磁方式，其提供的偏置磁场可调、工作电压也较 低，具有优良的安全性能和可以反复实验的特点；因为超磁致伸縮材料居里 温度较高，为360 — 39(TC，工作温度较宽，即使加热到居里温度以上，也 只是瞬时地失去磁致伸縮特性而不会产生永久的退极化，可适用于高温等恶 劣工作环境，当冷却到居里点温度以下时，其磁致伸縮特性又可完全恢复， 故无过热失效问题；超磁致伸縮材料机械响应时间仅百万分之一秒，比人的 思维还快，因此制作的力传感器响应速度快；因为超磁致伸縮材料同一磁场 下，随着应力的增大到一定值，相对磁导率将趋于不变，而且稀土铁超磁致 伸縮材料的压縮屈服应力高达700Mpa，可经受住700MPa的压力而不损坏， 所以超磁致伸縮压力传感器具有很高的承载能力，而且过载能力强；因为该 传感器无需粘贴应变片，不需要中间耦合介质，在设计制造和安装方法上相 对简单。本发明采用以上措施后，感测信号输出功率已经足够大，以至不需要信号放大系统或对放大环节要求降低，简化了装置结构，提高了精度，这 也是本发明传感器优于压电式传感器之处。
图1为本发明超磁致伸縮压力传感器一种实施例的整体结构主视图； 图2为本发明超磁致伸縮压力传感器一种实施例的整体结构俯视图； 图3为本发明4个超磁致伸縮压力传感器一种组合方式的实施例主视 图(剖视图)；图4为本发明4个超磁致伸縮压力传感器一种组合方式，但拆去承力 板18和螺母20后的实施例俯视图；图5为本发明超磁致伸縮压力传感器选用的超磁致伸縮材料在不同压 应力下相对磁导率与磁场强度的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明本发明设计的超磁致伸縮压力传感器(以下简称传感器)实施例(参见图1、 2所示)，其特征在于所述传感器的底座2的内圆上垂直均布有三根 超磁致伸縮棒6，其外圈垂直对称布置有两根永磁棒5或两个激磁线圈17; 所述两根永磁棒5或两个激磁线圈17的上、下方分别安装有圆盘形软磁材 料的上导磁板8、下导磁板3，且其半径略大于所述永磁棒5或激磁线圈17 的安装半径；所述两根永磁棒5充磁方向均为轴向，且方向相同；所述的两 个激磁线圈17的绕制方向相同，其电流方向也相同；所述永磁棒5或激磁 线圈17的长度略短于所述超磁致伸縮棒6的长度，使安装后的永磁棒5或 激磁线圈17的顶面与上导磁板8的底面之间留有空隙，在该空隙中填充有 非导磁的黏胶，并在其中粘贴固定霍尔元件14;所述的超磁致伸縮棒6上 绕有感应线圈13;上导磁板8通过螺钉组合安装在承载块9上，下导磁板3 通过底面螺钉安装在底座2上，外罩7通过侧面螺钉4安装下导磁板3上， 并把底座2上的各零件封装为整体，但所述承载块9突出于封装外罩7的上 表面。
本发明传感器的进一步信息是实施例所述的下导磁板3用4个底面螺钉 1安装在传感器的底座2上，永磁棒5或激磁线圈17及超磁致伸缩棒6用 粘接剂与下导磁板3连接；同样，上导磁板8也是用粘接剂与超磁致伸縮棒 6连接，承载块9用螺钉组合(10、 11、 12)与上导磁板8连接，外罩7用 侧面螺钉4与下导磁板3连接，并把底座2上的各零件封装为整体，但所述 承载块9突出于封装外罩7的上表面。工作时，施加的压应力通过承载块 9施加到上导磁板8上，再施加到超磁致伸縮棒6上；永磁棒5的长度略短 于超磁致伸縮棒6的长度，使永磁棒5和上导磁板8之间保留一空隙，在该 空隙中填充有非导磁的黏胶，并在其中粘贴固定霍尔元件14，以便测量静 态压力；同时在所述超磁致伸缩棒6上绕上感应线圈13，用于测量动态压 力。需要说明的是，本发明传感器实施例所述的霍尔元件14和感应线圈13 是同时安装的，但也可单独安装其中的一个，也即本发明传感器不排除安装 其中一个的设计。当仅要求测量静态压力时，传感器就可只安装霍尔元件 14;当仅要求测量动态压力时，传感器就可只安装感应线圈13;当要求既 能测量静态压力又能测量动态压力时，就需要同时安装霍尔元件14和感应 线圈13。本发明所述的超磁致伸縮棒6是由主要成分为Tb-Dy-Fe的稀土铁超磁 致伸缩材料制成，可从市场直接购得。所述的稀土铁超磁致伸縮材料是指一 种可以将机械能和磁能进行相互转换的新型功能材料，具有磁机械耦合系数 高、响应速度快、能量密度高等优异特性。本发明传感器利用的是新型稀土 铁超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效应。所述超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效 应是指在一定磁场中，给磁性体施加外力作用，其磁化强度发生变化的现 象。其工作原理为当向超磁致伸縮材料(超磁致伸縮棒)上施加压应力 时，它的磁特性(磁导率)会立即发生变化，导致所述磁结构中的磁场分布 发生变化，根据该变化即可确定出所施加应力的大小。如果测定的应力为静 态力，则可通过在磁结构的空气隙处安装霍尔元件14监测该处的磁感应强 度(如图l所示)，从而得知施加在超磁致伸缩材料上的压应力；如果测定的 应力为动态力，则可在磁结构的某处，如超磁致伸縮棒6上绕上感应线圈 13取得检测信号(如图1和图2所示)，得知施加的动态压应力。
本发明传感器所述超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效应与外加的偏置磁场 有关。设计时，要首先测试超磁致伸縮材料在不同压应力下的磁特性与磁场 的变化关系，以确定材料的最佳偏置磁场和施加的压应力范围，从而确定其 它磁元件如永磁材料(或线圈)、导磁板材料等的特性和尺寸。其中永磁铁 提供超磁致伸縮压力传感器的偏置磁场，两根永磁棒的尺寸相同，充磁方向 都为轴向，且方向相同；三根超磁致伸縮棒的尺寸相同，性能要求也完全相同。当偏置磁场较小时，超磁致伸縮材料的相对磁导率随压应力的变化较 大，制作的力传感器灵敏度高，而当偏置磁场较大时，材料的相对磁导率随 着施加压应力的增大而减小缓慢，基本与压应力无关，力传感器灵敏度降 低，甚至不能工作。因此，制作的超磁致伸縮力传感器的偏置磁场宜选在低场范围内，例如对美国Etrema公司生产的超磁致伸縮棒的偏置磁场宜选在 20kA/m以下(参见图5)。另外当磁场较小时，在一定的压应力范围内，超磁致伸縮材料的相对磁 导率在不同压应力下变化较大；随着施加压应力的增大超磁致伸縮材料的相 对磁导率减小缓慢，最后趋于不变，这时的压应力为超磁致伸縮力传感器的 最大测量值，例如利用美国Etrema公司生产的超磁致伸縮棒制作的力传感 器的最大测量值为18MPa (参见图5)。对于不同批次、厂家的超磁致伸縮材料，其相对磁导率与压应力的关系 特性是不同的。因此，需要根据设计的力传感器的测力范围、灵敏度和尺寸 的要求，对具体的超磁致伸縮材料进行具体分析，确定其工作点的偏磁磁 场，因为激励过小或过大都会使灵敏度降低。例如对利用美国Etrema公司 生产的超磁致伸縮棒的偏置磁场宜选在10-20kA/ro，制作的力传感器的最大 测量值为18MPa。这时，可以通过选用不同截面积的超磁致伸縮棒来获得力 传感器不同的压力测量范围。本发明传感器工作的偏置磁场可以采用电流激磁提供，也可采用永久磁 铁提供。由于永磁激磁提供的磁场稳定，响应快，节能，不需激磁线圈和供 电系统，所以具有不耗电，不存在线圈发热的问题，可以长期无维护运行等 优点，而且在设计和制造相对简单，成本低廉。本发明实施例采用了永久磁 铁提供传感器工作所需的偏置磁场。当要求提供的偏置磁场可调、需要进行 反复实验时，本发明传感器也可采用电流激磁来提供传感器工作所需的偏置 磁场。这时可以采用在图2所示的两个永磁棒5位置分别用两个激磁线圈17来代替，这两个激磁线圈的绕制方向相同，其电流方向也相同。本发明所述传感器的结构左右方向对称。当在三根超磁致伸縮棒6上施 加一个压应力时，每根超磁致伸缩棒6会均匀分担该压应力，使其磁导率发 生变化。在磁结构中磁动势不变的条件下，磁结构中的磁通就会发生相应的 变化，从而感知该压应力。本发明传感器可以通过调节超磁致伸縮棒的截面 积来微调要测量压力的大小。本发明的进一步特征是，以本发明设计的超磁致伸縮压力传感器为基本 单元I构造大量程传感器组合(以下简称传感器组合，参见图3、 4)。传 感器组合的构造方式根据需要可以是多种多样的。本发明实施例给出的仅是 其一种组合方式(参见图3、 4)，它主要包括传感器组合底座15;螺柱组件16;传感器基本单元I;承力板18;连接杆19和螺母20。其具体构造为 一块中心带有凸台21的承力板18平放在4个传感器基本单元I的所述承载块9上，并依靠连接杆19定位；每个所述传感器基本单元I用螺柱组件16固定在传感器组合底座15上；所述连接杆19的下端用螺纹与传感器组 合底座15连接，上端用螺母20与承力板18固定，从而构成一个传感器组 合整体。工作时，载荷施加在承力板18的凸台21上，从而使4个传感器基 本单元I的承载块9承载着力。由于结构对称，4个传感器基本单元I均匀分 布，故均匀受力。4个传感器基本单元I的测量值之和即为传感器组合总的 测量值。根据这种设计原理，本发明的传感器基本单元I构成传感器组合 后，适载量程可以成倍增加。当采用增大超磁致伸縮棒的截面积不能满足扩 大量程的要求时，即可采用多个传感器基本单元I的适当组合。 本发明未述及之处适用于现有技术。
权利要求
1.一种超磁致伸缩压力传感器，其特征在于所述传感器的底座的内圆上垂直均布有三根超磁致伸缩棒，其外圈垂直对称布置有两根永磁棒或两个激磁线圈；所述两根永磁棒或两个激磁线圈的上、下方分别安装有圆盘形软磁材料的上导磁板、下导磁板，且其半径略大于所述永磁棒或激磁线圈的安装半径；所述两根永磁棒充磁方向均为轴向，且方向相同；所述的两个激磁线圈的绕制方向相同，其电流方向也相同；所述永磁棒或激磁线圈的长度略短于所述超磁致伸缩棒的长度，使安装后的永磁棒或激磁线圈的顶面与上导磁板的底面之间留有空隙，在该空隙中填充有非导磁的黏胶，并在其中粘贴固定霍尔元件；所述的超磁致伸缩棒上绕有感应线圈；上导磁板通过螺钉组合安装在承载块上，下导磁板通过底面螺钉安装在底座上，外罩通过侧面螺钉安装下导磁板上，并把底座上的各零件封装为整体，但所述承载块突出于封装外罩的上表面。
2. —种大量程传感器组合，其特征在于其由权利要求1所述的超磁 致伸縮压力传感器为基本单元构造，其具体构造是 一块承力板平放在个传 感器基本单元I的所述承载块上，并依靠连接杆定位；每个传感器基本单元用螺柱组件固定在传感器组合底座上；所述连接杆的下端用螺纹与传感器组合底座连接，上端用螺母与所述承力板固定，从而构成传感器组合整体。
全文摘要
本发明涉及一种超磁致伸缩压力传感器，其特征在于传感器底座内圆上垂直均布有三根超磁致伸缩棒，其外圈垂直对称布置有两根永磁棒或两个激磁线圈；它们的上、下方分别安装有圆盘形上、下导磁板，且其半径略大于永磁棒或激磁线圈的安装半径；两根永磁棒充磁方向均为轴向，且方向相同；两个激磁线圈的绕制方向相同，其电流方向也相同；永磁棒或激磁线圈的长度略短于超磁致伸缩棒的长度，使永磁棒或激磁线圈的顶面与上导磁板的底面之间留有空隙，其间填充有非导磁的黏胶，并粘贴霍尔元件；超磁致伸缩棒上绕有感应线圈；上导磁板安装在承载块上，下导磁板安装在底座上，外罩安装下导磁板上，并把底座上的各零件封装为整体，但所述承载块突出于封装外罩的上表面。
文档编号G01L1/12GK101153824SQ20071005953
公开日2008年4月2日 申请日期2007年9月7日 优先权日2007年9月7日
发明者刘福贵, 周晓冬, 煜 夏, 张顺心, 杨庆新, 樊长在, 童保林, 闫荣格 申请人:河北工业大学;秦皇岛市科技投资公司