基于铁基纳米晶合金薄带的压磁式压力传感器的研究

石延平 臧 勇 周庆贵

淮海工学院，连云港，222005

0 引言

作为一种新型功能材料，近年来非晶态合金在各类传感器中的应用越来越广泛。继非晶态合金材料之后，软磁材料领域的一个重大进展是新型的纳米晶合金软磁材料的成功研制。这种材料具有高起始磁导率、低矫顽力、高饱和磁感应强度、高频下的低铁磁损耗及高磁性能温度稳定性，是目前综合磁性能最好的软磁合金材料［1－4］。目前，在国内，将非晶态合金以及纳米晶合金应用于压力传感器的研究还比较少。压力传感器的主流产品依然是半导体压阻式，这种传感器虽然有较高的测量精度和灵敏度，但由于半导体材料本身的性能易受温度的影响，传感器的温度漂移比较大［5－6］。对此，本文对一种利用纳米晶合金材料的压磁式新型压力传感器进行可行性研究。

1 结构与原理

图1所示为传感器结构图及实物照片，传感器主要由膜盒、压力敏感环、激磁线圈、测量线圈等组成（图1a）。压力敏感环14上边套在顶盖7的橡胶垫上，并由上压板6压紧，而其下边由下压板12压紧在底座13上。在每条压力敏感环的左右两边都分别缠绕激磁线圈N1和测量线圈N2。顶盖7套在空心立柱端部，并在弹簧11的作用下，使压力敏感环保持一定的初张力。推力杆5一端与膜盒2固定，另一端穿过空心立柱8，顶在顶盖7的内部。封闭的压力敏感环由两条厚度为s，宽为w的纳米晶合金薄带构成，其高为h，长为l，如图2所示。

无压力时，纳米晶合金薄带压力敏感环处于预紧状态；当被测压力p由接头1输入到膜盒中时［7］，推力杆将推动顶盖向上运动，使压力敏感环受拉力作用。根据压磁原理［8］，纳米晶合金薄带的磁导率发生变化，并导致封闭磁路中的磁阻变化，使磁路中的交变磁通Φ变化，从而在测量线圈中产生感应电压。

图1 传感器结构图及实物照片

图2 压力敏感环结构

当传感器激磁绕组通入一定频率的激磁电流时，激磁线圈中便产生了交变磁通，磁力线沿纳米晶合金薄带压力敏感环闭合。根据磁路定律，磁路中的瞬时磁通为

式中，μab、μac分别为纳米晶合金薄带压力敏感环ab段和ac段的绝对磁导率；lab、lac分别为纳米晶合金薄带压力敏感环ab段和ac段的长度；Sf为纳米晶合金薄带压力敏感环的截面积；N1为激磁线圈匝数；I1为激磁线圈中电流的有效值；ω为激磁电流的圆频率。

当膜盒中有压力作用时，纳米晶合金薄带压力敏感环中的ab段和cd段受拉力作用。由压磁效应知，μab将发生变化，即式（1）中的μab是纳米晶合金薄带中应力σ的函数。由法拉第电磁感应定律知，测量线圈中的感应电动势e2为

式中，km为纳米晶合金薄带的磁弹性灵敏度系数，通过试验标定；N2为测量线圈匝数。

设应力为

式中，σ0为平均预应力；σm为应力幅值。

据式（3）有

将式（4）代入式（2）得

令

则有

测量线圈中的感应电压的有效值U2为

式中，RL为测量线圈负载的有效电阻；r1为测量线圈的有效阻抗；X1为测量线圈的无效阻抗。

2 传感器主要技术参数的确定

传感器的技术参数主要包括：纳米晶合金薄带的类型与结构参数、线圈匝数、磁场强度以及激磁电流的强度与频率等。

通常压磁式压力传感器的灵敏度取决于当应力作用时，压磁敏感材料磁导率的相对变化量［9］，即

式中，μ为敏感材料的磁导率；λs为压磁敏感材料的饱和磁致伸缩系数；Bs为压磁敏感材料的饱和磁感应强度。

由式（8）可知，增大压磁敏感材料的饱和磁致伸缩系数λs和磁导率μ，减小饱和磁感应强度Bs，能有效提高压磁灵敏性能。另外，敏感材料应能承受较高的应力。传统的压磁敏感材料均为晶态合金，主要有坡莫合金与硅钢片。其中前者有更为显著的软磁性能，但价格昂贵。可用的非晶态合金薄带可分为：铁基非晶态合金、铁镍基非晶态、钴基非晶态。与坡莫合金相比，铁基非晶不仅有更高的饱和磁致伸缩系数和磁导率，而且具有很高的机电转换效率，经过适当的退火处理，其机电耦合系数可进一步提高［10］。机电耦合系数越高，传感器的灵敏度就越高。虽然铁基非晶态合金有比较高的强度、耐蚀性、耐磨性和硬度，但其脆性也比较大。铁基纳米晶合金与铁基非晶态合金相比，饱和磁致伸缩系数和磁导率虽然略小，但其饱和磁感应强度却很低。根据式（8），敏感材料磁导率的相对变化量与饱和磁感应强度的平方成反比，因此，较小的饱和磁感应强度值能大幅提高传感器的灵敏度。另外，处于稳态的纳米晶合金材料的磁性能温度稳定性优于亚稳态的非晶态合金合金材料。且在制备非晶态合金材料时产生的应力通过退火处理在很大程度上得到释放，因此，非晶纳米合金材料的磁性能对外加应力十分敏感，且能保持非常好的温度稳定性。所以，铁基纳米晶合金是较为理想的压力传感器的敏感材料［11］。本文选择国内安泰科技有限公司生产的RN1纳米晶软磁合金带材，其厚度为0.033mm，最大宽度为50mm。主要技术参数为：Bs＝1.25T，居里温度θ＝560℃，λs＝2×10－6，ρ＝1300nΩ·m，μ＞8×104。

通常纳米晶软磁合金薄带的厚度为0.018～0.050mm。所以，压力敏感环的宽度应根据其抗拉强度和压力测量量程来确定。

由式（8）可知，压磁敏感元件的灵敏度为

所以，传感器输出电压的灵敏度很大程度决定于磁感应强度B或磁场强度H，而磁场强度取决于激磁绕组匝数。实际上，磁感应强度B不仅影响传感器的灵敏度，而且也影响其线性度。最佳的感应强度B应满足两点：一是保证外加作用力所产生的磁能与外磁场及磁畴磁能之和接近相等；二是应使传感器工作在磁化曲线（B－H曲线）的线性段，以确保压磁敏感材料的磁导率成为应力的单值函数。

根据文献［12］介绍，对于纳米晶软磁合金，可选择H＝200～230A／m。激磁电流可根据下式求得：

式中，I为激磁电流强度。

当选择不同激磁频率后，激磁电压可根据下式求得：

式中，R为绕组直流电阻（略去铁损）；f为激磁频率；L为绕组电感值。

根据以上论述，确定传感器纳米晶软磁合金薄带压力敏感环为28mm×25mm，厚度为0.033mm；激磁线圈匝数N1为8匝，测量线圈匝数N2为12匝；激磁电流I为215mA，频率为1kHz。

3 可行性试验

作为可行性基础研究，试验内容主要包括传感器的静态特性以及温度稳定性。图3所示为传感器标定试验系统原理框图。图4为测试系统数据采集与分析装置实物照片。

图3 测试系统原理框图

图4 测试系统数据采集与分析装置实物照片

通过调节负载改变管路内的空气压力。传感器输出数据通过虚拟仪器采集并分析，由计算机显示并记录。试验在20℃下进行，试验数据如表1所示。

表1 传感器在20℃时的静态试验数据

根据表1试验数据，求得重复性误差α＝0.97%（满量程）。利用最小二乘法，求得加载行程平均非线性误差β＝1.66%（满量程），灵敏度km＝0.2073μV／Pa；卸载行程平均非线性误差β＝2.22%（满量程）；灵敏度km＝0.2064μV／Pa。最大迟滞γ＝0.96%（满量程）。

图5所示为根据表1数据所作的加载压力p与传感器输出电压U的关系曲线。

另外，还在20～120℃的温度范围内进行了试验。试验数据如表2所示。

图5 p—U曲线

表2 20～120℃温度范围的静态试验数据

结果显示传感器的每摄氏度零点漂移值为1.22%（满量程），输出灵敏度随温度变化很小。这主要是由于纳米晶软磁合金材料具有较好的埃林瓦合金特性，即材料的弹性模量在较大的温度范围内保持相对恒定，特别是当纳米晶软磁合金中硼（B）的质量分数为15%～18%时，即在材料的居里温度以下时，弹性模量E的变化非常小［13］。另外，根据压磁效应，即式（8）中的饱和磁致伸缩系数λs所表征的特性，对于纳米晶软磁合金材料，当环境温度低于该材料的居里温度时，λs值近似为常数。

通常，压阻式压力传感器受温度的影响比较大。其主要原因是，半导体晶体材料的泊松比及弹性模量都会随着温度的变化而发生改变。所以这种传感器要进行温度补偿，因此也增加了其制造成本。

4 结论

（1）纳米晶合金材料的磁性能对外加应力比非晶合金材料更敏感，所以灵敏度更高。

（2）处于稳态的纳米晶合金材料的弹性模量和饱和磁致伸缩系数，在较大的温度范围内能够保持相对恒定，所以传感器有更好的温度稳定性。

（3）通过改变纳米晶软磁合金薄带环宽度的方法，达到控制传感器量程的目的。

（4）由于纳米晶软磁合金薄带厚度仅为微米级，所以可用于微压力测量。

（5）由于纳米晶软磁合金薄带比压阻式压力传感器结构简单，故其具有制造成本低、工作可靠性高等优点。

［1］Bertotti G，Ferrara E，Fiorillo F，et al.Magnetic Properties of Rapidly Quenched Soft Magnetic Materrials［J］.Materials Science and Engineering A，1997，226（6）：603－613.

［2］Shen L P，Uchiyama T，Mohri K，et al.Sensitive Stress－impedence Micro Sensor Using Amorphous Magnetostrictive Wire［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1997，33（1）：3355－3357.

［3］Chiriac H，Lupu N.Design and Preparation of New Soft Magnetic Bulk Amorphous Alloys for Applications［J］.Materials Sciense and Engineering A，2004，375（7）：255－259.

［4］张甫飞，张洛，纪朝廉，等.纳米晶软磁合金材料及应用［J］.上海金属，2001，24（1）：21－26.

［5］郭冰，王冲.压力传感器的现状与发展［J］.中国仪器仪表，2009（5）：72－75.

［6］张鑫，郭清南，李学磊.压力传感器研究现状及发展趋势［J］.电机电器技术，2004（4）：28－30.

［7］施勇潮，梁福平，牛春辉.传感器检测技术［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［8］宛德福，马兴龙.磁性物理学［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［9］石延平，刘成文，倪立学.基于非晶态合金的压磁式力传感器［J］.传感技术学报，2010，23（4）：508－511.

［10］赵英俊.非晶态合金传感器原理与应用技术的研究［D］.武汉：华中理工大学，1994.

［11］鲍丙豪，彭以舟.纳米晶合金单磁芯力传感器［J］.传感器世界，2001（11）：22－24.

［12］郭振芹.非电量电测量［M］.北京：计量出版社，1984.

［13］孙光飞，强文江.磁功能材料［M］.北京：化学工业出社，2007.