一种磁性金属探测传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属探测设备，尤其涉及一种新型磁性金属探测传感器。
【背景技术】
[0002]金属探测器广泛应用于工业生产、食品检测、安全检查等方面，可以检测出地下、工业产品和人体身上的金属物，是一种重要的探测设备。目前，主流的金属探测器是利用电磁感应的原理一一利用激励线圈产生交变磁场，当有金属物靠近时会产生涡流磁场，而被探测线圈所感知。为了提高探测能力，一般有两种方法:一种是通过增大激励与探测线圈的面积来实现，但这限制了金属探测器向结构紧凑、轻便、探测灵活的方向去发展，尤其是针对一些特殊的空间位置，如狭缝、深沟，现有的金属探测器进行探测操作不方便，难以完成探测任务;另一种是通过大幅度提高工作频率来实现，但这对电路要求较高，过高的工作频率也限制了探测距离。
[0003]针对磁性金属的测量，一般有感应线圈、磁通门传感器、霍尔器件、光栗磁强计、核旋进磁强计和磁阻传感器等设备。其中，感应线圈精度高，但是只能获取磁场信号的变化率，不适用于低频测量，而且体积较大不利于小型化;磁通门传感器体积小，但是功耗大、抗冲击性不强、探测距离较近;霍尔器件成本低，可用于低频测量，工作温度范围宽，但是探测灵敏度不高;光栗和核旋进磁强计的灵敏度高，但是它对工作条件要求苛刻、附属设备多、成本较高、功耗大，这些缺点限制了其广泛应用;磁阻传感器具有功耗低、体积小等优点，但其探测距尚还有待进一步提尚。
[0004]综上所述，利用现有的金属探测器进行探测，存在着不便于携带、操作不方便、难以完成探测任务的不足，或者存在着需要工作频率高、设备成本高的问题。针对磁性金属的探测，现有技术还无法提供一种能用于低频、灵敏度较高、探测距离较远、功耗较小、成本低又轻便的磁性金属探测器。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种磁性金属探测器，包括具有高灵敏度的磁电传感器和信号发生装置，无需大面积或多匝数的激励与探测线圈，有效减小了磁探测器的尺寸与重量，并具有功耗低，结构紧凑、轻巧、操作简单，和便于携带等特点；同时对测试条件要求不高，室温下便具有很高的磁感应灵敏度;磁探测器可以设计成细棒结构，便于对一些深孔、裂缝等内部部位进行更加灵活的有效探测。
[0006]本发明的原理是:通过磁电传感器与信号发生装置的结合，实现对金属特别是磁性金属的有效探测。磁电传感器由磁致伸缩材料和压电材料复合构成，通过磁致伸缩材料的压磁效应和压电材料的压电效应，在谐振振动状态下实现磁场与电场的强耦合。首先设计制备具有强磁-电耦合的细棒状结构磁电传感器，再外绕一个螺旋管线圈用于磁信号激励。信号发生装置通过激励线圈为磁电传感器提供特定频率的交变和偏置磁场，使磁电传感器工作在它的谐振振状态并产生相应的磁电耦合电压信号输出。当一个被检测的磁性金属接近磁探测器时，因互感效应它可以引起激励线圈的感抗发生变化，使线圈中的交变电流产生变化，结果导致磁电传感器的电压输出发生变化;同时，磁性金属物又对磁电传感器产生一个磁偏置效应，这又改变了磁电传感器原来的偏置磁场；因磁电传感器的谐振状态对偏置磁场十分敏感，这再次导致磁电传感器的电压输出发生大的变化。传统的线圈探测方法是基于第一种效应:线圈感抗变化;而本发明提供的磁电传感器是基于感抗变化以及磁电耦合谐振状态变化的结合效应，从而使本发明提供的磁性金属探测传感器对磁性金属物更敏感、磁探测距离也更远。
[0007]本发明提供的技术方案是:
[0008]—种磁性金属探测磁电传感器，包括磁电传感器和信号发生装置，所述磁电传感器由磁致伸缩材料和压电材料构成，由磁致伸缩材料的压磁效应和压电材料的压电效应及其在谐振振动状态下强的磁电耦合效应，使得所述磁电传感器具有高的磁探测灵敏度;所述信号发生装置由信号发生电路与激励线圈组成;所述磁电传感器外绕所述激励线圈，通过信号发生装置提供的交变和偏置磁场，使所述磁电传感器输出相应的磁电耦合电压信号。
[0009]针对上述磁性金属探测传感器，进一步地，所述磁致伸缩材料为Fe基非晶软磁材料(Metglas)、铺镝铁合金(Terfenol-D)、铁-镓合金(Fe_Ga)中的一种或多种；由一层或多层所述磁致伸缩材料粘接形成压磁层。本发明实施例中，Fe基非晶软磁材料(Metglas)为CoFeSiB非晶软磁材料Metglas。所述非晶软磁材料Metglas可由适当强度激光福射处理以提高其机械品质因子Q值，再粘接形成压磁层。
[0010]针对上述磁性金属探测传感器，进一步地，所述压电材料为压电单晶PMN-PT、压电单晶PZN-PT、压电陶瓷PZT、压电陶瓷KNN、压电高分子PVDF中的一种或多种；由一层或多层所述压电材料粘接形成压电层;所述压电层的多个压电片沿着横向或纵向分布，极化方向为沿厚度方向或轴向方向。
[0011 ]针对上述磁性金属探测传感器，进一步地，在所述压电材料的顶部和底部均粘上柔性电极，用于引出压电材料产生的磁电耦合电压信号;所述柔性电极为全电极或叉指电极。
[0012]针对上述磁性金属探测传感器，进一步地，所述磁电传感器的结构为层状复合结构。所述层状复合结构包括三明治结构、双层结构和差分式结构。
[0013]所述三明治结构具体是:由一层压电层和两层压磁层通过粘接形成，所述一层压电层置于所述两层压磁层之间，且具有对称性;在交变磁场的作用下，所述压磁层产生纵向伸缩，并且带动所述压电层产生长度方向的伸缩，通过压电效应得到电压信号；
[0014]所述双层结构具体是:由一层压电层和一层压磁层通过粘接形成；在交变磁场的作用下，所述压磁层产生纵向伸缩，并且带动所述压电层产生纵-弯应变，通过压电效应得到电压信号；
[0015]所述差分式结构具体是:由一层非晶软磁材料Metglas和两层压电单晶PMN-PT构成，所述两层压电单晶PMN-PT分别为顶层压电单晶PMN-PT和底层压电单晶PMN-PT，一层非晶软磁材料Metglas置于两层压电单晶PMN-PT的中间。
[0016]针对上述磁性金属探测传感器，进一步地，所述磁性金属探测传感器具有细长的棒状结构;所述棒状结构的纵横尺寸比为3-100。
[0017]上述磁性金属探测传感器还包括信号处理部分，所述信号处理部分包括信号采集器和微程序控制器;所述信号采集器用于收集由磁电传感器因谐振磁电耦合产生的输出电压信号;所述微程序控制器接收电压信号并触发报警。触发报警为选择蜂鸣器报警方式或LED显示报警方式。
[0018]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0019]本发明提供的金属尤其是磁性金属探测传感器，通过磁电传感器与信号发生装置的结合，实现对磁性金属的有效探测;探测得到的信号可通过多种方式输出展示。磁性金属既可以改变线圈的感抗，使线圈中的交变电流产生变化，又可以改变偏置磁场，进一步改变磁电传感器的磁电耦合谐振状态，从而使电压输出信号发生大的变化。不像传统电磁感应线圈，为了获得大的磁通变化，需要绕制多匝数、大尺寸线圈才能获得高的灵敏度;磁性金属探测磁电传感器中的传感部分可以做成细长棒