專利名稱：一種超磁致伸縮壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力傳感器技術(shù)，具體為一種超磁致伸縮壓力傳感器，國(guó)際專利分類號(hào)擬為Int.Cl.G01L 9/00 (2006.01) 技術(shù)背景壓力傳感器在工業(yè)上有著廣泛地應(yīng)用。目前壓力傳感器應(yīng)用較多的是電阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器。 電阻式壓力傳感器在測(cè)試應(yīng)用時(shí)必須將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上或者傳感器 的彈性元件上，因此，粘合劑的性能將直接影響應(yīng)變計(jì)的工作特性，容易產(chǎn) 生測(cè)量誤差。此外，電阻式壓力傳感器主要用于靜力和低頻動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。 壓電式壓力傳感器主要用于動(dòng)態(tài)力的測(cè)量，因其測(cè)量信號(hào)隨時(shí)間衰減的很 快，不宜用于靜態(tài)力的測(cè)量。另外，壓電材料的抗壓強(qiáng)度只有4MPa，所以 用壓電材料制作的壓力傳感器量程較小，使用范圍受到限制。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，設(shè)計(jì)一種超磁致伸 縮壓力傳感器，該壓力傳感器具有輸出功率大，測(cè)試信號(hào)準(zhǔn)確，過(guò)載能力 強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便，適應(yīng)惡劣工作環(huán)境，同時(shí)適于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力的測(cè) 量，可以采用電流激磁也可采用永磁激磁等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種超磁致伸縮壓力傳 感器，其特征在于所述傳感器的底座的內(nèi)圓上垂直均布有三根超磁致伸縮棒，其外圈垂直對(duì)稱布置有兩根永磁棒或兩個(gè)激磁線圈；所述兩根永磁棒或兩個(gè)激磁線圈的上、下方分別安裝有圓盤(pán)形軟磁材料的上導(dǎo)磁板、下導(dǎo)磁板，且其半徑略大于所述永磁棒或激磁線圈的安裝半徑；所述兩根永磁棒充 磁方向均為軸向，且方向相同；所述的兩個(gè)激磁線圈的繞制方向相同，其電 流方向也相同；所述永磁棒或激磁線圈的長(zhǎng)度略短于所述超磁致伸縮棒的長(zhǎng)
度，使安裝后的永磁棒或激磁線圈的頂面與上導(dǎo)磁板的底面之間留有空隙， 在該空隙中填充有非導(dǎo)磁的黏膠，并在其中粘貼固定霍爾元件；所述的超磁致伸縮棒上繞有感應(yīng)線圈；上導(dǎo)磁板通過(guò)螺釘組合安裝在承載塊上，下導(dǎo)磁板通過(guò)底面螺釘安裝在底座上，外罩通過(guò)側(cè)面螺釘安裝下導(dǎo)磁板上，并把底 座上的各零件封裝為整體，但所述承載塊突出于封裝外罩的上表面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述超磁致伸縮壓力傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)因 為超磁致伸縮壓力傳感器實(shí)施例采用了兩個(gè)霍爾元件和三個(gè)感應(yīng)線圈測(cè)量磁 變化信號(hào)，所以傳感器靈敏度，精度高；因?yàn)榭刹捎萌我舛鄠€(gè)超磁致伸縮壓 力傳感器基本單元I的組合，所以傳感器量程大，且可調(diào)；因?yàn)樵O(shè)計(jì)分別采 用霍爾元件取靜磁場(chǎng)的信號(hào)和采用感應(yīng)線圈提取變化磁場(chǎng)的信號(hào)，所以該傳 感器既適用于靜態(tài)力測(cè)量，也適用于動(dòng)態(tài)力測(cè)量；由于超磁致伸縮材料的相 對(duì)磁導(dǎo)率較低，導(dǎo)磁性能差，而材料的尺寸較大，漏磁嚴(yán)重，因此在壓力傳 感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用磁性能良好的軟磁材料做上導(dǎo)磁板和下導(dǎo)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處的磁場(chǎng)盡量均 勻，這樣不但可以提高超磁致伸縮材料的利用率，減小材料內(nèi)部應(yīng)力，而且 還可以提高整個(gè)壓力傳感器的靈敏度、精度和線性度；本發(fā)明可以采用永久 磁鐵提供超磁致伸縮壓力傳感器的偏置磁場(chǎng)，所以不需激磁線圈和供電系 統(tǒng)，不耗電，不存在線圈發(fā)熱的問(wèn)題，且使用壽命長(zhǎng)，可以長(zhǎng)期無(wú)維護(hù)運(yùn) 行；本發(fā)明也可采用電流激磁方式，其提供的偏置磁場(chǎng)可調(diào)、工作電壓也較 低，具有優(yōu)良的安全性能和可以反復(fù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)；因?yàn)槌胖律炜s材料居里 溫度較高，為360 — 39(TC，工作溫度較寬，即使加熱到居里溫度以上，也 只是瞬時(shí)地失去磁致伸縮特性而不會(huì)產(chǎn)生永久的退極化，可適用于高溫等惡 劣工作環(huán)境，當(dāng)冷卻到居里點(diǎn)溫度以下時(shí)，其磁致伸縮特性又可完全恢復(fù)， 故無(wú)過(guò)熱失效問(wèn)題；超磁致伸縮材料機(jī)械響應(yīng)時(shí)間僅百萬(wàn)分之一秒，比人的 思維還快，因此制作的力傳感器響應(yīng)速度快；因?yàn)槌胖律炜s材料同一磁場(chǎng) 下，隨著應(yīng)力的增大到一定值，相對(duì)磁導(dǎo)率將趨于不變，而且稀土鐵超磁致 伸縮材料的壓縮屈服應(yīng)力高達(dá)700Mpa，可經(jīng)受住700MPa的壓力而不損壞， 所以超磁致伸縮壓力傳感器具有很高的承載能力，而且過(guò)載能力強(qiáng)；因?yàn)樵?傳感器無(wú)需粘貼應(yīng)變片，不需要中間耦合介質(zhì)，在設(shè)計(jì)制造和安裝方法上相 對(duì)簡(jiǎn)單。本發(fā)明采用以上措施后，感測(cè)信號(hào)輸出功率已經(jīng)足夠大，以至不需要信號(hào)放大系統(tǒng)或?qū)Ψ糯蟓h(huán)節(jié)要求降低，簡(jiǎn)化了裝置結(jié)構(gòu)，提高了精度，這 也是本發(fā)明傳感器優(yōu)于壓電式傳感器之處。


圖1為本發(fā)明超磁致伸縮壓力傳感器一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)主視圖； 圖2為本發(fā)明超磁致伸縮壓力傳感器一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖3為本發(fā)明4個(gè)超磁致伸縮壓力傳感器一種組合方式的實(shí)施例主視 圖(剖視圖)；圖4為本發(fā)明4個(gè)超磁致伸縮壓力傳感器一種組合方式，但拆去承力 板18和螺母20后的實(shí)施例俯視圖；圖5為本發(fā)明超磁致伸縮壓力傳感器選用的超磁致伸縮材料在不同壓 應(yīng)力下相對(duì)磁導(dǎo)率與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明本發(fā)明設(shè)計(jì)的超磁致伸縮壓力傳感器(以下簡(jiǎn)稱傳感器)實(shí)施例(參見(jiàn)圖1、 2所示)，其特征在于所述傳感器的底座2的內(nèi)圓上垂直均布有三根 超磁致伸縮棒6，其外圈垂直對(duì)稱布置有兩根永磁棒5或兩個(gè)激磁線圈17; 所述兩根永磁棒5或兩個(gè)激磁線圈17的上、下方分別安裝有圓盤(pán)形軟磁材 料的上導(dǎo)磁板8、下導(dǎo)磁板3，且其半徑略大于所述永磁棒5或激磁線圈17 的安裝半徑；所述兩根永磁棒5充磁方向均為軸向，且方向相同；所述的兩 個(gè)激磁線圈17的繞制方向相同，其電流方向也相同；所述永磁棒5或激磁 線圈17的長(zhǎng)度略短于所述超磁致伸縮棒6的長(zhǎng)度，使安裝后的永磁棒5或 激磁線圈17的頂面與上導(dǎo)磁板8的底面之間留有空隙，在該空隙中填充有 非導(dǎo)磁的黏膠，并在其中粘貼固定霍爾元件14;所述的超磁致伸縮棒6上 繞有感應(yīng)線圈13;上導(dǎo)磁板8通過(guò)螺釘組合安裝在承載塊9上，下導(dǎo)磁板3 通過(guò)底面螺釘安裝在底座2上，外罩7通過(guò)側(cè)面螺釘4安裝下導(dǎo)磁板3上， 并把底座2上的各零件封裝為整體，但所述承載塊9突出于封裝外罩7的上 表面。
本發(fā)明傳感器的進(jìn)一步信息是實(shí)施例所述的下導(dǎo)磁板3用4個(gè)底面螺釘 1安裝在傳感器的底座2上，永磁棒5或激磁線圈17及超磁致伸縮棒6用 粘接劑與下導(dǎo)磁板3連接；同樣，上導(dǎo)磁板8也是用粘接劑與超磁致伸縮棒 6連接，承載塊9用螺釘組合(10、 11、 12)與上導(dǎo)磁板8連接，外罩7用 側(cè)面螺釘4與下導(dǎo)磁板3連接，并把底座2上的各零件封裝為整體，但所述 承載塊9突出于封裝外罩7的上表面。工作時(shí)，施加的壓應(yīng)力通過(guò)承載塊 9施加到上導(dǎo)磁板8上，再施加到超磁致伸縮棒6上；永磁棒5的長(zhǎng)度略短 于超磁致伸縮棒6的長(zhǎng)度，使永磁棒5和上導(dǎo)磁板8之間保留一空隙，在該 空隙中填充有非導(dǎo)磁的黏膠，并在其中粘貼固定霍爾元件14，以便測(cè)量靜 態(tài)壓力；同時(shí)在所述超磁致伸縮棒6上繞上感應(yīng)線圈13，用于測(cè)量動(dòng)態(tài)壓 力。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明傳感器實(shí)施例所述的霍爾元件14和感應(yīng)線圈13 是同時(shí)安裝的，但也可單獨(dú)安裝其中的一個(gè)，也即本發(fā)明傳感器不排除安裝 其中一個(gè)的設(shè)計(jì)。當(dāng)僅要求測(cè)量靜態(tài)壓力時(shí)，傳感器就可只安裝霍爾元件 14;當(dāng)僅要求測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力時(shí)，傳感器就可只安裝感應(yīng)線圈13;當(dāng)要求既 能測(cè)量靜態(tài)壓力又能測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力時(shí)，就需要同時(shí)安裝霍爾元件14和感應(yīng) 線圈13。本發(fā)明所述的超磁致伸縮棒6是由主要成分為T(mén)b-Dy-Fe的稀土鐵超磁 致伸縮材料制成，可從市場(chǎng)直接購(gòu)得。所述的稀土鐵超磁致伸縮材料是指一 種可以將機(jī)械能和磁能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的新型功能材料，具有磁機(jī)械耦合系數(shù) 高、響應(yīng)速度快、能量密度高等優(yōu)異特性。本發(fā)明傳感器利用的是新型稀土 鐵超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應(yīng)。所述超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效 應(yīng)是指在一定磁場(chǎng)中，給磁性體施加外力作用，其磁化強(qiáng)度發(fā)生變化的現(xiàn) 象。其工作原理為當(dāng)向超磁致伸縮材料(超磁致伸縮棒)上施加壓應(yīng)力 時(shí)，它的磁特性(磁導(dǎo)率)會(huì)立即發(fā)生變化，導(dǎo)致所述磁結(jié)構(gòu)中的磁場(chǎng)分布 發(fā)生變化，根據(jù)該變化即可確定出所施加應(yīng)力的大小。如果測(cè)定的應(yīng)力為靜 態(tài)力，則可通過(guò)在磁結(jié)構(gòu)的空氣隙處安裝霍爾元件14監(jiān)測(cè)該處的磁感應(yīng)強(qiáng) 度(如圖l所示)，從而得知施加在超磁致伸縮材料上的壓應(yīng)力；如果測(cè)定的 應(yīng)力為動(dòng)態(tài)力，則可在磁結(jié)構(gòu)的某處，如超磁致伸縮棒6上繞上感應(yīng)線圈 13取得檢測(cè)信號(hào)(如圖1和圖2所示)，得知施加的動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力。
本發(fā)明傳感器所述超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應(yīng)與外加的偏置磁場(chǎng) 有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)，要首先測(cè)試超磁致伸縮材料在不同壓應(yīng)力下的磁特性與磁場(chǎng) 的變化關(guān)系，以確定材料的最佳偏置磁場(chǎng)和施加的壓應(yīng)力范圍，從而確定其 它磁元件如永磁材料(或線圈)、導(dǎo)磁板材料等的特性和尺寸。其中永磁鐵 提供超磁致伸縮壓力傳感器的偏置磁場(chǎng)，兩根永磁棒的尺寸相同，充磁方向 都為軸向，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。當(dāng)偏置磁場(chǎng)較小時(shí)，超磁致伸縮材料的相對(duì)磁導(dǎo)率隨壓應(yīng)力的變化較 大，制作的力傳感器靈敏度高，而當(dāng)偏置磁場(chǎng)較大時(shí)，材料的相對(duì)磁導(dǎo)率隨 著施加壓應(yīng)力的增大而減小緩慢，基本與壓應(yīng)力無(wú)關(guān)，力傳感器靈敏度降 低，甚至不能工作。因此，制作的超磁致伸縮力傳感器的偏置磁場(chǎng)宜選在低場(chǎng)范圍內(nèi)，例如對(duì)美國(guó)Etrema公司生產(chǎn)的超磁致伸縮棒的偏置磁場(chǎng)宜選在 20kA/m以下(參見(jiàn)圖5)。另外當(dāng)磁場(chǎng)較小時(shí)，在一定的壓應(yīng)力范圍內(nèi)，超磁致伸縮材料的相對(duì)磁 導(dǎo)率在不同壓應(yīng)力下變化較大；隨著施加壓應(yīng)力的增大超磁致伸縮材料的相 對(duì)磁導(dǎo)率減小緩慢，最后趨于不變，這時(shí)的壓應(yīng)力為超磁致伸縮力傳感器的 最大測(cè)量值，例如利用美國(guó)Etrema公司生產(chǎn)的超磁致伸縮棒制作的力傳感 器的最大測(cè)量值為18MPa (參見(jiàn)圖5)。對(duì)于不同批次、廠家的超磁致伸縮材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率與壓應(yīng)力的關(guān)系 特性是不同的。因此，需要根據(jù)設(shè)計(jì)的力傳感器的測(cè)力范圍、靈敏度和尺寸 的要求，對(duì)具體的超磁致伸縮材料進(jìn)行具體分析，確定其工作點(diǎn)的偏磁磁 場(chǎng)，因?yàn)榧?lì)過(guò)小或過(guò)大都會(huì)使靈敏度降低。例如對(duì)利用美國(guó)Etrema公司 生產(chǎn)的超磁致伸縮棒的偏置磁場(chǎng)宜選在10-20kA/ro，制作的力傳感器的最大 測(cè)量值為18MPa。這時(shí)，可以通過(guò)選用不同截面積的超磁致伸縮棒來(lái)獲得力 傳感器不同的壓力測(cè)量范圍。本發(fā)明傳感器工作的偏置磁場(chǎng)可以采用電流激磁提供，也可采用永久磁 鐵提供。由于永磁激磁提供的磁場(chǎng)穩(wěn)定，響應(yīng)快，節(jié)能，不需激磁線圈和供 電系統(tǒng)，所以具有不耗電，不存在線圈發(fā)熱的問(wèn)題，可以長(zhǎng)期無(wú)維護(hù)運(yùn)行等 優(yōu)點(diǎn)，而且在設(shè)計(jì)和制造相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低廉。本發(fā)明實(shí)施例采用了永久磁 鐵提供傳感器工作所需的偏置磁場(chǎng)。當(dāng)要求提供的偏置磁場(chǎng)可調(diào)、需要進(jìn)行 反復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，本發(fā)明傳感器也可采用電流激磁來(lái)提供傳感器工作所需的偏置 磁場(chǎng)。這時(shí)可以采用在圖2所示的兩個(gè)永磁棒5位置分別用兩個(gè)激磁線圈17來(lái)代替，這兩個(gè)激磁線圈的繞制方向相同，其電流方向也相同。本發(fā)明所述傳感器的結(jié)構(gòu)左右方向?qū)ΨQ。當(dāng)在三根超磁致伸縮棒6上施 加一個(gè)壓應(yīng)力時(shí)，每根超磁致伸縮棒6會(huì)均勻分擔(dān)該壓應(yīng)力，使其磁導(dǎo)率發(fā) 生變化。在磁結(jié)構(gòu)中磁動(dòng)勢(shì)不變的條件下，磁結(jié)構(gòu)中的磁通就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的 變化，從而感知該壓應(yīng)力。本發(fā)明傳感器可以通過(guò)調(diào)節(jié)超磁致伸縮棒的截面 積來(lái)微調(diào)要測(cè)量壓力的大小。本發(fā)明的進(jìn)一步特征是，以本發(fā)明設(shè)計(jì)的超磁致伸縮壓力傳感器為基本 單元I構(gòu)造大量程傳感器組合(以下簡(jiǎn)稱傳感器組合，參見(jiàn)圖3、 4)。傳 感器組合的構(gòu)造方式根據(jù)需要可以是多種多樣的。本發(fā)明實(shí)施例給出的僅是 其一種組合方式(參見(jiàn)圖3、 4)，它主要包括傳感器組合底座15;螺柱組件16;傳感器基本單元I;承力板18;連接桿19和螺母20。其具體構(gòu)造為 一塊中心帶有凸臺(tái)21的承力板18平放在4個(gè)傳感器基本單元I的所述承載塊9上，并依靠連接桿19定位；每個(gè)所述傳感器基本單元I用螺柱組件16固定在傳感器組合底座15上；所述連接桿19的下端用螺紋與傳感器組 合底座15連接，上端用螺母20與承力板18固定，從而構(gòu)成一個(gè)傳感器組 合整體。工作時(shí)，載荷施加在承力板18的凸臺(tái)21上，從而使4個(gè)傳感器基 本單元I的承載塊9承載著力。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，4個(gè)傳感器基本單元I均勻分 布，故均勻受力。4個(gè)傳感器基本單元I的測(cè)量值之和即為傳感器組合總的 測(cè)量值。根據(jù)這種設(shè)計(jì)原理，本發(fā)明的傳感器基本單元I構(gòu)成傳感器組合 后，適載量程可以成倍增加。當(dāng)采用增大超磁致伸縮棒的截面積不能滿足擴(kuò) 大量程的要求時(shí)，即可采用多個(gè)傳感器基本單元I的適當(dāng)組合。 本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種超磁致伸縮壓力傳感器，其特征在于所述傳感器的底座的內(nèi)圓上垂直均布有三根超磁致伸縮棒，其外圈垂直對(duì)稱布置有兩根永磁棒或兩個(gè)激磁線圈；所述兩根永磁棒或兩個(gè)激磁線圈的上、下方分別安裝有圓盤(pán)形軟磁材料的上導(dǎo)磁板、下導(dǎo)磁板，且其半徑略大于所述永磁棒或激磁線圈的安裝半徑；所述兩根永磁棒充磁方向均為軸向，且方向相同；所述的兩個(gè)激磁線圈的繞制方向相同，其電流方向也相同；所述永磁棒或激磁線圈的長(zhǎng)度略短于所述超磁致伸縮棒的長(zhǎng)度，使安裝后的永磁棒或激磁線圈的頂面與上導(dǎo)磁板的底面之間留有空隙，在該空隙中填充有非導(dǎo)磁的黏膠，并在其中粘貼固定霍爾元件；所述的超磁致伸縮棒上繞有感應(yīng)線圈；上導(dǎo)磁板通過(guò)螺釘組合安裝在承載塊上，下導(dǎo)磁板通過(guò)底面螺釘安裝在底座上，外罩通過(guò)側(cè)面螺釘安裝下導(dǎo)磁板上，并把底座上的各零件封裝為整體，但所述承載塊突出于封裝外罩的上表面。
2. —種大量程傳感器組合，其特征在于其由權(quán)利要求1所述的超磁 致伸縮壓力傳感器為基本單元構(gòu)造，其具體構(gòu)造是 一塊承力板平放在個(gè)傳 感器基本單元I的所述承載塊上，并依靠連接桿定位；每個(gè)傳感器基本單元用螺柱組件固定在傳感器組合底座上；所述連接桿的下端用螺紋與傳感器組合底座連接，上端用螺母與所述承力板固定，從而構(gòu)成傳感器組合整體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超磁致伸縮壓力傳感器，其特征在于傳感器底座內(nèi)圓上垂直均布有三根超磁致伸縮棒，其外圈垂直對(duì)稱布置有兩根永磁棒或兩個(gè)激磁線圈；它們的上、下方分別安裝有圓盤(pán)形上、下導(dǎo)磁板，且其半徑略大于永磁棒或激磁線圈的安裝半徑；兩根永磁棒充磁方向均為軸向，且方向相同；兩個(gè)激磁線圈的繞制方向相同，其電流方向也相同；永磁棒或激磁線圈的長(zhǎng)度略短于超磁致伸縮棒的長(zhǎng)度，使永磁棒或激磁線圈的頂面與上導(dǎo)磁板的底面之間留有空隙，其間填充有非導(dǎo)磁的黏膠，并粘貼霍爾元件；超磁致伸縮棒上繞有感應(yīng)線圈；上導(dǎo)磁板安裝在承載塊上，下導(dǎo)磁板安裝在底座上，外罩安裝下導(dǎo)磁板上，并把底座上的各零件封裝為整體，但所述承載塊突出于封裝外罩的上表面。
文檔編號(hào)G01L1/12GK101153824SQ20071005953
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者劉福貴, 周曉冬, 煜 夏, 張順心, 楊慶新, 樊長(zhǎng)在, 童保林, 閆榮格 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué);秦皇島市科技投資公司