基于鐵基納米晶合金薄帶的壓磁式壓力傳感器的研究

石延平 臧 勇 周慶貴

淮海工學院，連云港，222005

0 引言

作為一種新型功能材料，近年來非晶態合金在各類傳感器中的應用越來越廣泛。繼非晶態合金材料之后，軟磁材料領域的一個重大進展是新型的納米晶合金軟磁材料的成功研制。這種材料具有高起始磁導率、低矯頑力、高飽和磁感應強度、高頻下的低鐵磁損耗及高磁性能溫度穩定性，是目前綜合磁性能最好的軟磁合金材料［1－4］。目前，在國內，將非晶態合金以及納米晶合金應用于壓力傳感器的研究還比較少。壓力傳感器的主流產品依然是半導體壓阻式，這種傳感器雖然有較高的測量精度和靈敏度，但由于半導體材料本身的性能易受溫度的影響，傳感器的溫度漂移比較大［5－6］。對此，本文對一種利用納米晶合金材料的壓磁式新型壓力傳感器進行可行性研究。

1 結構與原理

圖1所示為傳感器結構圖及實物照片，傳感器主要由膜盒、壓力敏感環、激磁線圈、測量線圈等組成（圖1a）。壓力敏感環14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12壓緊在底座13上。在每條壓力敏感環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11的作用下，使壓力敏感環保持一定的初張力。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的內部。封閉的壓力敏感環由兩條厚度為s，寬為w的納米晶合金薄帶構成，其高為h，長為l，如圖2所示。

無壓力時，納米晶合金薄帶壓力敏感環處于預緊狀態；當被測壓力p由接頭1輸入到膜盒中時［7］，推力桿將推動頂蓋向上運動，使壓力敏感環受拉力作用。根據壓磁原理［8］，納米晶合金薄帶的磁導率發生變化，并導致封閉磁路中的磁阻變化，使磁路中的交變磁通Φ變化，從而在測量線圈中產生感應電壓。

圖1 傳感器結構圖及實物照片

圖2 壓力敏感環結構

當傳感器激磁繞組通入一定頻率的激磁電流時，激磁線圈中便產生了交變磁通，磁力線沿納米晶合金薄帶壓力敏感環閉合。根據磁路定律，磁路中的瞬時磁通為

式中，μab、μac分別為納米晶合金薄帶壓力敏感環ab段和ac段的絕對磁導率；lab、lac分別為納米晶合金薄帶壓力敏感環ab段和ac段的長度；Sf為納米晶合金薄帶壓力敏感環的截面積；N1為激磁線圈匝數；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，納米晶合金薄帶壓力敏感環中的ab段和cd段受拉力作用。由壓磁效應知，μab將發生變化，即式（1）中的μab是納米晶合金薄帶中應力σ的函數。由法拉第電磁感應定律知，測量線圈中的感應電動勢e2為

式中，km為納米晶合金薄帶的磁彈性靈敏度系數，通過試驗標定；N2為測量線圈匝數。

設應力為

式中，σ0為平均預應力；σm為應力幅值。

據式（3）有

將式（4）代入式（2）得

令

則有

測量線圈中的感應電壓的有效值U2為

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。

2 傳感器主要技術參數的確定

傳感器的技術參數主要包括：納米晶合金薄帶的類型與結構參數、線圈匝數、磁場強度以及激磁電流的強度與頻率等。

通常壓磁式壓力傳感器的靈敏度取決于當應力作用時，壓磁敏感材料磁導率的相對變化量［9］，即

式中，μ為敏感材料的磁導率；λs為壓磁敏感材料的飽和磁致伸縮系數；Bs為壓磁敏感材料的飽和磁感應強度。

由式（8）可知，增大壓磁敏感材料的飽和磁致伸縮系數λs和磁導率μ，減小飽和磁感應強度Bs，能有效提高壓磁靈敏性能。另外，敏感材料應能承受較高的應力。傳統的壓磁敏感材料均為晶態合金，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。可用的非晶態合金薄帶可分為：鐵基非晶態合金、鐵鎳基非晶態、鈷基非晶態。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和磁導率，而且具有很高的機電轉換效率，經過適當的退火處理，其機電耦合系數可進一步提高［10］。機電耦合系數越高，傳感器的靈敏度就越高。雖然鐵基非晶態合金有比較高的強度、耐蝕性、耐磨性和硬度，但其脆性也比較大。鐵基納米晶合金與鐵基非晶態合金相比，飽和磁致伸縮系數和磁導率雖然略小，但其飽和磁感應強度卻很低。根據式（8），敏感材料磁導率的相對變化量與飽和磁感應強度的平方成反比，因此，較小的飽和磁感應強度值能大幅提高傳感器的靈敏度。另外，處于穩態的納米晶合金材料的磁性能溫度穩定性優于亞穩態的非晶態合金合金材料。且在制備非晶態合金材料時產生的應力通過退火處理在很大程度上得到釋放，因此，非晶納米合金材料的磁性能對外加應力十分敏感，且能保持非常好的溫度穩定性。所以，鐵基納米晶合金是較為理想的壓力傳感器的敏感材料［11］。本文選擇國內安泰科技有限公司生產的RN1納米晶軟磁合金帶材，其厚度為0.033mm，最大寬度為50mm。主要技術參數為：Bs＝1.25T，居里溫度θ＝560℃，λs＝2×10－6，ρ＝1300nΩ·m，μ＞8×104。

通常納米晶軟磁合金薄帶的厚度為0.018～0.050mm。所以，壓力敏感環的寬度應根據其抗拉強度和壓力測量量程來確定。

由式（8）可知，壓磁敏感元件的靈敏度為

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

根據文獻［12］介紹，對于納米晶軟磁合金，可選擇H＝200～230A／m。激磁電流可根據下式求得：

式中，I為激磁電流強度。

當選擇不同激磁頻率后，激磁電壓可根據下式求得：

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。

根據以上論述，確定傳感器納米晶軟磁合金薄帶壓力敏感環為28mm×25mm，厚度為0.033mm；激磁線圈匝數N1為8匝，測量線圈匝數N2為12匝；激磁電流I為215mA，頻率為1kHz。

3 可行性試驗

作為可行性基礎研究，試驗內容主要包括傳感器的靜態特性以及溫度穩定性。圖3所示為傳感器標定試驗系統原理框圖。圖4為測試系統數據采集與分析裝置實物照片。

圖3 測試系統原理框圖

圖4 測試系統數據采集與分析裝置實物照片

通過調節負載改變管路內的空氣壓力。傳感器輸出數據通過虛擬儀器采集并分析，由計算機顯示并記錄。試驗在20℃下進行，試驗數據如表1所示。

表1 傳感器在20℃時的靜態試驗數據

根據表1試驗數據，求得重復性誤差α＝0.97%（滿量程）。利用最小二乘法，求得加載行程平均非線性誤差β＝1.66%（滿量程），靈敏度km＝0.2073μV／Pa；卸載行程平均非線性誤差β＝2.22%（滿量程）；靈敏度km＝0.2064μV／Pa。最大遲滯γ＝0.96%（滿量程）。

圖5所示為根據表1數據所作的加載壓力p與傳感器輸出電壓U的關系曲線。

另外，還在20～120℃的溫度范圍內進行了試驗。試驗數據如表2所示。

圖5 p—U曲線

表2 20～120℃溫度范圍的靜態試驗數據

結果顯示傳感器的每攝氏度零點漂移值為1.22%（滿量程），輸出靈敏度隨溫度變化很小。這主要是由于納米晶軟磁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較大的溫度范圍內保持相對恒定，特別是當納米晶軟磁合金中硼（B）的質量分數為15%～18%時，即在材料的居里溫度以下時，彈性模量E的變化非常小［13］。另外，根據壓磁效應，即式（8）中的飽和磁致伸縮系數λs所表征的特性，對于納米晶軟磁合金材料，當環境溫度低于該材料的居里溫度時，λs值近似為常數。

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，半導體晶體材料的泊松比及彈性模量都會隨著溫度的變化而發生改變。所以這種傳感器要進行溫度補償，因此也增加了其制造成本。

4 結論

（1）納米晶合金材料的磁性能對外加應力比非晶合金材料更敏感，所以靈敏度更高。

（2）處于穩態的納米晶合金材料的彈性模量和飽和磁致伸縮系數，在較大的溫度范圍內能夠保持相對恒定，所以傳感器有更好的溫度穩定性。

（3）通過改變納米晶軟磁合金薄帶環寬度的方法，達到控制傳感器量程的目的。

（4）由于納米晶軟磁合金薄帶厚度僅為微米級，所以可用于微壓力測量。

（5）由于納米晶軟磁合金薄帶比壓阻式壓力傳感器結構簡單，故其具有制造成本低、工作可靠性高等優點。

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