[发明专利]基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器

说明书

技术领域

本发明属于磁致伸缩传感器领域，特别涉及一种以超磁致伸缩材料Terfenol-D为敏感元件的无源磁致伸缩压力传感器。

背景技术

现有的压力传感器种类繁多，典型的压力传感器有：压阻式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器、压电式压力传感器。压阻式压力传感器利用半导体材料的压阻效应制成，它的基片由半导体材料制成，在外力作用下，基片产生形变，阻值发生变化，电桥失去平衡，从而输出电压信号。该传感器受温度影响大，重复性较差，且对半导体的加工工艺要求复杂，成本高。电容式压力传感器输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大，且由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量。谐振式压力传感器制造工艺相对复杂，振动元件集成在压力敏感膜上，二者的机械耦合易出现问题。压电式压力传感器压电转换元件无静态输出，某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

Terfenol-D的超磁致伸缩材料是一种新型功能材料，凭借室温下具有大的磁致伸缩（1200×10^-6~2000×10^-6），高的机电耦合系数（0.7~0.75），响应速度快等优点引起了国内外学术界和工业界的极大关注。利用磁致伸缩材料的逆效应制备传感器是近年出现的研究热点。河北工业大学樊长在等人依据应力变化时磁致伸缩材料的磁通密度变化的原理研制了磁致伸缩力传感器，并用特斯拉计测量受力后磁通密度的变化，测量误差较大。大连理工大学贾振元等人依据集成在力传感器内部的霍尔传感器测量磁致伸缩材料受力后磁通密度的变化，实现了磁致伸缩力传感器静态力和动态力同时测量，但是该传感器工作时需要两个电源，一个给激励线圈供电，一个给集成在传感器内部的霍尔传感器供电，测试系统复杂，成本较高。目前尚无基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的结构简单、器件自身无需额外电源的磁致伸缩压力传感器的报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有磁致伸缩压力传感器技术的不足，设计一种以超磁致伸缩Terfenol-D棒为敏感元件的结构简单、灵敏度高的磁致伸缩压力传感器。采用永久磁铁和轭铁产生偏置磁场的方法省去了传感器自身的外接电源，实现传感器无外接电源。由惠更斯电桥组成的监测系统检测超磁致伸缩Terfenol-D棒在受到压力变化时应变的变化，并把该变化转换成电压信号输出，实现静态压力的测量，该压力传感器同时还可以进行静态位移的测量。

本发明采用的技术方案是：

一种基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器，该传感器的结构为：整体结构为轴对称式圆柱结构，下端盖上安装有带底圆筒轭铁，在带底圆筒轭铁的内腔底部安装有下永磁铁，下永磁铁的上方边缘安装有下环状梯形轭铁，下永磁铁的上方中心安装有超磁致伸缩Terfenol-D棒，超磁致伸缩Terfenol-D棒上粘有应变片；超磁致伸缩Terfenol-D棒的正上方安装有上永磁铁，上永磁铁下方边缘安装有上环状梯形轭铁，与下环状梯形轭铁对应；上永磁铁上方安装有圆形轭铁，圆形轭铁和非导磁垫片间安装有弹簧；非导磁垫片上方中心安装倒T型顶杆，顶杆底端与非导磁垫片接触，顶杆的柱端带有螺纹；在带底圆筒轭铁的外部安装圆筒状外套，倒T型顶杆的柱端穿过上端盖的中间开孔，螺杆穿过下端盖和上端盖边缘内部的开孔，用螺帽固定，使上端盖、圆筒状外套和下端盖封装成一个闭合的结构；带底圆筒轭铁和圆形轭铁之间留有气隙。

所述的带底圆筒轭铁高度与圆形轭铁、上永磁铁、Terfenol-D棒和下永磁铁的高度之和相等。

所述的圆筒状外套的一侧带有长方形开槽。

所述的应变片为2个，对称粘贴在超磁致伸缩Terfenol-D棒上。

本发明的显著特点是以超磁致伸缩Terfenol-D棒2作为敏感元件，利用圆形轭铁11、带底圆筒轭铁13、上永磁铁5、上环状梯形轭铁4、下环状梯形轭铁17、下永磁铁14产生偏置磁场，免除了激励线圈，传感器本身无需额外的外接电源。由惠更斯电桥检测出Terfenol-D棒2由于受到压力作用而产生的形变，无需额外的信号放大电路，结构简单，牢固可靠。磁致伸缩压力传感器由于敏感元件Terfenol-D棒2的特殊特性，在测量压力的同时，还可以进行位移的测量。

附图说明