[发明专利]压电式扭转波换能器及压电换能式磁致伸缩传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及磁致伸缩扭转波的信号转换技术，将机械扭转波转换为电信号，适用于位置信号和液位信号的检测仪器。

背景技术

随着科技水平的不断发展，对液位测量和位置测量的技术要求，也逐步提高。而广泛应用的磁致伸缩传感器，一般是通过磁致伸缩效应，产生扭转波，通过基于逆磁致伸缩效应方法的换能器，将扭转波机械信号转换为电信号，通过计算时间差得出跟随被测介质移动的磁铁(浮子)的位置，用于过程的自动化控制。

目前MTS公司的一种磁致伸缩液位计产品，采用的是基于逆磁致伸缩效应的扭转波拾取技术方案。其扭转波换能器的细节如图1所示。

在波导丝L靠近电子仓的部分，对称的焊接着两片磁致伸缩金属片H(示意图只画出其中一片，另一片为完全对称结构)。磁致伸缩金属片H与波导丝L焊接，当扭转波W沿着波导丝L传递到输出段，引起磁致伸缩金属片H的变形。

根据逆磁致伸缩效应，即当金属片H材料受到外力时，材料内部的磁化状态也随之改变，在偏置磁场A的作用下，线圈D会检测到金属片H内部磁通量的变化，产生脉冲电压信号。另外一侧磁致伸缩金属片H完全对称结构，故两路电压信号为差动信号。

现有磁致伸缩传感器的扭转波换能技术采用逆磁致伸缩效应的原理，有两个明显的不足：

零件数目多，需要偏置磁钢A，磁致伸缩金属片H，检测线圈D配合工作，且三者位置关系要精密配合，整个制造成本高。

工艺复杂，磁致伸缩金属片H与波导丝L需仔细焊接，难度较大。绕制微型线圈也相当麻烦，不易实现规模化生产，且一致性无法保证。

机械扭转波经过磁致伸缩金属片H，先改变磁化状态，再引起磁通量的变化，最后通过线圈转换为电压信号。转换环节多，传递效率低，致使信号拾取的灵敏度低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，将压电技术引入传感器领域，解决传统的磁致伸缩传感器的扭转波换能器工艺复杂、制造成本高、灵敏度低的不足。

本发明为解决所述技术问题而采用压电效应实现从机械扭转波转换为电信号，技术方案是：

压电式扭转波换能器，包括波导丝，其输出段设置有放大杆，放大杆的端部连接有压电元件。扭转波信号经波导丝，传递到放大杆放大后，经压电元件转换成电信号输出。放大杆为垂直于波导丝的杠杆状，并且压电元件的法线与波导丝和放大杆垂直。放大杆将波导丝传递的周向扭转波，变换成在压电元件法线上近似直线方向的形变，作用在压电元件上产生电荷。放大杆的两端分别设置有极性方向相同的压电元件，当一片压电元件受到放大杆端部的压力作用时，另一片压电元件受到放大杆端部的拉力作用，两片压电元件同时产生差动压电信号。压电元件为厚度方向敏感型压电陶瓷片。

压电式扭转波换能器应用在传感器中，是本发明的另一技术方案：

压电换能式磁致伸缩传感器，包括波导丝、环绕波导丝(L)的随动磁铁；波导丝的输出段设置有放大杆，放大杆的端部连接有压电元件，压电元件的输出端连接有测量电路。当随动磁铁跟随被测介质移动时，随动磁铁产生的纵向磁场平行波导丝移动；测量电路发出的脉冲电流沿波导丝传输。波导丝在脉冲电流的环形磁场与纵向磁场叠加成的螺旋磁场中，发生磁致伸缩效应的扭转波；该扭转波信号沿波导丝传递到放大杆放大后，经压电元件转换成电信号，测量电路根据脉冲电流与扭转波电信号的时间差计算出随动磁铁的位置信息。

与现有传感器采用逆磁致伸缩效应的扭转波拾取技术相比较，本发明技术方案的优点是：

1.压电元件直接将扭转波的机械信号转变为电压信号，减少了中间环节，信号转换效率提高，最终灵敏度提升。

2.采用已经普遍应用的厚度振动模式的压电陶瓷片为转换元件，相对成本比较低。

3.换能器结构简单，工艺大大简化，零件数目减少，不需要偏置磁钢，也不需要绕制微型线圈。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为现有液位计逆磁致伸缩效应检测扭转波的结构原理示意图；

图2为本发明压电式扭转波换能器的结构原理示意图；

图3为本发明压电式扭转波换能器的剖面示意图；

图4为本发明压电换能式磁致伸缩传感器的逻辑原理方框图；

图5为本发明压电换能式磁致伸缩传感器的脉冲测距原理图；

图6为波导丝L在脉冲电流的环形磁场Hi与纵向磁场Hc叠加成的螺旋磁场中，发生磁致伸缩效应的扭转波的示意图；

图7为本发明实施例压电换能式磁致伸缩液位变送器测量电路的关键点波形图；