專利名稱：磁致伸縮應力傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及配備軟鐵磁體的磁致伸縮應力傳感器。這種鐵磁體的實例是多晶鐵氧體。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。
由于配備應變片的普通應力傳感器相當昂貴這一事實，所以已開發(fā)利用鐵磁材料的磁致伸縮效應的應力傳感器。在施加機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，該材料的導磁率(μ)發(fā)生變化。S.Chikazumi在Physics of Magnetism，John Wiley & Sons(1986再版)中較詳細地解釋了這一現(xiàn)象(參見第8章，更具體地說，第8.4節(jié))。
在由本申請人申請的EP-A-0767984(PHN15.309)中對磁致伸縮應力傳感器進行了說明。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電線圈。由于因機械應力造成的鐵氧體導磁率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，以測量線圈的自感(L)。
通常使用的鐵氧體實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的磁致伸縮效應小，所以以此為基礎的應力傳感器的靈敏度受到相當大的限制。
在以下刊物中陳述了國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”，對應于沿跨越鐵氧體微觀結(jié)構(gòu)圖象的任意線的弦平均長度。晶粒尺寸的該定義與晶粒形狀無關(guān)。由S.I.Tomkeieff在Nature，vol.155(1945)，第24頁。中給出了該術(shù)語的更接近的數(shù)學近似。
本發(fā)明的目的在于可顯著提高磁致伸縮應力傳感器的靈敏度。
為了實現(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)之間的過渡區(qū)中的粒徑尺寸。在這方面，術(shù)語應力指每單位面積上的力。
一磁疇狀態(tài)是晶粒在一個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)來確定晶粒尺寸。在過渡的這點上，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，在過渡區(qū)的這點上的晶粒尺寸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為真空的絕對導磁率，μr為相對導磁率，Ms為飽和磁化強度，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，過渡這點的晶粒尺寸在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)之間的過渡區(qū)域，其磁致伸縮比在該過渡區(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渡區(qū)的晶粒尺寸的鐵氧體可制作應力傳感器。
結(jié)果，對于所用的鐵氧體材料來說，包括其晶粒尺寸在磁疇過渡區(qū)即在1至9μm范圍的鐵氧體的磁致伸縮應力傳感器結(jié)果是很靈敏的，即壓力的微小的變化已經(jīng)產(chǎn)生導磁率的相當大的改變。在磁疇過渡區(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。
在機械應力改變的情況下，磁致伸縮效應導致導磁率的改變。為了測量導磁率的這種改變，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電線圈，該鐵氧體環(huán)設置在測量電路中，用于測量在作用于鐵氧體環(huán)的機械壓力影響下線圈自感的變化。眾所周知，改變機械應力所產(chǎn)生的導磁率的改變將導致線圈中的自感的改變。
本發(fā)明不僅涉及應力傳感器，而且還涉及稱重裝置，該裝置配備至少一個上述類型的應力傳感器。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，可以將作用于這些應力傳感器上的壓力直接轉(zhuǎn)換成電信號。對于使用較復雜的機械轉(zhuǎn)換裝置的普通稱重裝置來說，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電線圈，該鐵氧體環(huán)設置在測量電路中，用于測量在作用于鐵氧體環(huán)上的機械壓力影響下線圈自感的變化。
在特定的實施例中，測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)，通過使測量頻率的信號強度發(fā)生變化來測量線圈自感的變化，該測量頻率較接近諧振電路的諧振頻率。
在實際應用中，稱重裝置配有用于被測量物的支座，該支座由多個鐵氧體環(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，或例如通過它將人造肥料播撒器放置在拖拉機后面的支架上，可以確定播撒肥料期間的重量減小等。
除了稱重裝置外，磁致伸縮應力傳感器還可以用于需要靈敏壓力測量的所有應用。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，使用磁致伸縮應力傳感器。在該裝置中，通過采用帶有上述特定晶粒結(jié)構(gòu)的應力傳感器，還可以提高測量靈敏度。參照以下說明的實施例，將明白本發(fā)明。
在附圖中

圖1A、1B和1C表示用于說明所選鐵氧體材料性能的三個圖；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。當使用MnZn鐵氧體時，過渡區(qū)約在4μm處。圖1B表示鐵氧體材料的導磁率(在沒有磁致伸縮效應的情況下)μ和晶粒尺寸D之間的比率。在圖1C中，表示當纏繞在鐵氧體材料上的線圈的自感變化變得明顯時，相對于晶粒尺寸D的磁致伸縮效應。在從一磁疇區(qū)域到二磁疇區(qū)域的過渡時，實際上，該效應比在通常粒徑下出現(xiàn)的效應大得多。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，已測量出ΔL的增加達到9倍。
在圖2和圖3中，表示三個鐵氧體磁心，實際上為鐵氧體環(huán)1、2和3，圍繞各個鐵氧體環(huán)分別設有線圈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，但三個鐵氧體環(huán)1-3被設置在平板盒的底部，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支撐對鐵氧體環(huán)施加附加的機械壓力。產(chǎn)生的磁致伸縮效應將引起鐵氧體環(huán)1-3的導磁率增加，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，諧振峰值移到頻率范圍(？)中。通過在諧振頻率ωr附近選擇測量頻率ωm，諧振峰值的小偏移已引起諧振電路8的信號強度的明顯改變。
在圖2中，參考序號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的輸出信號通過整流二極管10和跨接可變電阻器12的平流電容器11供給電流計13。利用可變電阻器12，可以固定電流計13所需的靈敏度。
圖3所示的更詳細的電路圖表示電源的實施例，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標準交流電流，通過整流二極管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電壓由此通過自激振蕩電路17導出。經(jīng)過變壓器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)時諧振電路的輸出信號在電流計13中被設定為零，將來自變壓器18的電壓通過整流二極管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13上。為了確保B點電壓比A點電壓高，還將電容器22與諧振電路串聯(lián)連接。
顯然，所示電路圖的實施例的各種改進是可能的。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，將其初級繞組用作圍繞鐵氧體纏繞的線圈。當然，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量電路，例如在圖2或圖3中所示的那樣。
盡管在本實例中采用了三個鐵氧體磁心或鐵氧體環(huán)，但要根據(jù)應用決定是使用一個還是多個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。
在測量電路的另一實施例中，可以由將頻率差轉(zhuǎn)換成電壓差的已知轉(zhuǎn)換器構(gòu)成測量電路；這些轉(zhuǎn)換器為可市場購置的IC。
權(quán)利要求
1.一種磁致伸縮應力傳感器，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中任一項所述的磁致伸縮應力傳感器，其特征在于，較小百分率的Co被添加在鐵磁體的成分中。
7.如上述任一項權(quán)利要求所述的磁致伸縮應力傳感器，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電線圈，該鐵氧體環(huán)設置在測量電路中，用于測量在作用于鐵氧體環(huán)上的機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如上述任何一項權(quán)利要求所述的應力傳感器。
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，該鐵氧體磁心設置在測量電路中，用于測量在作用于鐵氧體環(huán)上的機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)，通過使測量頻率的信號強度變化來測量線圈自感的變化，該測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，該裝置設有用于被測量物的支座，該支座由多個鐵氧體環(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
一種磁致伸縮應力傳感器,該磁致伸縮應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)量級的鐵氧體具有相當大的磁致伸縮效應。在特定的實施例中,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電線圈,該鐵氧體磁心設置于測量電路中,用于測量在作用于鐵氧體環(huán)上的機械壓力影響下線圈自感的變化。
文檔編號G01B7/00GK1256796SQ99800218
公開日2000年6月14日 申請日期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 申請人:皇家菲利浦電子有限公司