[发明专利]一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器及调节方法

说明书

本发明提供了一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器及调节方法，其中，结构包括安装在U型铁轭中间的圆形层合磁电结构，层合磁电结构层间安装薄膜电极，电极引出线路依次首尾相连构成串联电路，正负极外端预留电压测试接口；U型铁轭端部与磁电结构连接处设置碟簧，底部缠绕直流螺线管，流螺线管外接稳压直流电源。通过测量过程中螺线管电流的变化来调控磁电结构磁性相磁致伸缩材料偏置条件，实现传感器测量灵敏度的实时调控。本发明解决了在磁场强度测量过程中，磁场传感器基于霍尔效应以预设灵敏度进行测量，测量灵敏度的实时调控较难实现的问题。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器及调节方法。

背景技术

新型层合磁电传感器具有高磁电电压转换系数、对磁场变化响应速度快、灵敏度高、精度高、体积小、工作无需外部供电等优势，特别适用于替代磁场监测技术需求的应用场景[1]。研究发现，组成层合磁电结构的磁性材料Terfenol-D偏磁场和预应力的选取对励磁响应影响显著，其材料本构关系具有力-磁耦合、强非线性等特点[2]。传感器核心磁电层合结构的磁电系数反映着传感器灵敏度，可通过给磁性材料层施加合适的偏置条件进行调控[3]。

目前，用于磁场强度信号检测的典型传感器为霍尔传感器。在磁场强度测量过程中，磁场传感器基于霍尔效应以预设灵敏度进行测量，测量灵敏度的实时调控较难实现。霍尔传感器测量灵敏度的提高必须在传感器设计和架设时考虑多种因素进行补偿。可调灵敏度的磁场传感器为磁场强度测量提供极大的便利。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的需求，提供一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器，该探头不仅设置简便，而且通过测量过程中磁致伸缩材料偏置条件的调控，实现传感器测量灵敏度的实时调控。

本发明采用的技术方案为：

一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器，包括U型铁轭和层合磁电结构，所述层合磁电结构设置在U型铁轭的缺口中间位置，所述U型铁轭的缺口端部与层合磁电结构连接处设置碟簧，所述U型铁轭、层合磁电结构和碟簧内部实现闭环磁路。

在上述技术方案中，所述层合磁电结构由压电片层和超磁致伸缩材料用环氧树脂交替粘贴形成，其中，压电片层采用圆形Terfenol-D材料。

在上述技术方案中，进一步地，在层合磁电结构的层间安装薄膜电极，所述薄膜电极引出线路依次首尾相连构成串联电路，正负极外端预留电压测试接口。

在上述技术方案中，更进一步地，所述薄膜电极为箔片状，由层间两相片状材料的位置引出电极一面与压电片层联通，另一面与磁致伸缩材料片层之间隔离绝缘，相邻电极之间焊接低阻铜导线联通。

在上述技术方案中，所述U型铁轭底部缠绕有直流螺线管，流螺线管外接稳压直流电源。

本发明另一个目的是提供一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器的调节方法，该调节方法包括以下步骤：

步骤1：稳压直流电源的开关打开时，U型铁轭、层合磁电结构和碟簧内部实现闭环磁路，磁力线垂直穿透层合磁电结构中的磁敏相超磁致伸缩材料，磁敏相超磁致伸缩材料产生应变施加荷载于压电片层，压电片层基于压电效应产生感生电动势；

步骤2：调控U型铁轭底部直流螺线管输入电流强度后，响应改变穿过层合磁电结构磁力线数量，达到调控层合磁电结构偏置条件的目的，实现磁电层合传感器可调灵敏度。

在上述方案中，所述层合磁电结构的最佳偏执条件由调整U型铁轭磁化程度和碟簧自身应力应变状态实现。

本发明的有益效果：