吸收振动的作用。激励线圈C-2位于探测器外壳C-4内部，同时保持较好的同心配合。传感器的支撑层C-3位于激励线圈C-2的内部下半部部分。在传感器的支撑层C-3的上表面安装磁电传感器C-1。传感器与线圈引线C-5连接到显示面板B中的控制电路。磁电传感器C-1的结构如图4或者图5所示，图4中磁电传感器由压电层1、压磁层2和3、柔性电极和引线4组成的三明治结构;其中压电层为一个压电PMN-PT单晶片，压磁层由5层非晶软磁Me tg 1 as叠成，各组成部分用环氧树脂粘结而成。图5中为差分式结构磁电传感器，主要由Metglas 1、顶层压电单晶PMN-PT 2、底层压电单晶PMN-PT3和电极引线4构成。差分式磁电传感器最大的优势在于可以很大程度上消除环境振动对传感器产生的影响，增加传感器的稳定性和可靠性。
[0045]如图6所示，上述磁性金属探测器在工作时，先由电池给信号发生电路(振荡电路)供电，使信号发生电路跟激励线圈提供特定工作频率的激励信号和偏置电压，磁电传感器因谐振磁电耦合产生相应的输出电压信号，该电压信号经过滤波、放大等处理传输至MCU微程序控制器。当有磁性金属靠近时，一方面，激励线圈的感抗发生变化，线圈中的电流也相应变化，磁电传感器周围的交流磁场改变，从而使电压信号改变；另一方面，磁电传感器感应到的偏置磁场也发生了变化，结果使谐振磁电耦合和相应的电压信号发生较大变化。当电压信号变化值超过事先设置的阈值时，MCU微程序控制器触发LED或蜂鸣报警器，以提示操作人附近有金属存在。操作人还可通过LED灯闪烁的快慢或蜂鸣器声音的大小来判断金属磁性的强弱、从而感知磁性金属物的大小。
[0046]本实施例提供的磁性金属探测传感器，可通过调节信号发生电路的频率、电压幅值和偏置，使磁电传感器工作在它的谐振磁电耦合状态。磁性金属靠近时，不仅造成线圈感抗的变化，也改变了施加到磁电传感器上的偏置磁场。这两个因素的共同作用，使得磁电传感器表现出比传统线圈具有更高灵敏度的金属探测能力。
[0047]另外，本发明提供的磁性金属探测传感器结构紧凑，轻巧，同时棒状的磁电传感器其横向尺寸可小至1_或更小;探测传感器的整体可做成2mm宽、5-20cm长或更小的尺寸。
[0048]在本实施例中磁电传感器选择三明治结构，其中压电材料为30毫米长、1毫米宽和
0.2毫米厚的PMN-PT压电单晶;磁致伸缩材料为经过激光处理、长为100毫米的CoFeSiB非晶软磁材料Metglas多层细棒。在调试时，信号发生电路提供的频率为23.4kHz、输出电压幅值2-3V、电压偏置0.10-0.20V.在谐振磁电耦合状态下，磁电传感器的磁电耦合系数达到了2230V/(cm*0e)。当用一个直径为5mm的钢珠沿着磁电传感器的轴向方向靠近，在距离传感器端部6cm处，可引起磁电传感器输出的电压信号的变化幅值超过10%。
[0049]需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1.一种磁性金属探测传感器，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。2.如权利要求1所述磁性金属探测传感器，其特征是，所述磁致伸缩材料为铁基非晶软磁材料Metglas、铺镝铁Terfenol-D、铁-镓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。3.如权利要求2所述磁性金属探测传感器，其特征是，所述铁基非晶软磁材料Metglas由激光进行辐射处理以提高其机械品质因子Q值，再粘接形成压磁层。4.如权利要求1所述磁性金属探测传感器，其特征是，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。5.如权利要求1所述磁性金属探测传感器，其特征是，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。6.如权利要求1所述磁性金属探测传感器，其特征是，所述磁电传感器的结构为层状复合结构。7.如权利要求1所述磁性金属探测传感器，其特征是，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； 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； 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； 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。8.如权利要求1所述磁性金属探测传感器，其特征是，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。9.如权利要求1所述磁性金属探测传感器，其特征是，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。10.如权利要求9所述磁性金属探测传感器，其特征是，所述触发报警为蜂鸣器报警方式或LED显示报警方式。
【专利摘要】本发明公布了一种磁性金属探测传感器，包括磁电传感器和信号发生装置，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，使得磁电传感器具有高的磁探测灵敏度；信号发生装置由信号发生电路与激励线圈组成；磁电传感器外绕激励线圈，通过信号发生装置提供的交变和偏置磁场，使磁电传感器输出相应的磁电耦合电压信号。探测得到的信号可通过多种方式输出展示。本发明制作工艺简单，结构紧凑轻巧，便于携带和手持操作，可有效应用到金属尤其是磁性金属探测领域；在金属探测成像上也有很高应用价值。
【IPC分类】G01V3/08
【公开号】CN105487125
【申请号】CN201510993735
【发明人】董蜀湘, 石花朵, 储昭强, 王蕾
【申请人】北京大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月25日