本发明专利技术公开了测量应力的包含磁弹性材料层的传感器以及制造层的方法。所述传感器用于测量由施加到承载构件上的力引起的应力。所述传感器包含形成于承载构件上的磁弹性材料层。所述层为不均匀的，且包含平均晶粒尺寸低于100nm且具有第一化学组分的第一相，以及具有显著不同化学组分的第二相(17)，第一相由第二相分割成平均尺寸在100nm到10000nm范围内的区域(18)，且所述区域中的多个区域具有低于1％的重量百分比的氧水平。本发明专利技术也涉及以至少300m/s的速度朝向承载构件的表面加速软磁性材料和平均尺寸在10μm到50μm范围内的磁弹性材料的颗粒，使得被加速颗粒的平均温度不高于所述磁弹性材料熔化温度以上500摄氏度，但是也不低于所述磁弹性材料的熔化温度以下500摄氏度。
【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2009年8月19日、申请号为200980137591. 4、专利技术名称为“用于测量应カ的包含磁弹性材料层的传感器以及制造层的方法”的专利技术专利申请的分案申请。_2]
及现有技术本专利技术涉及一种传感器，其用于测量由施加到承载构件上的力引起的应力，其中传感器包括形成于承载构件上的磁弹性材料层，且传感器被设置用于在磁弹性材料层中产生时变磁场，检测所述层中磁导率的变化，以及基于检测到的所述层中磁导率的变化而确定所引起的应力。本专利技术也涉及用于制造这样的层的方法。传感器測量由施加到承载构件上的力引起的所述层中的应カ和/或应变。施加到承载构件上的カ为，例如拉力、压カ或者扭矩，且承载构件为，例如金属轴。以上描述类型的扭矩传感器为本领域众所周知，例如，从EP0309979。承载构件的目的是将负载传递到应カ測量层。磁弹性材料，也表示为磁致伸缩材料，是ー种当由力负载时其磁导率改变的材料。磁弹性材料的示例有铁、镍、钴及稀土金属或者这些金属的合金。当已经被暴露在强磁场时，硬磁性材料保持磁化。在已经暴露在强磁场中之后，软磁性材料不能保持磁化。软磁性材料与硬磁性材料的区别在于软磁性材料在被磁化后不能保持稳恒磁场。硬磁性材料通常具有超过几千A/m的矫顽力。软磁性材料具有低很多的矫顽力，通常小于1000A/m。期望能够测量在大负载范围内的机械应カ。例如，在汽车エ业中，期望測量大小高达200-300MPa的扭矩引起剪切应力。另外，期望找到ー种由于抗机械及热疲劳而长期稳定且为线性的扭矩测量设备，线性是指来自测量设备的输出信号基本上与承载构件上的负载成比例。另外，期望降低或者甚至消除測量设备输出信号中的蠕变，即在负载恒定时，输出信号的值不应当改变。应当避免输出信号中的磁滞，因为磁滞増大测量误差。致密层和在所述层及承载构件之间的良好的附着性是获得长期稳定、具有大负载范围及低磁滞的測量设备的前提。磁弹性效应从磁畴壁的移动的角度来解释(參见例如“ModernMagneticMaterials” 第 7 章，作者 Robert C. 0' Handley, ISBN0-471-15566-7)，因此，磁畴的形状和尺寸以及磁畴壁的移动性在基于磁弹性效应建立传感器时极其重要。磁畴,即具有统一磁化方向的区域，具有被定义为磁畴壁的边界。磁畴壁依赖于磁弾性材料的磁化方向而可在所述材料中移动。磁畴壁可在均匀单晶材料中自由移动，由于单晶在结构上及化学上都均匀，所述壁在其中不会遇到任何障碍。在非晶材料中，磁畴壁不会遇到任何障碍，因为在这样的材料中，结构上或者化学上的变化比畴壁的厚度小得多。通常，软磁性材料(例如NiFe或者FeCo)的磁畴壁厚度的数量级在几百个纳米，在极端情况下，达到Iym,因此,尺寸小于IOOnm的晶粒不能对畴壁形成有效障碍。在这些材料中，磁畴的形状和尺寸依赖于退磁磁场以及试图最小化磁化系统能量的磁化对象的形状。W02007/106024公开了ー种用于制造在承载构件上的层的方法，所述层意图用于測量由施加到承载构件上的力引起的应力，其中所述方法包含在所述构件的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁弹性合金的纳米晶层，以及热处理所述层直到所述合金发生结晶化且平均晶粒尺寸变为在IOOnm到IOOOOnm范围内。由于所述方法制造了晶粒尺寸大到足以适应ー个或者只是几个磁畴的微结构层，这种方法显著地改善了所述层的应カ测量特性。平均晶粒尺寸小于50nm的纳米晶层为结晶化及定制以上提到的微结构提供了有利的条件。晶粒尺寸大于IOOOOnm的微结构趋于具有较高的磁弹性灵敏度，当尝试获得上述提到的宽测量范围时，其是不利的。所述层优选地借助于电镀而形成在所述构件上，因为电镀是ー种用于获得所期望的晶粒尺寸的磁弹性材料的合适方法。所述文件提到也可能使用其他方法将所述层施加到承载构件上，例如PVD(物理气相沉积)方法，CVD(化学气相沉积)方法，以及金属喷镀。然而，电镀方法也有ー些缺点。缺点之一是在施加较厚层时电镀需要花费很长时间。以上提到的在承载构件上的层适当地厚于30 u m,且优选地所述层的厚度在100 u m到300 y m之间。使用电镀来施加这样的厚层需要花费数小吋。因此，电镀不是ー种在商业上有吸引力的将所述层施加到承载构件上的方法。电镀的另ー缺点是其能够导致所述层施加到的材料的強度降低，且对坚硬材料例如渗碳钢尤其如此。所述层的施加快速且简便从而经济上可行很重要。ー个原子接ー个原子的层施加方法，例如物理或者化学气相沉积，缓慢且在建立几十或者几百微米厚的层时其存在很大的局限性。粉末冶金方法，例如热喷镀、激光熔覆及烧结的优点是在建立层厚度时非常快速且不损害承载层的強度。高速热喷镀技术是在其中将由颗粒形成的粉末喷镀到表面的覆盖エ艺。在应用粉末之前可加热所述粉末。所述粉末通常馈入到喷镀枪中，在喷镀枪中，所述粉末能够在被朝向将要被覆盖的材料加速时被加热。当喷镀颗粒冲击到表面上时，所述颗粒冷却并建立形成所述覆盖层的结构。粉末冶金方法的显著特征是当形成金属层时，由于颗粒在覆盖层中全部或者部分熔化而导致所制造的覆盖层不均匀。通常，粉末中颗粒的表面由另ー种材料的外层覆盖，通常为所述金属的氧化物。颗粒的外层被包含在覆盖层中且因此有助于所制造的覆盖层的不均匀。许多粉末冶金方法的一个众所周知的问题是由于在喷镀过程中加热粉末及金属粉末与空气接触而导致的氧化。由于所制造的覆盖层的不均匀以及在层沉积时相对高的温度，高速热喷镀技术不适用于获得具有所期望的一致的化学组分和晶粒尺寸的均匀纳米晶层。因此，高速热喷镀技术不能用来制造要实施如W02007/106024所描述的方法所需要的均匀纳米晶层。US6, 465，039公开了ー种用于在轴上形成磁致伸縮混合物覆盖层的方法。通过低温、高速喷镀将磁致伸縮稀土铁化合物(REF2)颗粒的粉末混合物及由喷镀气体流所承载的基质金属颗粒施加到所述轴上。所述气体的温度可能在300摄氏度到1000摄氏度之间变化。针对所述轴，所喷镀的基质金属颗粒的颗粒尺寸范围从63 y m到90 u m,及所喷镀的磁致伸縮稀土铁颗粒的颗粒尺寸范围从63 y m到106 u m。所述覆盖层自身包含硬磁性材料，因此在所述覆盖层中产生及保持稳恒磁场。将具有覆盖层的轴使用于传感器中以测量施加到所述轴上的扭矩。由于所述覆盖层磁导率的变化，稳恒磁场依赖于施加到所述轴上的扭矩而改变方向。为了使US6，465，039中描述的磁弾性传感器成功操作，需要具有矫顽カ超过数千或者甚至数万A/m的磁性硬材料，而这对于以层中的时变磁场在测量设备中引起电压以便检测磁导率的变化为原理而工作的磁弹性传感器的情况来说是不需要具有的。专利技术目的及
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于制造具有良好应カ测量特性的磁弹性材料层的方法，所述方法克服了以上提到的伴随电镀的缺点。所述目的通过由权利要求1限定的方法来实现。这样的方法包含以超过300m/s的速度朝向承载构件的表面加速平均尺寸在10 ii m到50 ii m范围内的软磁性并且磁弹性的材料的颗粒，使得被加速颗粒的平均温度不高于所述磁弹性材料熔化温度以上500摄氏度，但是也不低于所述磁弹性材料的熔化温度以下500摄氏度。专利技术人出人意料地发现，与W02本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种传感器，其用于测量由施加到承载构件(1)上的力引起的应力，其中所述传感器包括形成于所述承载构件上的磁弹性材料层(3)，且所述传感器被设置用于：在所述磁弹性层中产生时变磁场，检测所述层中磁导率的变化，以及基于检测到的所述层中磁导率的变化而确定所述应力，其特征在于，所述层不均匀，且包含平均晶粒尺寸低于100nm且具有第一化学组分的第一相，以及具有显著不同化学组分的第二相(17)，所述第一相被所述第二相分割成平均尺寸在100nm到10000nm范围内的区域(18)，且所述区域中的多个区域具有低于1％的重量百分比的氧水平。
【技术特征摘要】
2008.09.25 EP 08165077.21.一种传感器，其用于测量由施加到承载构件(I)上的力引起的应力，其中所述传感器包括形成于所述承载构件上的磁弹性材料层(3)，且所述传感器被设置用于在所述磁弹性层中产生时变磁场，检测所述层中磁导率的变化，以及基于检测到的所述层中磁导率的变化而确定所述应力， 其特征在于，所述层不均匀，且包含平均晶粒尺寸低于IOOnm且具有第一化学组分的第一相，以及具有显著不同化学组分的第二相(17)，所述第一相被所述第二相分割成平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内的区域(18)，且所述区域中的多个区域具有低于1%的重量百分比的氧水平。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第二相具有超过5%的氧水平。3.根据权利要求1或者2所述的传感器，其中所述层包含多个被所述第一相和第二相包围的颗粒，且每个颗粒包含一个或者多个平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内且氧水平低于1%的重量百分比的晶粒。4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的传感器，其中第一相占到所述层的10-90%的重量百分比。5.根据权利要求1-4中任一项权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：H·林，A·米尼奥塔斯，
申请(专利权)人：ABB公司，
类型：发明
国别省市：
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