一种磁耦合谐振式频率检测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供一种磁耦合谐振式频率检测装置，属于精密传感器领域。Z轴调整装置和激振装置均固定在底座上，主动梁单元固定在激振装置上，主动梁单元的磁性材料通过主动梁表面的中间结合层和主动梁固定在一起，被动梁单元包括前端导体开口回路、被动梁梁身、上电极和下电极，应力应变敏感膜、侧电极和输出端子，主动梁单元和被动梁单元构成磁耦合同步共振结构，侧电极和应力应变膜的电极均能实现检测信号的输出。本实用新型专利技术基于磁耦合同步共振，具有高灵敏度，高分辨率的特点，并能减少相位噪声，自由调整量程和放大倍数，具有良好的互换性，在匹配识别，物联网传感网络等领域有着潜在的用途和重大应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种磁耦合谐振式频率检测装置
本技术涉及一种微纳传感器，特别涉及一种磁耦合谐振式频率检测装置及频率检测方法，尤指一种基于磁耦合同步共振，通过磁场实现两个乃至多组梁单元耦合的高灵敏度、高分辨率、大量程谐振式传感器，可以提高一切通过检测外界扰动导致的谐振梁频率偏移来实现传感的传感器的灵敏度、分辨率和量程。
技术介绍
谐振式传感器具有一体化程度高、易于批量制造、谐振频率高等特点，因此被广泛应用于各种高精度检测系统。谐振式传感器的原理一般是待测物理量改变振子的固有频率，通过扫频能检测出频率的变化量，由此反应待测物理量。而基于同步共振的谐振式传感器能利用同步共振现象导致的m/n频率比，进一步提高灵敏度和分辨率，如专利CN105628264。由于测量环境的不确定性和现代测试装备对电磁信号的高依赖性，直接接触式传感器可能在诸如高温的热反应炉、无法直接进入测试的黑匣子、人体内信号的感测、快速运动的待测源等极端传感条件下不再适用。这些时候就需要非接触式传感。非接触式传感器能够将感应元件和测试环境分离，从而规避复杂的传感环境对感应元件和相关电子设备的影响。然而，现阶段对机械振子同步共振的研究多数是研究连续体耦合，场耦合同步的有关研究也仅限于基于电场实现的静电耦合和光耦合，如US9,660,654B2。不过静电耦合的耦合场是由外电场提供的，还需要复杂的反馈控制电路，实验装置复杂、昂贵，还仅仅停留在实验室阶段，并未应用于传感领域。而光耦合依靠光压实现光机耦合，往往用于信号传输而非物理量的传感领域。因此，如何找到一种结构简单、灵敏度高的谐振式传感器成为了社会的迫切需求。
技术实现思路
本技术提供了一种磁耦合谐振式频率检测装置，目的在于引入非接触式耦合的同步共振和多路检测信号同时检测，从而提高所有基于频率检测的谐振式传感器的分辨率、灵敏度和量程，在物联网、传感网络等领域也有着极其重大的潜在应用前景。本技术采取的技术方案是：Z轴调整装置为精密压电陶瓷滑台，激振装置为PZT激振台，两者均固定在超水平不锈钢底座上，主动梁单元固定在激振装置上，主动梁单元的磁体阵列通过主动梁表面的中间结合层和主动梁梁身固定在一起；被动梁梁身上部弯折成L型并固定在Z轴调整装置上端部的直角表面，被动梁单元固定后不与主动梁单元接触。所述被动梁单元结构是：前端导体开口回路为中部开口的铜制矩形，固定在被动梁梁身的自由端，前端导体开口回路不封闭，在固定部位形成窄断口，断口部分形成一个平行板电容器；被动梁梁身为普通悬臂梁，上部弯折形成L型，固定在Z轴调整装置的上表面；下电极通过微纳加工方法沉积在被动梁梁身表面，上电极、应力应变敏感膜和下电极形成三明治结构，应力应变敏感膜采用压电薄膜，上电极、应力应变敏感膜和下电极随被动梁梁身弯折，侧电极一和侧电极二一端分别与前端导体开口回路的两个开口端固定在一起，侧电极一和侧电极二侧面分别通过绝缘材料固定在被动梁梁身侧表面，侧电极一和侧电极二另一端弯折成L型通过绝缘材料分别固定在上电极表面；上电极输出端子、下电极输出端子、侧电极一输出端子、侧电极二输出端子分别固定在上电极、下电极、侧电极一和侧电极二表面。所述主动梁单元包括主动、中间结合层和磁体阵列，所述主动梁为普通悬臂梁，磁体阵列是34块钕铁硼永磁体形成的阵列，通过中间结合层均布在主动梁上下表面，各永磁体的充磁方向均为Z向。本技术在激振装置作用下，主动梁单元会产生一个内源的周期性的时变磁场；被动梁梁身垂直延伸并固定在Z轴调整装置端部的直角表面，以提高固定牢固程度并为输出电极和端子提供固定场所。为避免两个梁单元直接接触产生干扰，通过Z轴调整装置控制被动梁单元固定后不与主动梁单元接触，此外通过Z轴调整装置可以改变主动梁单元和被动梁单元的距离，即改变两个两梁单元的耦合强度，这一点对实现同步有着重大意义，能通过协调耦合强度扩大同步区域，能增大量程并使原本频率脱离同步区域不匹配的悬臂梁再次同步。所述前端导体开口回路形状包括而不限于矩形、圆形、摆线型等，以便和主动梁单元振动时的变形状态相对应，最大限度利用主动梁单元产生的磁场，前端导体开口回路固定在被动梁梁身自由端，且不封闭，断口部分形成一个平行板电容器，这种设计有两个优点，既能防止感应电流过快耗散，还能把感应电流产生的信号进一步用侧电极输出，提高检测精度；上电极和下电极通过微纳制造工艺沉积在梁身表面，两层上电极和下电极和应力应变敏感膜形成三明治结构，下电极沿梁身延伸并弯折到梁身末端表面，应力应变敏感膜末端用绝缘材料延伸并弯折到下电极末端表面，上电极沿梁身延伸并弯折到绝缘材料表面，既保证感应信号的完全采集，又可避免被动梁的力学特性被依附的电极和感应膜减弱；侧电极一端与前端导体开口回路开口固定在一起，侧面固定在梁身侧表面，另一自由端沿梁身延伸并用绝缘胶固定在末端弯折到上电极末端上表面，侧电极能将前端导体开口回路的电信号引入输出端；输出端子仅为方便提供信号输出，四个输出端子分别与侧电极两端，上下表面电极相连，这样可以同时得到前端导体开口回路产生的感应电信号和感应膜的应变信号，两者都能反应主动端被检测物理量的信息，因此能大幅度提高检测的灵敏度、分辨率和准确度。所述主动梁单元包括主动梁、中间结合层、磁性材料，所述主动梁的形式包括而不限于悬臂梁、双端固支梁、简支梁，形状包括而不限于矩形梁、C型梁、T型梁，主动梁形貌可以随匹配的被动梁数目的变化而改变，使磁场有效利用率提高；中间结合层是高粘接性能且退让性小的材料，既能紧紧固定表面磁体，也能防止剧烈振动导致的中间结合层弹塑形变形；磁性材料是多块永磁体的阵列，永磁体通过中间结合层粘接在主动梁上、下表面，各永磁体的充磁方向均垂直于主动梁上表面；因为磁性材料一般较脆，机械性能很差，无法作为悬臂梁，因此本技术采用多个磁体阵列，保证主动梁既有强磁性又不失去良好的力学性能。主动梁单元产生的磁场也会随主动梁单元的振动而改变，形成一个内源的时变磁场，由于是内源的，无需像光耦合、电耦合一样利用昂贵的外部仪器维持耦合场，简化了结构，节省能源。所述主动梁单元和被动梁单元组成磁耦合磁耦合磁耦合同步共振系统，主动梁和被动梁的固有频率比满足m/n，其中m、n均为正整数，并在设计中将表面电极、磁体等因素纳入考虑，构成磁耦合磁耦合磁耦合同步共振系统后，主动梁单元的频率变化将在被动梁单元上达到m/n倍，设计时保证m<n，则能提高灵敏度，此外，由于同步共振的特性，相位噪声也会被削弱，进一步提高检测性能。所述主动梁单元和被动梁单元组成的磁耦合磁耦合磁耦合同步共振系统中，主动梁单元数目可以是多个、被动梁单元数目可以是多个，通过Z轴调整装置调整耦合强度，可以实现一个感应端(主动梁单元)匹配多个检测端(被动梁单元)，也可以让多个感应端(主动梁单元)匹配一个检测端(被动梁单元)，降低检测成本，还使得传感器具有良好的互换性。保持耦合强度不变，则只有相匹配的梁单元才能检测到同步信号，可以广泛应用于物联网中的相互识别。此外，各组梁单元还能进行阵列，形成传感网络，各单元的信号可以进行串并联，进一步提高检测的精度和灵敏度。本技术的优点是：1.通过磁场实现两个振子的非接触式同步共振，有着同步共振耦合强度可控、减少相位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁耦合谐振式频率检测装置，其特征在于：包括底座、Z轴调整装置、激振装置、主动梁单元和被动梁单元，其中Z轴调整装置和激振装置均固定在超水平不锈钢底座上，主动梁单元固定在激振装置上，主动梁单元的磁体阵列通过主动梁表面的中间结合层和主动梁梁身固定在一起；被动梁梁身上部弯折成L型并固定在Z轴调整装置上端部的直角表面，被动梁单元固定后不与主动梁单元接触。

【技术特征摘要】
1.一种磁耦合谐振式频率检测装置，其特征在于：包括底座、Z轴调整装置、激振装置、主动梁单元和被动梁单元，其中Z轴调整装置和激振装置均固定在超水平不锈钢底座上，主动梁单元固定在激振装置上，主动梁单元的磁体阵列通过主动梁表面的中间结合层和主动梁梁身固定在一起；被动梁梁身上部弯折成L型并固定在Z轴调整装置上端部的直角表面，被动梁单元固定后不与主动梁单元接触。2.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式频率检测装置，其特征在于：所述被动梁单元结构是：前端导体开口回路为中部开口的铜制矩形，固定在被动梁梁身的自由端，前端导体开口回路不封闭，在固定部位形成窄断口，断口部分形成一个平行板电容器；被动梁梁身为普通悬臂梁，上部弯折形成L型，固定在Z轴调整装置的上表面；下电极通过微纳加工方法沉积在被动梁...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东方，万胜来，杜旭，郑果文，夏操，马文瑞，田利峰，杨旭，刘欣，王昕，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22