[发明专利]磁致伸缩应力传感器

说明书

本发明涉及配备软铁磁体的磁致伸缩应力传感器。这种铁磁体的实例是多晶铁氧体。这种所谓的多晶铁氧体具有特别是由固有晶粒结构确定的磁性能。

由于配备应变片的普通应力传感器相当昂贵这一事实，所以已开发利用铁磁材料的磁致伸缩效应的应力传感器。在施加机械压力的情况下这些材料具有这样的特性，即由于产生所谓的磁致伸缩效应，该材料的导磁率(μ)发生变化。S.Chikazumi在Physics of Magnetism，John Wiley & Sons(1986再版)中较详细地解释了这一现象(参见第8章，更具体地说，第8.4节)。

在由本申请人申请的EP-A-0767984(PHN15.309)中对磁致伸缩应力传感器进行了说明。在所述文件中，由铁氧体环形成铁磁体，围绕该铁氧体环的至少一部分缠绕导电线圈。由于因机械应力造成的铁氧体导磁率μ的变化必然产生自感L的变化值，所以将该线圈连接到电路上，以测量线圈的自感(L)。

通常使用的铁氧体实际上被用于例如频率范围在10至100kHz的变压器线圈，一般具有大于或等于20μm的晶粒尺寸D。此外，在该晶粒尺寸下，导磁率的值很大。这种晶粒尺寸产生较低的矫顽磁力H_c，由于H_c与D成反比，所以能量损失小。但是，由于在该晶粒尺寸时的磁致伸缩效应小，所以以此为基础的应力传感器的灵敏度受到相当大的限制。

在以下刊物中陈述了国际上采用的铁氧体晶粒尺寸的定义：Theinitial permeability of polycrystalline MnZn ferrites：Theinfluence 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)也称为“平均线性截取(intercept)值”，对应于沿跨越铁氧体微观结构图象的任意线的弦平均长度。晶粒尺寸的该定义与晶粒形状无关。由S.I.Tomkeieff在Nature，vol.155(1945)，第24页。中给出了该术语的更接近的数学近似。

本发明的目的在于可显著提高磁致伸缩应力传感器的灵敏度。

为了实现这一目的，按照本发明，如在开篇中所述那样的磁致伸缩应力传感器的特征在于，铁磁体有这样的晶粒结构，以致至少一部分晶粒有处于一磁畴状态和二磁畴状态之间的过渡区中的粒径尺寸。在这方面，术语应力指每单位面积上的力。

一磁畴状态是晶粒在一个方向上被完全磁化的状态；在该状态下，磁畴尺寸(Δ)相当于晶粒尺寸D。二磁畴状态是在各晶粒内存在磁畴壁的状态，在两个磁畴部分中磁化方向不同。其中，利用中子去极化技术确定的磁畴尺寸Δ小于晶粒尺寸D。在J.Appl.Phys.中的上述公开中，按晶粒内的磁畴结构从一磁畴状态变为二磁畴状态来确定晶粒尺寸。在过渡的这点上，晶粒尺寸使磁畴壁能量(该能量确定二磁畴状态)基本上等于静磁能量(该能量确定一磁畴状态)。参照在J.Appl.Phys.中的上述公开内容，在过渡区的这点上的晶粒尺寸Dc可以近似地表示为 D c ≈ 4 μ r μ 0 M s 2 ( 2 k T c | K | a ) 1 / 2 ]]>