一种多功能传感器制造技术

本发明专利技术提出一种多功能传感器。所述传感器前端包括一对或者多对作为敏感单元的层状磁电复合材料单元，所述各对层状磁电复合材料单元中的两个层状磁电复合材料单元互相平行放置；所述层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间形成闭合磁路；层状磁电复合材料单元在驱动信号的激励下感应待测参量，并将待测参量的感应电信号输出；所述后端处理模块用于产生激励所述层状磁电复合材料单元的驱动信号以及检测传感器前端输出的感应电信号，根据该感应电信号随外部待测参量变化的特性，解算出待测参量的值。本发明专利技术采用层状磁电复合材料作为敏感单元，能够测量多种物理参量，且结构简单、体积小、重量轻。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多功能传感器，特别是一种利用智能材料多物理场耦合效应的多功能传感器。
技术介绍
传统的传感器多为单一功能的，即一个传感器只能测量某一个参量。如果要同时测量多个参量，一般采用多个传感器，各个传感器分别进行不同参量信号的调理、采样和处理，这样使得测量系统结构复杂，体积、重量和功耗都较大。随着微系统技术的发展，使得可以在单一微型结构内集成多个相互独立的敏感元件，由此出现了具有多参量测量能力的多功能传感器，例如由哈尔滨工业大学刘昕在2009年所写名称为《多功能传感器信号重构方法研究及其应用》的博士学位论文中列举的多功能传感器，将多种敏感元件采用物理压缩和封装的方式结合在一起实现对较多物理参量的测量，该多功能传感器利用了各个敏感元件的测量信号相互补偿和校正，可克服单一功能传感器的交叉敏感问题。但是，该多功能传感器，在测量不同的参量时，仍然需要使用多个敏感元件测量不同的参量，算不得真正意义上用一个或较少敏感元件或材料测量多个参量的多功能传感器，且其体积和功耗也仍然较大。磁致伸缩材料具有磁致伸缩效应，能够实现磁能与机械能之间的相互转换，压电材料具有压电效应，能够实现电能与机械能之间的相互转换。将这两种材料叠层复合，构成磁致伸缩/压电复合材料后，还会由于复合材料的“乘积效应”产生新特性——磁电效应，因此也被称作层状磁电复合材料。层状磁电复合材料具有电、磁、力、温度等多物理场耦合效应，是多功能传感器多参量测量实现的基础。第一，层状磁电复合材料具有正磁电效应和逆磁电效应。层状磁电复合材料的磁致伸缩层在磁场激励下，会产生机械变形，该变形耦合到压电层后，使压电材料产生电极化，从而在压电材料的电极之间产生电压，这种磁-电的转换现象称为正磁电效应；层状磁电复合材料的压电层在电压驱动信号激励下产生机械变形，该变形耦合到磁致伸缩层后，使磁致伸缩材料产生磁化，从而产生磁场，这种电-磁的转换现象称为逆磁电效应。第二，磁致伸缩材料的磁致伸缩系数是偏置磁场的非线性函数，所以正磁电效应的磁-电转换系数和逆磁电效应的电-磁转换系数都随外部偏置磁场变化。第三，磁致伸缩材料特性是预应力和温度的函数，即磁致伸缩材料在不同外部力作用下(外力作用导致磁致伸缩材料内部产生应力应变)以及不同温度环境下，其磁致伸缩系数、压磁系数、弹性模量都发生变化，这导致层状磁电复合材料的磁-电转换系数、电-磁转换系数以及谐振频率都随作用力和温度变化。目前，磁致伸缩/压电复合材料已经被用于设计磁传感、电流传感器、力传感器、位移传感器等传感器。但这些传感器与传统的传感器一样，功能单一，只能测量某一个参量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多功能传感器，采用层状磁电复合材料作为敏感单元，能够测量多种物理参量，且结构简单、体积小、重量轻。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种多功能传感器，包括传感器前端和后端处理模块；所述传感器前端包括一对或者多对作为敏感单元的层状磁电复合材料单元，所述各对层状磁电复合材料单元中的两个层状磁电复合材料单元互相平行放置；所述层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间形成闭合磁路；层状磁电复合材料单元在驱动信号的激励下感应待测参量，并将待测参量的感应电信号输出；所述后端处理模块用于产生激励所述层状磁电复合材料单元的驱动信号以及检测传感器前端输出的感应电信号，根据该感应电信号随外部待测参量变化的特性，解算出待测参量的值。进一步，所述多功能传感器包括一对层状磁电复合材料单元，其中一个层状磁电复合材料单元作为被激励单元，其压电材料层的电极用于输入驱动信号，另一个层状磁电复合材料单元作为接收单元，其压电材料层的电极用于输出感应电信号。进一步，所述多功能传感器还包括导磁体，所述两个层状磁电复合材料单元的磁致伸缩材料层之间通过导磁体形成闭合磁路。进一步，所述多功能传感器包括多对层状磁电复合材料单元，全部层状磁电复合材料单元组成一个对称的多边形结构；每对层状磁电复合材料单元中，其中一个层状磁电复合材料单元作为被激励单元，其压电材料层的电极用于输入驱动信号，另一个层状磁电复合材料单元作为接收单元，其压电材料层的电极用于输出感应电信号。进一步，所述多功能传感器在相邻的层状磁电复合材料单元之间放置有导磁体，所述全部层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间通过导磁体形成闭合磁路。进一步，所述后端处理模块包括驱动电路模块，用于产生激励层状磁电复合材料单元的驱动信号。进一步，所述后端处理模块还包括信号采集模块以及信号分析和处理模块；所述信号采集模块用于对传感器前端输出的电信号进行采样，所述信号分析和处理模块用于根据电信号随外部待测参量变化的特性解算出待测参量的值。进一步，还包括信号调理模块，用于获取接收单元的输出电信号，并对该电信号进行放大、滤波处理。进一步，还包括人机交互终端和控制中心；用户通过人机交互终端输入控制指令；控制中心根据人机交互终端设传送的控制指令分别控制多路开关、驱动电路模块、信号调理模块、信号采集模块以及信号处理和分析模块工作。进一步，还包括多路开关，用于用户在选定的工作模式下将驱动电路模块输出端和信号调理模块的输入端与该工作模式对应的层状磁电复合材料单元的压电材料层的电极连通。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于，本专利技术仅仅采用层状磁电复合材料单元作为敏感单元就能够对磁、声、声速、力、温度等多个物理参量进行测量，而不是在某个单一结构内集成多个相互独立的针对不同待测物理量的敏感元件来实现多个物理量测量，从而既减简化了多功能传感器的结构，又减少了体积和重量；在使用多个层状磁电复合材料单元作为敏感单元的情况下，还能实现矢量测量。附图说明图1是本专利技术所述多功能传感器一种实施例的结构示意图。图2是本专利技术所述多功能传感器另一种实施例的结构示意图。图3是本专利技术所述多功能传感器第三种实施例的结构示意图。具体实施方式本专利技术所述的多功能传感器包括传感器前端1和后端处理模块5；所述多功能传感器前端1利用了层状磁电复合材料的电、磁、力、温度等多物理场耦合效应来实现多参量敏感；通过人机交互终端等设置不同的待测参量的工作模式，控制驱动电路产生驱动信号激励传感器前端；后端处理模块5包含驱动电路模块、信号调理模块、信号采集模块、信号分析和处理单元、控制中心以及人机交互终端等，传感器前端1的输出信号经信号调理、采集和处理分析后解调出待测的待测参量，并送回人机交互终端进行显示和存储。实施例1：结合图1，本实施例所示多功能传感器的前端1由两个层状磁电复合材料单元和两个导磁体4，导磁体4与两个层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料2构成闭合磁路，以增强两个层状磁电复合材料单元之间的磁耦合。其中一个层状磁电复合材料单元作为被激励单元，其压电材料层3的电极与驱动电路模块8的输出端连接，该被激励单元在驱动信号的激励下因逆磁电效应产生激励磁场；另一个层状磁电复合材料单元作为接收单元，其压电材料层3的电极与信号调理模块10的输入端连接，其磁致伸缩材料层2在被激励单元产生的激励磁场的作用下，因磁电效应在压电层3的电极端产生电信号，电信号经输出后送给信号调理模块10。本实施例在噪声测量的工作模式下，两个层状磁电复合材料单元可以都作为接收单元，但不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能传感器，其特征在于，包括传感器前端和后端处理模块；所述传感器前端包括一对或者多对作为敏感单元的层状磁电复合材料单元，所述各对层状磁电复合材料单元中的两个层状磁电复合材料单元互相平行放置；所述层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间形成闭合磁路；层状磁电复合材料单元在驱动信号的激励下感应待测参量，并将待测参量的感应电信号输出；所述后端处理模块用于产生激励所述层状磁电复合材料单元的驱动信号以及检测传感器前端输出的感应电信号，根据该感应电信号随外部待测参量变化的特性，解算出待测参量的值。

【技术特征摘要】
1.一种多功能传感器，其特征在于，包括传感器前端和后端处理模块；所述传感器前端包括一对或者多对作为敏感单元的层状磁电复合材料单元，所述各对层状磁电复合材料单元中的两个层状磁电复合材料单元互相平行放置；所述层状磁电复合材料单元中的磁致伸缩材料层之间形成闭合磁路；层状磁电复合材料单元在驱动信号的激励下感应待测参量，并将待测参量的感应电信号输出；所述后端处理模块用于产生激励所述层状磁电复合材料单元的驱动信号以及检测传感器前端输出的感应电信号，根据该感应电信号随外部待测参量变化的特性，解算出待测参量的值。2.如权利要求1所述多功能传感器，其特征在于，包括一对层状磁电复合材料单元，其中一个层状磁电复合材料单元作为被激励单元，其压电材料层的电极用于输入驱动信号，另一个层状磁电复合材料单元作为接收单元，其压电材料层的电极用于输出感应电信号。3.如权利要求2所述多功能传感器，其特征在于，还包括导磁体，所述两个层状磁电复合材料单元的磁致伸缩材料层之间通过导磁体形成闭合磁路。4.如权利要求1所述多功能传感器，其特征在于，包括多对层状磁电复合材料单元，全部层状磁电复合材料单元组成一个对称的多边形结构；每对层状磁电复合材料单元中，其中一个层状磁电复合材料单元作为被激励单元，其压电材料层的电极用于输入驱动信号，另一个层状磁电复合材料单元作为接收单元，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞雷祥，杨富锋，朱炜，芮筱亭，王国平，于海龙，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32