基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器制造技术

本实用新型专利技术为一种基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器，其结构为：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，在带底圆筒轭铁的底部有下永磁铁，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Terfenol-D棒，Terfenol-D棒上粘有应变片；Terfenol-D棒正上方有上永磁铁，上永磁铁下方有上环状梯形轭铁，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；在带底圆筒轭铁的外部安装圆筒状外套，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。本实用新型专利技术无需额外的外接电源结构简单，牢固可靠。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。技术背景 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(1200X 10_6 2000X 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。
技术实现思路
本技术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。本技术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。本技术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。附图说明图I为磁致伸缩压力传感器装配图剖面图。其中，I-圆筒状外套、2-Terfenol-D棒、3-两片应变片、4-上环状梯形轭铁、5-上永磁铁、6-非导磁垫片、7-倒T型顶杆、8-上端盖、9-螺帽、10-弹簧、11-圆形轭铁、12-螺杆、13-带底圆筒轭铁、14-下永磁铁、15-下端盖、16-长方形开槽、17-下环状梯形轭铁。其中，一种样机的圆筒状外套I采用塑料，外套I上的开槽16宽为I. 5mm，长度为16mm。弹簧10的长度为33mm。圆形轭铁11和带底圆筒轭铁13之间的气隙为0. 25mm。图2为磁致伸缩压力传感器实验系统示意图。其中，31-压力机，32-安装底座，33-磁致伸缩压力传感器，34-调节手柄。图3为磁致伸缩压力传感器压力测试结果。横坐标F-压力，单位N。纵坐标U-超磁致伸缩压力传感器输出电压，单位mV。a-压力实验结果曲线。图4为磁致伸缩压力传感器位移测试结果。横坐标d-位移，单位mm。纵坐标U-超磁致伸缩压力传感器输出电压，单位mV。b-位移实验结果曲线。具体实施方式以下结合附图和技术方案详细说明本技术的具体实施，但它们不是对本技术作任何限制。本技术设计的基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的无源压力传感器(简称传感器)，该传感器的结构为整体结构为轴对称式圆柱结构，下端盖15上安装有带底圆筒轭铁13，在带底圆筒轭铁13的内腔底部安装有下永磁铁14，下永磁铁14的上方边缘安装有下环状梯形轭铁17，下永磁铁14的上方中心安装有超磁致伸缩Terfenol-D棒2，敏感元件Terfenol-D棒2上左右对称粘有2个应变片3 ；超磁致伸缩Terfenol-D棒2的正上方安装有上永磁铁5，上永磁铁5下方边缘安装有上环状梯形轭铁4，与下环状梯形轭铁17对应；上永磁铁5上方安装有圆形轭铁11，圆形轭铁11和非导磁垫片6间安装有弹簧10 ;非导磁垫片6上方中心安装倒T型顶杆7，顶杆7底端与非导磁垫片6接触，顶杆7的柱端带有螺纹，便于与被测系统连接；在带底圆筒轭铁13的外部安装圆筒状外套1，倒T型顶杆7的柱端穿过上端盖8的中间开孔，三根对称分布的螺杆12穿过下端盖15和上端盖8边缘内部的开孔，用螺帽9固定，使上端盖8、圆筒状外套I和下端盖15封装成一个闭合的结构；带底圆筒轭铁13和圆形轭铁11之间留有气隙，一方面可以控制偏置磁场大小，另一方面可以引出两片应变片3的引线。带底圆筒轭铁13的高度与圆形轭铁11、上永磁铁5、Terfen0l-D棒2和下永磁铁14的高度之和相等。圆筒状外套I的一侧带有长方形开槽16，便于应变片测试线引出。当传感器倒T型顶杆7受到一定变化的外界力F的作用，倒T型顶杆7柱端通 过机械传导装置非导磁垫片6、弹簧10、圆形轭铁11、上永磁铁5将力F传递给敏感元件Terfenol-D棒2。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为Terfenol-D棒2提供一定的偏置磁场H, Terfenol本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超磁致伸缩材料Terfenol?D的无源压力传感器，其特征为该传感器的结构为：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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王博文，翁玲，王志华，孙英，黄文美，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：实用新型
国别省市：