專(zhuān)利名稱(chēng)：具有可調(diào)偏置磁路的小型交變磁電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁電傳感器，尤其是涉及一種具有可調(diào)偏置磁路的小型交變磁電傳感器。
背景技術(shù)：
磁電效應(yīng)是指材料在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電極化或者材料在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁化的現(xiàn)象。具有磁電效應(yīng)的材料一般分為單相材料和復(fù)合材料兩大類(lèi)。單相材料的磁電效應(yīng)相對(duì)復(fù)合材料較弱，而對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，層狀壓電/磁致伸縮的磁電效應(yīng)又較為突出。近年來(lái)，隨著磁電材料的不斷發(fā)展，磁電材料的應(yīng)用也越來(lái)越受到關(guān)注。采用層狀磁電復(fù)合材料制作交變/直流磁場(chǎng)傳感器等器件都有了很大的進(jìn)展。磁電復(fù)合材料檢測(cè)交變磁場(chǎng)的工作原理是:在一定的直流偏置磁場(chǎng)下，磁致伸縮材料受到外加交變磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，該應(yīng)變傳遞到壓電相，根據(jù)壓電效應(yīng)產(chǎn)生交變的電壓。交變電壓的大小與交變磁場(chǎng)成線性關(guān)系，斜率即為磁電復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，也就是傳感器的靈敏度。一般情況下，磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)會(huì)先隨著直流偏置磁場(chǎng)的增大而增大，達(dá)到最大值后，再隨著偏置磁場(chǎng)的增大而減小。因此，存在一個(gè)最佳偏置磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)下，磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)取得最大值。為了發(fā)揮磁電材料的最大性能，制作傳感器時(shí)，都需要對(duì)磁電材料施加一定的直流偏置磁場(chǎng)，并且盡可能讓偏置磁場(chǎng)處于最佳偏置磁場(chǎng)值附近。在目前研究的磁電材料中，不同的鐵磁材料的最佳偏置磁場(chǎng)具有顯著的不同。例如，非晶薄帶的最佳偏置磁場(chǎng)只有IOOe左右；Ni薄片的最佳偏置磁場(chǎng)在100 3000e范圍內(nèi)；Terfenol-D材料的最佳偏置場(chǎng)在5000e左右。另外，最佳偏置磁場(chǎng)還與樣品的形狀有關(guān)，在測(cè)量方向上樣品的長(zhǎng)徑比越小，退磁場(chǎng)越大，實(shí)際的偏置磁場(chǎng)將升高。在現(xiàn)有的磁電式交流磁傳感器中，除了非晶薄帶由于偏置磁場(chǎng)較低可以采用通電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)行偏置之夕卜([4]D.T.Huong Giang and N.H.Due, Magnetoelectric sensor for microteslamagnetic-fields based on (Fe80Co20) 78Si12B10/PZT laminates, Sensor.Actuat.A149, 229(2009))，大多傳感器都采取一對(duì)永磁體進(jìn)行偏置([6] Y.Shen, J.Gao, L.Shen, D.Gray, J.Li, P.Finkel, D.Viehland, X.Zhuang, S.Saez and C.Dolabdjian, Analysis ofthe environmental magnetic noise rejection by using twosimpIe magnetoelectricsensors, Sensor.Actuat.A171, 63 (2011) ； [7] Z.P.Xing, J.Y.Zhai, S.X.Dong, J.F.Li, D.Viehland and ff.G.0dendaal, Modeling and detection of quas1-static nanoteslamagnetic field variation using magnetoelectric laminate sensors, Meas.Sc1.Technol.19，015206(2008))。通過(guò)改變兩塊永磁體的相對(duì)距離，可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)的大小。但是，現(xiàn)有方式具有一些顯著的缺點(diǎn):采用通電線圈施加磁場(chǎng)，需要額外通過(guò)穩(wěn)定的電流，增加了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性；而采用一對(duì)永磁體進(jìn)行偏置時(shí)，一方面是這種結(jié)構(gòu)是開(kāi)放式的磁路，具有非常明顯的漏磁。另一方面由于永磁體的磁性都比較強(qiáng)，表面磁場(chǎng)都在0.1T以上，必須通過(guò)增加永磁體間的相對(duì)距離來(lái)減小磁場(chǎng)，這造成傳感器在測(cè)量方向的尺寸都很大，達(dá)到20_左右,體積十分龐大,難以小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在測(cè)量方向上保持尺寸恒定，但可調(diào)整偏置磁場(chǎng)大小的小型交變磁電傳感器。該磁電傳感器體積小巧、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)范圍廣，適用于裝配各種不同的磁電材料，可適用于交變磁場(chǎng)或者交變電流的精確測(cè)量。本發(fā)明包括外殼,夕卜殼內(nèi)設(shè)有可調(diào)節(jié)偏置磁路、非磁性支架和傳感磁電片；所述可調(diào)節(jié)偏置磁路設(shè)有永磁體、漏磁塊和I對(duì)磁軛；永磁體設(shè)于所述I對(duì)磁軛之間，所述I對(duì)磁軛對(duì)稱(chēng)設(shè)置，永磁體側(cè)面與I對(duì)磁軛的后部?jī)?nèi)側(cè)面緊密觸接，漏磁塊一端面與I對(duì)磁軛的后端面接合；非磁性支架設(shè)于I對(duì)磁軛的磁隙中間，非磁性支架兩側(cè)與I對(duì)磁軛的前部?jī)?nèi)側(cè)面接合；傳感磁電片設(shè)于I對(duì)磁軛前端之間，且與非磁性支架前端觸接。所述永磁體的橫截面可為方形、圓形等形狀，永磁體的數(shù)量可為I個(gè)以上。所述I對(duì)磁軛的2個(gè)磁軛前端內(nèi)側(cè)邊沿最好對(duì)稱(chēng)設(shè)有突起，這樣可改善磁場(chǎng)的均勻性。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的工作原理如下:偏置磁路由永磁體作為磁場(chǎng)源，形成主磁路和副磁路。主磁路由永磁體兩端發(fā)出，經(jīng)由I對(duì)磁軛和傳感磁電片(磁電材料)構(gòu)成,對(duì)傳感磁電片起偏置作用；副磁路由漏磁塊連接永磁體兩端構(gòu)成，起漏磁作用。副磁路的寬度可以通過(guò)加工進(jìn)行改變，寬度越小，副磁路磁通越小。由于主副磁路的磁通總和等于永磁體所能提供的磁通，通過(guò)調(diào)節(jié)副磁路的磁通，主磁路的磁通可以受到調(diào)節(jié):副磁路的寬度越小，主磁路的磁通越大，偏置磁場(chǎng)越大。起傳感作用的傳感磁電片位于主磁路兩磁軛構(gòu)成的磁隙中間，其長(zhǎng)度方向?yàn)闇y(cè)量方向，采用中心支撐方式固定傳感磁電片。外殼包含絕緣層(如塑料管材)以及非磁性的導(dǎo)電金屬屏蔽層(如金屬銅)。本發(fā)明的有益效果如下:1、偏置磁路包含的主副磁路都是閉合磁路，漏磁小。2、偏置磁場(chǎng)的大小可以通過(guò)改變副磁路的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)。主磁路的尺寸保持恒定，大大減小了傳感器的體積，測(cè)量方向上的最小尺寸可以達(dá)到8mm。3、偏置磁場(chǎng)的大小可以通過(guò)改變副磁路的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以根據(jù)不同磁電材料的要求，調(diào)節(jié)出不同的最佳偏置磁場(chǎng)。4、偏置磁場(chǎng)的大小可以通過(guò)改變副磁路的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(省略外殼)。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的磁路工作原理示意圖。在圖2中，右側(cè)箭頭和虛線構(gòu)成的回路為主磁路；左側(cè)箭頭和虛線構(gòu)成的回路為副磁路；雙向箭頭為傳感磁電片的測(cè)量方向。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的傳感磁電片的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系。在圖3中，橫坐標(biāo)為磁場(chǎng)(T)，縱坐標(biāo)為輸出電壓(V)。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的傳感輸出信號(hào)與副磁路寬度之間的關(guān)系圖。在圖4中，橫坐標(biāo)為漏磁塊的寬度(mm)，縱坐標(biāo)為輸出電壓(mV)。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例的傳感輸出信號(hào)與交變電流之間關(guān)系以及對(duì)傳感輸出信號(hào)與交變電流之間線性關(guān)系進(jìn)行擬合的結(jié)果。在圖5中，橫坐標(biāo)為電流(A)，縱坐標(biāo)為輸出電壓(V);—系列離散的點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳感輸出信號(hào)與交變電流之間關(guān)系的數(shù)據(jù)點(diǎn)；直線是用Origin軟件對(duì)所測(cè)傳感輸出信號(hào)與交變電流數(shù)據(jù)進(jìn)行線形擬合的擬合直線；方框中的標(biāo)示為用Origin軟件對(duì)傳感輸出信號(hào)與交變電流進(jìn)行線性擬合的擬合參數(shù)結(jié)果。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1和2,本發(fā)明包括外殼(圖1和2中未畫(huà)出)，外殼內(nèi)設(shè)有可調(diào)節(jié)偏置磁路、非磁性支架7和傳感磁電片6。
可調(diào)節(jié)偏置磁路設(shè)有永磁體2、漏磁塊5和I對(duì)磁軛3 ;永磁體2設(shè)于所述I對(duì)磁軛3之間，永磁體2側(cè)面與所述I對(duì)磁軛3的后部?jī)?nèi)側(cè)面緊密觸接，漏磁塊5 —端面與所述I對(duì)磁軛3的后端面接合；非磁性支架7設(shè)于所述I對(duì)磁軛3的磁隙中間，非磁性支架7兩側(cè)與所述I對(duì)磁軛3的前部?jī)?nèi)側(cè)面接合；傳感磁電片6設(shè)于所述I對(duì)磁軛3前端之間，且與所述非磁性支架7前端觸接。所述永磁體2的橫截面為長(zhǎng)方形。所述I對(duì)磁軛3的2個(gè)磁軛的前端內(nèi)側(cè)邊沿最好對(duì)稱(chēng)設(shè)有突起31，這樣可改善磁場(chǎng)的均勻性。所述I對(duì)磁軛3和漏磁塊5都由軟磁材料制成。
永磁體2與I對(duì)磁軛3緊密貼合進(jìn)行磁耦合，從而在磁軛邊緣突起31間的間隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，為傳感磁電片6提供偏置磁場(chǎng)。永磁體2沿厚度方向磁化,與I對(duì)磁軛3形成閉合的磁路。I對(duì)磁軛3對(duì)稱(chēng)設(shè)置，磁軛3的邊緣突起31可改善磁場(chǎng)的均勻性。非磁性支架7所用材料為鋁(也可為銅、塑料等)，其形狀為梯形(也可為T(mén)形等)。支撐傳感磁電片6的方式為中心支撐。
參見(jiàn)圖4和圖2，圖4顯示了磁電傳感器的輸出信號(hào)與副磁路寬度之間的關(guān)系。由圖4可見(jiàn)，通過(guò)改變副磁路漏磁塊5的寬度可以改變主磁路兩磁軛邊緣突起31之間的偏置磁場(chǎng)的大小，也就是可以調(diào)節(jié)偏置磁場(chǎng)的大小，從而調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度。
參見(jiàn)圖2 4，本實(shí)施例偏置磁路的橫截面積為8mmX 8mm，主磁路長(zhǎng)度為20mm，副磁路漏磁塊5的寬度為5_ (可以通過(guò)加工調(diào)整)。永磁體2選用NdFeB稀土永磁體，其尺寸為6mmX6mmX 1mm,其表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.25T。I對(duì)磁軛3與漏磁塊5采用45號(hào)鋼制成。傳感磁電片6所用磁電材料為Ni/PZT/Ni疊層磁電復(fù)合材料，其磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系如圖3所不。圖3顯不出該磁電材料的最佳偏置磁場(chǎng)為5030e,在該偏置磁場(chǎng)下磁電材料的輸出電壓為6mV。逐漸減小漏磁塊5的寬度，并測(cè)量傳感器輸出信號(hào)電壓隨漏磁塊5寬度的關(guān)系，如圖4所示。從圖4可以看出，傳感器的輸出電壓隨漏磁塊寬度的減小而逐漸增加。將漏磁塊5的寬度加工為1.18mm時(shí)，傳感器獲得了最高輸出電壓6mV。
參見(jiàn)圖5，圖5為本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行實(shí)際電流測(cè)量的傳感輸出信號(hào)與交變電流之間關(guān)系以及對(duì)傳感輸出信號(hào)與交變電流之間線性關(guān)系進(jìn)行擬合的結(jié)果。選取距離導(dǎo)線25mm處放置本實(shí)施例并進(jìn)行測(cè)試的傳感磁電片(磁電復(fù)合材料)。測(cè)試時(shí)，將本實(shí)施例的測(cè)量方向設(shè)置在交變磁場(chǎng)的產(chǎn)生方向上。實(shí)際例的輸出信號(hào)接入一個(gè)放大倍數(shù)為1000倍的電壓放大器，最后通過(guò)萬(wàn)用表讀取輸出電壓的均方值。從圖5中的擬合直線以及擬合參數(shù)結(jié)果中可以看出，在O 8A范圍內(nèi)，本實(shí)施例的電流靈敏度為0.04162V/A,輸出信號(hào)和電流值之間顯示出了很好的線性關(guān)系，線性擬合度達(dá)到了 0.99998。
權(quán)利要求
1.具有可調(diào)偏置磁路的小型交變磁電傳感器，其特征在于包括外殼，外殼內(nèi)設(shè)有可調(diào)節(jié)偏置磁路、非磁性支架和傳感磁電片； 可調(diào)節(jié)偏置磁路設(shè)有永磁體、漏磁塊和I對(duì)磁軛；永磁體設(shè)于I對(duì)磁軛之間，所述I對(duì)磁軛對(duì)稱(chēng)設(shè)置，永磁體側(cè)面與I對(duì)磁軛的后部?jī)?nèi)側(cè)面緊密觸接，漏磁塊一端面與I對(duì)磁軛的后端面接合；非磁性支架設(shè)于I對(duì)磁軛的磁隙中間，非磁性支架兩側(cè)與I對(duì)磁軛的前部?jī)?nèi)側(cè)面接合；傳感磁電片設(shè)于I對(duì)磁軛前端之間，且與所述非磁性支架前端觸接。
2.如權(quán)利要求1所述的具有可調(diào)偏置磁路的小型交變磁電傳感器，其特征在于所述永磁體的橫截面為方形或圓形，永磁體的數(shù)量為至少I(mǎi)個(gè)。
3.如權(quán)利要求1所述的具有可調(diào)偏置磁路的小型交變磁電傳感器，其特征在于所述I對(duì)磁軛的2個(gè)磁軛前端內(nèi)側(cè)邊沿對(duì)稱(chēng)設(shè)有突起。
全文摘要
具有可調(diào)偏置磁路的小型交變磁電傳感器，涉及磁電傳感器。提供一種在測(cè)量方向上保持尺寸恒定，但可調(diào)整偏置磁場(chǎng)大小的小型交變磁電傳感器。包括外殼，外殼內(nèi)設(shè)有可調(diào)節(jié)偏置磁路、非磁性支架和傳感磁電片；所述可調(diào)節(jié)偏置磁路設(shè)有永磁體、漏磁塊和1對(duì)磁軛；永磁體設(shè)于所述1對(duì)磁軛之間，所述1對(duì)磁軛對(duì)稱(chēng)設(shè)置，永磁體側(cè)面與1對(duì)磁軛的后部?jī)?nèi)側(cè)面緊密觸接，漏磁塊一端面與1對(duì)磁軛的后端面接合；非磁性支架設(shè)于1對(duì)磁軛的磁隙中間，非磁性支架兩側(cè)與1對(duì)磁軛的前部?jī)?nèi)側(cè)面接合；傳感磁電片設(shè)于1對(duì)磁軛前端之間，且與非磁性支架前端觸接。
文檔編號(hào)G01R19/00GK103197263SQ20131008538
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者施展, 佟永帥, 薛昊, 陳來(lái)柱, 張錦彬, 黃藝雄, 王翠萍, 劉興軍 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)