一種基于鐵基非晶態(tài)合金壓磁效應(yīng)的膜盒式壓力傳感器*

石延平，周慶貴，臧 勇

(江蘇淮海工學(xué)院機械系，江蘇連云港222005)

目前，國內(nèi)外壓力傳感器的主流產(chǎn)品是半導(dǎo)體壓阻式，這種傳感器雖然有較高的測量精度和靈敏度，但由于半導(dǎo)體材料本身的性能受溫度的影響比較大，通常要進行溫度漂移補償，從而提高了制造成本[1－3]。另外，為了測量更低的壓力，就必須降低傳感器膜片厚度，這不僅提高了傳感器的制造工藝要求，而且?guī)韲乐氐姆蔷€性誤差[4]。近年來國內(nèi)外在將非晶態(tài)合金應(yīng)用于各類傳感器的研制和開發(fā)方面，都取得了突出進展[5－6]，在利用非晶態(tài)合金壓磁效應(yīng)方面，主要是作為電感傳感器鐵芯進行測力，或附著于被測軸表面輔助扭矩的測量[7－8]。在利用非晶態(tài)合金優(yōu)良軟磁特性，作為壓力傳感器的有關(guān)研究尚不多見。對此，本文對一種基于非晶態(tài)合金薄帶，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的壓力傳感器進行可行性研究。

1 結(jié)構(gòu)與原理

如圖1所示，壓磁膜盒式壓力傳感器主要由膜盒、非晶態(tài)合金薄帶環(huán)、激磁線圈、測量線圈等組成。封閉的非晶態(tài)合金薄帶環(huán)由兩條厚度為s，寬為w的非晶態(tài)合金薄帶構(gòu)成，其高為h，長為 l，如圖1(b)所示。其上邊套在頂蓋7的橡膠墊上，并由上壓板6壓緊，而其下邊由下壓板11壓緊在底座12上。在每個非晶態(tài)合金薄帶環(huán)的左右兩邊都分別纏繞激磁線圈N1和測量線圈N2。頂蓋7套在空心立柱端部，并在彈簧10的作用下，使非晶態(tài)合金薄帶環(huán)保持一定的初張力。推力桿5一端與膜盒2固定，另一端穿過空心立柱8，頂在頂蓋7的內(nèi)部。無壓力時，非晶態(tài)合金薄帶環(huán)處于預(yù)緊狀態(tài);當被測壓力p由接頭1輸入到膜盒中時[9]，推力桿將推動頂蓋向上運動，使非晶態(tài)合金薄帶受拉力作用。根據(jù)壓磁原理[10]，非晶態(tài)合金薄帶的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，并導(dǎo)致封閉磁路中的磁阻變化，使磁路中的交變磁通變化，從而在測量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)

2 傳感器輸出特性

當傳感器激磁繞組通入一定頻率的激磁電流時，激磁線圈中便產(chǎn)生了交變磁通，磁力線沿非晶態(tài)合金薄帶環(huán)閉合，如圖2所示。

圖2 傳感器的閉合磁路

根據(jù)磁路定律，磁路中的瞬時磁通為

式中，μab、μac分別為非晶態(tài)合金薄帶ab段和ac段的絕對磁導(dǎo)率;lab、lac分別為非晶態(tài)合金薄帶ab段和ac段的長度;Sf為非晶態(tài)合金薄帶的截面積;N1為激磁線圈匝數(shù);I1為激磁線圈中電流的有效值;ω為激磁電流的圓頻率。

當膜盒中有壓力作用時，非晶態(tài)合金薄帶環(huán)中的ab段和cd段受拉力作用。由壓磁效應(yīng)知，μab將發(fā)生變化，即式(1)中的μab是非晶態(tài)合金薄帶中應(yīng)力σ的函數(shù)。由法拉第電磁感應(yīng)定律知，測量線圈中的感應(yīng)電動勢e2為:

式中，σ0為平均預(yù)應(yīng)力;σm為應(yīng)力幅值。則

將式(4)代入式(2)得:

令:

則有:

式中，RL為測量線圈負載的有效電阻;r1為測量線圈的有效阻抗;X1為測量線圈的無效阻抗。

3 傳感器主要技術(shù)參數(shù)的確定

技術(shù)參數(shù)主要包括:非晶態(tài)合金薄帶的類型與結(jié)構(gòu)參數(shù);線圈匝數(shù)、磁場強度以及激磁電流的強度與頻率等。

通常壓磁式傳感器的靈敏度取決于當應(yīng)力作用時，壓磁材料的磁導(dǎo)率的相對變化量[11]，即:

式中，σ為應(yīng)力;μ為壓磁材料的磁導(dǎo)率;λS為壓磁材料的飽和磁致伸縮系數(shù);BS為壓磁材料的飽和磁感應(yīng)強度。

從式(8)可知，當壓磁材料的飽和磁致伸縮系數(shù)λS大、磁導(dǎo)率μ越大，而飽和磁感應(yīng)強度BS小，壓磁靈敏度就越高。另外，壓磁材料應(yīng)能承受較高的應(yīng)力。傳統(tǒng)的壓磁材料均為晶態(tài)合金，主要有坡莫合金與硅鋼片。其中前者有更為顯著的軟磁性能，但價格昂貴。近年來，非晶態(tài)合金在傳感器技術(shù)中應(yīng)用的越來越廣泛。常用的非晶態(tài)合金薄帶可分為:鐵基非晶、鐵鎳基非晶、鈷基非晶和鐵基納米晶四種[12]。與坡莫合金相比，鐵基非晶不僅有更高的飽和磁致伸縮系數(shù)和磁導(dǎo)率，而且具有很高的機電轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)過適當?shù)耐嘶鹛幚?，其機電耦合系數(shù)可進一步提高。如Fe28Si10B12非晶合金經(jīng)磁場退火處理，其機電耦合系數(shù)可達0．75[13]。機電耦合系數(shù)越高，傳感器的靈敏度就高。另外，鐵基非晶比坡莫合金有更高的強度、耐蝕性、耐磨性、硬度以及韌性。所以，鐵基非晶是較為理想的壓磁材料。目前，國內(nèi)安泰科技有限公司生產(chǎn)的鐵基非晶態(tài)合金的主要性能參數(shù)為:飽和磁感應(yīng)強度Bs=1．50 T，居里溫度Tc=410℃，飽和磁致伸縮系數(shù)λs=27×10－6，電阻率 ρ=130 μ·cm，最大導(dǎo)磁率 μ ＞25 ×104，抗拉強度σs=1 500 MPa，硬度 Hv=960 kg/mm2。

通常非晶態(tài)合金薄帶的厚度為0．018 mm～0.030 mm。所以，非晶態(tài)合金薄帶環(huán)的寬度應(yīng)根據(jù)其抗拉強度和壓力測量量程來確定。

由式(8)可知，壓磁元件的靈敏度為

所以，傳感器輸出電壓的靈敏度很大程度決定于磁感應(yīng)強度B或磁場強度H，而磁場強度取決于激磁繞組匝數(shù)。實際上，磁感應(yīng)強度B不僅影響傳感器的靈敏度，而且也影響其線性度。最佳的感應(yīng)強度B應(yīng)滿足兩點:一是保證外加作用力所產(chǎn)生的磁能與外磁場及磁疇磁能之和接近相等;二是應(yīng)使傳感器工作在磁化曲線(B－H曲線)的線性段，這樣使壓磁材料的磁導(dǎo)率成為應(yīng)力的單值函數(shù)。

根據(jù)文獻[14]，對于非晶態(tài)合金，可選擇H=200 A/m～230A/m。激磁電流可根據(jù)下式求得:

式中，H為磁場強度;l為非晶態(tài)合金薄帶的長度;I為激磁電流強度。

當選擇不同激磁頻率后，根據(jù)下式得激磁電壓

式中，R為繞組直流電阻(略去鐵損);f為激磁頻率;L為繞組電感值。

根據(jù)以上論述，確定傳感器非晶態(tài)合金薄帶環(huán)為28 mm×15 mm，厚度為0．030 mm;激磁線圈匝數(shù)N1為8匝，測量線圈匝數(shù)N2為12匝;激磁電流I為215 mA，頻率為1 kHz。

4 可行性試驗

圖3所示為傳感器標定試驗原理。

圖3 測試系統(tǒng)框圖

壓縮空氣由空壓機產(chǎn)生，儲氣罐用于消除工作時產(chǎn)生的壓力脈動。通過調(diào)節(jié)負載改變管路內(nèi)的空氣壓力，試驗中校準點的空氣壓力由北京瑞利威爾科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的RL－P－K型高精度壓力傳感器指示。該傳感器精度可達0．1%FS，非線性度為0．05%FS～0．5%FS。傳感器輸出電壓由數(shù)字多用表測量。作為可行性基礎(chǔ)研究，試驗內(nèi)容主要包括傳感器的靜態(tài)特性，不同激磁電流強度、頻率以及繞組匝數(shù)等對傳感器輸出特性的影響。表1所示為室溫(25℃)下的試驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1所試驗數(shù)據(jù)求得重復(fù)性誤差α=1.56%F．S。利用最小二乘法，求得加載行程平均非線性誤差 β =1．29%F．S，靈敏度 K=0．3634 mV/kPa;卸載行程平均非線性誤差β=0．93%F．S;靈敏度K=0．3675 mV/kPa。最大遲滯 γ = －1．52%F．S。

圖4是根據(jù)表1數(shù)據(jù)所作的加載壓力p與傳感器輸出電壓U關(guān)系曲線。

另外，還在－20℃ ～120℃的溫度范圍內(nèi)進行了試驗。結(jié)果顯示傳感器的溫度零點漂移值為0.436%F．S/℃，輸出靈敏度基本不隨溫度變化而改變。這主要是由于非晶態(tài)合金材料具有較好的埃林瓦合金特性，即材料的彈性模量在一定的溫度范圍內(nèi)保持相對恒定的特性，特別是當非晶態(tài)合金中B(硼)的含量為15% ～18%時，在材料的居里溫度以下時，彈性模量E的變化非常小[15]。另外，壓磁式傳感器的原理是基于壓磁效應(yīng)，即式(8)中的飽和磁致伸縮系數(shù)λS所表征的特性。對于非晶態(tài)合金材料，當環(huán)境溫度低于該材料的居里溫度TC時，λS值近似為常數(shù)。

通常，壓阻式壓力傳感器受溫度的影響比較大。其主要原因是，半導(dǎo)體晶體材料的泊松比v及彈性模量E隨溫度的變化而較大地改變。所以這種傳感器要進行溫度補充，也因此增加了其制造成本。

表1 傳感器在25℃時的靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)

圖4 p—U曲線

如前所述，磁感應(yīng)強度B或磁場強度H決定了傳感器輸出的靈敏度和線性度。因此，要選擇最佳激磁電流，以保證獲得最佳的磁場強度H。圖5所示為傳感器在不同勵磁電流時，傳感器的靜態(tài)輸出曲線。從圖中可以看出，隨著勵磁電流的增大，在相同載荷時，傳感器的輸出電壓增加，輸出靈敏度也相應(yīng)有所提高。但當勵磁電流提高到450 mA時，輸出曲線的線性度降低，當勵磁電流提高到600 mA時，輸出曲線的非線性誤差急劇增大。這主要是當勵磁繞組匝數(shù)不變時，增大勵磁電流就是增大了磁場強度H。當H取值合理時，傳感器工作在磁化曲線B－H的線性段，則傳感器輸出非線性誤差就小。但當H不是最佳值時，則傳感器輸出非線性誤差就大。顯然對于本試驗，當勵磁電流在200 mA附近時，磁場強度H為最佳值。

圖5 不同激磁電流時的p－U曲線

根據(jù)式(7)，增大激磁頻率可以提高傳感器輸出電壓。由鐵磁學(xué)原理，一般晶體軟磁材料，當磁化頻率提高時，材料磁導(dǎo)率會下降，但對大多數(shù)非晶態(tài)合金，即使磁化頻率高達幾百kHz時，甚至更高，其磁導(dǎo)率仍然很高[16]。所以，通過提高激磁頻率使傳感器獲得較高的動態(tài)響應(yīng)性能。

5 結(jié)語

通過理論與試驗分析，這種利用Fe基非晶態(tài)合金薄帶壓磁效應(yīng)的壓力傳感器是可行的。其主要特點是:

(1)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，工作可靠;

(2)改變非晶態(tài)合金薄帶環(huán)的寬度或通過粘貼改變薄帶的厚度來增大傳感器的量程;

(3)由于非晶態(tài)合金薄帶厚度僅為微米級，所以可用于微壓力測量;

(4)Fe基非晶態(tài)合金材料彈性模量和飽和磁致伸縮系數(shù)在較大的溫度范圍內(nèi)能夠保持相對恒定，所以傳感器有較好的溫度穩(wěn)定性。

[1]郭冰，王沖．壓力傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．中國儀器儀表．2009，(5):72 －75．

[2]Hou Chenggui．Pressure Sensor Made of Two Piezoresistive Bridges[C]//IEEE Instrumentation and Measurement Technology conference Vl．NJ USA:IEEE Piscataway，2005:506 ～512．

[3]張鑫，郭清南，李學(xué)磊．壓力傳感器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．電機電器技術(shù)．2004，(4):28 －30．

[4]楊梅，于煒，張瑩等．梁－膜結(jié)構(gòu)微壓傳感器研制[J]．實驗體力學(xué)，2010，24(2):74 －76．

[5]Shen L P，Uchiyama T，Mohri K，et al．Sensitive Stress-Impedence Micro Sensor Using Amorphous Magnetostrictive Wire[J]．IEEE Transactions on Magnetics．2007，335，33(5):3355 －3357．

[6]ShinK．H，InoueM，AraiK．I．Strain Sensitivity of Highly Magnetotrietive Amorphous Films for Use in Micro Strain Sensors[J]．Journal of Applied Physies，2007，55:5465 －5467．

[7]馬廣斌．正應(yīng)力條件下鐵基非晶帶材壓磁性能的研究[D]．南昌:南昌大學(xué)，2007．

[8]解源，趙英?。蔷B(tài)合金材料磁敏特性及應(yīng)用的研究[J]．傳感技術(shù)學(xué)報．2000，(4):322 －325．

[9]施勇潮，梁福平，牛春輝．傳感器檢測技術(shù)[M]．北京:國防工業(yè)出版社，2007．

[10]宛德福，馬興龍．磁性物理學(xué)[M]．北京:機械工業(yè)出版社，1999．

[11]石延平，劉成文，倪立學(xué)．基于非晶態(tài)合金的壓磁式力傳感器．傳感技術(shù)學(xué)報[J]．2010，23(4):508－511．

[12]趙英?。蔷B(tài)合金傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)的研究[D]．武漢:華中理工大學(xué)，1994．

[13]Mohri K，Uchiyama T，Shen L．P，et al．Sensitive Micro Magnetic Family Utilizing Magneto-Impedance(MI)and Stress-Impedance(SI)Effects for Intelligent Measurements and Controls[J]．Sensors and Actuators．2001，A91:85 －90．

[14]郭振芹．非電量電測量[M]．北京:計量出版社，1984．

[15]孫光飛，強文江．磁功能材料[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出社，2007．

[16]文西芹，劉成文，杜玉玲等．磁頭型磁彈性扭矩傳感器補償問題研究．傳感技術(shù)學(xué)報[J]．2004，19(3):508 －511．