超磁致伸缩振动传感器的模型与实验研究

论文摘要

超磁致伸缩材料Terfenol-D具有逆磁致伸缩效应,利用这种效应可以制作超磁致伸缩振动传感器。基于逆磁致伸缩效应的振动传感技术,很有可能开发出新一代的振动传感器,它可广泛应用于振动测试和主动振动控制领域,促进振动测试与振动控制技术的发展。本文选择了“超磁致伸缩振动传感器的模型与实验研究”这一既具有科学价值又具有工程实际意义的课题,以期对超磁致伸缩振动传感器的开发及应用提供支持。本文的主要工作如下:1、研究了振动传感器中的核心元件Terfenol-D在一定的偏置磁场下外压应力和应变的关系,结果表明当给Terfenol-D棒施加轴向偏置磁场时,应力与应变之间呈现复杂的非线性关系。由此关系引出杨氏模量随磁场的变化及ΔE效应,从磁性材料磁畴理论和磁导率入手,解释了偏置磁场下应力和应变的关系。进行了一定偏置磁场下外应力和磁感应强度的实验研究,实验结果表明偏置磁场为5kA/m时,磁感应强度最大。2、在Jiles-Atherton模型、电磁学原理和换能器系统的结构动力学原理的基础上,考虑交流驱动电流和动态应力的变化,建立了外加交流磁场和动态应力共同作用下的超磁致伸缩换能器的动态模型,利用该模型计算了描述动态磁场和动态应力共同作用下的换能器输出位移、输出力和感应线圈两端产生的感应电压的变化规律。3、当给换能器施加的磁场为驱动场,应力为常应力,换能器以致动器模式工作,利用上述模型计算了超磁致伸缩致动器的输入电流和输出应变（或位移）,并进行了实验测试,计算结果和实验结果符合较好;当外加应力为动态应力,磁场为常量时,换能器以传感器模式工作,上述模型可用于确定磁致伸缩传感器的感应电压。4、进行了振动传感器的实验研究,确定传感器感应电压峰-峰值和传感器的驱动条件及偏置条件（偏置磁场和预应力）的关系,并把实验结果和理论计算值进行了对比,结果基本相符。采用平均法和五点三次平滑法对部分实验数据进行了平滑预处理,处理后采用傅立叶变换进行数字带通滤波,消除了白噪声。5、根据振动传感器的机电变换原理,结合惯性传感器的机械接收原理,建立了超磁致伸缩振动传感器的传递函数模型,该模型可以描述振动传感器的输出电压和输入振动信号的变化关系。进行了振动传感器的时域分析、频域分析和灵敏度分析。基于零极点配置的原理进行了振动传感器的低频特性补偿的仿真研究,为振动传感器的低频特性补偿提供了参数。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• §1-1 超磁致伸缩材料
• 1-1-1 超磁致伸缩材料及特点
• 1-1-2 超磁致伸缩材料的应用概况
• §1-2 超磁致伸缩换能器的模型
• 1-2-1 磁场和应力作用下的超磁致伸缩材料的磁畴
• 1-2-2 超磁致伸缩材料的模型
• 1-2-3 超磁致伸缩换能器的模型
• §1-3 振动传感器的研究现状
• 1-3-1 振动测试系统
• 1-3-2 典型的振动传感器
• 1-3-3 超磁致伸缩振动传感器
• §1-4 选题意义及论文主要内容
• 第二章 外应力对传感器中 Terfenol-D 的应变及磁感应强度的影响
• §2-1 引言
• §2-2 振动传感器中 Terfenol-D 的应力和应变关系
• 2-2-1 磁场和应力对传感器中 Terfenol-D 的磁畴的影响
• 2-2-2 实验方法
• 2-2-3 振动传感器中Terfenol-D 的应力和应变的关系
• 2-2-4 杨氏模量 E 的变化
• §2-3 Terfenol-D 棒的磁化曲线及相对磁导率
• 2-3-1 Terfenol-D 棒的磁化曲线和相对磁导率
• 2-3-2 磁弹性能决定的畴转磁化
• §2-4 外应力对振动传感器中 Terfenol-D 的磁感应强度的影响
• 2-4-1 外应力对传感器中 Terfenol-D 的磁感应强度的影响
• 2-4-2 增量磁导率
• §2-5 稀土超磁致伸缩应力测试仪的设计及实验结果
• 2-5-1 应力测试仪的工作原理及硬软件设计
• 2-5-2 应力测试仪测试结果及分析
• §2-6 本章小结
• 第三章 磁场和应力作用下的超磁致伸缩换能器的模型
• §3-1 引言
• §3-2 超磁致伸缩换能器的结构及其工作原理
• §3-3 磁场和应力作用下的超磁致伸缩换能器的模型
• 3-3-1 换能器输出位移和输出力模型
• 3-3-2 换能器感应电压模型
• 3-3-3 磁致伸缩材料的磁化强度模型
• 3-3-4 换能器动态模型的数值求解
• §3-4 计算结果与分析
• §3-5 致动器输出特性分析
• 3-5-1 计算结果
• 3-5-2 实验结果
• §3-6 本章小结
• 第四章 超磁致伸缩振动传感器输出特性的实验研究
• §4-1 引言
• §4-2 振动传感器的工作原理和感应电压的计算
• §4-3 振动传感器实验系统的结构框图
• §4-4 实验结果及分析
• 4-4-1 激振器输出特性
• 4-4-2 传感器感应电压和传感器内偏置磁场的关系
• 4-4-3 传感器感应电压和传感器所受预应力的关系
• 4-4-4 传感器感应电压和输入振动信号的关系
• 4-4-5 测试传感器感应电压和感应线圈匝数的关系
• §4-5 实验数据处理
• 4-5-1 实验数据预处理
• 4-5-2 实验数据数字滤波
• §4-6 本章小结
• 第五章 超磁致伸缩振动传感器的时域频域特性
• §5-1 引言
• §5-2 超磁致伸缩振动传感器的传递函数
• 5-2-1 振动传感器分类
• 5-2-2 超磁致伸缩振动传感器机械接收原理
• 5-2-3 超磁致伸缩振动传感器机电变换原理
• 5-2-4 超磁致伸缩振动传感器的传递函数
• §5-3 时域分析
• 5-3-1 单位正弦响应
• 5-3-2 单位阶跃响应
• §5-4 频率特性
• 5-4-1 机械接收部分的幅频特性和相频特性
• 5-4-2 振动传感器的波特图
• §5-5 超磁致伸缩振动传感器的灵敏度
• §5-6 振动传感器低频特性补偿
• 5-6-1 动态特性补偿原理
• 5-6-2 动态特性补偿的仿真研究
• §5-7 本章小结
• 第六章 结论
• 一、全文工作总结
• 二、主要创新点
• 三、进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间所取得的相关科研成果