CN1926412A - 磁致伸缩应力波传感器 - Google Patents

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Abstract

一种振动传感器(20、58)具有一壳体(27)，该壳体带有位于一传感线圈(26、74)中的一Terfenol－D传感元件(22、76)。一永久性偏置磁体(24)与Terfenol－D传感元件(22、76)接合，而一间隔件接合Terfenol－D传感元件(22、76)并从壳体(27)延伸。壳体(27)具有带一个或多个安装孔的一横梁(34、64)，紧固件(52)延伸通过这些安装孔以将振动传感器(20、58)安装到一结构元件(54)上。壳体(57)将间隔件放置成压靠着结构元件(54)。在另一个实施例中，可向传感线圈(26、74)供应一直流电流(72)以设置偏置磁场。一高频滤波器将振动传感信号与所施加的直流偏置电流分开。

Description

磁致伸缩应力波传感器
本发明涉及总的用于监测诸如汽车之类的机器的应力和碰撞的振动传感器，且尤其涉及采用磁致伸缩效应的振动传感器。
现代汽车都装配有许多主动式安全系统，从座椅安全带张紧器到安全气囊和燃油切断阀。为了适当地触发各种主动式安全系统的启动，使用振动传感器来检测碰撞的开始并确定碰撞的严重程度。为了优化对主动式安全系统的使用，重要的是要尽可能早地知道碰撞可能的严重程度。通过较早地检测到碰撞的严重程度并较早地展开主动式安全系统可以得到较好的效果。同时，如果在比较不那么严重的碰撞中不展开安全系统则可以极大地节省费用，在这样的轻微碰撞中诸如座椅安全带之类的被动式抑制装置就足以避免严重的伤害了。当汽车采用大量的安全气囊以及其它可展开的安全系统时，在碰撞之后的修理费用中替换已经展开的安全系统的费用就变成很大的一部分。当然，在需要展开所有的安全系统的一次严重的碰撞中，由于碰撞所产生的重大损害使汽车几乎不再存在任何残余价值。在较早展开的利益同不必要的展开的费用之间的平衡使人们的注意力集中到可以在碰撞的早期指示出碰撞的严重程度的传感器上。一种采用磁致伸缩逆效应或维拉利效应的已知类型的振动传感器可以检测到铁质结构元件中的振动波。可以对振动波进行信号处理以在碰撞过程早期指示出碰撞的严重程度。然而，需要有检测非铁质结构元件中的振动波的能力以及具有较高电压输出的传感器，从而增加在碰撞过程中检测汽车结构元件中的振动波的传感器的效能。
本发明的的振动传感器采用被置于传感线圈中的一Terfenol-D传感元件。一永久性偏置磁体与Terfenol-D传感元件接合，而一间隔件与Terfenol-D传感元件接合并延伸自包围偏置磁体、Terfenol-D传感元件以及传感线圈的一壳体。该壳体具有一横梁，该横梁带有两个间隔开的安装孔，紧固件延伸通过这两个安装孔以将振动传感器安装到一汽车结构元件上。横梁的安装使间隔件压靠着汽车的结构元件。间隔件、Terfenol-D传感元件和偏置磁体被装在位于垂直于横梁延伸的横梁的—圆柱形部分的套筒中。该横梁由紧固件安装在汽车的结构元件上。一卷绕有线圈的线轴位于Terfenol-D传感元件和偏置磁体之上，而该线轴是覆盖模制(over mold)到横梁上的。引入安装有振动传感器的汽车结构元件中的压缩波传播通过保持与结构元件接合的间隔件，并从间隔件传向Terfenol-D传感元件。在偏置磁体中的磁场的影响下所产生的Terfenol-D传感元件中的应变使电磁场强度产生很大的变化，该变化导致在线圈的输出导线中产生电压。
在优选实施例中，该传感器为主动式的并具有可轻易地检测到并数字化的较大的电压输出。在另一个实施例中，可向传感线圈供应直流电流以设置偏置磁场。传过Terfenol-D传感元件的由振动所产生的电压可由一高频率滤波器检测到，该滤波器可将振动感应信号与所施加的直流偏置电流分开。一简单的串联电容器在振动传感器的感应输出中可作为高频滤波器。
本发明的一个特征是提供了一种振动传感器，该传感器检测诸如汽车之类的机器的结构元件中的振动波。
本发明的另一个特征是提供了一种振动传感器，该传感器检测诸如汽车之类的机器的非铁质结构元件中的振动波。
本发明的再一个特征是提供了一种用于早期检测振动的严重程度的振动传感器。
以下结合附图的详细表述将使本发明的其它特征和优点变得明显。
图1是本发明的碰撞传感器的分解等轴测图。
图2是图1的碰撞传感器的等轴测图，其中覆盖模制的线圈用虚线示出。
图3是本发明的碰撞传感器的另一个实施例。
图4是被剖切以显示图1所示碰撞传感器的安装的汽车的略带示意性的侧视图。
图5是本发明的碰撞传感器的另一个实施例的线路图。
参见图1-4，其中相同的数字表示相似的部分，振动传感器20在图2中示出，该传感器可用于机器中，比如在汽车中用作碰撞传感器。如图1所示，振动传感器20具有三个功能元件：Terfenol-D(Tb0.3Dy0.7Fe1.92)传感元件22、偏置磁体24和安装在壳体27上的传感线圈26。Terfenol-D是EdgeTechnologies，Inc.的注册商标，该公司位于美国衣阿华州Ames，306 South 16th，50010。壳体27具有从横梁34伸突出的圆柱形部分32。振动传感器20与线轴28相结合，该线轴上卷绕有传感线圈26。线轴28具有可配合在圆柱形壳体32之上的中心孔30。传感线圈26可具有例如大约1000匝36标准尺寸的导线。横梁34在圆柱形壳体部分32两侧的任意一侧延伸并具有两个孔36，在横梁的每一端38附近各形成一个。如图1所示，套筒40中装有圆柱形偏置磁体24，圆柱形Terfenol-D传感元件22和从套筒40伸出的圆柱形间隔件42。可使偏置磁体24、Terfenol-D传感元件22和圆柱形间隔件42与套筒40压配合或联结。套筒40位于圆柱形壳体32中，从而间隔件42伸出横梁34的底面46上的凸台(land)44。可使套筒40压配合或联结在圆柱形壳体32中。传感线圈26所卷绕的线轴28由一覆盖模制的外壳48包覆，如图2中的虚线所示。
端部突起或凸台50围绕孔36并形成安装表面。紧固件52延伸通过横梁34的端部孔36并将振动传感器20安装到机器的结构元件54上，比如在汽车56上用作碰撞传感器，如图4所示。圆柱形间隔件42延伸出安装表面，从而当端部突起50与结构元件54的一部分接触时通过壳体27的横梁34的部分57的弯曲而使间隔件42弹性压缩在紧固件52和Terfenol-D传感元件之间。壳体部分57的弹性弯曲将Terfenol-D传感元件压靠在汽车56的结构元件54上。这一压缩负荷保证可将振动波很好地从结构元件54传送给Terfenol-D传感元件22。为了改进从间隔件42向Terfenol-D传感元件22的振动波传送，间隔件42较佳地由一种粘结剂粘结在传感元件22上。
来自线圈的输出量可从大约0.2到2.0伏或更大，这依赖于传感线圈26中线圈的匝数、偏置磁体24的偏置场、安装有振动传感器20的结构元件的成分、预加载在间隔件42上的力以及影响Terfenol-D传感元件22和安装有振动传感器20的结构材料之间的联结的其它因素。
图3示出了振动传感器58的另一个实施例。振动传感器58与振动传感器20相类似，但只在悬臂梁64的一端62中有一个安装孔60，而不是在振动传感器20的横梁34相对两端上有两个孔36。振动传感器58具有带有悬臂梁64的壳体59，该悬臂梁64形成一偏置构件，该偏置构件通过一间隔件66将传感元件压靠在汽车56的结构元件54上。间隔件66和在装置20中一样与延伸到形成于一线轴上的传感线圈26中的一偏置磁体接合。
振动传感器58的壳体具有围绕孔的突起68，而间隔件66配合进该孔中。安装突起70从壳体绕一安装孔60突起，而一安装表面由安装突起70所形成。间隔件66从壳体延伸出安装表面。由延伸出安装表面的间隔件66所引起的悬臂梁64的弯曲造成间隔件66和汽车56的结构元件54之间的压缩负荷。
间隔件42可以省略，而Terfenol-D传感元件则延伸以与汽车的结构元件54接合。还可在间隔件42和Terfenol-D传感元件22之间使用第二偏置磁体，或者用第二偏置磁体替换间隔件42以增加偏置磁场的强度。该磁体较佳地为高强度类型，比如用稀土金属制成的类型，例如钕-铁-硼磁体。
偏置磁体24可由如图5所示的直流电压72替代，该电压施加在含有Terfenol-D传感元件76的传感线圈74上。线圈74的输出量可施加在比如由电容器78形成的高频滤波器上。高频滤波器将通过Terfenol-D传感元件的振动波所生成的电压与所供应的直流偏置电压72分开。高频过滤器的输出量可供应给安全系统80或其它处理回路以显示汽车碰撞的特征。
Terfenol-D是Tb0.3Dy0.7Fe1.92的合金，但术语大型磁致伸缩材料的定义包括Terfenol-D以及诸如Tb和Dy之类的高度磁致伸缩的稀土金属的各种合金，如在US 4 308 474中所揭示的。形成有一传感组合件，该组合件只包括传感元件22或包括传感元件加间隔件42。

Claims (9)

1.一种振动传感器(20、58)，包括：
一壳体(27)；
一偏置磁体(24)，该偏置磁体安装于壳体(27)并被放置成向也安装于壳体(27)的一大型磁致伸缩传感元件(22、76)提供偏置磁场；
一线圈(26、74)，该线圈也安装于壳体(27)并围绕大型磁致伸缩传感元件(22、76)，用于传感因大型磁致伸缩传感元件(22、76)中振动波而产生的磁场变化；
壳体(27)的一部分，该部分提供了一安装表面；
一紧固件(52)，该紧固件在壳体27和可在其中传感到一振动的一机器(56)的一结构元件(54)之间延伸，从而将壳体(27)的安装表面固定在机器的结构元件(54)上，其中，当壳体(27)提供一安装表面的部分由紧固件(52)固定在机器的结构元件(54)上时，大型磁致伸缩传感元件(22、76)直接或通过一间隔件装载在机器的结构元件(54)上；以及
其中，壳体(27)具有在安装表面和大型磁致伸缩传感元件(22、76)之间延伸的部分，该部分弹性偏置大型磁致伸缩传感元件(22、76)或间隔件而使它们靠着机器的结构元件(54)。
2.如权利要求1所述的振动传感器(20、58)，其特征在于，偏置磁体(24)直接与大型磁致伸缩传感元件(22、76)接触，而大型磁致伸缩传感元件(22、76)联结于间隔件。
3.如权利要求1所述的振动传感器(20、58)，其特征在于，壳体(27)具有两个安装表面，以及，大型磁致伸缩传感元件(22、76)位于这两个安装表面之间，以及，壳体(27)具有在每个安装表面和大型磁致伸缩传感元件(22、76)之间、将大型磁致伸缩传感元件(22、76)或间隔件弹性偏置而靠着机器的结构元件(54)上的一部分。
4.如权利要求1所述的振动传感器(20、58)，其特征在于，一直流电源(72)连接于线圈(26、74)以形成偏置磁体，线圈(26、74)被放置成向大型磁致伸缩传感元件(76)提供一偏置磁场，而一电子过滤器(78)被连接成通过线圈(26、74)以传感因大型磁致伸缩传感元件(76)中的振动波而产生的磁场变化。
5.如权利要求1所述的振动传感器(20、58)，其特征在于，壳体(27)具有两个安装表面，以及，大型磁致伸缩传感元件(22、76)位于这两个安装表面之间，以及，壳体(27)具有在每个安装表面和大型磁致伸缩传感元件(22、76)之间、将大型磁致伸缩传感元件(22、76)或间隔件弹性偏置而靠着机器的结构元件(54)上的一部分。
6.如权利要求1所述的振动传感器(58)，其特征在于，该振动传感器具有形成一偏置构件的一悬臂梁(64)，该偏置构件通过一间隔件(66)将传感元件(22、76)弹性压靠在机器(56)的结构元件(54)上。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的振动传感器(20、58)，其特征在于，大型磁致伸缩传感元件(22、76)包括Terfenol-D。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的振动传感器(20、58)，其特征在于，偏置磁体(24)是一含有稀土金属的高强度类型。
9.如权利要求1-7中任意一项所述的振动传感器(20、58)，其特征在于，机器(56)是汽车。
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