石延平，周庆贵，臧 勇

(江苏淮海工学院机械系，江苏连云港222005)

目前，国内外压力传感器的主流产品是半导体压阻式，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受温度的影响比较大，通常要进行温度漂移补偿，从而提高了制造成本[1－3]。另外，为了测量更低的压力，就必须降低传感器膜片厚度，这不仅提高了传感器的制造工艺要求，而且带来严重的非线性误差[4]。近年来国内外在将非晶态合金应用于各类传感器的研制和开发方面，都取得了突出进展[5－6]，在利用非晶态合金压磁效应方面，主要是作为电感传感器铁芯进行测力，或附着于被测轴表面辅助扭矩的测量[7－8]。在利用非晶态合金优良软磁特性，作为压力传感器的有关研究尚不多见。对此，本文对一种基于非晶态合金薄带，结构简单，成本低廉的压力传感器进行可行性研究。

1 结构与原理

如图1所示，压磁膜盒式压力传感器主要由膜盒、非晶态合金薄带环、激磁线圈、测量线圈等组成。封闭的非晶态合金薄带环由两条厚度为s，宽为w的非晶态合金薄带构成，其高为h，长为 l，如图1(b)所示。其上边套在顶盖7的橡胶垫上，并由上压板6压紧，而其下边由下压板11压紧在底座12上。在每个非晶态合金薄带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10的作用下，使非晶态合金薄带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。无压力时，非晶态合金薄带环处于预紧状态;当被测压力p由接头1输入到膜盒中时[9]，推力杆将推动顶盖向上运动，使非晶态合金薄带受拉力作用。根据压磁原理[10]，非晶态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变化，从而在测量线圈中产生感应电压。

图1 传感器结构

2 传感器输出特性

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，磁力线沿非晶态合金薄带环闭合，如图2所示。

图2 传感器的闭合磁路

根据磁路定律，磁路中的瞬时磁通为

式中，μab、μac分别为非晶态合金薄带ab段和ac段的绝对磁导率;lab、lac分别为非晶态合金薄带ab段和ac段的长度;Sf为非晶态合金薄带的截面积;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，非晶态合金薄带环中的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是非晶态合金薄带中应力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，σ0为平均预应力;σm为应力幅值。则

将式(4)代入式(2)得:

令:

则有:

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。

3 传感器主要技术参数的确定

技术参数主要包括:非晶态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。

通常压磁式传感器的灵敏度取决于当应力作用时，压磁材料的磁导率的相对变化量[11]，即:

式中，σ为应力;μ为压磁材料的磁导率;λS为压磁材料的饱和磁致伸缩系数;BS为压磁材料的饱和磁感应强度。

从式(8)可知，当压磁材料的饱和磁致伸缩系数λS大、磁导率μ越大，而饱和磁感应强度BS小，压磁灵敏度就越高。另外，压磁材料应能承受较高的应力。传统的压磁材料均为晶态合金，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。近年来，非晶态合金在传感器技术中应用的越来越广泛。常用的非晶态合金薄带可分为:铁基非晶、铁镍基非晶、钴基非晶和铁基纳米晶四种[12]。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。如Fe28Si10B12非晶合金经磁场退火处理，其机电耦合系数可达0．75[13]。机电耦合系数越高，传感器的灵敏度就高。另外，铁基非晶比坡莫合金有更高的强度、耐蚀性、耐磨性、硬度以及韧性。所以，铁基非晶是较为理想的压磁材料。目前，国内安泰科技有限公司生产的铁基非晶态合金的主要性能参数为:饱和磁感应强度Bs=1．50 T，居里温度Tc=410℃，饱和磁致伸缩系数λs=27×10－6，电阻率 ρ=130 μ·cm，最大导磁率 μ ＞25 ×104，抗拉强度σs=1 500 MPa，硬度 Hv=960 kg/mm2。

通常非晶态合金薄带的厚度为0．018 mm～0.030 mm。所以，非晶态合金薄带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，这样使压磁材料的磁导率成为应力的单值函数。

根据文献[14]，对于非晶态合金，可选择H=200 A/m～230A/m。激磁电流可根据下式求得:

式中，H为磁场强度;l为非晶态合金薄带的长度;I为激磁电流强度。

当选择不同激磁频率后，根据下式得激磁电压

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，确定传感器非晶态合金薄带环为28 mm×15 mm，厚度为0．030 mm;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215 mA，频率为1 kHz。

4 可行性试验

图3所示为传感器标定试验原理。

图3 测试系统框图

压缩空气由空压机产生，储气罐用于消除工作时产生的压力脉动。通过调节负载改变管路内的空气压力，试验中校准点的空气压力由北京瑞利威尔科技发展有限公司生产的RL－P－K型高精度压力传感器指示。该传感器精度可达0．1%FS，非线性度为0．05%FS～0．5%FS。传感器输出电压由数字多用表测量。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，不同激磁电流强度、频率以及绕组匝数等对传感器输出特性的影响。表1所示为室温(25℃)下的试验数据。

根据表1所试验数据求得重复性误差α=1.56%F．S。利用最小二乘法，求得加载行程平均非线性误差 β =1．29%F．S，灵敏度 K=0．3634 mV/kPa;卸载行程平均非线性误差β=0．93%F．S;灵敏度K=0．3675 mV/kPa。最大迟滞 γ = －1．52%F．S。

图4是根据表1数据所作的加载压力p与传感器输出电压U关系曲线。

另外，还在－20℃ ～120℃的温度范围内进行了试验。结果显示传感器的温度零点漂移值为0.436%F．S/℃，输出灵敏度基本不随温度变化而改变。这主要是由于非晶态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一定的温度范围内保持相对恒定的特性，特别是当非晶态合金中B(硼)的含量为15% ～18%时，在材料的居里温度以下时，弹性模量E的变化非常小[15]。另外，压磁式传感器的原理是基于压磁效应，即式(8)中的饱和磁致伸缩系数λS所表征的特性。对于非晶态合金材料，当环境温度低于该材料的居里温度TC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v及弹性模量E随温度的变化而较大地改变。所以这种传感器要进行温度补充，也因此增加了其制造成本。

表1 传感器在25℃时的静态试验数据

图4 p—U曲线

如前所述，磁感应强度B或磁场强度H决定了传感器输出的灵敏度和线性度。因此，要选择最佳激磁电流，以保证获得最佳的磁场强度H。图5所示为传感器在不同励磁电流时，传感器的静态输出曲线。从图中可以看出，随着励磁电流的增大，在相同载荷时，传感器的输出电压增加，输出灵敏度也相应有所提高。但当励磁电流提高到450 mA时，输出曲线的线性度降低，当励磁电流提高到600 mA时，输出曲线的非线性误差急剧增大。这主要是当励磁绕组匝数不变时，增大励磁电流就是增大了磁场强度H。当H取值合理时，传感器工作在磁化曲线B－H的线性段，则传感器输出非线性误差就小。但当H不是最佳值时，则传感器输出非线性误差就大。显然对于本试验，当励磁电流在200 mA附近时，磁场强度H为最佳值。

图5 不同激磁电流时的p－U曲线

根据式(7)，增大激磁频率可以提高传感器输出电压。由铁磁学原理，一般晶体软磁材料，当磁化频率提高时，材料磁导率会下降，但对大多数非晶态合金，即使磁化频率高达几百kHz时，甚至更高，其磁导率仍然很高[16]。所以，通过提高激磁频率使传感器获得较高的动态响应性能。

5 结语

通过理论与试验分析，这种利用Fe基非晶态合金薄带压磁效应的压力传感器是可行的。其主要特点是:

(1)结构简单，制造成本低，工作可靠;

(2)改变非晶态合金薄带环的宽度或通过粘贴改变薄带的厚度来增大传感器的量程;

(3)由于非晶态合金薄带厚度仅为微米级，所以可用于微压力测量;

(4)Fe基非晶态合金材料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，所以传感器有较好的温度稳定性。

[1]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．

[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]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．

[4]杨梅，于炜，张莹等．梁－膜结构微压传感器研制[J]．实验体力学，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]马广斌．正应力条件下铁基非晶带材压磁性能的研究[D]．南昌:南昌大学，2007．

[8]解源，赵英俊．非晶态合金材料磁敏特性及应用的研究[J]．传感技术学报．2000，(4):322 －325．

[9]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．

[10]宛德福，马兴龙．磁性物理学[M]．北京:机械工业出版社，1999．

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

[12]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．

[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．非电量电测量[M]．北京:计量出版社，1984．

[15]孙光飞，强文江．磁功能材料[M]．北京:化学工业出社，2007．

[16]文西芹，刘成文，杜玉玲等．磁头型磁弹性扭矩传感器补偿问题研究．传感技术学报[J]．2004，19(3):508 －511．