基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器及其應(yīng)用
【專利摘要】基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器及其應(yīng)用，本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，它要解決現(xiàn)有汗毛傳感器普遍為剛性結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且應(yīng)用領(lǐng)域有限，只能測(cè)試非接觸式的流速，而不能直接測(cè)試接觸應(yīng)力或者振動(dòng)的問(wèn)題。該柔性汗毛傳感器包含鐵磁微絲和線圈，其中，以鐵磁微絲作為柔性的傳感單元，結(jié)構(gòu)由兩排交叉排布的鐵磁微絲陣列和兩個(gè)線圈組成，兩個(gè)線圈以一定匝數(shù)纏繞在鐵磁微絲陣列末端上,一個(gè)線圈作為激發(fā)端,另一個(gè)線圈作為檢測(cè)端。本發(fā)明采用電磁感應(yīng)的傳感原理測(cè)試鐵磁微絲所產(chǎn)生的形變，靈敏度高，量程范圍可調(diào)。對(duì)于外界信號(hào)的檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏度和量程的調(diào)節(jié)，可廣泛應(yīng)用于檢測(cè)氣體風(fēng)速、液體流速和振動(dòng)信號(hào)，應(yīng)用潛力巨大。
【專利說(shuō)明】
基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]汗毛傳感器是基于仿生觸須結(jié)構(gòu)衍生出的傳感器，自然界中動(dòng)物的觸須可以非常靈敏的感知外界的刺激，如風(fēng)速，水速，振動(dòng)，接觸等等的外界信號(hào)，基于此原理，衍生出一系列的汗毛傳感器，但是與自然界中的動(dòng)物觸須不同，現(xiàn)有的汗毛傳感器的汗毛都是剛性的，不能發(fā)生大角度的偏折，只能局限于測(cè)定氣體流速，不能測(cè)試流體流速或者振動(dòng)信號(hào)，其結(jié)構(gòu)大都是基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)工藝，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜并且脆弱，并不能像真正的汗毛那樣耐用和感知各種不同的信號(hào)，使得現(xiàn)有汗毛傳感器的使用范圍十分狹窄，能用于工程實(shí)際的汗毛傳感器也非常少，基本都是停留在概念設(shè)計(jì)的階段。
[0003]對(duì)于汗毛傳感器的研究成果有很多，前期的研究人員提出各種不同結(jié)構(gòu)的汗毛傳感器。
[0004]2009年，Avishek R利用聚合物薄膜制備出一種柔性的結(jié)構(gòu)，其形狀可以隨風(fēng)速的大小而改變，其測(cè)試原理是利用風(fēng)速導(dǎo)致薄膜幾何形狀的變化，從而產(chǎn)生電阻變化，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜和脆弱，只能進(jìn)行風(fēng)速的測(cè)試，無(wú)法測(cè)試接觸應(yīng)力或者液體流速。
[0005]2013年，Sadeghi制備出一種汗毛形狀的氣體流速傳感器，但是其汗毛為剛性，其測(cè)試原理并不是利用汗毛隨風(fēng)速的彎曲，而是利用熱線法的原理，測(cè)試汗毛溫度隨風(fēng)速變化的趨勢(shì)，從而測(cè)試風(fēng)速。
[0006]2015年，Harish利用導(dǎo)電聚合物制備出柔性可彎曲的汗毛傳感器，利用其在不同風(fēng)速條件下彎曲形狀的不同，從而導(dǎo)致其根部電阻的變化，進(jìn)行風(fēng)速的測(cè)定，其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于氣體流速的敏感度較高，但是其汗毛的力學(xué)性能較差，無(wú)法測(cè)試接觸應(yīng)力。
[0007]現(xiàn)有汗毛傳感器的測(cè)試范圍都局限于氣體流速的檢測(cè)，實(shí)際上汗毛的功能遠(yuǎn)不止是氣體流速的檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有汗毛傳感器普遍為剛性結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且應(yīng)用領(lǐng)域有限，只能測(cè)試非接觸式的流速，而不能直接測(cè)試接觸應(yīng)力或者振動(dòng)的問(wèn)題，而提供基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器及其應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含多根鐵磁微絲、線圈和基板，多根鐵磁微絲分別平行間隔排列形成第一鐵磁微絲陣列和第二鐵磁微絲陣列，第一鐵磁微絲陣列的一端與第二鐵磁微絲陣列的一端相互交叉排布并懸空，在第一鐵磁微絲陣列的另一端上纏繞有通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端，在第二鐵磁微絲陣列的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端，第一鐵磁微絲陣列纏繞有線圈的一端和第二鐵磁微絲陣列纏繞有線圈的一端固定在基板上。
[0010]本發(fā)明基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含多根鐵磁微絲、線圈和基板，多根鐵磁微絲平行排列形成鐵磁微絲陣列，通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端，鐵磁微絲陣列的一端懸空并與激發(fā)端存在間隙，在鐵磁微絲陣列的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端，鐵磁微絲陣列纏繞有線圈的一端固定在基板上。
[0011]本發(fā)明基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含單根鐵磁微絲和線圈，通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端，在單根鐵磁微絲的一端與激發(fā)端存在間隙，在單根鐵磁微絲的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端。
[0012]本發(fā)明基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器的應(yīng)用是將該基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器用于測(cè)試氣體風(fēng)速、液體流速、應(yīng)力大小或振動(dòng)信號(hào)。
[0013]本發(fā)明基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含以下優(yōu)越性:
[0014]1、提出一種基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器的設(shè)計(jì)制造方法，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；
[0015]2、本發(fā)明的測(cè)試機(jī)理與以往的汗毛傳感器有本質(zhì)上的區(qū)別，其原理為利用磁場(chǎng)在非晶絲內(nèi)部的傳播，鐵磁微絲的搭接面積隨著外界條件，如氣體風(fēng)速、液體流速、振動(dòng)信號(hào)，會(huì)實(shí)時(shí)變化，從而使檢測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)也隨著外界條件實(shí)時(shí)變化，靈敏度和穩(wěn)定性高，具有更強(qiáng)的適用性和推廣性；
[0016]3、本發(fā)明所制備的柔性汗毛傳感器，其測(cè)試部分類似于人體的汗毛，但是與其他利用汗毛結(jié)構(gòu)的傳感器原理不同，本結(jié)構(gòu)采用的鐵磁微絲力學(xué)性能優(yōu)異，可循環(huán)性能和抗腐蝕性很強(qiáng)，并且本結(jié)構(gòu)不過(guò)分依賴汗毛的力學(xué)性能，利用的是搭接面積變化導(dǎo)致磁場(chǎng)傳播強(qiáng)弱的變化，并且結(jié)構(gòu)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為【具體實(shí)施方式】一基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(雙排結(jié)構(gòu))；
[0018]圖2為【具體實(shí)施方式】二基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(單排結(jié)構(gòu))；
[0019]圖3為【具體實(shí)施方式】三基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器(單根柔性汗毛)的彎曲示意圖；
[0020]圖4為實(shí)施例中柔性汗毛傳感器測(cè)試信號(hào)隨氣體風(fēng)速變化的曲線圖；
[0021 ]圖5為實(shí)施例中柔性汗毛傳感器測(cè)試信號(hào)隨液體流速變化的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含多根鐵磁微絲、線圈和基板15，多根鐵磁微絲分別平行間隔排列形成第一鐵磁微絲陣列10和第二鐵磁微絲陣列11，第一鐵磁微絲陣列10的一端與第二鐵磁微絲陣列11的一端相互交叉排布并懸空設(shè)置，在第一鐵磁微絲陣列10的另一端上纏繞有通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端12，在第二鐵磁微絲陣列11的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端13，第一鐵磁微絲陣列10纏繞有線圈的一端和第二鐵磁微絲陣列11纏繞有線圈的一端固定在基板15上。
[0023]本實(shí)施方式第一鐵磁微絲陣列和第二鐵磁微絲陣列交叉部分的鐵磁微絲可以彼此緊密排列，也可以彼此間隔排列。
[0024]本實(shí)施方式通過(guò)激發(fā)端的交流電產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁通量在鐵磁微絲中傳輸，當(dāng)受到風(fēng)速或振動(dòng)信號(hào)，汗毛結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形導(dǎo)致磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而改變檢測(cè)端線圈的電信號(hào)。
[0025]本實(shí)施方式汗毛傳感器包含鐵磁微絲和線圈。其中，以鐵磁微絲作為柔性的傳感單元，鐵磁微絲可以發(fā)生很大形變，對(duì)于應(yīng)力測(cè)量的靈敏度很高，結(jié)構(gòu)由兩排交叉排布的鐵磁微絲陣列和兩個(gè)線圈組成，兩個(gè)線圈以一定匝數(shù)纏繞在鐵磁微絲陣列末端上，一個(gè)線圈作為激發(fā)端，另一個(gè)線圈作為檢測(cè)端，采用電磁感應(yīng)的傳感原理測(cè)試鐵磁微絲所產(chǎn)生的形變，靈敏度高，量程范圍可調(diào)。
[0026]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含多根鐵磁微絲、線圈和基板15，多根鐵磁微絲平行排列形成鐵磁微絲陣列10，通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端12，鐵磁微絲陣列10的一端懸空設(shè)置并與激發(fā)端12存在間隙，在鐵磁微絲陣列10的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端13，鐵磁微絲陣列10纏繞有線圈的一端固定在基板15上。
[0027]本實(shí)施方式鐵磁微絲陣列中的鐵磁微絲可以彼此緊密排列，也可以彼此間隔排列。通過(guò)間隙的設(shè)置給出鐵磁微絲陣列自由活動(dòng)的空間。
[0028]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含單根鐵磁微絲20和線圈，通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端12，在單根鐵磁微絲20的一端與激發(fā)端12存在間隙，在單根鐵磁微絲20的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端13。
[0029]本實(shí)施方式通過(guò)間隙的設(shè)置給出鐵磁微絲陣列自由活動(dòng)的空間。
[0030]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是所述鐵磁微絲的長(zhǎng)度為Imm?50mm ο
[0031 ]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是所述鐵磁微絲的直徑為 10μηι?100μηι。
[0032]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是所述鐵磁微絲的金屬芯為硬磁性合金，在金屬芯外表包覆有耐熱玻璃。
[0033]本實(shí)施方式所述的硬磁性合金為鐵鈷鉬硬磁合金、鐵鈷鎢硬磁合金或鐵鈷硅硼鐵磁合金。
[0034]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是所述鐵磁微絲的金屬芯為軟磁性合金。
[0035]本實(shí)施方式所述的軟磁性合金為硅鋼、鎳鐵軟磁合金、鐵鈷軟磁合金或鐵硅軟磁
I=IO
[0036]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是激發(fā)端12和檢測(cè)端13的線圈自由端連接有電極14。
[0037]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是所述的兩個(gè)線圈為銅漆包線。
[0038]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】九不同的是在基板15上還開(kāi)有通孔16。
[0039]本實(shí)施方式的通孔能夠使流體通過(guò)，也可以用來(lái)測(cè)量高靈敏度的應(yīng)力和振動(dòng)信號(hào)。
[0040]實(shí)施例:本實(shí)施例基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含多根鐵磁微絲和線圈，每6根鐵磁微絲分別平行間隔排列形成第一鐵磁微絲陣列10和第二鐵磁微絲陣列11，第一鐵磁微絲陣列10的一端與第二鐵磁微絲陣列11的一端相互交叉排布并懸空，在第一鐵磁微絲陣列10的另一端上纏繞有通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端12，在第二鐵磁微絲陣列11的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端13，激發(fā)端12和檢測(cè)端13的自由端分別連接有電極14，各電極14以及第一鐵磁微絲陣列10纏繞有線圈的一端和第二鐵磁微絲陣列11纏繞有線圈的一端固定在電路板15上，在電路板15上開(kāi)有通孔16。
[0041]本實(shí)施例的鐵磁微絲的長(zhǎng)度為10mm，鐵磁微絲的金屬芯采用鐵鈷鎢硬磁合金。鐵磁微絲陣列中各鐵磁微絲的間距為1mm。此鐵磁微絲商購(gòu)自西班牙TAMAG公司。
[0042]當(dāng)氣體通過(guò)通孔時(shí)，會(huì)使兩個(gè)鐵磁微絲陣列的重疊面積發(fā)生變化，從而就會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)端檢測(cè)到的信號(hào)減少，隨著外界氣體流速的增強(qiáng)，傳感器檢測(cè)到的信號(hào)就會(huì)越來(lái)越小，其信號(hào)強(qiáng)度隨外界氣體流速的變化趨勢(shì)如圖4所示。
[0043]當(dāng)有液體通過(guò)鏤空部分時(shí)，液體的壓力會(huì)使兩個(gè)鐵磁微絲的重疊面積發(fā)生變化，從而就會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)端檢測(cè)到的信號(hào)減少，隨著外界液體流速的增強(qiáng)，傳感器的信號(hào)就會(huì)越來(lái)越小，其信號(hào)強(qiáng)度隨外界液體流速的變化趨勢(shì)如圖5所示。
[0044]圖4和圖5分別為測(cè)試信號(hào)隨氣體風(fēng)速及液體流速變化的曲線圖，激發(fā)端接入信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，傳入鐵磁微絲傳感器。檢測(cè)端接入示波器，將檢測(cè)到的信號(hào)以可視的方式顯現(xiàn)出來(lái)。其中氣體的流速由一個(gè)渦輪風(fēng)扇產(chǎn)生，風(fēng)速的調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇和傳感器之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn);液體的流速通過(guò)水速產(chǎn)生，流速的調(diào)節(jié)通過(guò)可調(diào)流速的水栗來(lái)實(shí)現(xiàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，其特征在于該基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含多根鐵磁微絲、線圈和基板(15)，多根鐵磁微絲分別平行間隔排列形成第一鐵磁微絲陣列(10)和第二鐵磁微絲陣列(11)，第一鐵磁微絲陣列(10)的一端與第二鐵磁微絲陣列(11)的一端相互交叉排布并懸空，在第一鐵磁微絲陣列(10)的另一端上纏繞有通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端(12)，在第二鐵磁微絲陣列(11)的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端(13)，第一鐵磁微絲陣列(10)纏繞有線圈的一端和第二鐵磁微絲陣列(11)纏繞有線圈的一端固定在基板(15)上。2.基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，其特征在于該基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含多根鐵磁微絲、線圈和基板(15)，多根鐵磁微絲平行排列形成鐵磁微絲陣列(10)，通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端(12)，鐵磁微絲陣列(10)的一端懸空并與激發(fā)端(12)存在間隙，在鐵磁微絲陣列(10)的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端(13)，鐵磁微絲陣列(10)纏繞有線圈的一端固定在基板(15)上。3.基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，其特征在于基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器包含單根鐵磁微絲(20)和線圈，通有交流電信號(hào)的線圈作為激發(fā)端(12)，在單根鐵磁微絲(20)的一端與激發(fā)端(12)存在間隙，在單根鐵磁微絲(20)的另一端上纏繞有線圈作為檢測(cè)端(13)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，其特征在于所述鐵磁微絲的長(zhǎng)度為Imm?50mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，其特征在于所述鐵磁微絲的直徑為10μηι?100μηι。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，其特征在于所述鐵磁微絲的金屬芯為硬磁性合金或軟磁性合金，在金屬芯外表包覆有耐熱玻璃。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，其特征在于激發(fā)端(12)和檢測(cè)端(13)的線圈自由端連接有電極(14)。8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，其特征在于所述的兩個(gè)線圈為銅漆包線。9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，其特征在于在基板(15)上還開(kāi)有通孔(16)。10.如權(quán)利要求1或2所述的基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器的應(yīng)用，其特征在于是將該基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器用于測(cè)試氣體風(fēng)速、液體流速、應(yīng)力大小或振動(dòng)信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01H11/02GK105929196SQ201610310664
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】郝立峰, 張健, 王榮國(guó), 赫曉東
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)