专利名称：一种微米级被动式动态位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种微米级被动式动态位移传感器。
背景技术：
位移传感器是传感器的一种，它是把位移量转换为电量的传感器。位移传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，它在工业自动化、军事、医疗、国防等各个领域具有广泛的应用。目前，市场上的位移传感器的种类多种多样，有激光位移传感器、电感式位移传感器，电容式位移传感器，霍尔式位移传感器等。这些传感器适应不同种类的测量需求，但总体分析看来，这些传感器属于主动式传感器，需要能量消耗；同时，这些传感器在成本、精度和测量稳定性这三个要素之间存在矛盾，因此一种成本低、精度高、工艺简单的新型位移传感器具有广泛应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对市场上位移传感器一些缺点，提供一种低成本，高精度，工艺简单，不需要消耗能量，电压-位移线性关系很好的微米级被动式动态位移测量器件。为此，本发明采用的技术方案是一种微米级被动式动态位移传感器，其特征在于它包括复合磁电层、永磁铁、铁轭，铁轭分为左右两部分，复合磁电层和永磁铁呈上下关系，置于铁轭左右部之间；永磁铁和铁轭构成磁回路，复合磁电层带有电压输出装置。进一步的说，所述铁轭左右部的形状分别为“ F ”和反向的“ F ”。进一步的说，所述复合磁电层和永磁铁分别置于所述铁轭左右部“ F ”和反向的“ F ”部的两横线之间，两者的上下关系可调换。进一步的说，所述复合磁电层，采用压电材料层和磁致伸缩材料层组合而成的空间层状复合结构。进一步的说，所述的复合磁电层的空间层状复合结构，可以为双层，也可以为多层，每层之间用导电胶粘接或者用电镀的方法实现机械耦合。进一步的说,所述磁致伸缩材料层是Terfenol-D合金构成,所述的压电材料层是PMN-PT晶体构成。本发明的工作原理是运用了所有磁回路的总磁通量在该器件中守恒的原理和复合磁电层的磁电效应，可移动钢片的位移变化，导致磁回路中磁通量的变化；根据磁电效应,磁回路中磁通量的变化导致磁致伸缩/压电复合磁电层产生输出电压,通过测量磁致伸缩/压电复合磁电层输出电压的大小来测量钢片位移的变化。由磁回路中磁通量守恒定律有B=B--B2:(1)其中B2分别为通过复合磁电层的磁感应强度与通过钢片的磁感应强度。同时B2正比于钢片的位移。
施加在复合磁电层上的偏置磁场可由公式(2 )表不(2)其中M表示复合磁电层的磁化强度，i!表示磁导率。复合磁电层的磁电效应可表示为&... = H'/说(3)由公式(3 )可知，复合磁电层的输出电压正比于施加在复合磁电层的偏置磁场。由公式(I )、( 2 )、( 3)可知，复合磁电层的输出电压与钢片的位移具有很好的线性关系。 该传感器具有成本低，精度高，工艺简单，精度可以达到微米级，在工业自动化、军 事、医疗、生物等领域具有很广泛的应用前景。
以下结合附图
和实施例对本发明做进一步详细的描述。图I出示了条形压电材料和磁致伸缩材料双层复合结构示意图；图2出示了条形压电材料和磁致伸缩材料多层复合结构示意图；图3出示了圆片形压电材料和磁致伸缩材料双层复合结构示意图；图4出示了圆片形压电材料和磁致伸缩材料多层复合结构示意图；图5出示了圆环形压电材料和磁致伸缩材料双层复合结构示意图；图6出示了圆环形压电材料和磁致伸缩材料多层复合结构示意图；图7出示了被动式微位移传感器工作原理图；图8出示了复合磁电层输出电压随位移变化的动态响应曲线；图9出示了被动式动态位移传感器的输出电压与位移变化的响应曲线。
具体实施例方式参见附图。本实施例包括压电材料层(I)、磁致伸缩材料层(2)、永磁铁(3)、铁轭(4 )、复合磁电层(5 )、可移动钢片(6 )，压电材料层(I)和磁致伸缩材料层(2 )组成复合磁电层(5)，其空间层状复合结构如图I 一图6所示，可以为双层，也可以为多层，每层之间用导电胶粘接或者用电镀的方法实现机械耦合；如图7所示，铁轭(4)分为左右两部分，复合磁电层(5)和永磁铁(3)呈上下关系，置于铁轭(4)左右部中间；永磁铁(3)和铁轭(4)构成的磁回路。将可移动钢片(6)固定在激振器上，使可移动钢片(6)的位移发生变化。利用激光应变仪测量钢片(6)的位移，并使用示波器测量复合磁电材料(5)的输出电压。保持钢片的振动频率不变，测量复合磁电层的输出电压与钢片位移的关系，图8所示其电压随位移变化的动态响应曲线，横坐标是时间，左纵坐标是复合磁电层的输出电压，右纵坐标是钢片位移；(U)代表在时间的变化下的电压变化，(S)代表在时间的变化下的位移变化；(U)和(S)在是时间的变化下变化规律相同，由此可知，输出电压和位移呈线性关系；图9所示其输出电压与位移变化的响应曲线，横坐标是钢片的振幅，纵坐标是复合磁电层的输出电压；输出电压随着振幅的增长而增长，且在不同振动频率下，输出电压和振幅的曲线几乎重合；可知，输出电压和振幅呈线性关系，且与振动频率无关；由此可知，该位移传感器具有很好的线性关系。该实施例采用了磁致伸缩材料一压电材料一磁致伸缩材料的层状空间结构，并选用PMN-PT晶体作为复合磁电层(5)的压电材料层(I )，Terfenol-D合金作为磁致伸缩材料层(2)。PMN-PT晶体的尺寸为12X6X1 mm3，Terfenol-D合金的尺寸为12X6X1 mm3。三层材料之间用导电环氧树脂胶粘接，实现机械耦合。从上下两层压电材料的外表面和中间层的磁致伸缩材料弓I出电极。
这种被动式动态位移传感器具有成本低、测量精度高、能耗小、环保、工艺简单、可实时动态测量等优点。
权利要求
1.一种微米级被动式动态位移传感器，其特征在于它包括复合磁电层、永磁铁、铁轭，铁轭分为左右两部分，复合磁电层和永磁铁呈上下关系，置于铁轭左右部之间；永磁铁和铁轭构成磁回路，复合磁电层带有电压输出装置。
2.如权利要求I所述的ー种微米级被动式动态位移传感器，其特征在于所述铁轭左右部的形状分别为“ F ”和反向的“ F ”。
3.如权利要求2所述的ー种微米级被动式动态位移传感器，其特征在于复合磁电层和永磁铁分别置于所述铁轭左右部“ F ”和反向的“ F ”部的两横线之间，两者的上下关系可调换。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种微米级被动式动态位移传感器，其特征在于所述复合磁电层，采用压电材料层和磁致伸缩材料层组合而成的空间层状复合结构。
5.如权利要求4所述的ー种微米级被动式动态位移传感器，其特征在于所述的复合磁电层的空间层状复合结构，可以为双层，也可以为多层，每层之间用导电胶粘接或者用电镀的方法实现机械耦合。
6.如权利要求4所述的ー种微米级被动式动态位移传感器，其特征在于所述磁致伸缩材料层是Terfenol-D合金构成,所述的压电材料层是PMN-PT晶体构成。
7.如权利要求5所述的ー种微米级被动式动态位移传感器，其特征在于所述磁致伸缩材料层是Terfenol-D合金构成,所述的压电材料层是PMN-PT晶体构成。
全文摘要
本发明公开一种微米级被动式动态位移传感器，它包括复合磁电层、永磁铁、铁轭，铁轭分为左右两部分，复合磁电层和永磁铁呈上下关系,置于铁轭左右部之间；永磁铁和铁轭构成磁回路，复合磁电层带有电压输出装置。该传感器具有成本低，精度高，工艺简单，精度可以达到微米级，在工业自动化、军事、医疗、生物等领域具有很广泛的应用前景。
文档编号G01B7/02GK102679857SQ201210146940
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月13日 优先权日2012年5月13日
发明者武峥, 贾艳敏, 项智慧, 马柯 申请人:浙江师范大学