CN104697677A - 一种压磁式应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压磁式应力传感器。该传感器包括支撑壳体，与支撑壳体外部相连接的应力承受体，以及位于支撑壳体内部的第一磁体；第一磁体为磁致伸缩材料；第一磁体两端与支撑壳体内壁固定连接；工作状态时，外界应力作用在应力承受体上，支撑壳体发生形变引起第一磁体发生形变，因而第一磁体的磁性改变，其阻抗随之变化。该传感器结构简单、灵敏度高、成本低，可用于高速公路计重收费***、工业自动化称量***等高应力监测，也可用于微应力应变监测。

Description

一种压磁式应力传感器

技术领域

本发明涉及应力检测领域，尤其是涉及一种压磁式应力传感器。

背景技术

应力传感器是工业中常用的传感器之一，广泛应用于工业自动控制领域，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、机床等众多行业。

随着柔性电子学及可穿戴设备的发展，应力传感器越来越受到人们的关注。传统的应力传感器以机械结构型器件为主，利用弹性元件的弹性形变或液柱压力差反馈施加的压力，其缺点是尺寸大、体积重且不能提供电量输出，不利于***集成。

随着科技的发展，新材料和新的物理效应不断应用到应力传感器中，使应力传感器取得了长足发展。按照工作原理来划分，应力传感器可以分为压阻式、电容式、压电式、光纤式和压磁式等。

压阻式应力传感器利用金属或者半导体的电阻随外界压力的变化而变化的原理进行工作。目前应用的压阻式应力传感器主要是硅基压力传感器，具有测量精度高、重复性好、稳定性好、测试压力范围较宽、输出信号强、体积小、利于集成等优点。但是，硅基压力传感器的使用温度一般低于125℃，不能在高温下使用，并且所测量的压力下限一般为1000Pa，不能测量超微压力。电容式应力传感器利用电容量随压力改变而变化的原理进行工作，具有结构简单、测量精度高、稳定性好、功耗低、线性度好、体积小以及利于集成等优点。但是，电容式应力传感器易受到连接导线中的寄生电容影响，因此对测量电路要求较高。压电式应力传感器是根据压电效应制成的压力传感器，具有测量精度高、测试压力范围宽、使用温度范围宽、体积小、利于集成等优点。但是，压电式应力传感器对测量温度很敏感，通常需要利用内部测温***进行校准或者需要采用恒温***；此外，压电式应力传感器主要用于加速度和角速度的测量，一般不用于静压测量。光纤式应力传感器是利用外界应力改变时，在光纤中的传播的光的光强、相位或者偏振性能随外界应力的改变而变化的原理进行工作，但是该传感器需要复杂的光路处理设备，价格昂贵。

压磁式应力传感器中的主要材料为磁致伸缩材料。磁致伸缩材料具有磁致伸缩效应，即在外磁场作用下，磁致伸缩材料的形状发生改变；另一方面，当磁致伸缩材料发生形变时，其磁性发生改变，即逆磁致伸缩效应。压磁式应力传感器利用逆磁致伸缩效应而工作，磁致伸缩材料在应力作用下发生形变时，其磁性发生改变，导致磁致伸缩材料的阻抗或者位于其磁场中的元件阻抗发生变化。

压磁式应力传感器具有高灵敏度、线性度好、温度稳定性好、输出功率大、使用寿命长的优点，因此日益被人们所关注。目前，结构简单、灵敏度高、性能稳定的压磁式应力传感器是科技工作者的研究热点，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种结构简单、灵敏度高、性能稳定的压磁式应力传感器。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：一种压磁式应力传感器，包括支撑壳体，与支撑壳体外部相连接的应力承受体，以及位于支撑壳体内部的第一磁体；

所述的第一磁体为磁致伸缩材料，即，具有磁致伸缩性；

支撑壳体中，与应力承受体相连接的部分为承压部分，压力承受***于承压部分的外壁；

第一磁体两端与承压部分的内壁固定连接，或者，磁体两端通过连接体与承压部分的内壁固定连接；

工作状态时，外界应力作用在应力承受体上，承压部分受到压应力而发生形变，该承压部分的形变以与应力承受体相连接的位置为中心向周围减弱；所述承压部分的形变引起第一磁体发生形变，该第一磁体的形变引起第一磁体的磁性改变，该第一磁体的阻抗随之改变，由与第一磁体两端相连接的导体输出该阻抗。

作为优选，所述压磁式应力传感器还包括第二磁体，该第二磁***于支撑壳体内部，为第一磁体提供偏置磁场，当第一磁体发生形变时，其离第二磁体的距离改变，使得第一磁体所受的偏置磁场改变，这引起第一磁体磁性的改变，等效于放大了第一磁体的磁性改变量，有利于提高传感灵敏度。

作为优选，所述的连接体是两个连接在支撑端内壁的固定块。采用紧固件将第一磁体的一端与其中一个固定块固定连接，采用紧固件将第一磁体的另一端与另一个固定块固定连接。或者，每个固定块设置插孔，第一磁体的一端***其中一个固定块的插孔中，第一磁体的另一端***另一个固定块的插孔中。或者，将两种方式相结合，即每个固定块设置插孔，第一磁体的一端***其中一个固定块的插孔中，第一磁体的另一端***另一个固定块的插孔中，同时采用紧固件固定每个固定块中的第一磁体端部。

所述的紧固件包括导电螺钉或非导电螺钉，当选用导电螺钉时，可以从该螺钉引出导线，用于输出阻抗值。

为了进一步提高该压磁式应力传感器的灵敏度，还可以在所述第一磁体的***设置线圈，即，所述第一磁体穿过该线圈内部；当所述第一磁体的磁性改变时，线圈阻抗随之发生变化，该线圈的阻抗值由线圈两端输出。在这种情况下，作为优选，所述线圈数目大于或者等于两个，相邻的线圈之间存在间距，各线圈串联在一起，以进一步提高线圈阻抗的变化量，从而提高灵敏度。更优选地，该压磁式应力传感器还包括至少一个力传导体，该力传导体一端固定连接支撑端内壁，另一端固定连接在第一磁体两端之间的位置，用于将承压部分受到压应力直接传导至第一磁体两端之间，从而增大第一磁体两端之间的位置的形变量，从而提高第一磁体的整体形变，有利于提高传感灵敏度。

作为优选，所述线圈位于支架上，以方便调整线圈位置。所述支架结构不限，可以是固定在支撑壳体内部的固定架和/或固定杆。

所述的第一磁体为磁致伸缩材料体系，包括磁致伸缩金属、磁致伸缩合金、非晶磁致伸缩材料等。作为优选，选择铁基非晶磁致伸缩材料或者钴基非晶磁致伸缩材料，包括FeSiB、FeCuNbSiB、FeNiSiB、FeCoSiB、GdFeCo、CoSiB等。

所述的支撑壳体采用可以是不锈钢、Al、Cu、塑料等。为了避免外界磁场对支撑壳体内部的磁场产生，作为优选，所述的支撑壳体材料采用软磁材料制成，或者支撑壳体***设置软磁材料层，用以对外界磁场进行磁屏蔽。

所述的阻抗输出端(包括连接在第一磁体两端的导体端，和/或线圈两端)与阻抗分析仪相连接；或者，所述的阻抗输出端与电阻构成惠斯通电桥结构，且阻抗输出端为惠斯通电桥的一个桥臂，惠斯通电桥的输出与电压表或电流表或阻抗分析仪相连接。

综上所述，本发明提供了一种压磁式应力传感器，通过结构的设计，将外界应力作用在应力承受体上产生压应力，应力承受体将该压应力传递至支撑壳体的承压部分，承压部分发生形变，该形变量呈中心强，周围逐渐减弱分布，因此引起与该承压部分相连接的第一磁体形变，从而使具有磁致伸缩性能的第一磁体的磁性发生改变，其阻抗随之发生变化，设置在其***的线圈的阻抗也随之发生变化，通过检测该第一磁体的阻抗变化值，或者该线圈的阻抗变换值即能实现该应力检测。

该传感器具有结构简单、灵敏度高、易安装、易维护、成本低、无线探测兼容等优点，可应用在不同的技术领域，例如，用于高速公路计重收费***中的轴重秤；工业自动化检测***中的料罐秤、仓储秤、料斗秤；车载物品称重等高应力监测***，也可用于微应力监测，例如微米级位移的测量、微应力和应变测量等领域。

附图说明

图1是本发明实施例1中压磁式应力传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例2中压磁式应力传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例3中压磁式应力传感器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图1和图2中的附图标记为：壳体1、底座2、穿孔3、应力承受体4、立柱5、固定杆6、第二磁体7、固定柱8、固定架9、第一磁体10、螺丝11、线圈筒12、漆包线13、固定插孔14、力传导体15。

实施例1：

本实施例中，压磁式应力传感器结构如图1所示，包括支撑壳体，与支撑壳体外部相连接的应力承受体4，以及位于支撑壳体内部的第一磁体10与第二磁体7。

支撑壳体由底座2与壳体1组成。

应力承受体4连接在支撑壳体的顶部位置，该顶部位置即为支撑壳体的承压部分，应力承受体4位于承压部分的外壁面，承压部分的内壁面固定连接两个固定架9。

每个固定架9上开有固定插孔14。第一磁体10的一端***其中一个固定块的插孔中，第一磁体的另一端***另一个固定块的插孔中。同时，采用螺丝11接触固定每个固定块中的第一磁体端部。

第二磁体7位于立柱5上，立柱5固定在底座2上，同时通过固定杆6固定在壳体1的侧壁。

第一磁体10选择FeCoSiB材料，为带材，带宽0.5毫米，带厚30微米。

壳体1采用不锈钢制成，且其***镀有软磁的坡莫合金。

壳体1的侧壁设置穿孔3。螺丝11选择导电螺丝，该导电螺丝引出导线从穿孔3穿出，与阻抗分析仪相连接。

工作状态时，外界应力作用在应力承受体4上，壳体顶部受到压应力而发生形变，该壳体顶部的形变以壳体顶部与应力承受体相连接的位置为中心向四周减弱。该壳体顶部的形变引起第一磁体10发生形变。该第一磁体10的形变引起第一磁体10的磁性改变。同时，由于第二磁体7为第一磁体10提供偏置磁场，当第一磁10发生形变时，其离第二磁体7的距离改变，这使得第一磁体10所受的偏置磁场改变，这会引起第一磁体10磁性的改变，等效于放大了第一磁体10的磁性改变量。本实施例中，螺丝选择导电螺丝，该导电螺丝引出导线从穿孔3穿出，与阻抗分析仪相连接，通过测量第一磁体10阻抗的变化即可探测施加的应力。

本实施例中，第一磁体10为FeCoSiB材料，单位应变作用下，其磁导率的变化达到10⁵，因此能够探测10^-6级别的微应变。

实施例2：

本实施例中，压磁式应力传感器结构如图2所示，该结构与实施例1中的压磁式应力传感器结构基本相同，所不同的是第一磁体10的***设置线圈，即，第一磁体10穿过该线圈内部。线圈由线圈筒12以及绕在线圈筒12外面的漆包线13组成，漆包线13两端从穿孔3穿出，与阻抗分析仪相连接。第二磁体7位于线圈正下方。线圈通过固定柱8安装在第二磁体7上。

工作状态时，外界应力作用在应力承受体4上，壳体顶部受到压应力而发生形变，该壳体顶部的形变以壳体顶部与应力承受体相连接的位置为中心向四周减弱。该壳体顶部的形变引起第一磁体10发生形变。该第一磁体10的形变引起第一磁体10的磁性改变。同时，由于第二磁体7为第一磁体10提供偏置磁场，当第一磁10发生形变时，其离第二磁体7的距离改变，这使得第一磁体10所受的偏置磁场改变，这会引起第一磁体10磁性的改变，等效于放大了第一磁体10的磁性改变量。当第一磁体10的磁性发生改变，第一磁体10的阻抗随之发生变化，由与螺丝11连接的导线输出第一磁体10的阻抗；同时，线圈阻抗随之发生变化，该线圈的阻抗值由线圈两端输出。

实施例3：

本实施例中，压磁式应力传感器结构如图3所示，该结构与实施例2中的压磁式应力传感器结构基本相同，所不同的是该结构中第一磁体10的***设置两个线圈，即，第一磁体10穿过这两个线圈内部，并且两个线圈之间存在间距，两个线圈串联在一起。其次，该压磁式应力传感器还包括一个力传导体15，该力传导体15一端固定连接在壳体顶部内壁，另一端固定连接在第一磁体10两端之间的位置，用于将壳体顶部受到压应力直接传导至第一磁体10两端之间，以增大第一磁体两端之间位置的形变量，从而提高第一磁体的整体形变，有利于提高传感灵敏度。另外，第二磁体7位于两线圈中间位置的正下方，第二磁体7位于立柱5上，立柱5固定在底座2。每个线圈通过固定柱8安装在底座2上，同时固定柱8通过固定杆6固定在壳体1的侧壁。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压磁式应力传感器，其特征是：包括支撑壳体，与支撑壳体外部相连接的应力承受体，以及位于支撑壳体内部的具有磁致伸缩性的第一磁体；

支撑壳体中，与应力承受体相连接的部分为承压部分，压力承受***于承压部分的外壁；

第一磁体两端与承压部分的内壁固定连接，或者，第一磁体两端通过连接体与承压部分的内壁固定连接；

工作状态时，外界应力作用在应力承受体上，承压部分受到压应力而发生形变，该承压部分的形变以与应力承受体相连接的位置为中心向周围减弱；所述承压部分的形变引起第一磁体发生形变，该第一磁体的形变引起第一磁体的磁性改变，该第一磁体的阻抗随之改变，由与第一磁体两端相连接的导体输出该阻抗。

2.如权利要求1所述的压磁式应力传感器，其特征是：还包括用于为第一磁体提供偏置磁场的第二磁体。

3.如权利要求1所述的压磁式应力传感器，其特征是：所述的连接体是两个连接在承压部分内壁的固定块；

采用紧固件将第一磁体的一端与其中一个固定块固定连接，采用紧固件将第一磁体的另一端与另一个固定块固定连接；

或者，每个固定块设置插孔，第一磁体的一端***其中一个固定块的插孔中，第一磁体的另一端***另一个固定块的插孔中；

或者，每个固定块设置插孔，第一磁体的一端***其中一个固定块的插孔中，第一磁体的另一端***另一个固定块的插孔中，同时采用紧固件固定每个固定块中的磁芯端。

4.如权利要求1所述的压磁式应力传感器，其特征是：所述的第一磁体为铁基非晶磁致伸缩材料或者钴基非晶磁致伸缩材料。

5.如权利要求1所述的压磁式应力传感器，其特征是：所述的第一磁体材料为FeSiB、FeCuNbSiB、FeNiSiB、FeCoSiB、GdFeCo或者CoSiB。

6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的压磁式应力传感器，其特征是：还包括至少一个线圈，所述的第一磁体穿过每个线圈内部；

所述第一磁体的磁性改变引起线圈阻抗变化，由线圈两端输出该线圈阻抗。

7.如权利要求6所述的压磁式应力传感器，其特征是：所述线圈数目大于或者等于两个，相邻的线圈之间存在间距，各线圈串联在一起。

8.如权利要求7所述的压磁式应力传感器，其特征是：还包括至少一个力传导体，该力传导体一端固定连接承压部分的内壁，另一端固定连接在第一磁体的两端之间的位置。

9.如权利要求1至5中任一权利要求所述的压磁式应力传感器，所述的压磁式应力传感器，其特征是：所述的导体与阻抗分析仪相连接；或者，所述的导体与电阻构成惠斯通电桥结构，并且导体为惠斯通电桥的一个桥臂，惠斯通电桥的输出与电压表、电流表或阻抗分析仪相连接。

10.如权利要求6所述的压磁式应力传感器，其特征是：所述的线圈两端与阻抗分析仪相连接；或者，所述的线圈两端与电阻构成惠斯通电桥结构，并且导体为惠斯通电桥的一个桥臂，惠斯通电桥的输出与电压表、电流表或阻抗分析仪相连接。