论文摘要
磁传感器应用广泛,由起初用于磁场检测发展到应用于磁场相关的各种物理量的间接测量或控制。随着新型磁性材料的出现,磁传感技术不断发展。超磁致伸缩材料Terfenol-D磁-机转换效率高、能量密度大、响应速度快。声表面波（SAW）谐振器输出频率稳定、体积小,能用于检测压力、加速度等各种力学量。本文研究了一种由Terfenol-D和SAW谐振器构成的复合磁传感器,在磁场作用下,Terfenol-D发生磁致伸缩,并将由伸缩产生的应力传递至与其复合的SAW谐振器上,引起谐振器谐振频率改变,通过测量谐振频率变化量来测量磁场强度。与传统磁传感器相比,Terfenol-D/SAW谐振器复合磁传感器结构简单、成本低,可以无源工作,实现无线传感,在磁场测量领域具有广泛的应用前景。本论文的主要研究工作如下:1.分析了SAW谐振器基片的应力敏感机理以及SAW谐振器谐振频率与基片应变的关系;结合Terfenol-D的工作原理和模式,研究了复合磁传感器的结构设计,采用两片Terfenol-D夹持SAW谐振器构成磁传感器的敏感单元结构。2.建立了Terfenol-D/SAW谐振器复合磁传感器的静态模型,对弹性敏感元件Terfenol-D和SAW谐振器进行受力分析,采用有限元软件ANSYS对SAW基片进行受力仿真;结合压磁方程和受力平衡,分析了复合磁传感器在静态磁场下的输出响应,得到SAW谐振器谐振频率变化量与被测磁场强度的关系。研究表明:Terfenol-D/SAW谐振器复合磁传感器的静态灵敏度与Terfenol-D的压磁系数、Terfenol-D与SAW谐振器的长度比、截面积比有关。3.构建了磁传感器的实验测试系统,通过对Terfenol-D/SAW谐振器复合磁传感器的静态特性和磁滞特性测试实验,得到了SAW谐振器谐振频率变化量与被测磁场强度的关系曲线及其磁滞特性曲线。实验结果表明:压磁系数与磁场的非线性关系导致Terfenol-D/SAW谐振器复合磁传感器的输出与磁场的关系为非线性;该磁传感器的静态灵敏度为40.6341.7Oe/Hz。当测量谐振频率的分辨率为1Hz,SAW谐振器的频率稳定度为0.1ppm时,该复合磁传感器的分辨率为10-610-5T。
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摘要ABSTRACT1 绪论1.1 引言1.2 磁传感器的分类及特点1.2.1 低强度磁场传感器1.2.2 中强度磁场传感器1.2.3 高强度磁场传感器1.2.4 磁致伸缩复合磁传感器1.3 课题研究目的和意义1.4 国内外研究现状1.5 课题主要研究内容2 超磁致伸缩材料 Terfenol-D2.1 概述2.2 磁致伸缩效应、产生机理及其材料特性2.2.1 磁致伸缩效应2.2.2 磁致伸缩产生机理2.2.3 超磁致伸缩材料特性及应用2.3 Terfenol-D 的工作特性2.3.1 不同预应力下偏置磁场对磁致伸缩系数的影响2.3.2 预应力和偏置磁场对压磁系数 d33 的影响2.3.3 Terfenol-D 的工作模式2.4 压磁方程2.5 本章小结3 声表面波谐振器3.1 概述3.2 声表面波分类及特性3.2.1 声表面波分类3.2.2 各向同性介质中的瑞利波3.2.3 压电介质中的声表面波特性3.3 声表面波器件构成3.3.1 叉指换能器的工作原理和基本特性3.3.2 反射栅阵3.4 声表面波谐振器3.5 声表面波器件基片材料简介3.6 本章小结4 Terfenol-D 与 SAW 谐振器复合磁传感器敏感单元设计4.1 概述4.2 Terfenol-D/SAW 磁传感器原理4.3 Terfenol-D/SAW 复合磁传感器敏感单元结构设计4.4 敏感单元结构对比与选择4.5 本章小结5 Terfenol-D 与 SAW 谐振器复合磁传感器理论分析5.1 概述5.2 模型等效与理论分析5.3 有限元法的模拟与仿真5.3.1 有限元简介5.3.2 仿真结果与分析5.4 本章小结6 实验研究6.1 概述6.2 实验方案及测试系统设计6.2.1 网络分析仪6.2.2 实验方案6.2.3 实验测试系统设计6.3 SAW 谐振器静态特性测试6.4 Terfenol-D/SAW 复合磁传感器静态特性实验6.4.1 静态特性实验6.4.2 重复性分析6.5 Terfenol-D/SAW 复合磁传感器的磁滞特性实验6.6 本章小结7 总结与展望7.1 完成的主要工作7.2 进一步的工作与展望致谢参考文献附录
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