[發明專利]測量應力的包含磁彈性材料層的傳感器以及制造層的方法

有效

• 申請號: 201210470680.4
• 申請日: 2009-08-19
• 公開（公告）號: CN103033299A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: H·林;A·米尼奧塔斯
• 申請（專利權）人: ABB公司
• 主分類號: G01L3/10
• 分類號: G01L3/10
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華;龐淑敏

本申請是申請日為2009年8月19日、申請號為200980137591.4、發明名稱為“用于測量應力的包含磁彈性材料層的傳感器以及制造層的方法”的發明專利申請的分案申請。

技術領域及現有技術

本發明涉及一種傳感器，其用于測量由施加到承載構件上的力引起的應力，其中傳感器包括形成于承載構件上的磁彈性材料層，且傳感器被設置用于：在磁彈性材料層中產生時變磁場，檢測所述層中磁導率的變化，以及基于檢測到的所述層中磁導率的變化而確定所引起的應力。本發明也涉及用于制造這樣的層的方法。

傳感器測量由施加到承載構件上的力引起的所述層中的應力和/或應變。施加到承載構件上的力為，例如拉力、壓力或者扭矩，且承載構件為，例如金屬軸。以上描述類型的扭矩傳感器為本領域眾所周知，例如，從EP0309979。承載構件的目的是將負載傳遞到應力測量層。

磁彈性材料，也表示為磁致伸縮材料，是一種當由力負載時其磁導率改變的材料。磁彈性材料的示例有鐵、鎳、鈷及稀土金屬或者這些金屬的合金。

當已經被暴露在強磁場時，硬磁性材料保持磁化。在已經暴露在強磁場中之后，軟磁性材料不能保持磁化。軟磁性材料與硬磁性材料的區別在于軟磁性材料在被磁化后不能保持穩恒磁場。硬磁性材料通常具有超過幾千A/m的矯頑力。軟磁性材料具有低很多的矯頑力，通常小于1000A/m。

期望能夠測量在大負載范圍內的機械應力。例如，在汽車工業中，期望測量大小高達200-300MPa的扭矩引起剪切應力。另外，期望找到一種由于抗機械及熱疲勞而長期穩定且為線性的扭矩測量設備，線性是指來自測量設備的輸出信號基本上與承載構件上的負載成比例。另外，期望降低或者甚至消除測量設備輸出信號中的蠕變，即在負載恒定時，輸出信號的值不應當改變。應當避免輸出信號中的磁滯，因為磁滯增大測量誤差。致密層和在所述層及承載構件之間的良好的附著性是獲得長期穩定、具有大負載范圍及低磁滯的測量設備的前提。

磁彈性效應從磁疇壁的移動的角度來解釋(參見例如“ModernMagnetic?Materials”第7章，作者Robert?C.O′Handley，ISBN0-471-15566-7)，因此，磁疇的形狀和尺寸以及磁疇壁的移動性在基于磁彈性效應建立傳感器時極其重要。

磁疇，即具有統一磁化方向的區域，具有被定義為磁疇壁的邊界。磁疇壁依賴于磁彈性材料的磁化方向而可在所述材料中移動。磁疇壁可在均勻單晶材料中自由移動，由于單晶在結構上及化學上都均勻，所述壁在其中不會遇到任何障礙。在非晶材料中，磁疇壁不會遇到任何障礙，因為在這樣的材料中，結構上或者化學上的變化比疇壁的厚度小得多。通常，軟磁性材料(例如NiFe或者FeCo)的磁疇壁厚度的數量級在幾百個納米，在極端情況下，達到1μm，因此，尺寸小于100nm的晶粒不能對疇壁形成有效障礙。在這些材料中，磁疇的形狀和尺寸依賴于退磁磁場以及試圖最小化磁化系統能量的磁化對象的形狀。

WO2007/106024公開了一種用于制造在承載構件上的層的方法，所述層意圖用于測量由施加到承載構件上的力引起的應力，其中所述方法包含：在所述構件的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁彈性合金的納米晶層，以及熱處理所述層直到所述合金發生結晶化且平均晶粒尺寸變為在100nm到10000nm范圍內。由于所述方法制造了晶粒尺寸大到足以適應一個或者只是幾個磁疇的微結構層，這種方法顯著地改善了所述層的應力測量特性。平均晶粒尺寸小于50nm的納米晶層為結晶化及定制以上提到的微結構提供了有利的條件。晶粒尺寸大于10000nm的微結構趨于具有較高的磁彈性靈敏度，當嘗試獲得上述提到的寬測量范圍時，其是不利的。

所述層優選地借助于電鍍而形成在所述構件上，因為電鍍是一種用于獲得所期望的晶粒尺寸的磁彈性材料的合適方法。所述文件提到也可能使用其他方法將所述層施加到承載構件上，例如PVD(物理氣相沉積)方法，CVD(化學氣相沉積)方法，以及金屬噴鍍。然而，電鍍方法也有一些缺點。缺點之一是在施加較厚層時電鍍需要花費很長時間。以上提到的在承載構件上的層適當地厚于30μm，且優選地所述層的厚度在100μm到300μm之間。使用電鍍來施加這樣的厚層需要花費數小時。因此，電鍍不是一種在商業上有吸引力的將所述層施加到承載構件上的方法。電鍍的另一缺點是其能夠導致所述層施加到的材料的強度降低，且對堅硬材料例如滲碳鋼尤其如此。