CN103197263B - 具有可调偏置磁路的小型交变磁电传感器 - Google Patents
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具有可调偏置磁路的小型交变磁电传感器，涉及磁电传感器。提供一种在测量方向上保持尺寸恒定，但可调整偏置磁场大小的小型交变磁电传感器。包括外壳，外壳内设有可调节偏置磁路、非磁性支架和传感磁电片；所述可调节偏置磁路设有永磁体、漏磁块和1对磁轭；永磁体设于所述1对磁轭之间，所述1对磁轭对称设置，永磁体侧面与1对磁轭的后部内侧面紧密触接，漏磁块一端面与1对磁轭的后端面接合；非磁性支架设于1对磁轭的磁隙中间，非磁性支架两侧与1对磁轭的前部内侧面接合；传感磁电片设于1对磁轭前端之间，且与非磁性支架前端触接。
Description
技术领域
本发明涉及磁电传感器，尤其是涉及一种具有可调偏置磁路的小型交变磁电传感器。
背景技术
磁电效应是指材料在外加磁场作用下产生电极化或者材料在外加电场作用下产生磁化的现象。具有磁电效应的材料一般分为单相材料和复合材料两大类。单相材料的磁电效应相对复合材料较弱，而对于复合材料来说，层状压电/磁致伸缩的磁电效应又较为突出。近年来，随着磁电材料的不断发展，磁电材料的应用也越来越受到关注。采用层状磁电复合材料制作交变/直流磁场传感器等器件都有了很大的进展。
磁电复合材料检测交变磁场的工作原理是：在一定的直流偏置磁场下，磁致伸缩材料受到外加交变磁场时产生交变的应变，该应变传递到压电相，根据压电效应产生交变的电压。交变电压的大小与交变磁场成线性关系，斜率即为磁电复合材料的磁电转换系数，也就是传感器的灵敏度。一般情况下，磁电转换系数会先随着直流偏置磁场的增大而增大，达到最大值后，再随着偏置磁场的增大而减小。因此，存在一个最佳偏置磁场，在该磁场下，磁电转换系数取得最大值。为了发挥磁电材料的最大性能，制作传感器时，都需要对磁电材料施加一定的直流偏置磁场，并且尽可能让偏置磁场处于最佳偏置磁场值附近。
在目前研究的磁电材料中，不同的铁磁材料的最佳偏置磁场具有显著的不同。例如，非晶薄带的最佳偏置磁场只有10Oe左右；Ni薄片的最佳偏置磁场在100～300Oe范围内；Terfenol-D材料的最佳偏置场在500Oe左右。另外，最佳偏置磁场还与样品的形状有关，在测量方向上样品的长径比越小，退磁场越大，实际的偏置磁场将升高。在现有的磁电式交流磁传感器中，除了非晶薄带由于偏置磁场较低可以采用通电线圈产生磁场进行偏置之外（[4]D.T.Huong Giang and N.H.Duc,Magnetoelectric sensor for microtesla magnetic-fields based on(Fe80Co20)78Si12B10/PZT laminates,Sensor.Actuat.A149,229(2009)），大多传感器都采取一对永磁体进行偏置（[6]Y.Shen,J.Gao,L.Shen,D.Gray,J.Li,P.Finkel,D.Viehland,X.Zhuang,S.Saez and C.Dolabdjian,Analysis of the environmental magnetic noise rejection by using twosimple magnetoelectric sensors,Sensor.Actuat.A171,63(2011)；[7]Z.P.Xing,J.Y.Zhai,S.X.Dong,J.F.Li,D.Viehland and W.G.Odendaal,Modeling and detection of quasi-static nanoteslamagnetic field variation using magnetoelectric laminate sensors,Meas.Sci.Technol.19,015206(2008)）。通过改变两块永磁体的相对距离，可以调节产生的偏置磁场的大小。但是，现有方式具有一些显著的缺点：采用通电线圈施加磁场，需要额外通过稳定的电流，增加了测量***的复杂性；而采用一对永磁体进行偏置时，一方面是这种结构是开放式的磁路，具有非常明显的漏磁。另一方面由于永磁体的磁性都比较强，表面磁场都在0.1T以上，必须通过增加永磁体间的相对距离来减小磁场，这造成传感器在测量方向的尺寸都很大，达到20mm左右，体积十分庞大，难以小型化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在测量方向上保持尺寸恒定，但可调整偏置磁场大小的小型交变磁电传感器。该磁电传感器体积小巧、调节简单、调节范围广，适用于装配各种不同的磁电材料，可适用于交变磁场或者交变电流的精确测量。
本发明包括外壳，外壳内设有可调节偏置磁路、非磁性支架和传感磁电片；
所述可调节偏置磁路设有永磁体、漏磁块和1对磁轭；永磁体设于所述1对磁轭之间，所述1对磁轭对称设置，永磁体侧面与1对磁轭的后部内侧面紧密触接，漏磁块一端面与1对磁轭的后端面接合；非磁性支架设于1对磁轭的磁隙中间，非磁性支架两侧与1对磁轭的前部内侧面接合；传感磁电片设于1对磁轭前端之间，且与非磁性支架前端触接。
所述永磁体的横截面可为方形、圆形等形状，永磁体的数量可为1个以上。
所述1对磁轭的2个磁轭前端内侧边沿最好对称设有突起，这样可改善磁场的均匀性。
与现有技术比较，本发明的工作原理如下：
偏置磁路由永磁体作为磁场源，形成主磁路和副磁路。主磁路由永磁体两端发出，经由1对磁轭和传感磁电片（磁电材料）构成，对传感磁电片起偏置作用；副磁路由漏磁块连接永磁体两端构成，起漏磁作用。副磁路的宽度可以通过加工进行改变，宽度越小，副磁路磁通越小。由于主副磁路的磁通总和等于永磁体所能提供的磁通，通过调节副磁路的磁通，主磁路的磁通可以受到调节：副磁路的宽度越小，主磁路的磁通越大，偏置磁场越大。起传感作用的传感磁电片位于主磁路两磁轭构成的磁隙中间，其长度方向为测量方向，采用中心支撑方式固定传感磁电片。外壳包含绝缘层（如塑料管材）以及非磁性的导电金属屏蔽层（如金属铜）。
本发明的有益效果如下：
1、偏置磁路包含的主副磁路都是闭合磁路，漏磁小。
2、偏置磁场的大小可以通过改变副磁路的宽度进行调节。主磁路的尺寸保持恒定，大大减小了传感器的体积，测量方向上的最小尺寸可以达到8mm。
3、偏置磁场的大小可以通过改变副磁路的宽度进行调节，可以根据不同磁电材料的要求，调节出不同的最佳偏置磁场。
4、偏置磁场的大小可以通过改变副磁路的宽度进行调节，可以调节传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图（省略外壳）。
图2为本发明实施例的磁路工作原理示意图。在图2中，右侧箭头和虚线构成的回路为主磁路；左侧箭头和虚线构成的回路为副磁路；双向箭头为传感磁电片的测量方向。
图3为本发明实施例的传感磁电片的磁电转换系数随磁场的变化关系。在图3中，横坐标为磁场（T），纵坐标为输出电压（V）。
图4为本发明实施例的传感输出信号与副磁路宽度之间的关系图。在图4中，横坐标为漏磁块的宽度（mm），纵坐标为输出电压（mV）。
图5为本发明实施例的传感输出信号与交变电流之间关系以及对传感输出信号与交变电流之间线性关系进行拟合的结果。在图5中，横坐标为电流（A），纵坐标为输出电压（V）；一系列离散的点是实验测得的传感输出信号与交变电流之间关系的数据点；直线是用Origin软件对所测传感输出信号与交变电流数据进行线形拟合的拟合直线；方框中的标示为用Origin软件对传感输出信号与交变电流进行线性拟合的拟合参数结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和2，本发明包括外壳（图1和2中未画出），外壳内设有可调节偏置磁路、非磁性支架7和传感磁电片6。
可调节偏置磁路设有永磁体2、漏磁块5和1对磁轭3；永磁体2设于所述1对磁轭3之间，永磁体2侧面与所述1对磁轭3的后部内侧面紧密触接，漏磁块5一端面与所述1对磁轭3的后端面接合；非磁性支架7设于所述1对磁轭3的磁隙中间，非磁性支架7两侧与所述1对磁轭3的前部内侧面接合；传感磁电片6设于所述1对磁轭3前端之间，且与所述非磁性支架7前端触接。所述永磁体2的横截面为长方形。所述1对磁轭3的2个磁轭的前端内侧边沿最好对称设有突起31，这样可改善磁场的均匀性。所述1对磁轭3和漏磁块5都由软磁材料制成。
永磁体2与1对磁轭3紧密贴合进行磁耦合，从而在磁轭边缘突起31间的间隙中产生磁场，为传感磁电片6提供偏置磁场。永磁体2沿厚度方向磁化，与1对磁轭3形成闭合的磁路。1对磁轭3对称设置，磁轭3的边缘突起31可改善磁场的均匀性。非磁性支架7所用材料为铝（也可为铜、塑料等），其形状为梯形（也可为T形等）。支撑传感磁电片6的方式为中心支撑。
参见图4和图2，图4显示了磁电传感器的输出信号与副磁路宽度之间的关系。由图4可见，通过改变副磁路漏磁块5的宽度可以改变主磁路两磁轭边缘突起31之间的偏置磁场的大小，也就是可以调节偏置磁场的大小，从而调节传感器的灵敏度。
参见图2～4，本实施例偏置磁路的横截面积为8mm×8mm，主磁路长度为20mm，副磁路漏磁块5的宽度为5mm（可以通过加工调整）。永磁体2选用NdFeB稀土永磁体，其尺寸为6mm×6mm×1mm，其表面磁场强度为0.25T。1对磁轭3与漏磁块5采用45号钢制成。传感磁电片6所用磁电材料为Ni/PZT/Ni叠层磁电复合材料，其磁电转换系数随磁场的变化关系如图3所示。图3显示出该磁电材料的最佳偏置磁场为503Oe，在该偏置磁场下磁电材料的输出电压为6mV。逐渐减小漏磁块5的宽度，并测量传感器输出信号电压随漏磁块5宽度的关系，如图4所示。从图4可以看出，传感器的输出电压随漏磁块宽度的减小而逐渐增加。将漏磁块5的宽度加工为1.18mm时，传感器获得了最高输出电压6mV。
参见图5，图5为本发明实施例进行实际电流测量的传感输出信号与交变电流之间关系以及对传感输出信号与交变电流之间线性关系进行拟合的结果。选取距离导线25mm处放置本实施例并进行测试的传感磁电片（磁电复合材料）。测试时，将本实施例的测量方向设置在交变磁场的产生方向上。实际例的输出信号接入一个放大倍数为1000倍的电压放大器，最后通过万用表读取输出电压的均方值。从图5中的拟合直线以及拟合参数结果中可以看出，在0～8A范围内，本实施例的电流灵敏度为0.04162V/A，输出信号和电流值之间显示出了很好的线性关系，线性拟合度达到了0.99998。
Claims (3)
1.具有可调偏置磁路的小型交变磁电传感器，其特征在于包括外壳，外壳内设有可调节偏置磁路、非磁性支架和传感磁电片；
可调节偏置磁路设有永磁体、漏磁块和1对磁轭；永磁体设于1对磁轭之间，所述1对磁轭对称设置，永磁体侧面与1对磁轭的后部内侧面紧密触接，漏磁块一端面与1对磁轭的后端面接合；非磁性支架设于1对磁轭的磁隙中间，非磁性支架两侧与1对磁轭的前部内侧面接合；传感磁电片设于1对磁轭前端之间，且与所述非磁性支架前端触接；
可调节偏置磁路对传感磁电片提供恒定的偏置磁场，使传感磁电片处于最大的输出状态；所述传感器对传感器外部空间的交变磁场进行测量。
2.如权利要求1所述的具有可调偏置磁路的小型交变磁电传感器，其特征在于所述永磁体的横截面为方形或圆形，永磁体的数量为至少1个。
3.如权利要求1所述的具有可调偏置磁路的小型交变磁电传感器，其特征在于所述1对磁轭的2个磁轭前端内侧边沿对称设有突起。
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