專利名稱：磁致伸縮應(yīng)力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及配備軟鐵磁體的磁致伸縮應(yīng)力傳感器。這種鐵磁體的實(shí)例是多晶鐵氧體。這種所謂的多晶鐵氧體具有特別是由固有晶粒結(jié)構(gòu)確定的磁性能。
由于配備應(yīng)變片的普通應(yīng)力傳感器相當(dāng)昂貴這一事實(shí)，所以已開發(fā)利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)力傳感器。在施加機(jī)械壓力的情況下這些材料具有這樣的特性，即由于產(chǎn)生所謂的磁致伸縮效應(yīng)，該材料的導(dǎo)磁率(μ)發(fā)生變化。S.Chikazumi在Physics of Magnetism，John Wiley & Sons(1986再版)中較詳細(xì)地解釋了這一現(xiàn)象(參見第8章，更具體地說(shuō)，第8.4節(jié))。
在由本申請(qǐng)人申請(qǐng)的EP-A-0767984(PHN15.309)中對(duì)磁致伸縮應(yīng)力傳感器進(jìn)行了說(shuō)明。在所述文件中，由鐵氧體環(huán)形成鐵磁體，圍繞該鐵氧體環(huán)的至少一部分纏繞導(dǎo)電線圈。由于因機(jī)械應(yīng)力造成的鐵氧體導(dǎo)磁率μ的變化必然產(chǎn)生自感L的變化值，所以將該線圈連接到電路上，以測(cè)量線圈的自感(L)。
通常使用的鐵氧體實(shí)際上被用于例如頻率范圍在10至100kHz的變壓器線圈，一般具有大于或等于20μm的晶粒尺寸D。此外，在該晶粒尺寸下，導(dǎo)磁率的值很大。這種晶粒尺寸產(chǎn)生較低的矯頑磁力Hc，由于Hc與D成反比，所以能量損失小。但是，由于在該晶粒尺寸時(shí)的磁致伸縮效應(yīng)小，所以以此為基礎(chǔ)的應(yīng)力傳感器的靈敏度受到相當(dāng)大的限制。
在以下刊物中陳述了國(guó)際上采用的鐵氧體晶粒尺寸的定義Theinitial permeability of polycrystalline MnZn ferritesTheinfluence of domain and microstructure by P.J.van der Zaagc.s.in J.Appl.Phys.74(6)，1993年9月15日，pp.4085-4095。晶粒尺寸(D)也稱為“平均線性截取(intercept)值”，對(duì)應(yīng)于沿跨越鐵氧體微觀結(jié)構(gòu)圖象的任意線的弦平均長(zhǎng)度。晶粒尺寸的該定義與晶粒形狀無(wú)關(guān)。由S.I.Tomkeieff在Nature，vol.155(1945)，第24頁(yè)。中給出了該術(shù)語(yǔ)的更接近的數(shù)學(xué)近似。
本發(fā)明的目的在于可顯著提高磁致伸縮應(yīng)力傳感器的靈敏度。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，按照本發(fā)明，如在開篇中所述那樣的磁致伸縮應(yīng)力傳感器的特征在于，鐵磁體有這樣的晶粒結(jié)構(gòu)，以致至少一部分晶粒有處于一磁疇狀態(tài)和二磁疇狀態(tài)之間的過(guò)渡區(qū)中的粒徑尺寸。在這方面，術(shù)語(yǔ)應(yīng)力指每單位面積上的力。
一磁疇狀態(tài)是晶粒在一個(gè)方向上被完全磁化的狀態(tài)；在該狀態(tài)下，磁疇尺寸(Δ)相當(dāng)于晶粒尺寸D。二磁疇狀態(tài)是在各晶粒內(nèi)存在磁疇壁的狀態(tài)，在兩個(gè)磁疇部分中磁化方向不同。其中，利用中子去極化技術(shù)確定的磁疇尺寸Δ小于晶粒尺寸D。在J.Appl.Phys.中的上述公開中，按晶粒內(nèi)的磁疇結(jié)構(gòu)從一磁疇狀態(tài)變?yōu)槎女牋顟B(tài)來(lái)確定晶粒尺寸。在過(guò)渡的這點(diǎn)上，晶粒尺寸使磁疇壁能量(該能量確定二磁疇狀態(tài))基本上等于靜磁能量(該能量確定一磁疇狀態(tài))。參照在J.Appl.Phys.中的上述公開內(nèi)容，在過(guò)渡區(qū)的這點(diǎn)上的晶粒尺寸Dc可以近似地表示為Dc≈4μrμ0Ms2(2kTc|K|a)1/2]]>其中，k為波爾茲曼常數(shù)，K為磁晶體各向異性常數(shù)，a為交互耦合旋轉(zhuǎn)之間的距離，μ0為真空的絕對(duì)導(dǎo)磁率，μr為相對(duì)導(dǎo)磁率，Ms為飽和磁化強(qiáng)度，而Tc為居里溫度。尤其在MnZn鐵氧體、NiZn鐵氧體、MgMnZn鐵氧體、LiNiZn鐵氧體的情況下，過(guò)渡這點(diǎn)的晶粒尺寸在1至9μm范圍內(nèi)。在J.Appl.Phys.中發(fā)表的上述文章指出，細(xì)晶粒鐵氧體，特別是其晶粒尺寸在0.2至16μm范圍內(nèi)的鐵氧體的一部分將因此處于磁疇過(guò)渡區(qū)是公知的。在必須用于MHz范圍的特殊變壓器線圈中采用其D小于或等于10μm的鐵氧體?？梢圆糠值卣J(rèn)為限制使用具有這樣的晶粒尺寸以致鐵氧體處于從一磁疇狀態(tài)至二磁疇狀態(tài)的過(guò)渡區(qū)的鐵氧體的原因在于，因損失/消耗，鐵氧體是不穩(wěn)定的。
發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，正好是在發(fā)現(xiàn)其磁致伸縮最大的一磁疇狀態(tài)和二磁疇狀態(tài)之間的過(guò)渡區(qū)域，其磁致伸縮比在該過(guò)渡區(qū)外邊的磁致伸縮大5至12倍。該發(fā)現(xiàn)在于利用具有磁疇過(guò)渡區(qū)的晶粒尺寸的鐵氧體可制作應(yīng)力傳感器。
結(jié)果，對(duì)于所用的鐵氧體材料來(lái)說(shuō)，包括其晶粒尺寸在磁疇過(guò)渡區(qū)即在1至9μm范圍的鐵氧體的磁致伸縮應(yīng)力傳感器結(jié)果是很靈敏的，即壓力的微小的變化已經(jīng)產(chǎn)生導(dǎo)磁率的相當(dāng)大的改變。在磁疇過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)情況下，還發(fā)現(xiàn)添加一般最大量為5at％的特定量的Co使磁致伸縮有正效應(yīng)。
在機(jī)械應(yīng)力改變的情況下，磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)磁率的改變。為了測(cè)量導(dǎo)磁率的這種改變，由鐵氧體環(huán)形成鐵磁體，其中圍繞該鐵氧體環(huán)的至少一部分纏繞導(dǎo)電線圈，該鐵氧體環(huán)設(shè)置在測(cè)量電路中，用于測(cè)量在作用于鐵氧體環(huán)的機(jī)械壓力影響下線圈自感的變化。眾所周知，改變機(jī)械應(yīng)力所產(chǎn)生的導(dǎo)磁率的改變將導(dǎo)致線圈中的自感的改變。
本發(fā)明不僅涉及應(yīng)力傳感器，而且還涉及稱重裝置，該裝置配備至少一個(gè)上述類型的應(yīng)力傳感器。利用在特別選擇的鐵氧體晶粒結(jié)構(gòu)的情況下明顯顯示出的磁致伸縮效應(yīng)，可以將作用于這些應(yīng)力傳感器上的壓力直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。對(duì)于使用較復(fù)雜的機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置的普通稱重裝置來(lái)說(shuō)，尤其在所有質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)中，本發(fā)明的稱重裝置響應(yīng)快速并可以較便宜地大量生產(chǎn)。此外，本發(fā)明的稱重裝置很適于在潮濕的和腐蝕性的環(huán)境中使用。
因此，本發(fā)明廣泛涉及包括鐵磁體的稱重裝置，其中該鐵磁體由鐵氧體環(huán)形成，圍繞該鐵氧體環(huán)的至少一部分纏繞導(dǎo)電線圈，該鐵氧體環(huán)設(shè)置在測(cè)量電路中，用于測(cè)量在作用于鐵氧體環(huán)上的機(jī)械壓力影響下線圈自感的變化。
在特定的實(shí)施例中，測(cè)量電路包括諧振電路，在該諧振電路中裝有帶線圈的鐵氧體環(huán)，通過(guò)使測(cè)量頻率的信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化來(lái)測(cè)量線圈自感的變化，該測(cè)量頻率較接近諧振電路的諧振頻率。
在實(shí)際應(yīng)用中，稱重裝置配有用于被測(cè)量物的支座，該支座由多個(gè)鐵氧體環(huán)支撐，其中圍繞鐵氧體環(huán)的線圈接入諧振電路中。例如，可以用平板形成支座，在該板上，例如可以放置諸如汽車之類的大件物體；可以用秤形成支座，例如用于稱量嬰兒，或例如通過(guò)它將人造肥料播撒器放置在拖拉機(jī)后面的支架上，可以確定播撒肥料期間的重量減小等。
除了稱重裝置外，磁致伸縮應(yīng)力傳感器還可以用于需要靈敏壓力測(cè)量的所有應(yīng)用。例如，在上述的EP-A-0767984中，披露了可再充電電池裝置，在該裝置中，使用磁致伸縮應(yīng)力傳感器。在該裝置中，通過(guò)采用帶有上述特定晶粒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳感器，還可以提高測(cè)量靈敏度。參照以下說(shuō)明的實(shí)施例，將明白本發(fā)明。
在附圖中

圖1A、1B和1C表示用于說(shuō)明所選鐵氧體材料性能的三個(gè)圖；圖2表示本發(fā)明的稱重裝置的電路圖；和圖3表示所述稱重裝置的精心制做的電路圖。
在圖1A中，表示鐵氧體材料的磁疇尺寸Δ和晶粒尺寸D之間的比率。用線I表示一磁疇區(qū)域，用線II表示二磁疇區(qū)域。當(dāng)使用MnZn鐵氧體時(shí)，過(guò)渡區(qū)約在4μm處。圖1B表示鐵氧體材料的導(dǎo)磁率(在沒(méi)有磁致伸縮效應(yīng)的情況下)μ和晶粒尺寸D之間的比率。在圖1C中，表示當(dāng)纏繞在鐵氧體材料上的線圈的自感變化變得明顯時(shí)，相對(duì)于晶粒尺寸D的磁致伸縮效應(yīng)。在從一磁疇區(qū)域到二磁疇區(qū)域的過(guò)渡時(shí)，實(shí)際上，該效應(yīng)比在通常粒徑下出現(xiàn)的效應(yīng)大得多。如上所述，該差別可以有5至12倍的數(shù)量。在MnZn鐵氧體的情況下，已測(cè)量出ΔL的增加達(dá)到9倍。
在圖2和圖3中，表示三個(gè)鐵氧體磁心，實(shí)際上為鐵氧體環(huán)1、2和3，圍繞各個(gè)鐵氧體環(huán)分別設(shè)有線圈4、5和6。將這些線圈串聯(lián)排列，與電容器7一起形成諧振電路8。盡管在圖中未示出，但三個(gè)鐵氧體環(huán)1-3被設(shè)置在平板盒的底部，這些鐵氧體環(huán)支撐著自由放置在所述鐵氧體環(huán)上的稱重板，以便在稱重板上被稱重物體的提供使得稱重板的三點(diǎn)支撐對(duì)鐵氧體環(huán)施加附加的機(jī)械壓力。產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)將引起鐵氧體環(huán)1-3的導(dǎo)磁率增加，這表現(xiàn)為線圈4-6的自感變化。為了獲得尖的諧振峰值，諧振電路8的品質(zhì)因數(shù)或電路(？)質(zhì)量較高。由于作用于鐵氧體環(huán)1-3上的機(jī)械壓力變化的結(jié)果，線圈的總自感L將產(chǎn)生變化ΔL∶L′＝L±ΔL。結(jié)果，電路8的諧振頻率ωr變成
。換句話說(shuō)，諧振峰值移到頻率范圍(？)中。通過(guò)在諧振頻率ωr附近選擇測(cè)量頻率ωm，諧振峰值的小偏移已引起諧振電路8的信號(hào)強(qiáng)度的明顯改變。
在圖2中，參考序號(hào)9表示將頻率為ωm的電壓提供給諧振電路的電源。諧振電路8的輸出信號(hào)通過(guò)整流二極管10和跨接可變電阻器12的平流電容器11供給電流計(jì)13。利用可變電阻器12，可以固定電流計(jì)13所需的靈敏度。
圖3所示的更詳細(xì)的電路圖表示電源的實(shí)施例，該電源提供施加于諧振電路兩端的頻率為ωm的電壓。圖中未示出的經(jīng)變壓器產(chǎn)生的50Hz標(biāo)準(zhǔn)交流電流，通過(guò)整流二極管15和平流電容器16被轉(zhuǎn)換成直流電流。期望頻率為ωm的AC電壓由此通過(guò)自激振蕩電路17導(dǎo)出。經(jīng)過(guò)變壓器18，將該頻率施加在諧振電路8上。
為了確保在鐵氧體處于空載狀態(tài)時(shí)諧振電路的輸出信號(hào)在電流計(jì)13中被設(shè)定為零，將來(lái)自變壓器18的電壓通過(guò)整流二極管19和跨接于可調(diào)電阻器21上的平流電容器20施加在電流計(jì)13上。為了確保B點(diǎn)電壓比A點(diǎn)電壓高，還將電容器22與諧振電路串聯(lián)連接。
顯然，所示電路圖的實(shí)施例的各種改進(jìn)是可能的。還可以使用自激振蕩電路代替配備外部交流電流源的調(diào)諧電路。實(shí)際上，圖3所示的示意性自激振蕩電路23可以用于這種目的，由于代替變壓器磁心的這種差別，將其初級(jí)繞組用作圍繞鐵氧體纏繞的線圈。當(dāng)然，施加于自激振蕩電路上的電壓然后必須供給整流電路和測(cè)量電路，例如在圖2或圖3中所示的那樣。
盡管在本實(shí)例中采用了三個(gè)鐵氧體磁心或鐵氧體環(huán)，但要根據(jù)應(yīng)用決定是使用一個(gè)還是多個(gè)鐵氧體磁心或鐵氧體環(huán)。還可以使用不同尺寸和/或成分的鐵氧體磁心。例如，可以使用有聚合物覆蓋物的鐵氧體磁心或有鐵氧體-聚合物成分的磁心。
在測(cè)量電路的另一實(shí)施例中，可以由將頻率差轉(zhuǎn)換成電壓差的已知轉(zhuǎn)換器構(gòu)成測(cè)量電路；這些轉(zhuǎn)換器為可市場(chǎng)購(gòu)置的IC。
權(quán)利要求
1.一種磁致伸縮應(yīng)力傳感器，配備軟鐵磁體，其特征在于，該鐵磁體有這樣的晶粒結(jié)構(gòu)，以致至少一部分晶粒具有在一磁疇和二磁疇狀態(tài)之間的過(guò)渡區(qū)中的晶粒尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的磁致伸縮應(yīng)力傳感器，其特征在于，鐵磁體包括鐵氧體。
3.如權(quán)利要求2所述的磁致伸縮應(yīng)力傳感器，其特征在于，鐵氧體有在1和9μm之間范圍內(nèi)的晶粒尺寸。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的磁致伸縮應(yīng)力傳感器，其特征在于，由其晶粒尺寸在3至9μm范圍內(nèi)的MnZn鐵氧體形成該鐵磁體。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的磁致伸縮應(yīng)力傳感器，其特征在于，由其晶粒尺寸在1至5μm范圍內(nèi)的NiZn鐵氧體、MgMnZn鐵氧體或LiNiZn鐵氧體形成該鐵磁體。
6.如權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的磁致伸縮應(yīng)力傳感器，其特征在于，較小百分率的Co被添加在鐵磁體的成分中。
7.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁致伸縮應(yīng)力傳感器，其特征在于，由鐵氧體磁心、特別是鐵氧體環(huán)形成鐵磁體，圍繞該鐵氧體環(huán)的至少一部分纏繞導(dǎo)電線圈，該鐵氧體環(huán)設(shè)置在測(cè)量電路中，用于測(cè)量在作用于鐵氧體環(huán)上的機(jī)械壓力影響下線圈自感的變化。
8.一種稱量裝置，該裝置配備至少一個(gè)如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的應(yīng)力傳感器。
9.一種稱量裝置，該裝置配備由鐵氧體磁心、特別是鐵氧體環(huán)形成的軟鐵磁體，圍繞該鐵氧體磁心的至少一部分纏繞線圈，該鐵氧體磁心設(shè)置在測(cè)量電路中，用于測(cè)量在作用于鐵氧體環(huán)上的機(jī)械壓力影響下線圈自感的變化。
10.如權(quán)利要求8或9所述的稱量裝置，其特征在于，測(cè)量電路包括諧振電路，在該諧振電路配有帶線圈的鐵氧體環(huán)，通過(guò)使測(cè)量頻率的信號(hào)強(qiáng)度變化來(lái)測(cè)量線圈自感的變化，該測(cè)量頻率較接近諧振電路的諧振頻率。
11.如權(quán)利要求10所述的稱量裝置，其特征在于，該裝置設(shè)有用于被測(cè)量物的支座，該支座由多個(gè)鐵氧體環(huán)支撐，其中，圍繞鐵氧體環(huán)的線圈接入諧振電路中。
全文摘要
一種磁致伸縮應(yīng)力傳感器,該磁致伸縮應(yīng)力傳感器配備具有晶粒結(jié)構(gòu)的軟鐵磁體,至少一部分晶粒具有在一磁疇和二磁疇狀態(tài)之間的過(guò)渡區(qū)中的晶粒尺寸。在該晶粒尺寸中,其尺寸為1至9μm數(shù)量級(jí)的鐵氧體具有相當(dāng)大的磁致伸縮效應(yīng)。在特定的實(shí)施例中,由鐵氧體磁心、特別是鐵氧體環(huán)形成鐵磁體,圍繞該鐵氧體磁心的至少一部分纏繞導(dǎo)電線圈,該鐵氧體磁心設(shè)置于測(cè)量電路中,用于測(cè)量在作用于鐵氧體環(huán)上的機(jī)械壓力影響下線圈自感的變化。
文檔編號(hào)G01B7/00GK1256796SQ99800218
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1999年3月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月5日
發(fā)明者P·J·范德扎爾格, G·H·J·索默斯 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司